摘 要

摘　要：蘇里格氣田位于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡西北側(cè)，屬于大型陸相砂巖巖性圈閉氣藏，是我國(guó)迄今為止已發(fā)現(xiàn)的開(kāi)發(fā)難度最大的低滲透率、低壓力、低豐度的“三低”大型氣

摘　要：蘇里格氣田位于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡西北側(cè)，屬于大型陸相砂巖巖性圈閉氣藏，是我國(guó)迄今為止已發(fā)現(xiàn)的開(kāi)發(fā)難度最大的低滲透率、低壓力、低豐度的“三低”大型氣田。氣田開(kāi)發(fā)模式歷經(jīng)直井、定向井再到水平井，但鉆井周期長(zhǎng)、建井綜合成本高一直嚴(yán)重制約著該氣田的經(jīng)濟(jì)有效開(kāi)發(fā)。為此，中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田公司針對(duì)如何提高鉆井速度、降低鉆井成本等一系列難題，開(kāi)展了多年的探索、攻關(guān)與實(shí)踐，最終形成了以井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化、PDC鉆頭個(gè)性化設(shè)計(jì)、井眼軌跡優(yōu)化與控制，以及鉆井液體系優(yōu)化斜井段應(yīng)用復(fù)合鹽鉆井液、水平段應(yīng)用無(wú)土相暫堵鉆(完)井液]等為核心的水平井快速鉆井配套技術(shù)。2010年至今，該技術(shù)已經(jīng)在該氣田240余口水平井上規(guī)模推廣應(yīng)用，平均鉆井周期由以前的90.2d縮短至67.1d，平均砂層鉆遇率達(dá)到了81％，取得了顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，成為蘇里格氣田經(jīng)濟(jì)有效開(kāi)發(fā)的主體技術(shù)之一。

關(guān)鍵詞：鄂爾多斯盆地  蘇里格氣田  水平井  鉆井技術(shù)  井身結(jié)構(gòu)PDC鉆頭  井眼軌跡  鉆井液

Rapid drilling technologies of horizontal wells in the Sulige Gas Field,Ordos Basin

Abstract：The Sulige Gas Field is situated in the northwestern Yishaan slope of the Ordos Basin，where macro scale continental sandstone reservoirs are well developed．This giant field with low permeability，low pressure and low abundance has been one of the most difficult gas fields to develop in China．Although the field development pattern is experiencing from vertical to directional wells．And then to horizontal wells，a long drilling cycle and high drilling cost are still the great challenges in the economic and effective development of this field．In view of this，the PetroChina Changqing Oilfield Company has conducted technical research and field practices for many years and finally developed a series of rapid drilling technologies of horizontal wells，including the optimization of well Profile，individual design of PDC drill bits，optimization and control of well traj ectory，the innovative drilling fluid system(the composite salt drilling fluid applied in the deviated well sections；and the clay free temporary plugging drilling and completion fluids in thehorizontal well sections)，and so on．Since 2010，the above technologies have been applied in more than 240 horizontal wells in this field．As a result，the average drilling cycle was shortened from 90.2 to 67.1 days：the sandstone pay zone targeting rate was up to 81％ on average；and the drilling cost was reduced by over l／3．With obvious technical and economic benefit achieved，the rapid drilling technologies of horizontal wells are worth widely applying in this field．

Key words：Ordos Basin，Sulige Gas Field，horizontal well，drilling technology，well profile，PDC bit，wellbore trajectory，drilling f1uid

鄂爾多斯盆地蘇里格氣田是我國(guó)陸上最大的整裝氣田，同時(shí)也是致密砂巖氣藏的典型代表。主力氣層埋深3300～3500m，大量數(shù)據(jù)表明，該氣田是典型的低滲透(0.06～2mD)、低壓力(壓力系數(shù)0.87)、低豐度[(1.1～2)×10⁸m³／km²]氣田，其“三低”特征決定了氣田單井的低產(chǎn)現(xiàn)狀。地層可鉆性較差、巖性致密導(dǎo)致蘇里格開(kāi)發(fā)初期機(jī)械鉆速低、鉆井周期長(zhǎng)、開(kāi)發(fā)成本高，根據(jù)評(píng)價(jià)投入產(chǎn)出結(jié)果，蘇里格氣田不能實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)有效開(kāi)發(fā)^[1-3]。為提高鉆井速度，降低開(kāi)發(fā)成本，解決氣田規(guī)模效益開(kāi)發(fā)難題，2008年開(kāi)始，中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田公司科研人員轉(zhuǎn)變思路，針對(duì)制約鉆井速度的一系列瓶頸技術(shù)展開(kāi)攻關(guān)，推進(jìn)了主體開(kāi)發(fā)方式由直井到水平井的轉(zhuǎn)變^[3-4]，平均井深突破4500m，走出了一條低成本水平井快速鉆井的新路子，實(shí)現(xiàn)了蘇里格氣田的整體效益開(kāi)發(fā)^[5-6]。

1　水平井鉆井難點(diǎn)分析

1．1　機(jī)械鉆速低

蘇里格氣田屬于非均質(zhì)性極強(qiáng)的致密巖性氣田，儲(chǔ)層深度達(dá)3500m，鉆遇地層中的白堊系、侏羅系、三疊系、二疊系等地層硬度高、可鉆性差，其中紙坊組一石千峰組為含礫石夾層砂巖，鉆時(shí)極慢，直井段平均機(jī)械鉆速5.37m／h，斜井段復(fù)合鉆進(jìn)平均機(jī)械鉆速1.01m／h，滑動(dòng)鉆進(jìn)平均機(jī)械鉆速0.35m／h。鉆進(jìn)時(shí)蹩跳嚴(yán)重，往往造成PDC鉆頭切削齒崩裂、肩部齒脫落、保徑嚴(yán)重磨損等早期損壞(圖1)。

 

1．2　軌跡控制難度大

蘇里格氣田實(shí)鉆資料顯示，在橫向甩開(kāi)幾百米甚至幾十米的情況下，儲(chǔ)層垂深會(huì)發(fā)生很大的變化，含氣砂體厚度分布不均，發(fā)育不穩(wěn)定，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)砂體變薄、儲(chǔ)層上傾或下傾、甚至尖滅。在斜井段(著陸)入窗及水平段鉆進(jìn)過(guò)程中，需要頻繁淵整井眼軌跡，軌跡控制難度大，造成水平段長(zhǎng)度短、砂體有效鉆遇率低。

1．3　鉆頭泥包嚴(yán)重

斜井段鉆遇二疊系中的石千峰組、石盒子組多為黏性很強(qiáng)的泥巖，極易黏附在PDC鉆頭上，堵塞噴嘴，形成泥包(圖2)，造成機(jī)械鉆速大幅度降低、泵壓升高、甚至鉆頭長(zhǎng)時(shí)間無(wú)進(jìn)尺。

 

1．4　井壁泥巖坍塌

蘇里格氣田鉆遇地層直羅組、延安組、延長(zhǎng)組、石干峰組、石盒子組都存在大量泥巖夾層，其中石千峰組、石盒子組地層的大段泥巖水化力極強(qiáng)，易出現(xiàn)吸水膨脹，造成井壁失穩(wěn)、垮塌、掉塊等現(xiàn)象^[7]，從而導(dǎo)致后期下套管、固井施工困難。如蘇平14-1X-3H井因?yàn)樾本尉谔坠軣o(wú)法下入井底被迫填井側(cè)鉆。

2　水平井快速鉆井技術(shù)

2．1　水平井井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

針對(duì)蘇里格氣田地層巖心可鉆性分析，并對(duì)不同鉆頭尺寸模擬水平井鉆進(jìn)參數(shù)時(shí)的機(jī)械破巖能力進(jìn)行對(duì)比，由表l可以看出，Æ215．9 mm鉆頭在一定條件下，破巖能力最強(qiáng)。斜井段優(yōu)化為Æ215.9mm井眼可大幅提高機(jī)械鉆速。

針對(duì)蘇里格氣田水平井Æ311.2mm鉆頭機(jī)械鉆速低、Æ203mm螺桿造斜率小、斜井段施工周期長(zhǎng)、井壁穩(wěn)定性差等難題，通過(guò)理論研究和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，并參考井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法^[8]中套管與井眼之間環(huán)空的合理間隙^[9]，優(yōu)化形成蘇里格氣田水平井的彥273.1mm×Æ177.8mm×裸眼的主體井身結(jié)構(gòu)(圖3)，表層井眼尺寸由Æ444.5mm優(yōu)化為Æ346.1mm，第二次開(kāi)鉆使用尺寸Æ241.3mm的鉆頭鉆至造斜點(diǎn)，取消了導(dǎo)眼段，斜井段再采用Æ215.9mm鉆頭鉆至入窗點(diǎn)，下入Æ177.8mm技術(shù)套管，水平段優(yōu)化為Æl52.4mm井眼。

2．2　PDC鉆頭個(gè)性化設(shè)計(jì)

2．2．1斜井段PDC鉆頭設(shè)計(jì)

根據(jù)蘇里格氣田多硬夾層地層的特點(diǎn)，Æ215.9mm的PDC鉆頭采用等磨損原則和等切削原則相結(jié)合的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，在基本輪廓理論曲線方程進(jìn)行擬合的基礎(chǔ)上，結(jié)合鉆頭設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和使用鉆頭類(lèi)比^[10-11]，確定鉆頭為淺內(nèi)錐、短外錐、拋物線形鉆頭肩部外形(圖4)。

 

對(duì)其模擬定向鉆進(jìn)有限元力學(xué)分析表明，在一定的鉆壓下，短外錐的PDC鉆頭受力均勻，拋物線形鉆頭肩部外形的連續(xù)性過(guò)渡可消除集中點(diǎn)載荷，這更有利于PDC鉆頭的穩(wěn)定性。外錐短拋物線可以減小鉆頭與井壁的接觸面積，從而減小鉆頭與井壁之間的摩擦力，減輕鉆頭與井壁摩擦導(dǎo)致的鉆頭渦動(dòng)，提高了鉆頭定向反應(yīng)靈敏度。攻擊型布齒設(shè)計(jì)既保證鉆頭能吃入硬夾層，且鉆頭鉆出硬夾層時(shí)切削齒不損壞。此外，增加鉆頭鼻部至保徑部分切削齒的投影密度，有利于保護(hù)切削齒，增強(qiáng)鉆頭穿硬夾層的能力和加強(qiáng)保徑的能力。在斜井段施工過(guò)程中，這種結(jié)構(gòu)的PDC鉆頭在較小的鉆壓下就能獲得比常規(guī)PDC鉆頭更高的鉆速，同時(shí)由于扭矩較小，鉆頭穩(wěn)定性強(qiáng)，工具面更加穩(wěn)定，使斜井段平均機(jī)械鉆速、單只鉆頭進(jìn)尺與壽命大幅提高。

2．2．2水平井段PDC鉆頭設(shè)計(jì)

蘇里格氣田水平井儲(chǔ)層位于上古生界二疊系中統(tǒng)石盒子組，該層上部以雜色、灰色泥巖夾灰綠色砂巖為主，下部以灰白色砂巖夾深灰色泥巖為主。水平井段鉆進(jìn)時(shí)，PDC鉆頭經(jīng)常出現(xiàn)崩齒、失去保徑、偏磨、泥包、定向能力差等問(wèn)題，嚴(yán)重制約了水平井段施工效率與水平井段實(shí)鉆長(zhǎng)度。

經(jīng)過(guò)對(duì)蘇里格氣田巖石可鉆性、鉆頭破碎規(guī)律進(jìn)行分析，并結(jié)合巖心、測(cè)井等資料，針對(duì)硬夾層設(shè)計(jì)了雙重保護(hù)切削結(jié)構(gòu)，減小鉆頭震動(dòng)，提高鉆頭抗沖擊能力及耐磨性^[12]。根據(jù)鉆頭水平井段鉆進(jìn)時(shí)水平射流流體流動(dòng)場(chǎng)，調(diào)整鉆頭噴嘴的方位角和噴射角度，增加鉆頭排屑槽面積，降低水力能量對(duì)切削齒和刀翼體的沖蝕。此外，根據(jù)水平井段施工穩(wěn)斜的需要，設(shè)計(jì)了短徑螺旋保徑5刀翼結(jié)構(gòu)，減小PDC鉆頭反扭矩，提高鉆頭定向和穩(wěn)斜能力^[13](圖5)。

 

2．3　井眼軌跡控制技術(shù)

2．3．1剖面優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)

蘇里格碎屑巖地層巖性變化大，縱向上存在目標(biāo)層提前或推后，橫向上巖性變化快。為實(shí)現(xiàn)最短施工時(shí)間、最低成本消耗，斜井段以井斜約85°穩(wěn)斜鉆進(jìn)至目標(biāo)層頂部最為理想。若儲(chǔ)層提前，當(dāng)增斜至90°時(shí)，進(jìn)入靶區(qū)儲(chǔ)層僅2～3m；若儲(chǔ)層推后，可繼續(xù)穩(wěn)斜快速向下追蹤。因此，蘇里格氣田根據(jù)該區(qū)塊最優(yōu)造斜率5°／80m～6°／30m與斜井段復(fù)合鉆進(jìn)比例最大靶前距500m進(jìn)行研究，優(yōu)化形成了“七急下緩、直增穩(wěn)增”的雙增剖面設(shè)計(jì)，使軌跡控制始終占據(jù)主動(dòng)，確保準(zhǔn)確入窗，復(fù)合鉆進(jìn)井段達(dá)70％。

2．3．2實(shí)鉆軌跡控制技術(shù)

蘇里格氣田儲(chǔ)層含氣砂體薄，傾角變化大，LWD測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)儲(chǔ)層信息滯后于鉆頭位置，實(shí)鉆過(guò)程中井眼軌跡調(diào)整頻繁，砂體有效鉆遇率低。為提高氣層有效鉆遇率，提高鉆井速度，針對(duì)軌跡控制難題，通過(guò)鉆具力學(xué)分析與儲(chǔ)集砂體走向評(píng)價(jià)，改變了以往的鉆具組合，實(shí)施近鉆頭測(cè)量^[14]，形成了“精確監(jiān)控、緩慢糾偏、斜有余地、穩(wěn)斜探頂”的軌跡控制技術(shù)。該項(xiàng)技術(shù)能夠及時(shí)掌握實(shí)鉆軌跡，并根據(jù)地質(zhì)提示提前做出調(diào)整，避免軌跡大幅度變化，降低了軌跡控制難度，提高了砂體有效鉆遇率，縮短了鉆井周期。2010年該技術(shù)在蘇61A-4HX井應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了砂層鉆遇率85.6％，氣層(含氣層)鉆遇率67.6％的突破(圖6)。2011年該技術(shù)在蘇里格氣田實(shí)現(xiàn)規(guī)模應(yīng)用，先后鉆井l63口，平均砂巖鉆遇率81.4％，氣層(含氣層)鉆遇率65.5％。

 

2．4　鉆井液技術(shù)

2．4．1斜井段鉆井液體系

通過(guò)對(duì)“石千峰組、石盒子組”地層坍塌機(jī)理研究，從強(qiáng)化封堵、抑制膨脹和力學(xué)平衡三方面進(jìn)行攻關(guān)，研制出CQSP-X強(qiáng)抑制無(wú)土相復(fù)合鹽鉆井液體系。體系配方為：1.5％SFT-1+1％SMP-2+0.3％CMC(PAC)+0.5％HL60+0.2％NaOH+0.5％CMS+4％～5％QS～4+10％～l5％KCI+10％WT-l。其豐要性能與三磺鉆井液體系對(duì)比如表2所示?？梢钥闯?，體系防塌能力強(qiáng)、潤(rùn)滑防卡性能好、低剪切速率下攜屑能力強(qiáng)。

 

復(fù)合鹽鉆井液體系2011年開(kāi)始在水平井全面推廣，累計(jì)應(yīng)用約100口井，平均縮短斜井段施工周期7～10d。有效抑制了石千峰組、石盒子組的坍塌，克服了PDC鉆頭泥包、黏卡等施工難題，攜帶出的巖屑棱角分明、形狀規(guī)整、無(wú)吸水膨脹，如圖7所示。

 

2．4．2水平井段鉆井液體系

在儲(chǔ)層傷害評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，對(duì)水平井段鉆(完)井液體系從封堵微裂縫、減少濾液侵入，擴(kuò)大鉆井液密度窗口的下限(降低坍塌壓力)3個(gè)方面攻關(guān)試驗(yàn)，優(yōu)化形成了適合于蘇里格水平井段的無(wú)土相暫堵鉆(完)井液體系。體系配方為：l.0％～l.5％G314-FDJ+7％KCL+5％NaCOOH+1％G301-SJS+1.5％G302SZD+0.3％XCD+0.3％PAC-H+0.5％PAC-L+0.3％KPAM+NaCl適量+NaOH適量^[15]。鉆井液體系具有抑制性強(qiáng)(一次回收率達(dá)到94％，二次回收率82.6％)、潤(rùn)滑性高、抗溫可達(dá)l20℃、可加重到l.40g／mL、性能穩(wěn)定性好、屏蔽暫堵效果好(封堵率超過(guò)99％)，具備“快速”“高效”等特點(diǎn)。

該體系2011年開(kāi)始在水平井規(guī)模推廣，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用累計(jì)超過(guò)80井次，平均縮短水平井段施工周期5～8d，應(yīng)用效果表明，無(wú)土相暫堵鉆(完)井液體系潤(rùn)滑防卡性能好、低剪切速率下攜屑能力強(qiáng)，返出H泥巖巖屑內(nèi)部呈干態(tài)，表明抑制性良好，未出現(xiàn)吸水膨脹現(xiàn)象(圖8)。

 

3　應(yīng)用情況

2010—2012年底，以井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化、PDC鉆頭設(shè)汁、井眼軌跡控制、復(fù)合鹽鉆井液體系等技術(shù)集成配套的水平井快速鉆井技術(shù)在蘇里格氣田水平井規(guī)模推廣應(yīng)用約240口，平均鉆井周期由2010年以前的90.2d縮短至67.1d，井下復(fù)雜引起的非生產(chǎn)時(shí)間較應(yīng)用前降低了27.5％，鉆井成本下降民l／3，平均砂層鉆遇率達(dá)到了81％，取得了顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。2013年該技術(shù)在長(zhǎng)慶氣田水平井全面推廣，成為鄂爾多斯盆地快速高效開(kāi)發(fā)的主體技術(shù)之一。

4　結(jié)論

1)攻關(guān)形成了以井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化、PDC鉆頭設(shè)計(jì)、井眼軌跡優(yōu)化與控制、復(fù)合鹽鉆井液體系等為核心的水平井快速鉆井配套技術(shù)，基本解決了蘇里格氣田水平井鉆井難點(diǎn)。

2)水平井快速鉆井配套技術(shù)有效提高了機(jī)械鉆速，大幅度降低了鉆井成本，使蘇里格氣田走出了一條低成本快速鉆水平井的新路子，實(shí)現(xiàn)了蘇里格氣田整體效益開(kāi)發(fā)，2013年在長(zhǎng)慶氣田水平井全面推廣，成為鄂爾多斯盆地天然氣快速高效開(kāi)發(fā)的主體技術(shù)之一。

 

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本文作者：周文軍  歐陽(yáng)勇  黃占盈  吳學(xué)升  王俊發(fā)

作者單位：中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田公司油氣工藝研究院

  “低滲透油氣田勘探開(kāi)發(fā)”國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室

  中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田公司工程監(jiān)督處