謝新剛 彭元超 李欣 蘇娣娣 崔貴濤

中國(guó)石油川慶鉆探工程公司鉆采工程技術(shù)研究院

長(zhǎng)慶氣區(qū)儲(chǔ)氣庫(kù)Y37-2H井長(zhǎng)水平段鉆井技術(shù)

謝新剛 彭元超 李欣 蘇娣娣 崔貴濤

中國(guó)石油川慶鉆探工程公司鉆采工程技術(shù)研究院

謝新剛等.長(zhǎng)慶氣區(qū)儲(chǔ)氣庫(kù) Y37-2H 井長(zhǎng)水平段鉆井技術(shù).天然氣工業(yè)，2012，32（6）：53-56.

鄂爾多斯盆地長(zhǎng)慶氣區(qū)Y37-2H井（完鉆井深5 044 m，水平段長(zhǎng)1 819 m）是國(guó)家儲(chǔ)氣庫(kù)項(xiàng)目榆林儲(chǔ)氣庫(kù)的第一口注采試驗(yàn)水平井，儲(chǔ)氣庫(kù)的建設(shè)需要注采井不僅要達(dá)到強(qiáng)注強(qiáng)采（50×104～100×104m3／d）的功能、還要滿(mǎn)足長(zhǎng)壽命（50年）要求。為此，在分析該區(qū)氣井生產(chǎn)情況的基礎(chǔ)上，采用215.9 mm井眼鉆長(zhǎng)水平段并下139.7 mm篩管完井方案來(lái)保障注采井強(qiáng)注強(qiáng)采功能；優(yōu)選長(zhǎng)半徑水平井剖面，應(yīng)用先進(jìn)的隨鉆地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)跟蹤儲(chǔ)層并控制水平段井眼全角變化率小于等于4°／30 m，滿(mǎn)足了固井下套管對(duì)井眼軌跡的質(zhì)量要求；應(yīng)用水力振蕩器在鉆井液流過(guò)時(shí)產(chǎn)生的壓力脈沖帶動(dòng)鉆具產(chǎn)生溫和振動(dòng)，將鉆具與井眼之間的靜摩擦轉(zhuǎn)換為動(dòng)摩擦，有效地降低了摩阻和扭矩，改善了鉆壓傳遞，提高了水平段滑動(dòng)鉆井機(jī)械鉆速和進(jìn)尺；采用的無(wú)土相復(fù)合鹽低傷害暫堵鉆井（完井）液體系既能滿(mǎn)足保護(hù)山23儲(chǔ)層，又能滿(mǎn)足長(zhǎng)水平段潤(rùn)滑防卡和泥巖防塌的需要。該井的順利實(shí)施，為長(zhǎng)慶氣區(qū)超大庫(kù)容的儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)奠定了基礎(chǔ)。

鄂爾多斯盆地 長(zhǎng)慶氣區(qū) 儲(chǔ)氣庫(kù) 井身結(jié)構(gòu) 長(zhǎng)半徑水平井 隨鉆地質(zhì)導(dǎo)向 防摩減阻 長(zhǎng)水平段

儲(chǔ)氣庫(kù)既是儲(chǔ)氣場(chǎng)所，又是方便的供氣氣源，儲(chǔ)氣庫(kù)每年要進(jìn)行一個(gè)周期或多個(gè)周期的升壓—降壓過(guò)程，儲(chǔ)氣庫(kù)井始終處于反復(fù)交變載荷的變化過(guò)程當(dāng)中，同時(shí)儲(chǔ)氣庫(kù)需要滿(mǎn)足50年使用要求［1］，這對(duì)新鉆注采氣井的設(shè)計(jì)、施工和完井管串技術(shù)都提出了非常高的要求。為此，中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司在鄂爾多斯盆地長(zhǎng)慶氣區(qū)部署了庫(kù)容為120×108m3的儲(chǔ)氣庫(kù)，屬于砂巖型儲(chǔ)氣庫(kù)，預(yù)期注氣量為50×104～100×104m3／d，中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田公司選擇榆林氣田南區(qū)塊山23低壓砂層部署實(shí)施了第一口儲(chǔ)氣庫(kù)試驗(yàn)水平井——Y37-2H井，用于評(píng)價(jià)榆林氣田南區(qū)建設(shè)儲(chǔ)氣庫(kù)水平井注采能力，探索水平井在該區(qū)的注入與生產(chǎn)能力的可行性。通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)及施工方案，采用了先進(jìn)的隨鉆地質(zhì)導(dǎo)向和防摩減阻技術(shù)［2］，并選用了合理的鉆井液體系，成功完成了該井的現(xiàn)場(chǎng)施工，完鉆井深5 044 m，垂深2 903.9 m，水平段長(zhǎng)1 819 m，儲(chǔ)氣庫(kù)錄井顯示鉆遇砂巖長(zhǎng)度1 695 m、儲(chǔ)層鉆遇率達(dá)93.2%，為長(zhǎng)慶氣區(qū)儲(chǔ)氣庫(kù)的推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

1 儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)地質(zhì)特征與井身結(jié)構(gòu)

榆林氣田南區(qū)目的氣層較發(fā)育，橫向分布較穩(wěn)定，但砂體垂向疊置關(guān)系存在變化，中間泥巖隔層厚度約為2.6 m。山23儲(chǔ)層埋深約2 900 m，厚度約15.5 m，平均孔隙度7.21%，滲透率5.54 mD。地層壓力由原始的22.93～28.87 MPa降至目前的20～23 MPa，平均壓力系數(shù)0.78。

Y37-2H井采用四開(kāi)四完井身結(jié)構(gòu)（圖1），為保證強(qiáng)注強(qiáng)采采用215.9 mm鉆頭鉆水平段，同時(shí)采用水平段139.7 mm篩管下至距井底10～30 m處，支撐裸眼產(chǎn)層，作為生產(chǎn)尾管。

地質(zhì)要求水平段由上向下鉆穿整個(gè)山23儲(chǔ)層，先在山23上部?jī)?chǔ)層中穿行，如鉆遇中間泥巖夾層，大斜度穿過(guò)再鉆進(jìn)下部?jī)?chǔ)層。

圖1 Y37-2H井井身結(jié)構(gòu)示意圖

2 井眼軌道設(shè)計(jì)及摩阻分析

2.1 井眼軌道設(shè)計(jì)原則

1）以最短時(shí)間、最低消耗、最大復(fù)合鉆井比例入窗的優(yōu)化設(shè)計(jì)理念，采用長(zhǎng)半徑水平井剖面，靶前距優(yōu)化700 m，為本井完整性關(guān)鍵的244.5 mm套管的固井創(chuàng)造良好的井眼條件［3］（圖1），同時(shí)使PDC鉆頭更有利于在斜井段應(yīng)用，最大限度增加復(fù)合鉆井井段比例，提高機(jī)械鉆速。

2）水平段軌跡控制盡可能平滑，水平段井眼全角變化率小于等于4°／30 m，以確保139.7 mm長(zhǎng)水平段篩管下入到位。

3）保障儲(chǔ)層鉆遇率，山23氣層厚度約15.5 m，且含厚度約為2.6 m的泥巖隔層。在鉆遇泥巖夾層時(shí)采取大斜度穿過(guò)再鉆進(jìn)下部砂層。

2.2 水平段鉆具扭矩及摩阻計(jì)算

2.2.1 摩阻扭矩分析

長(zhǎng)水平段大井眼水平井鉆柱優(yōu)化設(shè)計(jì)的核心是在對(duì)下部鉆具組合的特性和造斜能力能滿(mǎn)足井眼軌跡控制需要的前提下，如何降低摩阻和扭矩，如何減少井下鉆柱可能產(chǎn)生的疲勞失效問(wèn)題。隨著大井眼水平段的延長(zhǎng)，加上地質(zhì)導(dǎo)向的要求，摩阻、扭矩變化較大，大大增加了鉆具失效風(fēng)險(xiǎn)。

為了降低大井眼水平段摩阻的影響，防止巖屑床的形成，對(duì)水平段大部分井段都要求采用復(fù)合鉆進(jìn)方式，而復(fù)合鉆進(jìn)在鉆柱旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的交變應(yīng)力容易導(dǎo)致鉆柱產(chǎn)生疲勞破壞。因此，在長(zhǎng)水平段鉆井中進(jìn)行較準(zhǔn)確的摩阻和扭矩計(jì)算分析，是實(shí)現(xiàn)安全鉆進(jìn)的前提和保障。

2.2.2 扭矩摩阻計(jì)算

表1 大斜度段水平段扭矩摩阻計(jì)算表

通過(guò)理論計(jì)算分析，從井深4 400 m左右開(kāi)始扭矩和摩阻是制約長(zhǎng)水平段延伸的主要因素，因此從4 400 m開(kāi)始就需要通過(guò)降摩減阻技術(shù)和鉆井液技術(shù)來(lái)保障長(zhǎng)水平段的順利實(shí)施。

3 長(zhǎng)水平段主要鉆井技術(shù)

3.1 隨鉆地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)

Y37-2H井應(yīng)用的哈里伯頓公司FEWD隨鉆地質(zhì)導(dǎo)向儀器能夠隨鉆實(shí)時(shí)測(cè)量傳輸2條伽馬曲線(xiàn)和特淺、淺、中、深4條電阻率曲線(xiàn)，為現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)導(dǎo)向提供隨鉆地質(zhì)參數(shù)［4］。

鉆井過(guò)程中實(shí)時(shí)利用隨鉆測(cè)井與綜合錄井，協(xié)助地質(zhì)工程師進(jìn)行地層精細(xì)評(píng)價(jià)，準(zhǔn)確判斷地層［5］，同時(shí)，通過(guò)加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)隨鉆地質(zhì)導(dǎo)向能力，在水平段的鉆井過(guò)程中及時(shí)準(zhǔn)確地確定地層傾角和儲(chǔ)層的地質(zhì)走向，通過(guò)伽馬和深、淺電阻率的探測(cè)深度及響應(yīng)，建立地層預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型，避免井眼軌跡的較大幅度調(diào)整。在確保了長(zhǎng)水平段有效延伸的前提下，實(shí)現(xiàn)了在儲(chǔ)層中鉆進(jìn)，使水平段的儲(chǔ)層鉆遇率高達(dá)93.2%。實(shí)時(shí)指導(dǎo)井眼軌跡的幾何走向如圖2所示。

圖2 Y37-2H井水平段實(shí)鉆地質(zhì)導(dǎo)向圖

3.2 防摩減阻技術(shù)

大井眼長(zhǎng)水平段存在摩阻大，加壓困難，鉆壓不能有效傳遞等技術(shù)難點(diǎn)，水力振蕩器是一種提高鉆壓傳遞有效性及防摩減阻的新技術(shù)工具，其主要由水力振蕩器和振蕩器短節(jié)組成。

鉆井液流經(jīng)水力振蕩器時(shí)，通過(guò)其閥盤(pán)組合產(chǎn)生壓力脈沖。置于其上的振蕩短節(jié)在鉆井液壓力脈沖的作用下，產(chǎn)生軸向的蠕動(dòng)，并帶動(dòng)鉆具產(chǎn)生溫和振動(dòng)，從而將鉆具與井眼之間的靜摩擦轉(zhuǎn)換為動(dòng)摩擦，降低摩擦力并改善鉆壓傳遞，最終明顯提高機(jī)械鉆速。

該井在水平段鉆至4 296 m時(shí)，出現(xiàn)扭矩增大，復(fù)合鉆進(jìn)扭矩達(dá)28.5～33.9 k N·m（頂驅(qū)上扣扭矩為39.3 k N·m，計(jì)算扭矩為25.49 k N·m），致使頂驅(qū)經(jīng)常憋停，同時(shí)鉆具上提下放困難，鉆具下放摩阻最大達(dá)到253 k N（計(jì)算摩阻為232 k N），上提最大摩阻達(dá)到308 k N（計(jì)算摩阻為285 k N），導(dǎo)致定向加壓困難，定向時(shí)間長(zhǎng)等困難。

結(jié)合摩阻計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)際情況，從4 296 m開(kāi)始使用水力振蕩器，即水平段1 007 m使用?？紤]到泥巖段（4 020～4 036 m為致密泥巖）因素，將水力振蕩器安裝在離鉆頭450 m處，確保其在泥巖之上。

第一次在4 244～4 384 m井段使用，進(jìn)尺88 m，通過(guò)與上一趟鉆對(duì)比，復(fù)合鉆進(jìn)扭矩減少了19%，上提下放摩阻減少了60～80 k N，滑動(dòng)鉆速由1.4 m／h提高到3.93 m／h，滑動(dòng)鉆速提高181%；平均機(jī)械鉆速由2.38 m／h提高到3.14 m／h，平均鉆速提高32%。

第二次在水平段4 797～5 041 m井段使用，進(jìn)尺244 m，與鄰近井段相比，復(fù)合鉆進(jìn)扭矩減少了16%，上提下放摩阻減少了70～80 k N，加水力振蕩器后平均機(jī)械鉆速提高15.5%，滑動(dòng)機(jī)械鉆速提高47.9%。使用水力振蕩器期間，有效解決了鉆進(jìn)過(guò)程中的拖壓現(xiàn)象，減少滑動(dòng)過(guò)程中調(diào)整工具面時(shí)間，極大提高了水平段的機(jī)械鉆速。

3.3 鉆井液技術(shù)

針對(duì)儲(chǔ)氣庫(kù)高要求的儲(chǔ)層保護(hù)［6－8］，選用無(wú)土相復(fù)合鹽低傷害暫堵鉆井（完井）液體系，該體系使用了可溶性有機(jī)、無(wú)機(jī)鹽類(lèi)，從而具有較低的固相、較高的礦化度和較強(qiáng)的抑制性，有效克服了泥巖的水化分散，一次回收率高達(dá)93.06%，選用降濾失劑和暫堵劑提供的可變形粒子和剛性粒子，在正壓差的作用下形成薄而致密泥餅，能夠有效地保護(hù)儲(chǔ)層、降低PDC鉆頭泥包，有利于提高機(jī)械鉆速。

儲(chǔ)層壓力系數(shù)低，為了保護(hù)氣層，有效防漏，保證井控安全的前提下，水平段鉆井液密度盡可能控制到較低數(shù)值，并保持低黏度，降低循環(huán)壓力，避免壓差性滲漏發(fā)生，降低發(fā)生壓差卡鉆風(fēng)險(xiǎn)；如發(fā)現(xiàn)有泥頁(yè)巖夾層的掉塊，采取調(diào)節(jié)流變性及強(qiáng)化抑制性等解決措施；如發(fā)現(xiàn)摩阻和扭矩較大，采取加入潤(rùn)滑劑、短程起下鉆和增大泵排量及加強(qiáng)固控設(shè)備等處理措施。根據(jù)井下情況，每鉆進(jìn)500 m用高黏“清掃液”清洗一次井眼，尤其在起鉆前，保證井眼暢通，減小巖屑床的形成。

3.4 安全鉆進(jìn)技術(shù)

1）本井屬于老井區(qū)塊，鄰井較多，多年開(kāi)采壓力系數(shù)已降至0.72，存在井漏風(fēng)險(xiǎn)和井控安全風(fēng)險(xiǎn)。為了施工的安全，開(kāi)鉆前收集距離本井井口及設(shè)計(jì)方位線(xiàn)500 m范圍內(nèi)的鄰井?dāng)?shù)據(jù)，進(jìn)行防碰風(fēng)險(xiǎn)分析，同時(shí)關(guān)停周?chē)? 000 m以?xún)?nèi)的鄰井采氣作業(yè)。

2）由于該井水平段長(zhǎng)，地層復(fù)雜，水平段穿越泥巖，考慮到鉆機(jī)處理復(fù)雜的能力和后期下鉆困難等諸多因素，選用70DB頂驅(qū)鉆機(jī)及139.7 mm高抗扭雙臺(tái)階鉆具，滿(mǎn)足儲(chǔ)氣庫(kù)水平井鉆井要求，對(duì)本井成功施工起重要作用。

3）優(yōu)化鉆具組合，靈活改變井下鉆具扣型，減少轉(zhuǎn)換接頭，同時(shí)采用小孔徑并預(yù)備應(yīng)力槽接頭，避免出現(xiàn)應(yīng)力集中，加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)探傷，堅(jiān)持起下鉆“每趟一小探、兩趟一大探”的探傷制度，確保鉆具安全。堅(jiān)持勤倒換鉆具制度，避免鉆柱疲勞損壞。加強(qiáng)水力參數(shù)監(jiān)控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，及時(shí)更換鉆具，避免鉆具刺、斷事故。

4）根據(jù)具體施工情況，采取短程起下鉆、分段循環(huán)等技術(shù)及時(shí)清除巖屑床，必要時(shí)更換柔性鉆具組合進(jìn)行通井，保障長(zhǎng)水平段的施工安全。

5）強(qiáng)化四級(jí)固控設(shè)備，提高固控效率。使用高頻直線(xiàn)式振動(dòng)篩和變頻高速離心機(jī)，提高了鉆井液的固控能力，降低了有害固相，促進(jìn)了鉆井液的性能優(yōu)化。

4 結(jié)論與建議

1）合理的井身結(jié)構(gòu)和井眼軌跡設(shè)計(jì)是長(zhǎng)水平段水平井鉆井成功的前提；選用性能優(yōu)越的防摩減阻工具及摩阻扭矩分析軟件是長(zhǎng)水平段水平井順利施工的有效手段；具有良好抑制性、攜砂性、潤(rùn)滑性、防塌性和屏蔽暫堵性的鉆井液體系是確保井眼軌跡有效控制和水平段延伸的重要保證。

2）儲(chǔ)氣庫(kù)注采井既是注氣井，又是采氣井，具有雙重功能，對(duì)鉆井軌跡控制要求比較高，水平段鉆進(jìn)中要確保井眼軌跡的平滑，以便長(zhǎng)水平段的實(shí)施。

3）建議在儲(chǔ)氣庫(kù)長(zhǎng)水平段水平井設(shè)計(jì)時(shí)地質(zhì)應(yīng)與工程緊密結(jié)合，水平段盡量設(shè)計(jì)在同一儲(chǔ)層同一小層內(nèi)穿行，以確保同時(shí)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)水平段正常延伸和最大儲(chǔ)層鉆遇率兩項(xiàng)指標(biāo)，如需地質(zhì)探底，建議設(shè)計(jì)在水平段末端100～200 m進(jìn)行。

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（修改回稿日期 2012-04-13 編輯 凌 忠）

10.3787／j.issn.1000-0976.2012.06.013

謝新剛：1977年生，工程師；2002年畢業(yè)于原江漢石油學(xué)院測(cè)控與儀器專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)從事鉆井技術(shù)研究與技術(shù)服務(wù)工作。地址：（710018）陜西省西安市未央路151號(hào)長(zhǎng)慶興隆園小區(qū)長(zhǎng)慶大廈A303室。電話(huà)：（029）86594971，13991386257。E-mail：xiexingang2008＠163.com