鄂尔多斯盆地水平井钻井提速关键技术研究与应用

鄂尔多斯盆地水平井钻井提速关键技术研究与应用

                   ,    ,吴昊

中石化华北石油工程有限公司五普钻井分公司  河南 新乡  453000

摘要 ：鄂尔多斯盆地某重点三开水平井设计井深 4345m，施工过程中面临着水平井准确入窗、长水平段的轨迹控制、井壁稳定等技术难题，为有效解决此难题，完成地质钻探任务的同时提高钻井时效，开展了平井钻井提速关键技术研究。通过研究该井的地质概况，设计了该井的井身剖面与井身结构，提出了钻进措施（包括直井段、斜井段和水平段的钻进措施）及完井作业，并针对斜井段的岩屑床问题提出了工程上的解决办法。

关键词：水平井；轨迹控制；钻井提速；鄂尔多斯盆地

1目标井概况

1.1地质简况

某井是鄂尔多斯盆地内一口典型的三开水平井，钻井目的是为了通过水平井提高单井产量、降低成本。

本井设计 4345 m/3180 m（垂）；其中斜导眼回填段为 3000 m-3266 m；实际回填井段 3000 m-3294 m；完钻井深 4706 m/3171.17 m（垂）；全井累计进尺 5000 m。水平段长度 1301 米。一开钻进（0-500m）地层为第四系黄土层、志丹统、安定组、直罗组，岩性为黄土、细沙层。二开直井段（500-2710 m）所钻地层为直罗组下部、延安组、延长组、纸坊组、和尚沟组、刘家沟组、石千峰组上部。本井段和尚沟组、刘家沟组为易漏地层，石千峰组泥岩易垮塌。二开斜导眼井段（2710-3294 m）所钻地层为石千峰组、石盒子组、山西组、太原组、本溪组、马家沟组。其中山西组、太原组、本溪组含煤层。二开侧钻井段（3000-3440 m）所钻地层为石千峰组、石盒子组、山西组、太原组、本溪组、马家沟组。其中山西组、太原组、本溪组含煤层。三开水平井段（3440-4706 m）段所钻地层为马五 13，岩性为褐灰色云岩、灰褐色含泥云岩、深灰色云质泥岩。

1.2井身结构（图1）

                   图1  水平井井身结构数据表

（1）由于目标井水平段长达 1301m，井眼轨迹控制困难，携砂和降低摩阻、防止卡钻也是关系井下安全的突出问题。

（2）靖边气田北部纸坊组、和尚沟组交界处、“双石层”坍塌严重（裂缝坍塌），可钻性差，刘家沟漏失，山西组、太原组、本溪组煤层坍塌，目的层马家沟组灰岩存在地层破碎，有井壁坍塌问题。

（3）随着钻遇气层的长度增加，钻井液中侵入的气体增多。对泵压形成较大影响，造成不能及时判断设备和井下钻具的问题。

2水平井钻进提效措施

2.1一开井段（0-500 m）

一开采用钟摆钻具结构，保证上部井眼开直。

钻井参数：钻压：50-80KN、转速：90r/min、排量：55l/s、泵压：7MPa。

本井段开钻前应砸入导管 15-20 米，预防井口坍塌。在地层交接处易长井斜，把钻压降至 50KN 以内，防斜打直。

2.2二开直井段（500-2710 m）

（1）为下部施工打好基础、防斜打直，下入钟摆钻具。

钻具组合：Φ241.3mmPDC×0.30m+630/630×0.92m＋Φ203mm 无磁钻铤×9.07m＋631/410×1.13m+Φ178mm 钻铤×8.95m+Φ240mm 扶正器×1.55m+Φ178mm 钻铤×35.1m+411/4A10×0.93m+Φ165mm 钻铤×109.41m+4A11/410×0.93m+Φ127mm 加重钻杆×56.41m+Φ127mm 钻杆。

（2）钻头优选：本井段使用 241.3mm P3519LD 钻头 2 只，平均机械钻速 11.50m/h，减少了起下钻时间，提高机械钻速。

（3）钻井液：本井段采用聚合物钻井液。本井段和尚沟组、刘家沟组为易漏地层，石千峰组泥岩易垮塌。

所以在进入石千峰组前采用低密度钻井液 1.02-1.04g/cm3，在进入石千峰组将钻井液密度逐渐提至 1.15 g/cm3，确保井下施工安全。

二开钻井液走大循环，使其自然沉砂。进入刘家沟组后改为小循环，加强坐岗，预防井漏。由于钻速快，易造成沉砂卡钻，所以每钻完一个立柱要划眼 2-3 次，修整井壁、促进岩屑返出，并尽量缩短接立柱时的停泵时间。在地层交接处易长井斜，单点测斜加密测量，每钻进 80-100m 测单点一次。

2.3 二开斜导眼井段（2710-3294 m）

本井段自 2710 m开始造斜，采用钻具组合：Φ215.9mmPDC×0.30m+Φ171mm1.5°螺杆×8.87m＋411/410 × 0.4m+411/410 × 0.88m+ Φ 172mm 无磁钻铤× 9.15m ＋ 411/4A10 × 0.93m+ Φ 165mm 钻铤× 27.45m+4A11/410×0.93m+Φ127mm 加重钻杆×282.9m+Φ127mm 钻杆。在造斜过程中，滑动钻进与滚动钻进相结合，尽量减少滑动钻进时间，加快了钻井速度，同时保证了井眼的圆滑。

所钻地层其中山西组、太原组、本溪组含煤层，针对煤层段易垮塌的特点，所以在钻进时逐渐将钻井液密度由 1.15 g/cm3 提至 1.22 g/cm3。预防煤层垮塌。加入防塌剂、降失水剂等材料，控制钻井液失水，提高井壁支撑能力。及时观测振动筛返砂情况。另外避免在煤层段循环，由于煤层段地层疏松，且易掉块、垮塌，如在此段循环很容易形成“大肚子”，造成下步电测等施工困难。

本井段使用 4 只 215.9mm P3519LD 钻头、1 只 HJT537GL 牙轮钻头。由于该井段多为砂岩，且含有含砾砂岩层及云岩层，对钻头磨损较大。

2.4二开侧钻井段（3000-3440 m）

本井段井斜由侧钻点井斜 32°，造斜到入窗后的 89.5°，为防止煤层垮塌（山西组、太原组、本溪组含煤层），将钻井液密度在进入山西组前提至 1.27 g/cm3 。

侧钻时使用牙轮钻头，确保侧钻能顺利成功。侧钻钻具组合：Φ215.9mm 牙轮×0.25m+Φ172mm1.75°螺杆×8.32m＋411/410×0.4m+411/4A10MWD 短节×0.85m+4A11/410×0.93m+Φ172mm 无磁钻铤×9.15m＋Φ127 无磁加重钻杆×9.3＋Φ127mm 加重钻杆×282.9m。

侧钻至 3232 米时，井斜已达 66°采用倒桩钻具组合，减少托压，增强钻压传递效率。钻具组合：Φ215.9mm 牙轮×0.25m+Φ172mm1.5°螺杆×8.16m＋411/4100.4m+411/4A10MWD 短节×0.85m+4A11/410×0.93m+ Φ172mm 无磁钻铤×9.15m＋Φ127 无磁加重钻杆×9.3＋Φ127mm 钻杆×433.09m＋Φ127mm 加重钻杆× 282.9m+Φ127mm 钻杆。

在侧钻过程中控制钻时 120-150min/0.5m、钻压 10-20KN，先造出台阶。在台阶能够承压 80KN 后，将钻压控制在 30-50KN 定向钻进。侧钻时密切观察返出岩屑情况，以判断侧钻是否成功。在造斜过程中，滑动钻进与滚动钻进相结合，尽量减少滑动钻进时间，加快了钻井速度，同时保证了井眼的圆滑。

钻井液中及时加入润滑材料。井斜逐渐增大的同时定向施工的难度增加，为保证定向施工顺利进行，每次滑动施工前向钻井液中加入润滑材料，每次起钻前向井底打 20 方润滑封闭钻井液。由于本井段造斜曲率较大，造斜井段多，所以在测井前要通好井。下套管前使用双扶正器通井，确保下套管施工顺利。

2.5三开水平井段（3440-4706 m）

（1）钻井液：三开前更换为无固相低伤害暂堵钻井液体系，严格控制含砂量和般土含量, 以保证钻井液的可控性，减少般土等有害固相对气层的伤害，以有效保护气层。钻井液性能：密度：1.10-1.12g/cm3 、粘度：60-80s、失水：4ml、泥饼：0.1mm、含砂：0.2%。

（2）钻头使用：本井段所钻地层为马五 13，岩性为褐灰色云岩、灰褐色含泥云岩、深灰色云质泥岩。此种岩性对 PDC 钻头的损害较大，所以本井段全部采用牙轮钻头钻进。共使用 11 只牙轮钻头，第一只钻头保守使用，观察 XR50Y 型号钻头在本地层的使用情况，为后续钻头的使用提供借鉴。记录每只钻头的工作情况：钻压、转速、排量、泵压、钻井液密度、粘度、工作方式、扭矩等。

（3）由于本井段为水平段钻进，水平段达到 1301m，保证井眼清洁，及时清除岩屑床是该井段成功的关键，针对这一问题，主要采取了以下措施：

①在水平段钻进，及时调整钻压，尽量保证井斜，减少滑动钻进方式。

②优化水力参数，使环空钻井液处于紊流状态，及时清洁换空。在地面设备允许的情况下，尽可能提高钻井泵的排量，以提高环空返速。钻遇快钻时的地层，适当控制机械钻速或停钻循环清洁，控制环空岩屑浓度；在快钻时地层钻进，接单根前适当循环，将岩屑循环到一定高度不至于在停泵接单跟时，岩屑沉至井底，造成卡钻事故。

③调整钻井液性能，适当降低流性指数，提高动塑比，使处与紊流钻进，钻井过程中间断泵入一定量的比原浆粘度低的钻井液，使其成为紊流状态循环，再配合泵入比原浆粘度高的钻井液来清除环空岩屑。

④执行定时间、定井段的短起下作业（水平段 50m 左右进行一次短起下），起下钻过程中分段循环，循环时要大幅度活动钻具或旋转钻具，必要时，进行划眼处理机械破坏岩屑床，以达到清洁井眼的目的。

3结论及认识

（1）上部直井段应采用低密度钻井液，对刘家沟组防漏及加快机械钻速都有明显的效果。一开钻压控制在 5-120KN，转速控制在 50-65r/min,二开钻压控制在 20-120KN，转速控制在 65r/min,防斜效果较好，打直上部井段，可减少下部定向修复井眼轨迹井段，控制好靶前位移，提高斜井段施工速度，为准确入窗打下基础。

（2）在地层岩性合适的井段尽量使用 PDC 钻头，即使 PDC 钻头相对牙轮钻头机械钻速没有提高，但是减少了起下钻次数，可以很大的缩短钻井周期、提高经济效益。

（3）XR50Y 钻头在马五 13 地层使用效果好，平均每个钻头能达到纯钻 50 小时，进尺 150 米以上。做好防掉牙轮和马达。三开水平段为马家沟组白云岩地层，由于研磨性强，使用马达+牙轮钻头，统计好入井循环、纯钻时间，避免超时使用，复合钻进控制顶驱转速小于 50r/min，送钻均匀避免顿溜钻。

4）优选马达减少滑动钻进井段，提高钻速。由于气层薄（0.5-2m），优选马达扶正器尺寸为双 146mm 或146mm/148mm，提高钻具稳平性减少滑动钻进井段，三开水平段钻进 1266m，滑动进尺108.05m，占 8.53%。

5）二开采用组合井眼，上部大井眼可有效减少泥岩缩径对井下安全的威胁，下部定向段采用小井眼，可以保证定向时的造斜率，定向时的工具面较容易控制，减轻托压现象，提高定向到入窗的钻进速度，避免由于段施工时间较长，造成下部井段失稳引起局部坍塌或缩径导致井下复杂。

参考文献：

[1]赵挺楷.鄂尔多斯盆地水平井钻井技术优选[J].石油钻探技术.2020,18（01）:112-116.