蘇丹水平井鑽井技術研究論文
蘇丹水平井鑽井技術研究論文
蘇丹1/2/4區水平井原設計二開準311mm井眼在1050m左右造斜，鑽至1700m左右至著陸點(井斜在80°左右)，下技術套管，再水平鑽進300～800m完鑽。這樣的設計存在如下問題：大井眼井段過長，施工後期泵壓高，安全隱患較大；裝置負荷重，維修時間多；大井眼機械鑽速慢，影響鑽井週期。針對存在問題，對井身結構進行了最佳化：①以前設計造斜點有時會在Jimidi泥砂岩互動層，造斜效果差。根據地層實鑽資料及鄰井資料，將造斜點移至泥岩穩定井段，提高了造斜效果。②技術套管從以前的1700m減少到1300m左右，在井斜60°前下入，減輕裝置負荷，縮短了鑽井週期，降低了鑽井成本。③隨著老油區完鑽井的增加，防碰問題將越來越嚴重，但為了儘量避免繞障而帶來的施工難度，與地質人員和甲方協商，在滿足地質要求的情況下，調整了地質靶點，避開障礙。
在水平段及大斜度井段，傳統的鑽柱結構已不再適用[2]。採用帶欠尺寸扶正器的微增倒裝鑽具組合，將加重鑽桿放置在井斜和全形變化率較小的井段，這樣做減小了下部鑽具的剛性，有效傳遞鑽壓和扭矩；減輕了水平段和接近水平段鑽具向下井壁的壓力；避免了鑽桿臺肩吃入地層，摩擦阻力減小，避免了可能產生的卡鑽。井斜60°以後，使用加重鑽桿代替部分鑽鋌，簡化下部鑽具組合並降低了下部鑽具剛性，將加重鑽桿、震擊器等加在30°～60°井段，減輕下部鑽具重量，有利於鑽具彎曲，減小摩阻，使滑動鑽進加壓更順暢。確保井底獲得足夠的鑽壓，並減少黏卡的機會。鑽具組合為：準127mm鑽頭＋準127mm加重鑽桿×2柱+準127mm鑽桿×5柱+震擊器+準127mm鑽桿+準127mm加重鑽桿9柱+準127mm鑽桿。蘇丹老區塊內水平井目的層厚度大多在1.5～3m，應用LWD工具，將測得的資料與鄰井的電測資料對比，及時進行判斷，可以實時指導鑽進的方向。同時，採用近鑽頭測量工具，減少了儀器零長，測量資料更接近井底，減小了預測誤差和扭轉方位的次數，施工效率更高。下入的LWD測井儀器組合為：Pulser+PSA+SEA+GR+THE+CPR。在著陸層位YabusⅥ之前，Adar和Yabus兩層介面的測井曲線值有一明顯變化：上部泥岩為低電阻值(1～2Ωm)和小密度(2.35g/cm3)，而下部大段泥岩為高電阻值(10Ωm)和較大的`密度值(2.45g/cm3)，保證了準確找到第一個主要標誌層。在著陸前15～20m左右時，根據深淺電阻率的相對變化值指導導向鑽進，避免了在目標層裡進行大的調整，保證了油層鑽遇率。
限制蘇丹水平井施工進度的主要問題是定向造斜段機械鑽速低，平均機械鑽速在5m/h左右，嚴重製約了全井的施工進度。影響施工進度的主要問題集中在兩點：一是普通PDC鑽頭易憋鑽，託壓現象嚴重，機械鑽速低；二是使用普通PDC鑽頭造斜時，工具面不易控制，定向效果差。筆者優選了長壽命的專用定向PDC鑽頭。蘇丹石油工業處於起步階段，能夠提供定向PDC鑽頭的供應商只有SMITH、Varel、川克三家。透過對比分析，優選了Varel公司VRP519GH鑽頭。該鑽頭扶正塊短，在切削齒後設計了支撐塊，不但能保護切削齒，延長鑽頭使用壽命，增加總進尺，而且能將切削齒吃入深度限定在一個固定的數值，防止鑽頭扭矩因切削刃吃入量變動而出現劇烈變化，工具面控制更容易。使用證明，VRP519GH鑽頭明顯減少定向時的託壓現象，工具面穩定，定向造斜效果好。斜井段平均純鑽時間為74h，平均進尺為838m，平均機械鑽速為11.32m/h，提速效果明顯。可減少起下鑽次數，提高鑽進時效，達到優快鑽井的目的。直井段和水平段內的鑽頭採用現場鑽井資料選型法優選鑽頭，該方法簡單實用，適合現場鑽井技術人員採用。首先對老井鑽頭使用指標進行統計，依據機械鑽速、進尺、鑽頭壽命、使用井段等條件進行綜合評定，去除機械鑽速在10m/h以下的鑽頭，初選出機械鑽速高、壽命長、耐磨損的PDC鑽頭。在3/7區，川克BD506鑽頭三開水平段機械鑽速達15.20m/h；在1/2/4區直井段和水平段，SmithM616LKBPX鑽頭機械鑽速達13.90m/h，均取得了預期效果。
在3/7區水平井施工初期，使用PDC鑽頭，在井斜超過75°滑動鑽進時扭矩變化大，影響LWD儀器傳輸訊號，轉盤鑽進時井斜下降嚴重。由於位移、摩阻較大，鑽具託壓嚴重，工具面很容易跳動，難以控制。根據對地層情況和鑽進情況分析，在3/7區改用牙輪鑽頭，克服摩阻扭矩大、託壓嚴重等難題，LWD訊號比較穩定，穩斜效果好，水平段基本可以保證80%以上的旋轉鑽進，確保了岩屑的攜帶。在1/2/4區，透過多口井的試用，發現準311mm井眼使用VAREL公司生產的定向PDC鑽頭，自造斜點至1900m使用效果較好；三開時使用Smith公司PDC鑽頭，也沒有出現嚴重託壓現象。在鑽進方式上，由單一滑動鑽進或轉動鑽進變為滑動與複合交替鑽進，儘量多的採用轉盤鑽進，保持井眼軌跡光滑。透過對鑽井引數的合理配置和螺桿鑽具的合理選擇，如使用高一級角度(+0.25°)的螺桿，可以更快地調整軌跡，也能更多地採用鑽盤鑽進，整個井段旋轉鑽進率達到70%，這對於井下安全、提高鑽井速度等都會有所幫助。
在3/7區的PP-27H井，使用了美國NOV公司生產的AGITATORTOOL水力震盪器進行加壓。使用井段為1320～1619m，鑽具組合如下：鑽頭+螺桿+扶正器+CPR+MWD+TRX+加重鑽桿1柱+鑽桿5柱+水力震盪器+震擊器+鑽桿3柱+加重鑽桿9柱+鑽桿。使用效果見表1。由表1可以看出，使用震盪器後，機械鑽速由原來的4.68m/h提高到10.26m/h，增幅達一倍以上。其產生的震動不會對鑽頭或其他鑽具產生破壞，造成的壓力脈衝對絕大多數MWD訊號沒有干擾。實踐證明，水力震盪器產生的軸向振動能有效減小鑽具與井壁間的摩擦力，減輕滑動鑽進時的摩阻託壓現象，大幅提高定向造斜速度。在長半徑水平井滑動鑽進時，對改善工具面的控制和增加機械鑽速效果十分顯著。
3/7區Palouge油田Aradieba地層(1277～2650m)為很厚的頁岩層，主要成分為伊利石和蒙脫石，裂縫發育，掉塊嚴重。1/2/4區Baraka-Ghazal、AbuGabra以及3/7區塊Adar地層主要為易水化、易造漿的泥岩與膠結性較差的砂岩互層；600～1900m的Aradieba組是造斜的主要層段，地層是以石英、蒙脫石及高嶺石為主的大段泥岩層，易吸水脫落，造成嚴重掉塊和垮塌，經常出現大段劃眼和卡鑽等情況。各井段的鑽井液配方見表2。矽酸鹽與KCl配伍性較好，對填補微裂縫、穩固泥岩效果很好。矽酸鹽遮蔽物能形成高效滲透膜，降低鑽井液中水的活度，誘發頁岩中的流體從頁岩中滲出到鑽井液中，從而達到抑制二開井段頁岩水化，改善頁岩穩定性的目的。Drilling-in鑽井液體系，重點是降摩、防卡。摩阻扭矩對水平井施工具有重要的影響[3]。處理措施是：首先滿足地質錄井低熒光鑽井液的要求，加大固、液態潤滑劑(RH2、RH3)用量，保證潤滑劑含量大於5%，具有良好的潤滑性；其次，加入XC調整流型，控制動塑比大於0.7，保證攜砂；第三，在能夠穩定井壁情況下，完井時鑽井液密度保持在1.18g/cm3即可；第四，充分利用固控裝置，及時去除有害固相，保證固相含量儘可能低。透過現場應用，具有強抑制性、強封堵性、流變性易控制的針對性鑽井液體系，成功解決了Aradie-ba和AbuGabra地層的井壁穩定問題，造斜段的平均井徑擴大率由原來的20%以上降至8%左右，滿足了低熒光要求和懸浮攜砂能力，有效降低了超長大水平段摩阻，保障了鑽井作業的順利實施。
自2010年1月開始，逐步在蘇丹市場推廣水平井優快鑽井配套技術，近一年多來，共在兩個區塊20口水平井成功實施，取得理想效果。平均鑽井週期從2010年前的44d縮短至23.67d，縮短了46.2%；平均建井週期為36.42d，比設計週期提前5～14d；機械鑽速從原先的平均10.81m/h提高到目前的12.41m/h，提高了14.8%；事故和複雜現象由原來的3.7%降至1.8%。
透過實施一系列針對性的措施，全面提升了蘇丹水平井鑽井及完井質量和速度，佔據了海外市場優勢，效益顯著。鑽頭優選後，全面提升了鑽井速度，減少了井下複雜，為今後自主研發適應蘇丹市場的鑽頭進行了嘗試，取得寶貴經驗。KCl/矽酸鹽鑽井液體系、Drilling-in鑽井液體系有效保證了各項鑽井工序的順利實施，水平井施工中，在抑制頁岩坍塌、穩定井壁、減少託壓等方面效果明顯。水力震盪器的使用，可以解決長半徑水平井摩阻大、造斜慢、加壓困難的難題，建議做進一步研究併力爭實現自主研發。