新疆吉木萨尔页岩油水平井钻井关键技术

2023-11-20王维良涂福洪

西部探矿工程 2023年11期

郭亮，邹荣，王维良，涂福洪，杨静，李敏

（中国石油集团渤海钻探工程有限公司第三钻井工程分公司，天津 300280）

随着石油勘探开发的深入，我国开启了页岩油产能部署。2017 年中国石油天然气股份有限公司评估认为页岩油（含低成熟页岩油资源）资源丰富，储量超过700×108t，主要分布在准噶尔盆地、松辽平原、渤海湾区域、鄂尔多斯盆地等多个区域，部分地区初具开发规模[1-8]。新疆吉庆吉木萨尔页岩油自2011 年勘探发现以来，历经“勘探发现、提产试验、技术突破和效益开发探索”阶段，目前采用的是二开井身结构，采用大井丛工厂化钻井模式施工，平均井深约5900m，水平段长1800～2200m，施工难度大。施工中面临二开水平井裸眼段长、造斜点深、井眼轨迹控制难、易发生井漏井塌、定向钻进托压严重等难题，严重制约了钻井速度[9-15]。为此，开展了吉木萨尔页岩油水平井钻井关键技术研究，形成了“表套深下+油基钻井液”二开水平井开发技术方案，封隔浅部薄弱地层，采用化学抑制机理降低梧桐沟组坍塌风险，降低梧桐沟组钻井液密度，增大安全密度窗口，有效解决了三开变二开后长裸眼段“上下漏、中间塌”等安全钻井难题，缩短了钻井周期，为加快新疆油田吉庆页岩油勘探开发步伐提供了技术支撑。

1 钻井技术难点

（1）地层可钻性差。地层纵向夹层多、岩性变化大、可钻性差，钻井周期长，常规螺杆钻具组合条件下机械钻速低，钻井提速工具和钻头选型困难。

（2）摩阻扭矩高。吉木萨尔页岩油采用大井丛工厂化钻井模式开发，设计均为二开井身结构井，平均井深5900m，造斜点深约3800m，水平段长1800～2200m，定向钻进托压严重。

（3）井眼轨迹控制难度大。二开裸眼段长，定向钻进效率低，水平段长，上倾井井斜最大达到95°，造斜率5.5°～5.8°/30m，机械钻速低。

（4）事故复杂防控困难。表层容易发生串槽到地表，韭菜园子组至梧桐沟组井段坍塌压力高，井眼易垮塌埋钻具。韭菜园子组和梧桐沟组裂缝发育，易井漏。地层浸泡时间长，极易发生井塌，影响钻井时效。

2 钻井关键技术

针对上述技术难点，开展钻头优化改进、钻具组合优化与井眼清洁技术、井眼轨迹控制技术、长裸眼井壁稳定及防漏技术及现场施工工艺技术等研究，形成吉木萨尔页岩油水平井钻井关键技术。

2.1 钻头改进

前期试验的五刀翼PDC 钻头，在造斜段碳酸盐地层和水平段夹层对钻头磨损严重。从19口邻井分析发现：8 口井造斜段能实现一趟钻，机械钻速范围7～13.5m/h，一趟钻钻头基本上肩部磨损达2～3。其他的井需使用2～3 只钻头，平均机械钻速范围6～10m/h，出井钻头部分切削齿有崩齿损伤。因此增大了排屑槽，更适应快速钻进的需要；调整了复合片减震结构，提高钻头在低钻压状态下的吃入深度；优化了肩部布齿，发生大段划眼时可有效降低钻头损坏风险。改进后的五刀翼PDC 钻头（见图1）在攻击性提高4%，扭矩降低7%，还能减小钻进过程中SS 粘滑震动发生风险，差值ΔMu由原来的0.23 降低到0.16。单趟进尺2861m，平均机械钻速11.91m/h，单日最高进尺达341m。

同时针对可钻性好的上部井段，为提高钻头攻击性，四刀翼PDC钻头大幅度降低布齿密度，显著提高塑性泥岩的钻进效率。

2.2 钻具组合优化与井眼清洁技术

（1）优化钻具组合。通过管柱力学和水力学计算，将工程设计中加重钻杆20 柱优化至6 柱，在保证钻具强度、钻压传递的同时，降低摩阻、降低循环压耗。

优化后钻具组合：∅215.9mm 钻头+旋转导向+MWD+LWD+∅127mm 无磁承压钻杆×1 根+∅127mm斜坡加重钻杆×6 根+∅127mm 斜坡钻杆×240 根+∅127mm斜坡加重钻杆×12根+∅127mm钻杆×若干。

（2）井眼清洁技术。通过井眼清洁器机械切削与旋流扰动的双重作用，破坏、清除已有岩屑床，并预防新岩屑床的形成，起到清洁井眼的作用（见图2）。优化清洁器加放位置。通过理论计算，在井斜30°至水平井段均匀覆盖，有效提高了井眼清洁效率，进一步降低系统循环压耗，减轻机泵负载。例如上倾井JHW60-110井在造斜及水平段应用井眼清洁器，通过岩屑称重计量装置监测井段从3300～5800m 结束采集数据，预警3次，理论返出岩屑体积79.13m³，实际返出岩屑体积69.08m³，岩屑返出率达87.3%，岩屑浓度从11.61%降到4.86%，岩屑床厚度由30mm 减少到17.7mm，井眼清洁效果显著。

图2 井眼清洁器

2.3 井眼轨迹控制技术

针对设计造斜率高，水平段长，马达钻进时效低。通过井眼轨迹控制技术研究，螺杆钻具、导向工具及测量储存仪器的优选，以达到提速提效，在初始造斜阶段或者全部造斜井段使用PDC 钻头+旋导配合大角度低摩阻马达使用，取得和很好的效果。优化轨道设计，从设计源头降低长裸眼井段定向施工工作量，能够进一步提高长裸眼井段的施工效果，同时通过对钻具的调整，配合改进的井身结构，能够更好的发挥轨道设计的优势。

AutoTrak eXact 工具由旋转导向头、OnTrak MWD/LWD和双向通讯发电短节组成。各工具短节都是模块化设计，可随时更换，有四大优势：三维轨迹精确制导；理论最高造斜率10°/30m；水平段稳斜钻进井斜变量0.18°，实现极薄目的层内的导向钻进；模块化连接，可根据测井要求加接不同工具。

2.4 水平井井壁稳定及防漏研究

（1）井壁失稳的地质特征及分析。西山窑组、八道湾组主要为煤线、泥岩段及砂泥岩薄互层段；克拉玛依组至烧房沟组中部主要为褐色泥岩段；梧桐沟组中部及上部主要为灰色、褐色泥岩段。以上地层都是水敏性地层，吉木萨尔页岩油区块二开裸眼段长，地层浸泡时间长，如果使用水基泥浆极易发生垮塌等失稳现象，但是全油基钻井液几乎不产生水化效应；油包水乳化钻井液在乳液稳定的情况下也基本不发生水化效应，因此油基钻井液不会产生水化膨胀压。

通过研究采用油基泥浆体系，防塌原理和措施：化学抑制。控制油水比80∶20以上，减少水相侵入地层，有效预防煤层和水敏性强地层遇水膨胀垮塌。物理封堵。在薄弱地层段提前加入BZ-OFL、细目钙等封堵材料，提高地层承压能力，预防井漏。力学支撑。密度控制在1.52g/cm3以上，进入造斜段缓慢逐步提密度至设计上限1.58g/cm3。

（2）井漏特征及原因分析：二开井段井漏主要发生在目的层芦草沟组，目的层由于裂缝发育，易井漏是由于密度过高及受邻井压裂影响造成。工程方面防漏措施：进入易漏层前，保持BZ-OFL、细目钙含量各3%；严格控制起下钻速度，减少激动压力；钻进中控制密度，及时监测ECD值合理；施工前落实周边生产井情况，及时关停。泥浆防漏技术：利用油基泥浆的强抑制能力，在薄弱地层段提前加入BZ-OFL、细目钙等封堵材料，提高地层承压能力，预防井漏。

3 现场试验

3.1 总体应用情况

针对吉木萨尔页岩油区块钻井技术难题，开展了三个阶段的现场试验，第一个阶段确保了钻井周期从50～60d 降低到40d 的转变，在第二阶段的基础上逐步迈进了30d 以内。2021 年累计试验13 口井，平均井深5909.62m，钻机月速3567.03m/台月，机械钻速为14.31m/h，平均钻井周期39.13d，事故复杂时间0.24%，同比2020年降低6.21%，达到了项目预期目标。

3.2 取得的成果

（1）优选出适合的高效钻头。史密斯215.9mm MDI516钻头和贝克旋转导向工具、配合“激进”式参数钻井，实现了一开一趟钻、二开直井段一趟钻、定向+水平井段一趟钻实现了1+1+1钻井模式。

（2）钻具组合优化与井眼清洁技术优异。钻具组合中加装井眼清洁器保证了井眼携砂效果，在二开直井段钻进和造斜井段、水平井段减少了起下钻时间，增加了纯钻进时效，相应提高了钻机月速，完成的13口水平井平均钻机月速3567.03m/台月。

（3）掌握了井眼轨迹控制技术，合理确定钻具组合在井丛场批钻过程中不仅做好了防碰工作而且减少了直井段定向时间，增加了导向钻进时间提高了机械钻速。JHW59-14井、JHW59-13井、JHW60-19井直井段日进尺均突破800m 连续三口井创吉庆页岩油区块指标。

（4）摸索出适合的防塌和防漏泥浆体系，具备以下优点：电稳定性强：现场施工过程中，体系破乳电压维持在600V以上，保证了钻井过程中体系稳定性。携砂性好：现场钻井液水平段动切力8.5Pa，满足长水平段携砂要求。润滑效果好：长水平段钻井过程顺利，起下钻顺畅，电测一次成功率100%。悬浮稳定性强：现场施工起下钻过程中体系密度无变化，循环罐无重晶石沉降。井壁稳定效果好：施工井井径规则，平均井径扩大率4%以下。

（5）长裸眼井壁稳定及防漏技术可靠，一开、二开钻井过程中随钻加入堵漏材料和细目碳酸钙封住钻进过程中形成的微裂缝，合理的确定钻井液密度、动切力、破乳电压有效的保护井壁做好了防塌、防漏工作。

（6）页岩油白/柴油基钻井液配方，主要性能指标如下：密度1.52～1.58g/cm3；粘度70～90s；动切力7～10Pa；ES600～1000V；油水比（80∶20）～（85∶15），有效的保证了“激进”钻井在施工过程中的应用。