侯立中鄭德帥吳俊霞

（1.中國石化集團(tuán)國際石油勘探開發(fā)有限公司，北京 100029；2.中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101）

加拿大非常規(guī)油氣田優(yōu)快鉆井技術(shù)

侯立中1鄭德帥2吳俊霞2

（1.中國石化集團(tuán)國際石油勘探開發(fā)有限公司，北京 100029；2.中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101）

由于致密氣等非常規(guī)油氣田開發(fā)成本高，迫切需要進(jìn)行優(yōu)快鉆井研究降低鉆井成本。非常規(guī)油氣開發(fā)需要在儲層內(nèi)布置長水平井段，針對長水平井段井眼軌跡控制困難、機(jī)械鉆速低的技術(shù)難題，通過計算，分析了底部鉆具組合力學(xué)特性，優(yōu)化了底部鉆具組合，提高水平段復(fù)合鉆進(jìn)比例，配合鉆頭選型，減少了起下鉆次數(shù)；采用鉆柱振蕩器提高鉆壓傳遞效率，針對水平井段優(yōu)化配置油基鉆井液體系，大幅度降低了摩擦因數(shù)，又抑制了井壁失穩(wěn)。加拿大daylight非常規(guī)油氣田應(yīng)用結(jié)果表明，應(yīng)用優(yōu)快鉆井技術(shù)大幅度降低了鉆井周期和成本，為國內(nèi)非常規(guī)油氣田高效開發(fā)提供了借鑒。

非常規(guī)油氣田；長水平段；軌跡控制；機(jī)械鉆速；油基鉆井液；加拿大

中國石化收購的加拿大日光能源公司，主要開發(fā)非常規(guī)深盆致密氣和凝析油。由于開發(fā)非常規(guī)油氣藏，盡量擴(kuò)大井眼與儲層的接觸面積，因此需要儲層內(nèi)鉆成較長的水平段，2013年5月份完鉆的Pembina區(qū)12-2井，目的層是Cardium組致密砂巖油，水平段長達(dá)2 973 m，采用40級壓裂。超長水平段有利于非常規(guī)油氣藏的開發(fā)，但同時給鉆井工程帶來了技術(shù)上的挑戰(zhàn)和居高不下的成本，因此需要研究形成一套針對非常規(guī)油氣藏超長水平段的優(yōu)快鉆井技術(shù)［1-2］。

1 鉆井難點(diǎn)分析

長水平段水平井配合分段壓裂技術(shù)可以顯著提高油氣泄流面積， 是提高非常規(guī)油氣井單井產(chǎn)量的有效開發(fā)手段之一。長水平段水平井鉆進(jìn)技術(shù)的難點(diǎn)是如何克服或降低井下摩阻， 提高水平井段的機(jī)械鉆速降低鉆井成本，并在常規(guī)導(dǎo)向技術(shù)條件下盡量延伸水平段的長度［3］。

長水平段鉆進(jìn)時，常規(guī)的井眼軌跡控制是利用單彎螺桿的滑動導(dǎo)向鉆進(jìn)和復(fù)合鉆進(jìn)交替進(jìn)行來實(shí)現(xiàn)的。由于長水平段鉆柱與井壁間的摩阻很大，滑動鉆進(jìn)時摩擦力阻礙鉆壓傳遞致使機(jī)械鉆速低［4］。復(fù)合鉆進(jìn)時絕大部分摩擦力被轉(zhuǎn)盤的扭矩克服，鉆壓傳遞順利、機(jī)械鉆速較高，因此要研究在保證井眼軌跡控制能力的條件下，盡可能提高導(dǎo)向鉆具復(fù)合鉆進(jìn)與導(dǎo)向鉆進(jìn)的比例［5］；因此需要分別研究不同單彎螺桿鉆具組合在滑動導(dǎo)向鉆井和復(fù)合鉆進(jìn)時的造斜率，導(dǎo)向鉆進(jìn)時的造斜率目前研究的已經(jīng)相對成熟，蘇義腦、高德利等人提出了一系列造斜預(yù)測模型已經(jīng)基本滿足工程需要［6-8］。單彎螺桿鉆具組合復(fù)合鉆進(jìn)時的造斜率則研究的相對較少，鉆井實(shí)踐表明，復(fù)合鉆進(jìn)造斜率除與底部鉆具組合有關(guān)外，地層巖石力學(xué)性質(zhì)也是重要的因素［9］。

采用新工具提高鉆壓傳遞能力也是一項(xiàng)重要的手段，但是需要對適應(yīng)性進(jìn)行評價。

長水平段鉆進(jìn)周期長，鉆井液長期浸泡儲層會導(dǎo)致井壁失穩(wěn)和儲層傷害［10-11］，鉆井液體系的潤滑性能也是影響鉆柱摩阻扭矩的重要因素，因此長水平井段鉆井液體系需要優(yōu)化設(shè)計。

2 優(yōu)快鉆井措施

2.1 導(dǎo)向鉆具組合的優(yōu)化

導(dǎo)向鉆具優(yōu)化的原則是在保證水平段井眼軌跡控制能力的條件下，盡可能提高復(fù)合鉆進(jìn)與滑動導(dǎo)向鉆進(jìn)的比例，其核心技術(shù)是單彎螺桿鉆具組合在復(fù)合鉆進(jìn)時的造斜率預(yù)測研究。從理論上上講，單彎螺桿鉆具復(fù)合鉆進(jìn)時的造斜率為0時為最優(yōu)，這時就可以完全復(fù)合鉆進(jìn)直至完成水平段。但實(shí)際上，造斜率與底部鉆具組合復(fù)合鉆進(jìn)時的力學(xué)特性以及地層的巖石力學(xué)性質(zhì)相關(guān)，因此隨著穩(wěn)定器磨損或者地層巖石力學(xué)性質(zhì)變化，其造斜率隨之變化，井眼軌跡偏離設(shè)計軌道，就需要滑動導(dǎo)向鉆進(jìn)進(jìn)行糾正。

單彎螺桿鉆具組合復(fù)合鉆進(jìn)時，相對滑動鉆進(jìn)時有兩大特點(diǎn)：一是受到重力對底部鉆具組合彈性變形的影響，單彎螺桿產(chǎn)生的側(cè)向力隨著鉆柱的旋轉(zhuǎn)而變化，因此其旋轉(zhuǎn)一周的合力并不為0，這就意味著復(fù)合鉆進(jìn)時將同樣具備一定的造斜能力；二是單彎螺桿產(chǎn)生的側(cè)向力隨著鉆柱的旋轉(zhuǎn)施加于井壁四周，而不是滑動鉆進(jìn)時的一個方向，這就可能帶來井徑擴(kuò)大。

導(dǎo)向鉆具組合在鉆頭處產(chǎn)生的側(cè)向力是評價鉆具組合造斜性能的重要參數(shù)，獲取側(cè)向力的重要方法是利用縱橫彎曲連續(xù)梁理論公式進(jìn)行計算［6］，該方法已經(jīng)非常成熟。下列為常用的鉆具組合配置：?215.9 mm 鉆頭+1.25°?172 mm單彎螺桿（自帶?215 mm穩(wěn)定器）+普通穩(wěn)定器（或沒有）+?165 mm無磁鉆鋌1根+MWD 定向接頭+?127 mm加重鉆桿+?127 mm鉆桿。

圖1是計算出的導(dǎo)向鉆具工具面在井底旋轉(zhuǎn)360°產(chǎn)生的各個角度的井斜力Fx和方位力Ff，所有側(cè)向力的合力Fh可以作為判斷導(dǎo)向鉆具組合造斜特性的參數(shù)［12］。

圖1 旋轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生的井斜力、方位力

通過計算單彎螺桿鉆具組合的合力為1 kN左右，方向垂直向下（即降斜力），由于重力的方向是垂直方向的，只影響井斜力，當(dāng)旋轉(zhuǎn)1周時，方位力合力為0。

根據(jù)縱橫彎曲連續(xù)梁理論和大量鉆井實(shí)踐，穩(wěn)定器與井眼之間的間隙對于側(cè)向力的影響很大。對于單彎螺桿鉆具組合，可以選擇的是上穩(wěn)定器，通過選擇不同的直徑或調(diào)節(jié)穩(wěn)定器的位置，可以改變鉆具組合的的造斜能力。

圖2的計算結(jié)果顯示，復(fù)合鉆進(jìn)時鉆具組合的合力遠(yuǎn)小于滑動鉆進(jìn)時的側(cè)向力，這就是意味著旋轉(zhuǎn)復(fù)合鉆進(jìn)時，造斜率要比滑動鉆進(jìn)時小；復(fù)合鉆進(jìn)時側(cè)向力合力不為0，隨著上穩(wěn)定器直徑的變小，合力在增大。圖3顯示，上穩(wěn)定器與螺桿自帶的穩(wěn)定器之間的距離對于側(cè)向力合力影響大，隨著兩穩(wěn)定的變大，合力由負(fù)值變?yōu)檎?，并逐漸增大，因此復(fù)合鉆進(jìn)時有可能是增斜鉆進(jìn)也可能是降斜鉆進(jìn)。

單彎螺桿鉆具組合復(fù)合鉆進(jìn)時，較大的側(cè)向力不斷切削井壁四周，造成井眼擴(kuò)大，地層越疏松擴(kuò)徑越嚴(yán)重，井徑擴(kuò)大后底部鉆具組合力學(xué)特性會發(fā)生變化。

圖2 上穩(wěn)定器直徑對兩模式側(cè)向力的影響

圖3 上穩(wěn)定器的位置對側(cè)向力的影響

地層可鉆性是巖石重要的力學(xué)性質(zhì)，牛洪波等人統(tǒng)計了水平井段巖石可鉆性與底部鉆具組合的造斜率的關(guān)系［10］：可鉆性級值越高，復(fù)合鉆進(jìn)造斜率越高，驗(yàn)證了圖4的計算結(jié)果。

圖4 井眼擴(kuò)大對側(cè)向力的影響

通過對單彎螺桿導(dǎo)向鉆具組合穩(wěn)定器位置、直徑以及所鉆地層等因素對于造斜率的影響，優(yōu)化了長水平段導(dǎo)向鉆具組合：上穩(wěn)定器直徑設(shè)計為214 mm，保持兩穩(wěn)定器距離為7~8 m，復(fù)合鉆進(jìn)時，其理論造斜率接近于0，同時導(dǎo)向鉆進(jìn)時具有較高的控制能力，達(dá)到盡量增大復(fù)合鉆進(jìn)比例的目標(biāo)。

導(dǎo)向鉆具組合造斜率受眾多因素影響，很多給出準(zhǔn)確的計算公式，上述結(jié)論雖然沒有直接給出造斜率的預(yù)測公式，但是給出了各因素對于造斜率的影響趨勢，假設(shè)某一鉆具組合在某地區(qū)經(jīng)過應(yīng)用，基本摸清了其造斜率，就可以根據(jù)上述結(jié)論對其進(jìn)行調(diào)節(jié)配置，從而獲得不同造斜率的鉆具組合。

2.2 油基鉆井液體系配置

增強(qiáng)鉆井液的潤滑性能，可提高水平段延伸能力，日光公司油田區(qū)域內(nèi)泥巖水敏性強(qiáng)，油田開發(fā)初期使用水基鉆井液時井壁失穩(wěn)嚴(yán)重。因此綜合考慮采用油基鉆井液，有效保證井壁穩(wěn)定和井眼潤滑性能，提高長水平段鉆井效率。水平井段油水比設(shè)計為95∶5，以減小水平段作業(yè)時的摩阻，有利于更長水平段的延伸；基油選擇礦物油，黏度設(shè)計為45~65 s；使用INVERMUL 、EZ MUL，保持破乳電壓高于800 V，現(xiàn)場實(shí)際控制在1 100~1 200 V；同時隨鉆加入BaroLube提高潤滑性能，加入Torque-LESS降低水平段摩阻。低固相含量，低于8%；降摩減阻劑加量不少于3 L/m3。

2.3 其他配套措施

（1）AGITATOR震蕩器。AGITATOR類似于可以隨鉆連續(xù)工作的震擊器，利用水力能量轉(zhuǎn)換為震動機(jī)械能，通過對BHA施加震蕩，克服部分摩阻，提高鉆壓傳遞效果。震蕩器接在鉆頭以上500~600 m位置。工具的使用一定程度上提高了鉆壓傳遞效率，可以但由于工具壓降通常在6 MPa左右，限制了工具的應(yīng)用范圍。

（2）鉆頭選型。從地層巖性、巖石強(qiáng)度著手，參考對鄰區(qū)、鄰井鉆頭使用情況綜合優(yōu)選PDC類型及施工參數(shù)。結(jié)合鉆頭公司，通過阿爾伯達(dá)能源資源局網(wǎng)站得到不同區(qū)塊、不同廠家鉆頭使用情況及原始測井資料，進(jìn)行專門的開放性的分析研究。利用黑匣子（Blackbox）技術(shù)來測量井下黏滑震動數(shù)據(jù)，以此優(yōu)化設(shè)計新型鉆頭（見表1），防止早期損壞。

表1 各井段優(yōu)選的鉆頭

經(jīng)過定制的FX系列鉆頭在Warburg地區(qū)可以一趟鉆完成了直井段（套管鞋~造斜點(diǎn)），定向段（造斜段~A點(diǎn)）以及水平段鉆。該地區(qū)二開平均段長2 620 m，平均機(jī)械鉆速達(dá)到31.4 m/h。

2010年，該地區(qū)二開鉆進(jìn)一般需要2~3趟鉆完成，起鉆的主要原因?yàn)楦鼡Q導(dǎo)向鉆具組合和鉆頭。至2012年，通過導(dǎo)向鉆具組合優(yōu)化技術(shù)和鉆頭選型2項(xiàng)技術(shù)的結(jié)合，Warburg地區(qū)能夠?qū)崿F(xiàn)一趟鉆打完二開井段。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

優(yōu)快鉆井技術(shù)在Daylight公司的Warburg地區(qū)和Brazeau地區(qū)進(jìn)行了應(yīng)用，鉆井周期和成本都得到了改善。以Warburg地區(qū)的的平均井深為3 000 m的井為例，2010和2011年的平均鉆井周期為18 d，而2012年則為8 d，降低了48%。鉆井成本，2012年Warburg鉆井成本585美元/m，比2011年的765美元/m降低了24%；Brazeau地區(qū)更深一些，成本降低了32%。

4 結(jié)論與認(rèn)識

（1）日光油田通過理論研究及實(shí)踐，優(yōu)化導(dǎo)向鉆井技術(shù)，采用AGITATOR震蕩器等新技術(shù)，并結(jié)合鉆頭選型、油基鉆井液等技術(shù)，提高了鉆井效率、降低了鉆井成本。因此優(yōu)化挖掘常規(guī)鉆井技術(shù)的潛力，適當(dāng)采用新技術(shù)，強(qiáng)化配套技術(shù)是非常規(guī)油氣田降本增效的有效手段。

（2）“井工廠”作業(yè)模式是另一種開發(fā)非常規(guī)油田的高效手段，在日光公司尚未全面鋪開，建議進(jìn)一步加強(qiáng)技術(shù)研究和實(shí)踐，這種作業(yè)模式依靠組織協(xié)調(diào)和不同作業(yè)間的有效銜接，這對于提速提效具有更為迫切的現(xiàn)實(shí)意義。

［1］韓來聚，周延軍，唐志軍.勝利油田非常規(guī)油氣優(yōu)快鉆井技術(shù)［J］.石油鉆采工藝，2012，34（3）：11-15.

［2］辛俊和，吳廣義，張華北.加拿大致密氣藏長水平段工廠化鉆完井技術(shù)［J］.石油鉆采工藝，2014，36（2）：7-11.

［3］韓來聚，牛洪波，竇玉玲.勝利低滲油田長水平段水平井鉆井關(guān)鍵技術(shù)［J］.石油鉆探技術(shù)，2012，40（3）：7-13.

［4］李夢剛，楚廣川，張濤，等.塔河油田優(yōu)快鉆井技術(shù)實(shí)踐與認(rèn)識［J］.石油鉆探技術(shù)，2008，36（4）：18-21.

［5］牛洪波.大牛地氣田長水平段井眼軌跡控制方法［J］.天然氣工業(yè)，2011，31（10）：64-69.

［6］蘇義腦.鉆井力學(xué)與井眼軌道控制文集［M］．北京：石油工業(yè)出版社，2008：126-128.

［7］蘇義腦.水平井井眼軌道控制［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2000：78-79.

［8］周全興.中曲率水平井鉆井技術(shù)［M］.北京：科學(xué)出版社，2000：174-175.

［9］甲方手冊編寫組.甲方手冊（上冊）［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1990.

［10］許孝順.墨西哥epc區(qū)塊優(yōu)快鉆井技術(shù)［J］.石油鉆探技術(shù)，2011，39（5）：53-57 .

［11］閆振來， 牛洪波， 唐志軍.低孔低滲氣田長水平段水平井鉆井技術(shù)［J］.特種油氣藏，2010，17（2）：105-111.

［12］彭國榮，狄勤豐.滑動導(dǎo)向鉆具組合復(fù)合鉆井導(dǎo)向能力預(yù)測方法研究［J］.石油鉆探技術(shù)，2000，28（6）：4-5.

（修改稿收到日期 2014-10-17）

〔編輯 薛改珍〕

Optimized fast drilling technology for unconventional oil/gas field in Canada

HOU Lizhong1, ZHENG Deshuai2, WU Junxia2
（1.International Petroleum Exploration and Production Corporation,SINOPEC,Beijing100029,China;2.Research Institute of Petroleum Engineering,SINOPEC,Beijing100101,China）

Due to high cost of unconventional oil/gas fields development like tight gas, it is in urgent need to study optimized fast drilling in order to reduce drilling costs.The development of unconventional oil and gas needs to place long horizontal sectionin in the reservoir.In view of the technical challenges like difficulty in control of wellbore trajectory in long horizontal section and low penetration rate, the mechanical properties of bottomhole assembly was analyzed and optimized through computation, and the compound drilling rate in the horizontal section was improved, all of which reduced the number of trips in combination with bit selection.The drillstring oscillator was used to improve wob transferring efficiency;oil-based drilling fluid was specially prepared for horizontal section, which greatly reduced the friction factor and effectively inhibited wellbore instability.The application of optimized fast drilling technology in Daylight Unconventional Oil/Gas Field (Canada) shows that this technology significantly reduces drilling period and drilling costs, and provides useful reference for high-efficient development of domestic unconventional oil/gas fields.

unconventional oil/gas field;long horizontal section;trajectory control;penetration rate;oil-based drilling fluid;Canada

侯立中，鄭德帥，吳俊霞.加拿大非常規(guī)油氣田優(yōu)快鉆井技術(shù)［J］.石油鉆采工藝，2014，36（6）：24-27.

TE242

：A

1000–7393（2014） 06–0024– 04

10.13639/j.odpt.2014.06.006

侯立中，1971年生。1994年畢業(yè)于江漢石油學(xué)院，現(xiàn)從事鉆井技術(shù)及管理工作。電話：010-69165308。E-mail：lzhou.sipc@ sinopec.com。