【頁巖油超長水平井鉆井關(guān)鍵技術(shù)分析報(bào)告】

頁巖油超長水平井鉆井關(guān)鍵技術(shù)分析報(bào)告目錄TOC\o"1-2"\h\u619摘要 113471.頁巖油超長水平段水平井鉆井難點(diǎn)分析 1149971.1井眼軌跡控制 119851.2井壁穩(wěn)定 294141.3鉆具摩阻扭矩過大 272432.中石油隴東地區(qū)頁巖油超長水平段水平井鉆井關(guān)鍵技術(shù)分析 3300632.1井眼軌跡控制 3267752.2井眼與井壁穩(wěn)定 567362.3鉆具摩阻扭矩過大 63779參考文獻(xiàn) 6摘要本文針對(duì)頁巖油超長水平段水平井在隴東鉆進(jìn)過程中井眼軌跡控制、井壁穩(wěn)定、摩阻扭矩以及鉆井液優(yōu)選等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析研究。針對(duì)井眼軌跡控制問題，分析了出現(xiàn)的原因并分析了優(yōu)化軌道類型、優(yōu)選鉆具組合、使用強(qiáng)抑制性鉆井液、漂浮下套管技術(shù)、倒裝鉆具等解決方案，并給總結(jié)了子午收斂角與磁偏角的校正公式。針對(duì)鉆具摩阻扭矩過大的問題總結(jié)了使用潤滑性好的鉆井液、柔性鉆具和采用滑動(dòng)鉆進(jìn)鉆柱雙向扭轉(zhuǎn)降阻提速技術(shù)并進(jìn)行了分析。針對(duì)以上技術(shù)對(duì)鉆井液的要求，結(jié)合隴東地區(qū)地質(zhì)特征進(jìn)行了分析，并總結(jié)了中石油H50-7的實(shí)例和優(yōu)化方案。關(guān)鍵詞：長水平段水平井；井壁穩(wěn)定；鉆井液1.頁巖油超長水平段水平井鉆井難點(diǎn)分析1.1井眼軌跡控制①入窗難度大。造斜時(shí)，鉆具在增大井斜角的同時(shí)也應(yīng)及時(shí)改變方位角，油藏走向決定了入窗方式時(shí)，當(dāng)油藏向下傾斜時(shí)，則需要在目標(biāo)區(qū)域前50m以的姿勢(shì)入窗；若儲(chǔ)層向上傾斜，則需在靶區(qū)前以的姿勢(shì)入窗，縱向誤差不超過1m，橫向誤差不超過20m，操作難度大，要求高。②子午收斂角的影響：經(jīng)磁偏角校正后，計(jì)算是中靶而實(shí)際情況是脫靶。所以子午線收斂角的校正就是精確鉆進(jìn)目標(biāo)區(qū)域的一個(gè)不容忽視的步驟。③在鉆進(jìn)工作中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)砂巖與泥巖交替出現(xiàn)的情況出現(xiàn)，且其厚度各不相同，增加了井眼控制的難度。④水平段較長，且由于沒有水垂比的限制，更容易造成水平段鉆柱屈曲變形和鉆壓傳遞困難的情況。1.2井壁穩(wěn)定造成泥頁巖井壁失穩(wěn)的機(jī)理分析如下：受上覆巖層地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、地層壓力以及循環(huán)液壓力共同作用導(dǎo)致地層內(nèi)部受力不均勻。一旦鉆井液系統(tǒng)的密度太小或太大，就會(huì)導(dǎo)致井壁應(yīng)力不平衡，在各種作用力的影響下，井壁會(huì)出現(xiàn)脫落，嚴(yán)重時(shí)會(huì)坍塌。在淺層力學(xué)不穩(wěn)定地層常為流沙、堆積和砂礫層；深層力學(xué)不穩(wěn)定地層常為裂縫斷裂破碎帶。此外，長水平段鉆井所需的時(shí)間較長，相應(yīng)的底層浸泡時(shí)間長，且隨著鉆進(jìn)深度的增加，從而易發(fā)生泥頁巖吸水膨脹或水化溶解、水泥段泥巖坍塌壓力高等不利情況，造成井壁失穩(wěn)甚至坍塌。在井斜30°至70°的井段，常出現(xiàn)由于鉆井液攜砂能力降低而沉積的巖屑床，從而造成井眼穩(wěn)定性差，水平段井壁穩(wěn)定性差，易卡鉆。1.3鉆具摩阻扭矩過大鉆具的摩擦力和扭矩主要是由于長水平段鉆柱與套管或裸眼井壁之間的接觸所致產(chǎn)生,而長水平段鉆具因井眼軌跡變化速率較高,接觸載荷的大小主要取決于鉆柱的力學(xué)強(qiáng)度、鉆桿、前入尺寸、鉆柱重量及其傾斜角度等多種影響因素,容易產(chǎn)生屈曲、脫扣。作用在鉆柱上的力主要可分為軸向應(yīng)力和軸向剪力兩種,軸向剪力包括軸向摩擦和軸向扭矩,而軸向應(yīng)力則是以摩擦為主,其中軸向扭矩主要是受到巖屑床、臺(tái)肩和井壁的穩(wěn)定性等多種因素的影響。上述種種不利因素,隨時(shí)影響著鉆井施工。①當(dāng)鉆具處于斜度較大的井段或水平段時(shí)，由于鉆壓不足而引起的摩阻往往會(huì)增加，因此，合理調(diào)整鉆頭壓力不僅能提高鉆具的速度，而且能降低摩擦力。但如果鉆頭上的壓力控制不好，將導(dǎo)致鉆頭或鉆桿變形，從而使鉆具與井壁的接觸點(diǎn)不斷變化，作用力也不斷變化，最終導(dǎo)致摩擦力突然變大，甚至鉆具破裂損壞。②由于剛性物質(zhì)與粘性物質(zhì)之間的粘滯力和其相對(duì)接觸時(shí)的接觸頻率與時(shí)間相關(guān)，提高轉(zhuǎn)速可以有效得降低摩阻。鉆具與井底巖屑之間的相互作用；③碎屑進(jìn)入鉆井液，導(dǎo)致潤滑性降低，摩擦阻力加大；④長水平井段井壁穩(wěn)定性差，容易發(fā)生卡鉆、自鎖等事故。⑤當(dāng)單個(gè)鉆具進(jìn)入較長的水平段時(shí)，在井身結(jié)構(gòu)、鉆井液性質(zhì)、鉆具本身性質(zhì)以及地層巖性的影響下，容易發(fā)生屈曲變形，從而使鉆柱不穩(wěn)定，造成其與井壁大面積接觸，進(jìn)而導(dǎo)致摩擦和扭矩增加。另外由于傾斜度大，有效重力、有效鉆壓也會(huì)減小。⑥長水平段水平井鉆探到增斜段或長水平段時(shí)，對(duì)下套管措施影響最大的因素是：由于多因素導(dǎo)致套管彎曲變形，增加了管柱的接觸面積，從而增加了摩阻和扭矩，使套管不能下放?；蛱坠鼙旧淼闹亓σ蛩匾约坝摄@屑、壓差卡滯等原因造成的能量損失。2.中石油隴東地區(qū)頁巖油超長水平段水平井鉆井關(guān)鍵技術(shù)分析位于中國中西部的鄂爾多斯盆地是中國第二大沉積盆地。近幾年來，長慶油田在隴東地區(qū)中生界延長組長7段發(fā)現(xiàn)頁巖油，總探明儲(chǔ)量達(dá)10億噸。截至2019年，長慶公司已在其隴東完成了1500米深水平段的長水平段水平井近80口，利用長水平段水平井可以克服隴東地區(qū)低孔隙度、低滲透率、地質(zhì)劣勢(shì)和原油物性差的特點(diǎn)，下面就長水平段水平井在鉆探過程中遇到的難點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析總結(jié)，并列舉了中石油在隴東地區(qū)H50-7長水平段水平井的實(shí)例。2.1井眼軌跡控制井眼軌跡控制系統(tǒng)就是能夠保證超長水平段水平鉆在橫向鉆進(jìn)提速工作和水平段平穩(wěn)進(jìn)尺順利進(jìn)行的技術(shù)核心。在基本確定了長水平段合理的鉆進(jìn)長度后,為了能夠達(dá)到橫向鉆進(jìn)更加平緩合理、鉆進(jìn)時(shí)遇到更多優(yōu)質(zhì)砂巖儲(chǔ)集層、能夠最大程度避免鉆頭鉆遇更多泥巖層等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),還提出應(yīng)按照技術(shù)要求盡量地通過增大整個(gè)鉆柱的橫向延伸移動(dòng)距離,降低對(duì)鉆柱扭矩、摩阻和工件套管的扭矩磨損,提高對(duì)于各種管材、鉆具的低摩阻扭矩組合和檢測(cè)類工具的下井工作能力,最重要的一點(diǎn)就是必須嚴(yán)格保證整體組合沒有超出整個(gè)鉆柱的摩阻和套管扭矩的極限。為保證起下鉆、定向滑動(dòng)鉆進(jìn)、下套管等井下工作順利完成，需要對(duì)超長水平井進(jìn)行以下優(yōu)化：①通過綜合優(yōu)選各種軌道結(jié)構(gòu)類型和綜合設(shè)計(jì)軌道參數(shù),找到恰當(dāng)?shù)姆€(wěn)斜角,從而讓整個(gè)水平井內(nèi)的摩阻、扭矩同時(shí)降下實(shí)現(xiàn)相對(duì)最小，如在國內(nèi)提出過的懸鏈線、恒變曲率曲線、擺線、修正懸鏈線等。其中準(zhǔn)懸鏈線井身剖面的主要設(shè)計(jì)特點(diǎn)之一是那就是它在套管上的扭矩相對(duì)較低,并且這樣可以直接使得放入鉆具的整體重量從一次性地大幅增大20%~25%,鉆柱和套管井壁之間的接觸力平均值幾乎近似于為零。②采取分次定向技術(shù)。利用螺桿定向造斜，當(dāng)我們發(fā)現(xiàn)井眼軌跡超前時(shí)，可根據(jù)計(jì)算機(jī)的預(yù)測(cè)，適時(shí)采用轉(zhuǎn)盤復(fù)合式鉆進(jìn)工藝，當(dāng)穩(wěn)斜有一段距離后，再根據(jù)軌跡需要定向鉆進(jìn)，以交替使用滑動(dòng)鉆進(jìn)和復(fù)合鉆進(jìn)，既大大提高了鉆速，又大大提高了中靶精度。③使用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井是一種新型自動(dòng)化鉆井工藝，國外的實(shí)踐證明，旋轉(zhuǎn)式導(dǎo)向鉆井技術(shù)已經(jīng)普遍應(yīng)用于在水平井、大位移井、大斜度井和三維多目標(biāo)井中，不僅改善了鉆井速度，而且大大減少了鉆井事故，從而大大降低了鉆井成本，還可以與變徑彎殼單彎法配合使用?？梢赃x擇“鉆頭、単彎螺桿動(dòng)力鉆具、欠尺寸扶正器、無磁鉆具、MWD”的単彎柔性倒裝鉆具組合，從而提高滑動(dòng)鉆進(jìn)的斜率，增強(qiáng)鉆頭壓力的傳遞效率，提高軌跡控制的精度。④采用具有強(qiáng)抑制作用的鉆井液。前期可以采用全絮凝無固相鉆井液等方法來加強(qiáng)絮凝。之后當(dāng)井傾角大于60°或者是出現(xiàn)托壓及井壁失穩(wěn)等現(xiàn)象時(shí),轉(zhuǎn)換成復(fù)合鹽鉆井液,并且可以大幅度地提高鉆井液的濃度,降低其濾失物質(zhì)量和固相含量,增強(qiáng)其抵抗力。⑤及時(shí)高效使用隨鉆測(cè)量工具。采用mwd技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)地監(jiān)控不同時(shí)間井眼的軌跡,分析不同地層巖性,調(diào)整各個(gè)井底鉆具的組合,利用滑動(dòng)式進(jìn)尺來調(diào)節(jié)各個(gè)組合在鉆井中所持續(xù)時(shí)間的比例,提高了對(duì)井眼軌跡的控制精度。⑥在使用磁性測(cè)量儀器時(shí)，子午收斂角與磁偏角一起校正，公式如下:φ其中，φcφsσ為為磁偏角,東磁偏角為正值,西磁偏角為負(fù)值；γ為高斯平面子午線收斂角,東收斂角為正值,西收斂角為負(fù)值在使用非磁性測(cè)量儀器時(shí)，磁偏角無需校正，公式如下：φ加裝水力振蕩器。水力振蕩器由動(dòng)力與振動(dòng)兩部分組成，動(dòng)力部件是利用單螺桿控制流體旋轉(zhuǎn),調(diào)節(jié)同心閥和偏心閘的過流范圍,產(chǎn)生相應(yīng)的壓力脈沖。壓力脈沖將壓力脈沖傳遞到震動(dòng)模塊內(nèi)部的彈簧產(chǎn)生軸向簡諧振動(dòng),從而通過帶動(dòng)bha軸向微小振幅高頻率振動(dòng),降低了滑動(dòng)鉆入過程中鉆具和井壁之間的摩阻。具體來說,就是當(dāng)鉆井液到達(dá)動(dòng)力短節(jié)時(shí),螺桿開始轉(zhuǎn)動(dòng),在中心流孔和偏心流孔的作用下,振蕩器上部開始產(chǎn)生一定的脈沖壓力,然后振蕩器開始左右軸向振動(dòng),從而大大減少了鉆井工具和井壁之間的摩擦。其優(yōu)勢(shì)主要是將靜摩擦改變?yōu)閯?dòng)態(tài)摩擦,防止了鉆頭的壓力的累積、鉆柱的屈曲、鉆頭粘滑以及工具表面的丟失等現(xiàn)象,且與各類鉆頭相互配合有助于大大提高了鉆井的效率,并能夠帶動(dòng)鉆頭作出軸向而有規(guī)律地往復(fù)運(yùn)動(dòng),可以有效地減小鉆頭的橫向扭轉(zhuǎn)震蕩,保護(hù)好鉆頭,延長了鉆頭的壽命。2.2井眼與井壁穩(wěn)定①采用合適的鉆井液體系，調(diào)整鉆井液流變參數(shù)（動(dòng)切力、初切力等）進(jìn)而增強(qiáng)鉆井液懸浮力和攜砂能力。如可采用密度較大的類油基鉆井液或聚合物鉆井液體系,其優(yōu)勢(shì)是減小了鉆具所承受的壓力、避免井壁塌陷、攜沙的能力也隨之得以增強(qiáng)。同時(shí),應(yīng)該要配制足夠的添加劑,以便于保證鉆井液在井筒中的流變參數(shù)可以得到及時(shí)進(jìn)行調(diào)整,當(dāng)鉆具的摩擦力明顯增加時(shí),也可及時(shí)適量使用潤滑劑或與固體潤滑劑結(jié)合使用塑料球,以減少粘鉆。②在水平段進(jìn)行鉆進(jìn)時(shí),要求對(duì)鉆具必須要有一定造斜能力,同時(shí)又需要注意保持井壁的穩(wěn)定,通過改變一個(gè)單彎螺桿式扶正器的長度和尺寸,控制好對(duì)鉆具結(jié)構(gòu)的提高和升降,調(diào)整鉆具的穩(wěn)斜。此外，鉆井方式建議多使用復(fù)合鉆進(jìn)，以“間斷滑動(dòng)方式,減少滑動(dòng)井段，增加旋轉(zhuǎn)和微調(diào)”為原則，保證井壁穩(wěn)定。③增大排量，在井斜稍大的地方，鉆井液攜帶泥沙的能力往往很差，在允許的范圍內(nèi)適當(dāng)增大排量，同時(shí)提高鉆桿轉(zhuǎn)速，就是鉆井液成螺旋流，以改善井眼清潔狀況，防止沉積形成巖屑床。④在鉆井過程中可以進(jìn)行多次短程鉆井，并對(duì)鉆井液進(jìn)行分段循環(huán)，或多個(gè)劃眼實(shí)現(xiàn)潔凈巖屑和巖屑床得目的。⑤對(duì)井眼軌跡和底部鉆具組合進(jìn)行優(yōu)化。前者需嚴(yán)格控制井斜角變化率以減少巖屑沉積，后者需嚴(yán)格控制鉆具直徑，使之不至于過大。2.3鉆具摩阻扭矩過大采用柔性鉆具，或用斜坡鉆桿代替所有井下的鉆桿，柔性鉆具在設(shè)計(jì)上具有機(jī)械性能好、摩擦阻力小的優(yōu)點(diǎn)，可大大提高鉆井效率;斜坡式鉆桿減少了接箍與井壁之間的摩擦，從而減少摩擦。但是，水平鉆進(jìn)時(shí)，鉆桿要同時(shí)承受扭矩和軸向載荷，因此應(yīng)在鉆進(jìn)前進(jìn)行模型預(yù)測(cè)，以防止事故發(fā)生。針對(duì)鉆井液而言，例如使用高密度油基鉆井液，其優(yōu)點(diǎn)是潤滑性好，能夠有效地降低動(dòng)態(tài)摩阻系數(shù)，但又因其密度較高，在內(nèi)外壓差地作用下會(huì)使管柱緊靠在井壁上，又會(huì)增加二者之間地接觸面積。此外，如果出現(xiàn)濾失過大，泥餅質(zhì)量差從而導(dǎo)致井壁受力不穩(wěn)定，則會(huì)出現(xiàn)掉渣、掉塊在管柱與井壁之間，減少環(huán)形空間增加二者接觸面積嚴(yán)重時(shí)甚至井塌。綜上，鉆井液性能需滿足攜砂強(qiáng)、造壁好、潤滑性好，密度適當(dāng)。針對(duì)鉆壓問題，需在靠近鉆頭附近安裝隨鉆測(cè)量裝置，由此可得出實(shí)時(shí)的鉆壓、扭矩與環(huán)空鉆壓；其次進(jìn)行動(dòng)態(tài)摩阻與理論摩阻的數(shù)據(jù)對(duì)比；最后結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量出的數(shù)據(jù)與錄井時(shí)的數(shù)據(jù)對(duì)動(dòng)態(tài)摩阻系數(shù)進(jìn)行推演，找出規(guī)律與存在的問題，進(jìn)而確定需要調(diào)整的鉆壓，解決鉆速差、摩阻高的問題。參考文獻(xiàn)[1]孫永興,賈利春.國內(nèi)3000m長水平段水平井鉆井實(shí)例與認(rèn)識(shí)[J].石油鉆采工藝,2020,42(04):393-40