陳海宇，王新東，林 晶，陳 濤，李 輝，范 琳

（中國石油集團(tuán)西部鉆探工程有限公司工程技術(shù)研究院，新疆克拉瑪依 834000）

新疆吉木薩爾國家級陸相頁巖油示范區(qū)建立后，新疆油田對頁巖油的勘探和開發(fā)力度持續(xù)加大，水平井水平段的長度由初期的1 000～1 500 m逐漸增長到2 000 m 左右。其中，部署在吉木薩爾頁巖油示范區(qū)東南部的JHW00421 井、JHW00422 井和JHW00423 井是水平井，設(shè)計水平段長度達(dá)到了3 000～3 500 m。根據(jù)前期鉆井實踐，水平井的水平段長度超過2 000 m 后，井眼失穩(wěn)和摩阻過大問題凸顯，鉆井難度大幅增加，原有技術(shù)已無法保障水平井鉆井安全。水平段長度超過3 000 m，鉆井難度進(jìn)一步增大。為此，進(jìn)行了井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化、雙二維井眼軌道設(shè)計、根據(jù)井眼清潔情況確定鉆井參數(shù)等降摩減阻技術(shù)研究，并在室內(nèi)優(yōu)化配制了抑制性強(qiáng)、穩(wěn)定性好、潤滑性強(qiáng)的油基鉆井液，研究形成了新疆頁巖油超長水平段水平井鉆井關(guān)鍵技術(shù)，現(xiàn)場應(yīng)用后效果良好，水平段延伸能力強(qiáng)，滿足優(yōu)快鉆井完井需求，具有推廣應(yīng)用價值。

1 超長水平段水平井鉆井技術(shù)難點

JHW00421 井、JHW00422 井和JHW00423 井的設(shè)計井深超過5 800 m，水平段長度超過3 000 m，目的層為蘆草溝組，屬于強(qiáng)塑性薄層理狀泥頁巖地層，可鉆性差，井眼失穩(wěn)嚴(yán)重，且微裂縫發(fā)育，導(dǎo)致井漏頻發(fā)，給鉆井帶來很大安全風(fēng)險。分析認(rèn)為，在超3 000 m水平段鉆井主要存在以下技術(shù)難點。

1.1 水平段摩阻大，延伸能力有限

水平段摩阻過大會造成鉆具托壓，甚至發(fā)生屈曲。為避免卡鉆風(fēng)險，鉆進(jìn)中需頻繁通井劃眼，并改善鉆井液性能以提高潤滑能力。但這些技術(shù)措施降摩效果有限，如J10016H 井頻繁通井后形成了臺階面，無法處理而提前完鉆；J10028H 井也因相同原因?qū)е绿坠苁Ｓ?17 m，未下至設(shè)計井深。另外，改善鉆井液性能無法完全抑制頁巖水化膨脹，水平段易形成“糖葫蘆”井眼，給鉆井安全帶來威脅。結(jié)合現(xiàn)場實測摩阻，利用軟件計算不同長度水平段的延伸能力，得到在水基鉆井液條件下頁巖油水平井水平段最大延伸能力為2 200 m 左右（見表1），與之前新疆頁巖油井區(qū)采用水基鉆井液成功實施的最長水平段為2 256 m（J10057H 井）相吻合。

表1 不同摩阻系數(shù)條件下的水平段延伸能力統(tǒng)計結(jié)果Table 1 Statistics of horizontal section extension capacity under different friction coefficient conditions

1.2 頁巖水化分散作用明顯，水平段井眼失穩(wěn)嚴(yán)重

分析相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，引起泥頁巖井眼失穩(wěn)的原因主要有以下3 方面[1-4]：1）水平段發(fā)生井漏后，鉆井液靜液柱壓力降低，難以支撐力學(xué)不穩(wěn)定地層，導(dǎo)致井壁垮塌；2）鉆井液靜液柱壓力高于地層孔隙壓力時，驅(qū)使鉆井液進(jìn)入泥頁巖孔隙，產(chǎn)生壓力穿透效應(yīng)，使井眼附近的泥頁巖含水量增大，孔隙壓力升高，泥頁巖強(qiáng)度降低，導(dǎo)致井眼失穩(wěn)；3）頁巖遇水后產(chǎn)生分散作用，破壞泥巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使其強(qiáng)度降低，導(dǎo)致井眼失穩(wěn)。

吉木薩爾頁巖油示范區(qū)的水平井普遍使用鉀鈣基聚胺有機(jī)鹽鉆井液，加入0.5%～0.7%MAN104、7.0%KCl、8.0%～12.0%有機(jī)鹽和胺基抑制劑，以增強(qiáng)鉆井液的包被抑制性；加入0.5%～0.7%MAN101和0.5%復(fù)配銨鹽，降低鉆井液的濾失量；加入陽離子乳化瀝青和白瀝青（天然瀝青），以增強(qiáng)鉆井液的封堵防塌能力；加入WRF-9（LS-1 或聚合醇）、固體潤滑劑和液體潤滑劑，以增強(qiáng)鉆井液的潤滑性能；加入XC，以增強(qiáng)鉆井液的攜巖能力。由于蘆草溝組微裂縫發(fā)育，鉆井液密度過高或過低均可能導(dǎo)致井下出現(xiàn)復(fù)雜情況。鉆井液密度和鉆井參數(shù)可以人為調(diào)節(jié)，通過多次試驗可以找到一個合適的值，能夠?qū)崿F(xiàn)井底壓力的動態(tài)平衡，降低井漏和垮塌風(fēng)險。根據(jù)多口井的試驗結(jié)果得知，水平段鉆井液密度為1.58～1.60 kg/L 時，能最大程度地降低出現(xiàn)復(fù)雜情況的可能性，但無法完全避免頁巖的水化分散，部分井的水平段在該密度窗口下井眼仍然失穩(wěn)。為此，利用 DMA-3C 衍射儀等分析目的層蘆草溝組巖石的成分，發(fā)現(xiàn)蘆草溝組巖石的主要成分為黏土、石英石和斜長石（見表2），符合泥頁巖巖性特征。

表2 蘆草溝組巖石成分分析結(jié)果Table 2 Analysis results of rock composition of Lucaogou Formation

由2019 年吉木薩爾頁巖油示范區(qū)三開水平井1 500～2 000 m 水平段實鉆情況統(tǒng)計結(jié)果（見表3）可以看出：鉆進(jìn)水平段過程中多次發(fā)生因井眼失穩(wěn)造成垮塌導(dǎo)致的憋泵甚至蹩停頂驅(qū)問題；使用水基鉆井液鉆進(jìn)水平段，發(fā)生嚴(yán)重坍塌導(dǎo)致卡鉆的平均周期為21 d，無法滿足3 000～3 500 m 長水平段安全鉆進(jìn)的需求。

表3 2019 年新疆頁巖油井區(qū)三開水平井水平段卡鉆情況統(tǒng)計結(jié)果Table 3 Statistics of stuck in the third horizontal section of the horizontal wells in the shale oil well area in Xinjiang in 2019

綜合以上分析可知，吉木薩爾巖油示范區(qū)水平井長3 000～3 500 m 水平段要實現(xiàn)安全鉆進(jìn)的目標(biāo)，應(yīng)解決鉆井摩阻過大和頁巖水化分散作用2 個關(guān)鍵問題。

2 鉆井關(guān)鍵技術(shù)

為降低鉆井摩阻、減小頁巖水化分散作用，借鑒四川頁巖氣開發(fā)中的油基鉆井液使用經(jīng)驗，從優(yōu)化鉆井液性能、設(shè)計井眼軌道、提高井眼清潔能力入手，研究了超長水平段減摩降阻技術(shù)[5-12]。同時，為縮短水平段井壁浸泡時間，通過室內(nèi)試驗優(yōu)選了油基鉆井液配方，優(yōu)化了井身結(jié)構(gòu)、采用了旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井方式、優(yōu)化了鉆井液密度和鉆井參數(shù)，以降低井底當(dāng)量循環(huán)密度，形成了超長水平段水平井安全快速鉆井技術(shù)。

2.1 超長水平段減摩降阻技術(shù)

2.1.1 采用潤滑性更好的油基鉆井液

目前采用鉀鈣基聚胺有機(jī)鹽鉆井液，因井眼光滑程度、潤滑劑含量和種類不同，平均摩阻系數(shù)不盡相同，但大概在0.37～0.42，理論計算得可用最長水平段長度僅2 200 m 左右，顯然無法滿足長度超3 000 m 水平段減摩降阻的要求。

油基鉆井液的主要成分是白油，白油具有很好的潤滑性，能降低水平段中鉆井時的摩阻。因此，考慮采用油基鉆井液鉆進(jìn)超長水平段。而且，之前在四川長寧—威遠(yuǎn)頁巖氣井區(qū)已經(jīng)采用油基鉆井液成功鉆進(jìn)2 500 m 長水平段，現(xiàn)場實測摩阻系數(shù)為0.15～0.20，水平段最大摩阻180 kN。由軟件模擬計算結(jié)果可知，油基鉆井液摩阻系數(shù)小于0.25 時，可以滿足3 500 m 長水平段鉆進(jìn)要求。可見，采用高性能油基鉆井液即能滿足超長水平段鉆進(jìn)要求。

2.1.2 采用雙二維井眼軌道

雙二維水平井井眼軌道的特征是有2 個相交鉛垂面，第1 鉛垂面采用“直—增—穩(wěn)—降—穩(wěn)”剖面；以井斜角小于10°進(jìn)入第2 鉛垂面后，按“增—穩(wěn)—增”進(jìn)入水平段[13]。由于2 個鉛垂面只有井斜角有明顯變化，方位角變化較小，井眼軌跡控制難度比常規(guī)扭方位水平井低很多，摩阻和扭矩均較低，因而可避免鉆具屈曲情況的發(fā)生。

以新疆頁巖油區(qū)JHW00423 井為例（見圖1）進(jìn)行分析，對于常規(guī)三維井眼軌道，下鉆過程中2 300～3 000 m 井段（扭方位井段）存在鉆具屈曲可能，而雙二維井眼軌道減少了大幅度扭方位作業(yè)，下鉆過程中可避免鉆具屈曲，能保障鉆具安全。

圖1 不同井眼軌道條件下JHW00423 井的鉆具屈曲分析結(jié)果Fig.1 Buckling analysis results of drilling tool under different borehole trajectory conditions

2.1.3 根據(jù)井眼清潔情況確定鉆井參數(shù)

在長水平段，由于鉆井液的流動方向是水平的，同時巖屑受重力影響向下移動，其巖屑運移方式是以傳輸帶方式進(jìn)行的。井筒高邊的高速流體起到傳輸帶作用，將巖屑運移出井時，巖屑總是在重力作用下移動一段距離然后沉降到低邊（低流速區(qū)）；巖屑沉降過程中的水平運移距離（傳輸帶距離）受井斜角、排量、轉(zhuǎn)速和鉆井液流變性的影響。其中，影響井筒清潔的可控因素主要為排量、轉(zhuǎn)速、鉆井液流變性。

1）排量優(yōu)選。水平段井底沉砂會導(dǎo)致摩阻大幅度增加，開展井眼清潔技術(shù)有利于降低水平段沉砂現(xiàn)象。理論研究與現(xiàn)場實踐表明，井眼直徑是影響井眼清潔效果的重要因素[8-12]。井徑擴(kuò)大率不同，對鉆井參數(shù)尤其是排量的要求也不同。根據(jù)前期統(tǒng)計資料，吉木薩爾頁巖油水平段的平均井徑擴(kuò)大率約為10%。以JHW00423 為例，利用Landmark 軟件計算井眼清潔最小排量。該井設(shè)計完鉆井深5 731.65 m，設(shè)計水平段長3 000 m，使用密度1.55 kg/L 的鉆井液，計算出φ215.9 mm 井眼井徑擴(kuò)大率為10%時，滿足水平段井眼清潔要求的最小排量為1.85 m3/min（見圖2）。

圖2 最小排量與井深的關(guān)系（井徑擴(kuò)大率10%）Fig.2 Relationship between minimum flow rate and well depth (10% hole enlargement rate)

2）轉(zhuǎn)速優(yōu)選。軟件模擬表明，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速達(dá)到60 r/min后，繼續(xù)增加轉(zhuǎn)速，對井眼清潔效果基本無影響。

3）鉆井液流變性控制。鉆井液靜切力保持在2～7/4～12 Pa，鉆井液攜巖性能強(qiáng)，可減弱巖屑成床的程度，為巖屑及時輸送創(chuàng)造條件；鉆井液動切力大于9 Pa時，對巖屑顆粒的拖曳作用力大，可為巖屑床面顆粒的啟動和攜帶創(chuàng)造有利條件。

2.2 超長水平段水平井安全快速鉆井技術(shù)

2.2.1 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

JHW00421 井、JHW00422 井和JHW00423 井優(yōu)化設(shè)計為三開井身結(jié)構(gòu)，如圖3 所示。表層套管下至500 m；技術(shù)套管下至入靶點，封隔八道灣組—梧桐溝組復(fù)雜地層；采用較低密度鉆井液鉆開油氣層，實現(xiàn)水平段專打，縮短三開井段的鉆井周期和井壁浸泡時間，提高井壁穩(wěn)定性。

圖3 原水平井井身結(jié)構(gòu)和優(yōu)化后的水平井井身結(jié)構(gòu)Fig.3 Casing programs of original and optimized horizontal wells

2.2.2 確定油基鉆井液配方

井壁延遲坍塌機(jī)理分析結(jié)果表明[2]，泥頁巖受流-力-化多場耦合共同作用導(dǎo)致了井眼失穩(wěn)，鉆井液保持較低的水活度、較高的黏度和較高的膜效率是解決泥頁巖井眼失穩(wěn)的關(guān)鍵。油基鉆井液的主要成分是柴油或白油，束縛自由水的能力強(qiáng)，水活度低，能最大程度地抑制頁巖的水化分散，具有水基鉆井液不可比擬的優(yōu)勢。吉木薩爾頁巖油示范區(qū)之前未使用過油基鉆井液，因此，針對吉木薩爾頁巖油示范區(qū)水平井超3 000 m 長水平段的鉆進(jìn)需求，通過室內(nèi)試驗優(yōu)選出主乳化劑Z-RHJ、輔乳化劑F-RHJ、潤濕劑RHJ-1、降濾失劑JLSJ-1 和有機(jī)土YJT-1，并研究確定了白油基油包水鉆井液配方：白油+30.0%CaCl2水溶液+3.0%主乳化劑Z-RHJ+2.5%輔乳化劑F-RHJ+1.0%潤濕劑RSJ-1+3.0%有機(jī)土YJT-1+3.0%降濾失劑JLSJ-1+1.5%氧化鈣+1.0%增黏劑+3.0%天然瀝青+重晶石粉，白油與30.0%CaCl2水溶液的體積比為85∶15。

采用上述配方配制密度1.56 kg/L 的白油基油包水鉆井液，測定其老化前后的基本性能，結(jié)果見表4。

表4 白油基油包水鉆井液的基本性能Table 4 Basic properties of white oil-based water-in-oil drilling fluid

由表4 可知，老化前后鉆井液性能變化不大，破乳電壓高達(dá)780 V 以上，高溫高壓濾失量僅2.4 mL，說明高溫穩(wěn)定性良好。

白油基油包水鉆井液分別加入8.0% 淡水、5.0%質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.0% NaCl 溶液和10.0%評價土，測定其高溫老化前后的性能，結(jié)果表明，白油基油包水鉆井液的抗污染性能良好。測定頁屑白油基油包水鉆井液中的回收率，結(jié)果為一次回收率98.9%，二次回收率97.5%，遠(yuǎn)高于常規(guī)鉀鈣基聚合物鉆井液中的回收率（取同地層巖屑，一次回收率為83.2%，二次回收率為75.6%），表明白油基油包水鉆井液的抑制性能強(qiáng)。

上述性能評價結(jié)果表明，該白油基油包水鉆井液抑制性強(qiáng)、高溫穩(wěn)定性好、抗污染能力強(qiáng)、高溫高壓濾失量低，可有效防止井壁坍塌和井眼縮徑，確保水平井長水平段的安全快速鉆進(jìn)[3]。

2.2.3 采用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具提速

吉木薩爾頁巖油示范區(qū)超3 000 m 水平段鉆遇地層屬于強(qiáng)塑性地層。在該地層進(jìn)行了螺桿鉆具、螺桿鉆具+水力振蕩器和旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具等工具的對比試驗，發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具與MDI516 型鉆頭配合，平均機(jī)械鉆速可達(dá)7.78 m/h，提速效果最佳。因此，選用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具作為超長水平段安全快速鉆具。

2.2.4 確定合理的鉆井液密度

分析吉木薩爾頁巖油超長水平段水平井鉆進(jìn)中發(fā)生井漏的情況，發(fā)現(xiàn)鉆進(jìn)蘆草溝組發(fā)生井漏時的當(dāng)量循環(huán)密度為1.74～1.77 kg/L。前期已鉆井情況顯示水平段平均井徑擴(kuò)大率在10%左右，研究還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)最大排量為1.85 m3/min 時，水平段井底當(dāng)量循環(huán)密度小于1.77 kg/L，如圖4 所示。此時，既能滿足井眼清潔要求，也能降低發(fā)生井漏的風(fēng)險。

3 現(xiàn)場試驗

上述超長水平段水平井鉆井關(guān)鍵技術(shù)在吉木薩爾頁巖油示范區(qū)JHW00421 井、JHW00422 井和JHW00423 井進(jìn)行了現(xiàn)場試驗。3 口試驗井水平段長度均超過3 000 m（平均長度達(dá)3 200 m），其中JHW00422 井水平段的實鉆長度達(dá)到了3 500 m，創(chuàng)造了國內(nèi)非常規(guī)油氣藏最長水平段紀(jì)錄。3 口試驗井的平均機(jī)械鉆速達(dá)10.90 m/h，對比鄰井水平段鉆速提高23%；水平段鉆進(jìn)中未發(fā)生井下故障，通井、電測和下套管等作業(yè)均一次完成，水平段平均完井周期40.79 d，取得了很好的綜合效果。現(xiàn)場試驗中采取的措施及取得的認(rèn)識如下：

1）3 口試驗井鉆井中取消了長短提，起下鉆和劃眼用時大幅度縮短，平均短起及劃眼用時僅38.5 h。與采用水基鉆井液的鄰井相比，采用油基鉆井液的3 口試驗井在平均水平段長度增加90%的前提下，短起及劃眼用時反而縮短了48%。

2）與采用水基鉆井液的鄰井相比，采用油基鉆井液的3 口試驗井的摩阻只有其1/3，摩阻系數(shù)為0.15～0.18（見表5），解決了長水平段鉆進(jìn)中的鉆具托壓問題，并降低了通井、電測和下套管作業(yè)難度。

表5 試驗井與采用水基鉆井液鄰井的摩阻系數(shù)對比Table 5 Comparison between friction coefficients of the test well and its adjacent well using water-based drilling fluid

3）與采用水基鉆井液的鄰井對比了井徑擴(kuò)大率，結(jié)果如圖5 所示（圖5 中，紅色線表示鉆頭外徑）。對比發(fā)現(xiàn)，油基鉆井液對維持井壁穩(wěn)定效果很好，水平段井徑均勻變化，平均井徑擴(kuò)大率僅7.4%，基本無縮徑現(xiàn)象，而采用水基鉆井液的鄰井其平均井徑擴(kuò)大率達(dá)到了13.8%，部分井段的井徑擴(kuò)大率大于30.0%，并出現(xiàn)縮徑現(xiàn)象。

圖5 試驗井與采用水基鉆井液的鄰井的水平段井徑對比Fig.5 Comparison between borehole diameters in the horizontal sections of the test well and its adjacent well using waterbased drilling fluid

4）根據(jù)實鉆鉆井液密度1.55 kg/L 和預(yù)計水平段井徑擴(kuò)大率小于10%的情況，確定水平段排量為31 L/s 時的井底當(dāng)量循環(huán)密度小于1.77 kg/L?，F(xiàn)場試驗時采用28～30 L/s 的排量，同時將轉(zhuǎn)速提高至90 r/min，鉆進(jìn)水平段過程中無托壓、無井漏，取得了很好的井眼清潔和預(yù)防井漏的效果。

4 結(jié)論與認(rèn)識

1）新疆吉木薩爾頁巖油超長水平段水平井的主要鉆井技術(shù)難點是水平段摩阻大，延伸能力有限；頁巖水化分散作用明顯，水平段井眼失穩(wěn)嚴(yán)重。

2）通過室內(nèi)試驗確定了高性能油基鉆井液的配方，使用該配方鉆井液可大幅度降低蘆草溝組水化分散引發(fā)的井眼失穩(wěn)風(fēng)險，滿足吉木薩爾頁巖油水平井超3 000 m 水平段的安全鉆進(jìn)需求。

3）通過井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化、雙二維井眼軌道設(shè)計、應(yīng)用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具和確定合理鉆井液密度與鉆井參數(shù)，形成了新疆頁巖油超長水平段水平井鉆井關(guān)鍵技術(shù)?，F(xiàn)場試驗表明，該技術(shù)可以縮短長裸眼井段的浸泡時間，大幅降低水平段的摩阻，保障鉆井、通井、電測和下套管等施工作業(yè)順利完成，實現(xiàn)鉆井提速提效，值得進(jìn)一步推廣應(yīng)用。