苏丹水平井钻井技术研究论文
苏丹1/2/4区水平井原设计二开准311mm井眼在1050m左右造斜，钻至1700m左右至着陆点(井斜在80°左右)，下技术套管，再水平钻进300～800m完钻。这样的设计存在如下问题：大井眼井段过长，施工后期泵压高，安全隐患较大；设备负荷重，维修时间多；大井眼机械钻速慢，影响钻井周期。针对存在问题，对井身结构进行了优化：①以前设计造斜点有时会在Jimidi泥砂岩交互层，造斜效果差。根据地层实钻资料及邻井资料，将造斜点移至泥岩稳定井段，提高了造斜效果。②技术套管从以前的1700m减少到1300m左右，在井斜60°前下入，减轻设备负荷，缩短了钻井周期，降低了钻井成本。③随着老油区完钻井的增加，防碰问题将越来越严重，但为了尽量避免绕障而带来的施工难度，与地质人员和甲方协商，在满足地质要求的情况下，调整了地质靶点，避开障碍。
在水平段及大斜度井段，传统的钻柱结构已不再适用[2]。采用带欠尺寸扶正器的微增倒装钻具组合，将加重钻杆放置在井斜和全角变化率较小的井段，这样做减小了下部钻具的刚性，有效传递钻压和扭矩；减轻了水平段和接近水平段钻具向下井壁的压力；避免了钻杆台肩吃入地层，摩擦阻力减小，避免了可能产生的卡钻。井斜60°以后，使用加重钻杆代替部分钻铤，简化下部钻具组合并降低了下部钻具刚性，将加重钻杆、震击器等加在30°～60°井段，减轻下部钻具重量，有利于钻具弯曲，减小摩阻，使滑动钻进加压更顺畅。确保井底获得足够的钻压，并减少黏卡的机会。钻具组合为：准127mm钻头＋准127mm加重钻杆×2柱+准127mm钻杆×5柱+震击器+准127mm钻杆+准127mm加重钻杆9柱+准127mm钻杆。苏丹老区块内水平井目的层厚度大多在1.5～3m，应用LWD工具，将测得的数据与邻井的电测数据对比，及时进行判断，可以实时指导钻进的方向。同时，采用近钻头测量工具，减少了仪器零长，测量数据更接近井底，减小了预测误差和扭转方位的次数，施工效率更高。下入的LWD测井仪器组合为：Pulser+PSA+SEA+GR+THE+CPR。在着陆层位YabusⅥ之前，Adar和Yabus两层界面的测井曲线值有一明显变化：上部泥岩为低电阻值(1～2Ωm)和小密度(2.35g/cm3)，而下部大段泥岩为高电阻值(10Ωm)和较大的密度值(2.45g/cm3)，保证了准确找到第一个主要标志层。在着陆前15～20m左右时，根据深浅电阻率的相对变化值指导导向钻进，避免了在目标层里进行大的调整，保证了油层钻遇率。
限制苏丹水平井施工进度的主要问题是定向造斜段机械钻速低，平均机械钻速在5m/h左右，严重制约了全井的施工进度。影响施工进度的主要问题集中在两点：一是普通PDC钻头易憋钻，托压现象严重，机械钻速低；二是使用普通PDC钻头造斜时，工具面不易控制，定向效果差。笔者优选了长寿命的'专用定向PDC钻头。苏丹石油工业处于起步阶段，能够提供定向PDC钻头的供应商只有SMITH、Varel、川克三家。通过对比分析，优选了Varel公司VRP519GH钻头。该钻头扶正块短，在切削齿后设计了支撑块，不但能保护切削齿，延长钻头使用寿命，增加总进尺，而且能将切削齿吃入深度限定在一个固定的数值，防止钻头扭矩因切削刃吃入量变动而出现剧烈变化，工具面控制更容易。使用证明，VRP519GH钻头明显减少定向时的托压现象，工具面稳定，定向造斜效果好。斜井段平均纯钻时间为74h，平均进尺为838m，平均机械钻速为11.32m/h，提速效果明显。可减少起下钻次数，提高钻进时效，达到优快钻井的目的。直井段和水平段内的钻头采用现场钻井资料选型法优选钻头，该方法简单实用，适合现场钻井技术人员采用。首先对老井钻头使用指标进行统计，依据机械钻速、进尺、钻头寿命、使用井段等条件进行综合评定，去除机械钻速在10m/h以下的钻头，初选出机械钻速高、寿命长、耐磨损的PDC钻头。在3/7区，川克BD506钻头三开水平段机械钻速达15.20m/h；在1/2/4区直井段和水平段，SmithM616LKBPX钻头机械钻速达13.90m/h，均取得了预期效果。
在3/7区水平井施工初期，使用PDC钻头，在井斜超过75°滑动钻进时扭矩变化大，影响LWD仪器传输信号，转盘钻进时井斜下降严重。由于位移、摩阻较大，钻具托压严重，工具面很容易跳动，难以控制。根据对地层情况和钻进情况分析，在3/7区改用牙轮钻头，克服摩阻扭矩大、托压严重等难题，LWD信号比较稳定，稳斜效果好，水平段基本可以保证80%以上的旋转钻进，确保了岩屑的携带。在1/2/4区，通过多口井的试用，发现准311mm井眼使用VAREL公司生产的定向PDC钻头，自造斜点至1900m使用效果较好；三开时使用Smith公司PDC钻头，也没有出现严重托压现象。在钻进方式上，由单一滑动钻进或转动钻进变为滑动与复合交替钻进，尽量多的采用转盘钻进，保持井眼轨迹光滑。通过对钻井参数的合理配置和螺杆钻具的合理选择，如使用高一级角度(+0.25°)的螺杆，可以更快地调整轨迹，也能更多地采用钻盘钻进，整个井段旋转钻进率达到70%，这对于井下安全、提高钻井速度等都会有所帮助。
在3/7区的PP-27H井，使用了美国NOV公司生产的AGITATORTOOL水力震荡器进行加压。使用井段为1320～1619m，钻具组合如下：钻头+螺杆+扶正器+CPR+MWD+TRX+加重钻杆1柱+钻杆5柱+水力震荡器+震击器+钻杆3柱+加重钻杆9柱+钻杆。使用效果见表1。由表1可以看出，使用震荡器后，机械钻速由原来的4.68m/h提高到10.26m/h，增幅达一倍以上。其产生的震动不会对钻头或其他钻具产生破坏，造成的压力脉冲对绝大多数MWD信号没有干扰。实践证明，水力震荡器产生的轴向振动能有效减小钻具与井壁间的摩擦力，减轻滑动钻进时的摩阻托压现象，大幅提高定向造斜速度。在长半径水平井滑动钻进时，对改善工具面的控制和增加机械钻速效果十分显著。
3/7区Palouge油田Aradieba地层(1277～2650m)为很厚的页岩层，主要成分为伊利石和蒙脱石，裂缝发育，掉块严重。1/2/4区Baraka-Ghazal、AbuGabra以及3/7区块Adar地层主要为易水化、易造浆的泥岩与胶结性较差的砂岩互层；600～1900m的Aradieba组是造斜的主要层段，地层是以石英、蒙脱石及高岭石为主的大段泥岩层，易吸水脱落，造成严重掉块和垮塌，经常出现大段划眼和卡钻等情况。各井段的钻井液配方见表2。硅酸盐与KCl配伍性较好，对填补微裂缝、稳固泥岩效果很好。硅酸盐屏蔽物能形成高效渗透膜，降低钻井液中水的活度，诱发页岩中的流体从页岩中渗出到钻井液中，从而达到抑制二开井段页岩水化，改善页岩稳定性的目的。Drilling-in钻井液体系，重点是降摩、防卡。摩阻扭矩对水平井施工具有重要的影响[3]。处理措施是：首先满足地质录井低荧光钻井液的要求，加大固、液态润滑剂(RH2、RH3)用量，保证润滑剂含量大于5%，具有良好的润滑性；其次，加入XC调整流型，控制动塑比大于0.7，保证携砂；第三，在能够稳定井壁情况下，完井时钻井液密度保持在1.18g/cm3即可；第四，充分利用固控设备，及时去除有害固相，保证固相含量尽可能低。通过现场应用，具有强抑制性、强封堵性、流变性易控制的针对性钻井液体系，成功解决了Aradie-ba和AbuGabra地层的井壁稳定问题，造斜段的平均井径扩大率由原来的20%以上降至8%左右，满足了低荧光要求和悬浮携砂能力，有效降低了超长大水平段摩阻，保障了钻井作业的顺利实施。
自2010年1月开始，逐步在苏丹市场推广水平井优快钻井配套技术，近一年多来，共在两个区块20口水平井成功实施，取得理想效果。平均钻井周期从2010年前的44d缩短至23.67d，缩短了46.2%；平均建井周期为36.42d，比设计周期提前5～14d；机械钻速从原先的平均10.81m/h提高到目前的12.41m/h，提高了14.8%；事故和复杂现象由原来的3.7%降至1.8%。
通过实施一系列针对性的措施，全面提升了苏丹水平井钻井及完井质量和速度，占据了海外市场优势，效益显著。钻头优选后，全面提升了钻井速度，减少了井下复杂，为今后自主研发适应苏丹市场的钻头进行了尝试，取得宝贵经验。KCl/硅酸盐钻井液体系、Drilling-in钻井液体系有效保证了各项钻井工序的顺利实施，水平井施工中，在抑制页岩坍塌、稳定井壁、减少托压等方面效果明显。水力震荡器的使用，可以解决长半径水平井摩阻大、造斜慢、加压困难的难题，建议做进一步研究并力争实现自主研发。
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