宮 華 ，李國(guó)華，鄧勝聰，李瑞營(yíng)

(大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院，黑龍江大慶 163413)

大慶油田火山巖礫巖水平井鉆井技術(shù)

宮 華 ，李國(guó)華，鄧勝聰，李瑞營(yíng)

(大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院，黑龍江大慶 163413)

隨著大慶油田深層火山巖礫巖氣藏的持續(xù)開發(fā)，利用水平井技術(shù)勘探開發(fā)深層氣藏成為迫切要求。對(duì)大慶深層火山巖礫巖的地質(zhì)特性、火山巖礫巖水平井特點(diǎn)及難點(diǎn)進(jìn)行了描述。開展了鉆頭優(yōu)選、井眼軌道優(yōu)化、井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化、井下動(dòng)力鉆具選型、欠平衡負(fù)壓值控制等技術(shù)研究，并完成多口現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)井，其中徐深平34井全井平均機(jī)械鉆速2.79 m/h，取得了較好的應(yīng)用效果。形成了一套適合于大慶油田火山巖礫巖氣藏勘探與開發(fā)的水平井鉆井技術(shù)。

火山巖;礫巖;水平井;鉆井;大慶油田

近些年，大慶油田加大了對(duì)徐家圍子地區(qū)深層火山巖、礫巖氣藏的勘探開發(fā)力度，取得了較好的效果。但是，由于登婁庫(kù)組以下火山巖礫巖巖層埋藏深、成巖作用強(qiáng)和普遍含有凝灰質(zhì)等原因，致使氣藏整體物性、連通性較差，大部分儲(chǔ)層為低豐度儲(chǔ)層，孔隙度低于下限6%，密度超過2.50 g/cm3，利用常規(guī)直井勘探開發(fā)火山巖、礫巖氣藏?zé)o法取得理想效果。針對(duì)這一難題，大慶油田開展了火山巖礫巖水平井鉆井技術(shù)研究，利用水平井技術(shù)勘探開發(fā)深層氣藏，最大限度地增加氣藏裸露面積，增加單井產(chǎn)量，提高深層天然氣勘探開發(fā)的綜合效益。

1 火山巖礫巖水平井鉆井技術(shù)難點(diǎn)

(1)登婁庫(kù)組地層不穩(wěn)定，易出現(xiàn)井壁坍塌，發(fā)生井下復(fù)雜。

(2)巖石硬度大(2000～5000 MPa)，研磨性強(qiáng)，可鉆性極值高(6～8級(jí))，導(dǎo)致機(jī)械鉆速低、鉆頭壽命短。

(3)地層溫度高，平均地溫梯度4.1℃/100 m，井深4000～5500 m，井底溫度160～220℃，對(duì)井下動(dòng)力鉆具等工具的抗溫性能要求高。

(4)造斜點(diǎn)深，井眼軌跡控制難度大;水平段鉆井施工加壓困難，鉆井速度慢。

(5)火山巖礫巖儲(chǔ)層多為氣孔和裂縫發(fā)育，裂縫具有極高導(dǎo)流能力，儲(chǔ)層易受損害且難于恢復(fù)。

2 火山巖礫巖水平井鉆井技術(shù)

針對(duì)上述的技術(shù)難點(diǎn)，通過不斷的攻關(guān)和完善，形成了一套適合于大慶油田的火山巖礫巖水平井鉆井技術(shù)，并完成了徐深平32井、徐深平34井等多口井的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，達(dá)到了勘探開發(fā)的目的。

2.1 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

大慶油田火山巖礫巖水平井多為開發(fā)營(yíng)城組油氣藏，目的層較深，裸眼段較長(zhǎng)，且上部登婁庫(kù)組地層不穩(wěn)定，易出現(xiàn)井壁坍塌，發(fā)生井下復(fù)雜。因此在井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程中重點(diǎn)考慮以下2點(diǎn):(1)合理的套管層次，節(jié)約成本;(2)合適的技術(shù)套管下深，有效封固登婁庫(kù)組地層。

根據(jù)大慶油田深層氣井和常規(guī)水平井的設(shè)計(jì)施工經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)技術(shù)可行性論證和經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)，火山巖礫巖水平井優(yōu)選了三開井身結(jié)構(gòu)，并根據(jù)地質(zhì)情況和鉆井工藝要求，分別優(yōu)化設(shè)計(jì)了2種不同的井身結(jié)構(gòu): (1)339.7 mm表層套管+244.5 mm技術(shù)套管+139.7 mm生產(chǎn)層套管;(2)273.0 mm表層套管+177.8 mm技術(shù)套管+88.9 mm生產(chǎn)層套管。

技術(shù)套管的下深3種方案:直井段、造斜段和接近窗口處。常規(guī)水平井技術(shù)套管下深均選用直井段方案，但通過3種方案的對(duì)比分析，認(rèn)為技術(shù)套管下深至造斜段能有效封固登婁庫(kù)組以上地層，避免井壁剝落對(duì)下部施工的影響。最終優(yōu)化后的井身結(jié)構(gòu)成功應(yīng)用于徐深平32井和徐深平34井(見圖1)，并取得了較好的應(yīng)用效果。

2.2 個(gè)性化鉆頭的優(yōu)選

圖1 徐深平32井和徐深平34井井身結(jié)構(gòu)示意

火山巖礫巖水平井登婁庫(kù)組上部地層巖石可鉆性極值相對(duì)較低(小于6級(jí))，但登婁庫(kù)組下部營(yíng)城組地層巖石硬度明顯增大，研磨性變強(qiáng)，可鉆性極值高(6～8級(jí))，因此在進(jìn)行個(gè)性化鉆頭優(yōu)選時(shí)重點(diǎn)考慮:(1)直井段和造斜段如何提高鉆頭使用壽命，減少起下鉆次數(shù);(2)水平段如何提高鉆頭破巖效率，提高行程鉆速。

鉆頭的選擇一般根據(jù)所鉆地層巖石的抗剪強(qiáng)度、研磨性、可鉆性等力學(xué)性質(zhì)來進(jìn)行合理選型［1］。因此，首先利用測(cè)井資料獲得地下巖石的聲波、密度等物性參數(shù)，利用這些參數(shù)評(píng)價(jià)出巖石的可鉆性、硬度、抗剪強(qiáng)度等力學(xué)參數(shù)(見圖2)。根據(jù)得出的地層力學(xué)參數(shù)，結(jié)合該地區(qū)已鉆井的鉆頭應(yīng)用資料，通過綜合對(duì)比優(yōu)選出該地區(qū)各層位的合理鉆頭類型(見表1)。

圖2 徐家圍子地區(qū)部分巖層的力學(xué)參數(shù)

表1 火山巖礫巖水平井鉆頭優(yōu)選結(jié)果

與此同時(shí)，充分考慮火山巖礫巖水平井的技術(shù)特點(diǎn)，直井段與造斜段多為登婁庫(kù)組以上地層，巖石可鉆性一般不大于6級(jí)，巖石硬度一般不超過800 MPa。在鉆頭綜合數(shù)據(jù)對(duì)比過程中著重優(yōu)先考慮PDC鉆頭。而水平段為營(yíng)城組地層，巖石可鉆性普遍較高一般在6～8級(jí)，巖石硬度通常在1000 MPa左右，并且水平段多為復(fù)合鉆進(jìn)，鉆頭側(cè)翼磨損較重，因此，在優(yōu)選鉆頭的基礎(chǔ)上重點(diǎn)考慮帶有適應(yīng)高轉(zhuǎn)速、掌背部加強(qiáng)保徑等附加特征的牙輪鉆頭。

2.3 井下動(dòng)力鉆具的選型

根據(jù)火山巖礫巖水平井地溫高、巖石硬度大等技術(shù)特點(diǎn)，在優(yōu)選螺桿鉆具過程中，重點(diǎn)考慮了螺桿鉆具的抗溫性、抗震性以及低轉(zhuǎn)速大扭矩。通過與相關(guān)螺桿廠家合作開發(fā)，利用特制耐高溫橡膠、設(shè)計(jì)防脫結(jié)構(gòu)、優(yōu)選特殊轉(zhuǎn)子涂層等方法有效解決了上述難題，并優(yōu)選出了配套的螺桿鉆具(表2)。

2.4 井眼軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)

井眼軌道優(yōu)化包含靶點(diǎn)、入靶方位以及井眼軌道的幾何形狀幾個(gè)方面［2］。設(shè)計(jì)井眼軌道時(shí)，首先要考慮火山巖礫巖水平井造斜點(diǎn)深、水平位移較大，需優(yōu)化設(shè)計(jì)合理的井身剖面;其次由于深層巖石硬度大、造斜困難，定向時(shí)機(jī)械鉆速低，需優(yōu)化井眼軌道曲率［3，4］，提高旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的比例。

表2 螺桿鉆具的選型

由于火山巖礫巖水平井的水平位移相對(duì)較大、地層初始造斜能力不確定，因此選用變曲率多圓弧雙增剖面法進(jìn)行井眼軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)，其靶前位移調(diào)整范圍余地大，有利于實(shí)鉆過程中的井眼軌跡控制。通過變曲率設(shè)計(jì)方法可以將火山巖礫巖水平井的初始造斜率設(shè)計(jì)較小，隨著井斜角增加、造斜趨勢(shì)形成后，逐步適當(dāng)提高造斜率，減小造斜段長(zhǎng)度，從而便于現(xiàn)場(chǎng)施工過程中對(duì)螺桿造斜率的掌控，降低了現(xiàn)場(chǎng)井眼軌跡控制難度(如圖3所示)。 MPa，以確保水平段欠平衡鉆井的順利實(shí)施。結(jié)合鄰井產(chǎn)層實(shí)測(cè)壓力及其他相關(guān)數(shù)據(jù)，優(yōu)化設(shè)計(jì)了鉆井液密度窗口(如表3所示)。

表3 徐深平32井欠平衡鉆井參數(shù)

圖3 徐深平32井井眼軌道剖面示意(單位:m)

2.5 欠平衡鉆井技術(shù)

針對(duì)火山巖礫巖儲(chǔ)層多為氣孔和裂縫發(fā)育，裂縫具有極高導(dǎo)流能力，正壓差狀態(tài)下儲(chǔ)層易受損害且難于恢復(fù)這一難點(diǎn)，通過理論計(jì)算及方案論證，在水平段采用低密度鉆井液體系，應(yīng)用欠平衡水平井鉆井技術(shù)實(shí)現(xiàn)水平段油氣藏的有效保護(hù)，并成功應(yīng)用于徐深平32井。

2.5.1 欠平衡井底負(fù)壓值和鉆井液密度窗口的設(shè)計(jì)

基于大慶油田以往欠平衡鉆井技術(shù)的經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)和計(jì)算得出，靜態(tài)負(fù)壓值要控制在－2.0～－4.0 MPa，動(dòng)態(tài)負(fù)壓值控制在 －0.7～－1.4

2.5.2 井底負(fù)壓值控制技術(shù)

實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)和控制井底壓力變化是井底負(fù)壓值控制技術(shù)的關(guān)鍵。而可能造成井底壓力波動(dòng)的主要因素有:(1)隨鉆產(chǎn)氣液量;(2)鉆井液入口性能;(3)泵排量;(4)節(jié)流閥開度?，F(xiàn)場(chǎng)施工過程中鉆井液入口性能和泵排量相對(duì)較為穩(wěn)定，可視為常量。

根據(jù)環(huán)空動(dòng)力平衡的條件建立如下等式(1):

根據(jù)水力學(xué)關(guān)系得等式(2):

將式(1)代入式(2)可得:

式中:pF——井底負(fù)壓值，MPa;pp——地層壓力，MPa;pM——鉆頭壓降，MPa;pZJ——鉆具內(nèi)循環(huán)壓降，MPa;pB——泵壓，MPa;pZ——鉆具內(nèi)靜液柱壓力，MPa;pHK——環(huán)空循環(huán)壓力，MPa;pt——地面壓力(套壓)，MPa;pm——環(huán)空氣液柱壓力，MPa。

根據(jù)井內(nèi)壓力關(guān)系，當(dāng)鉆井液入口性能、排量不變，而氣體滑脫上升或隨鉆產(chǎn)氣液量變化時(shí)，pM、pZJ、pZ、pp為常量，設(shè)C=pM+pp+pZJ－pZ，則C為常數(shù)，因此式(3)可簡(jiǎn)化為:

由此可知，當(dāng)排量不變時(shí)，如果泵壓上升，則井底負(fù)壓值按同值減少;反之，如果泵壓下降，則井底負(fù)壓值按同值增加。因此，隨鉆產(chǎn)油氣量變化或氣體滑脫上升時(shí)，靠調(diào)節(jié)節(jié)流閥使泵壓保持不變，即可保持井底負(fù)壓值不變［5］。

3 火山巖礫巖水平井鉆井技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 徐深平32井和徐深平34井施工簡(jiǎn)況

火山巖礫巖水平井技術(shù)在徐深平32井、徐深平34井等進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。其中徐深平32井為大慶油田第一口深層礫巖水平井，設(shè)計(jì)井深4763.58 m，完鉆井深4746.00 m，全井平均機(jī)械鉆速2.01 m/h，三開水平段首次采用欠平衡鉆井方式，鉆井液密度控制在0.95～1.00 g/cm3，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并保護(hù)了油氣儲(chǔ)層，水平段施工中多次點(diǎn)火成功，火焰高達(dá)3 m。

根據(jù)徐深平32井的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合徐深平34井的地質(zhì)情況及鉆井工藝要求，通過井身結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步“瘦身”，有效降低了鉆井成本，提高了平均機(jī)械鉆速。該井設(shè)計(jì)井深 4555.00 m，完鉆井深4586.00 m，全井平均機(jī)械鉆速2.79 m/h，較徐深平32井提高了38.8%，取得了較好的應(yīng)用效果。

3.2 試驗(yàn)效果分析

目前已完成的多口火山巖礫巖水平井均取得了較好的試氣效果，其中徐深平32井水平井段長(zhǎng)839.88 m，試氣無阻流量是周邊直井的2～3倍，增產(chǎn)效果較好。由此可見，利用火山巖礫巖水平井技術(shù)開發(fā)深層火山巖礫巖氣藏經(jīng)濟(jì)效益明顯。

4 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

(1)大慶油田首次在火山巖礫巖水平井應(yīng)用欠平衡鉆井工藝技術(shù)，該技術(shù)能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)并有效保護(hù)火山巖礫巖儲(chǔ)層。

(2)優(yōu)選出適合高轉(zhuǎn)速的 M系列鉆頭(MD637HDX)，提高了鉆頭與螺桿的匹配程度，從而延長(zhǎng)了鉆頭壽命，減少了起下鉆次數(shù)，提高了行程鉆速。

(3)優(yōu)化后的井身結(jié)構(gòu)及井眼軌道能夠滿足不同的地質(zhì)情況和鉆井工藝要求，在確保施工安全的條件下，有效地降低了鉆井施工成本，提高了鉆井速度。

(4)形成了一套成熟的火山巖礫巖水平井鉆井完井技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了深層氣藏的經(jīng)濟(jì)有效開發(fā)。

［1］紀(jì) 明師，張富成，張慶華，等.砂礫巖地層鉆頭合理選型研究及應(yīng)用［J］.石油鉆采工藝，2005，27(3):13－14.

［2］劉 乃震.定向井井眼軌道的最優(yōu)化設(shè)計(jì)方法［J］.石油鉆探技術(shù)，2001，29(4):14－16.

［3］韓 志勇.定向井設(shè)計(jì)與計(jì)算［M］.北京:石油工業(yè)出版社，1989.

［4］韓 志勇.三維定向井軌道設(shè)計(jì)和軌跡控制的新技術(shù)［J］.石油鉆探技術(shù)，2003，31(5):1－3.

［5］周英操，翟洪軍.欠平衡鉆井技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京:石油工業(yè)出版社，2003.

Horizontal Well Drilling Technique in Volcanic Rock and Conglomerate in Daqing Oilfield

GONG Hua，LI Guohua，DENG Sheng-cong，LI Rui-ying(Drilling Engineering Technology Research Institute of Daqing Drilling＆Exploration Engineering Company，Daqing Heilongjiang 163413，China)

With the sustainable development of deep volcanic rock and conglomerate gas reservoir in Daqing oilfield，there is an urgent request of developing deep gas reservoir with horizontal well technique.The paper described the geological characteristics of deep volcanic rock and conglomerate and the features and difficulties of horizontal well in volcanic rock and conglomerate.Research was made on bit selection，well trajectory optimization，well structure optimization，BHA selection and the under balanced drilling pressure value control with several field test wells completed.The average penetration rate is 2.79m/h in Xushen－P34 well，and a series of horizontal well drilling techniques has been developed for exploration and exploitation of the deep volcanic rock and conglomerate gas reservoir in Daqing oilfield.

volcanic rock;conglomerate;horizontal well;well drilling;Daqing oilfield

TE243

A

1672－7428(2012)08－0019－04

2012－04－10

宮華(1981－)，男(漢族)，黑龍江人，大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院工程師，勘查技術(shù)與工程專業(yè)，從事鉆井工藝技術(shù)研究工作，黑龍江省大慶市八百坰，gh_dq@126.com。