威HX-4井水平段钻进技术研究与应用

施连海，李春吉

（中国石油长城钻探工程公司，辽宁 盘锦 124010）

威HX-4井位于四川省内江市威远县龙会镇窑湾村附近，威远属扬子陆台四川分区西南部，出露有中生界和新生界地层。境内地质构造为荣威穹窿与新店子向斜。该井是一口水平井，设计井深5 413 m，设计水平段长1 500 m，水平井完钻层位为志留系龙马溪组。根据地质分析及邻井信息，该区块四开水平段钻井速度慢，层薄、地层参数差异大，导向施工困难，存在气侵、井漏、垮塌、井喷等诸多风险。为此，对威HX-4井四开水平段钻井难点进行了分析，探索对应钻井技术研究与应用，以期为降低复杂事故发生率、提高钻井速度提供技术思路和解决路径。

1 四开水平段钻井难点分析

1.1 地层可钻性差，机械钻速低

该区块地层埋深较深，围压强度大，地层可钻性差。雷口坡组灰岩，茅口、栖霞组生物碎屑灰岩，抗压强度较高，龙潭为代表的夹层页岩塑性较强，钻头打滑、剪切地层困难，致使机械钻速较慢。以威HX-2井为例，龙潭-栖霞组钻时在30 min·m-1以上，龙潭组平均机械钻速仅1.62 m·h-1。

1.2 目的层薄、水平段微构造存在不确定性，导向施工难度大

该区块储层埋深3 388～3 818 m，目标箱体位置为龙一11层中下部，层薄、厚约为6 m，地震资料处理精度不够，地层参数预测误差大，前期该区块构造落实程度还不够详细，邻井威 HX-3井施工至水平段600 m左右时，钻遇小洼兜，井斜由91.23°降至86.42°，再增至95°后又降至91°，轨迹于五峰组中穿行66 m，威HX-4井施工时水平段可能同样钻遇该地层，地层存在不确定性，水平段轨迹调整频繁，给导向施工轨迹跟踪带来较大难度。

1.3 井温高、振动大，对仪器稳定性要求高

威HX-4井优质页岩埋深在3 700 m左右，同平台已经完钻两口井最后温度超过130 ℃，要满足顺利施工，单串仪器循环时间将达到400~500 h左右，受高温、振动和长时间使用等因数影响，仪器发生故障的风险增加[1]。

1.4 地层变化大，卡钻、井漏、气侵等井下风险多发

威HX-4井水平段长1 500 m，垂深约3 660 m，进入龙马溪组。龙马溪组页岩矿物主要成分为石英，其次为方解石、菱铁矿、白云石和黏土矿物[2]，还含有少量的长石和黄铁矿，页岩硬脆属性特征明显，在钻井液的作用下，极易造成微裂缝开裂，从而发生剥落掉块[3-5]，施工至水平段后期，可能会存在岩屑床堆积，增加了后期的扭矩摩阻，甚至造成卡钻风险。

龙马溪组页岩具有明显的硬脆属性，岩层内部延展的微裂缝一旦与地层内部大裂缝相互贯通，便会引发井漏事故[6]。同平台威HX-1井在施工时发生了气侵和井漏现象，威 HX-4井施工时可能会发生同样的风险，造成事故。

2 对策分析

针对前面提出的四开水平段钻井难题，多家施工单位联合开展了研究分析，逐一制定对策，初步形成威HX-4井四开“一趟钻”技术模板。

2.1 优选钻头及钻井参数

为满足该区块钻井需要，钻头既要保证高机械钻速，又要能够配套旋转导向钻井系统实现高的造斜率，满足复杂储层有效追踪需要，同时还要有高稳定性，降低钻柱有害振动[7]。资料显示，在威HX平台史密斯钻头总体表现较好。因此，选用史密斯五刀翼MDI516钻头进行四开施工，仪器井底振动小，造斜率好，且机械钻速快。

钻井参数方面，通过软件预测和实时计算不同井段的钻井扭矩和摩阻，严格监控仪器参数，根据仪器振动大小与扭矩波动及时对钻井参数进行调整，在确保井底仪器安全前提下，逐步加大钻压，释放钻井参数，提高机械钻速。

2.2 优选旋导工具及钻具组合

旋转导向技术能够自动灵活地调整井斜和方位，在钻柱旋转状态下实现井眼轨迹控制，能有效降低坍塌及卡钻等井下事故、使井筒质量更优[8]，大大提高钻井速度和安全性，保证轨迹控制质量。威HX-4井选用贝克ATC旋导仪器，使用全新配件进行组装，并对各部件进行探伤，切实保障仪器可靠性。

依邻井资料可知，马达对于本平台钻井提速效果不明显，而且马达寿命有限，施工后期泵压过高导致排量受限，增加井下风险，综合考虑钻具组合中不下入马达。同时，考虑长水平施工携岩问题，在钻具组合中加入旋流清砂器，提高携岩率，保证井眼的清洁。确定的四开钻具组合如下：

Φ215.9 mm PDC+Φ172 mm ATC仪器+Φ127 mm无磁承压钻杆+Φ127 mm加重钻杆1根+Φ172 mm浮阀+Φ127 mm加重钻杆2根+Φ165 mm史密斯随钻震击器+Φ127 mm加重钻杆6根+Φ127 mm钻杆3柱+旋流清砂器+Φ127 mm钻杆+411×520+Φ139.9 mm钻杆。

钻井施工过程中，结合邻井威 HX-3井施工情况，提前预测水平段可能小洼兜发育井段，提前将轨迹进行调整，直接利用旋导的方位GR判断地层上下切，更快速的做出反应，及时下达调整指令。上切过程中控制降斜幅度，避免井斜降至太低；下切过程中，先把井斜增起来，防止地层挤压造成的局部变化过快而底出，进入五峰组。

2.3 降温、减振，提高仪器稳定性

该区块属于深层页岩气，针对仪器高温问题，根据井场条件，调整降温装置流程，使钻井液经三级净化后直接进入地面降温装置降温，然后直接进入泥浆泵上水罐打入井筒，提升降温效率。井底温度达到120 ℃启用地面降温装置，提前降低井底温度，井底温度超过125 ℃进行短起下时，采用开泵循环扩划眼形式操作，避免仪器高温。同时，严格泥浆净化措施，加密对净化设备检查和使用、钻井液采取水化处理、增加泥浆携带与悬浮能力，从而减少仪器摩擦生热，通过减少水平段接立柱、更换顶驱配件等停泵时间，防止钻井液静止时间长后升温对仪器造成影响。

减振方面，与地质导向、定向工程师建立紧密沟通，提前预测地层倾角变化，减少小层交界面的穿越。施工时依据仪器近钻头方位伽马变化及时判断层位变化，做出相应调整，减少来回穿层时仪器振动损坏。同时通过优选MDI516钻头配合旋导施工，提高钻头、旋导、地层三者匹配度，也能够进一步降低施工中仪器粘滑振动

2.4 优选钻井液及其处理技术

油基钻井液具有抗高温、抗盐钙侵蚀、利于井壁稳定、润滑性好、对油气层损害小等诸多优点，且由于页岩储层含有黏土矿物，钻井过程中易吸水膨胀造成垮塌[9]，因此威 HX-4井四开钻井施工中，优选使用油基钻井液，选择塑性粘度更低的柴油作为基础油，并采取措施降低卡钻、井漏、气侵等井下风险。

针对卡钻问题，严格控制钻井液固相含量，提高携岩能力。加强固控设备使用，控制钻井液中低密度固相含量控制在8%以内，确保钻井液清洁，保持良好的流变性，有效的冲刷对岩屑床的形成有抑制作用。升级循环系统，使用Φ130 mm陶瓷缸套及耐高压泵配件，配合52 MPa高压冲管，提高配件耐磨性、承压性和密封性，实施高泵压、大排量施工，及时有效清除岩屑床，确保施工安全。此外，下入旋流清砂器，配合短起下操作，能够有效提高携岩能力，减少岩屑床堆积，保证钻进安全，防止卡钻发生。

针对井漏问题，一方面优化钻井液施工密度，在满足井控要求前提下，密度走设计下限，降低井漏风险的同时提高机械钻速和压差卡钻风险。另一方面调研引进先进堵漏材料，优化堵漏剂配方，提高堵漏成功率。另外，安装旋转防喷器，给降密度施工提供有利条件。

针对气侵问题，施工前提高地层压力系数预测数值的准确性，同时根据邻井进行密度曲线优化，有效预防气侵等情况发生。施工中加强坐岗观察，按照要求储备好井控物资，重晶石和加重钻井液，及时发现及时处理，降低处理难度。

3 现场应用及效果分析

威HX-4井完钻井深5 450 m，四开施工段总长2 217 m，其中造斜段长717 m，水平段长1 500 m。利用“一趟钻”技术指导钻井施工，用时18.79 d一趟钻打完2 217 m进尺，优质页岩钻遇率100%。与区块2014-2017年18口完成井钻进情况进行对比，结果如表1所示。威HX-4井完钻井深同比多128.28 m，水平段长度同比多59.89 m，全井钻井周期同比少8.81天，机械钻速同比提高3.09 m·h-1。其中四开井段钻井周期同比少 27.13 d，机械钻速同比多5.17 m·h-1。

表1 技术指标对比

威HX-4井四开井段生产时效达到100%，纯钻时间占比46.23%，由于本井目的层垂深深，为了保障接立柱安全和旋导工具性能稳定，循环钻井液用时较长，占比20.22%，如图1所示。

与同区块时效进行对比分析，威 HX-4井四开各项指标优势均较明显：纯钻进时间10.21 d,比区块平均（16.38 d）少6.17 d；起下钻时间2.68 d，比区块平均（7.02 d）少4.34 d；循环、扩划眼时间5.75 d，比区块平均（13.78 d）少8.03 d；无事故复杂和其他时间，比区块平均（6.88 d）少6.88 d；无修理和组织停工，比区块平均（1.81 d）少1.81 d；完井时间8.67 d，比区块平均（17.77 d）少9.1 d。

威 HX-4井四开钻井施工全程无故障，无井下复杂情况发生，井下仪器、工具实现“等寿命”，初步验证了“一趟钻”技术的可行性。

4 成果及结论

1）威HX-4井四开水平段钻井存在机械钻速低、导向施工难度大、对仪器稳定性要求高及卡钻、井漏、气侵等井下风险多发等施工难题。

2）从地质条件、工具仪器、工程措施、钻井液工艺等方面进行研究分析，通过技术集成与创新，初步形成以优选钻头及钻井参数、优选旋导工具及钻具组合、优选钻井液及其处理技术等措施为核心的四开“一趟钻”技术模板

3）以“一趟钻”技术为指导，威HX-4井四开用时18.79 d，一趟钻打完2 217 m进尺，一举打破该区块“钻井周期最短”、“平均机械钻速最快”等四项记录，施工效果良好。

4）威HX-4井四开钻井“一趟钻”技术可为威远页岩气井四开钻井施工提供借鉴，但不具备普适性。建议在推广应用过程中“因地制宜”，完成本地化适配与创新，形成针对施工井的“一趟钻”技术，并在不断摸索中逐渐完善总结，形成能够广泛应用的“一趟钻”技术，对威远地区页岩气井钻井施工形成指导。