侯立中, 谈 心, 曲洪娜

(中国石化集团国际石油勘探开发有限公司，北京 100029)

目前，北美地区致密油藏的开发已经形成商业规模，其配套的优快钻井技术也日益成熟，且仍在不断完善[1]。国内在致密砂岩油气开发方面有一定的技术积累，而页岩油气开发刚刚起步，部分地区的页岩油气井压裂后，未能达到期望的“临界产量”[2-4]。国内页岩油气藏的开发仍处于高投入阶段，成本是主要的制约因素[5]。钻井专家已在提速增效等方面做了大量的研究工作[6-7]，并逐步应用到开发中，取得了较好的效果，但对国外的类似技术详细而全面的案例分析和对比还很少，且不系统。

Daylight油田位于加拿大阿尔伯达西北和英属哥伦比亚东北部，面积4 684 km2，目前日产油量约6 000 t。2012年共完钻127口井，总进尺43.57×104m，平均机械钻速21.8 m/h。2013年5月份完钻的Pembina区 12-2 井，目的层为Cardium组致密砂岩油层，设计井深4 542 m，水平段长2 973 m，垂深1 334 m，40级压裂，钻井周期仅20 d。笔者结合国内优快钻井技术特点，对Daylight油田的钻井技术进行了研究，以期应用于国内的致密油油藏开发中，达到降本增效的目的。

1 地层岩性

Daylight油田主要包括3个油区，分别是北部的Elmworth油区，主要资源类型为干气；中部West Central油区，资源类型为湿气；南部Pembina油区，主要资源类型为轻质油和湿气。Daylight油田在钻井过程中，自上而下钻遇白垩系、侏罗系、三叠系和泥盆系地层，由陆相—浅海相逐步过渡至海相沉积。地层岩性以砂岩、砾岩及灰岩为主(见表1)。

表1 Daylight油田主要目的层及岩性Table 1 Primary target zones and lithology in Daylight Oilfields

Elmworth油区储层属于常温低压、特低孔低渗致密砂岩气藏，主要目的层为Cadomin、Nikanassin以及Montney组地层。Cadomin组地层为砾岩气层，埋深约2 650 m，厚度10～15 m，孔隙度3%～7%，渗透率0.5～4.0 mD；Nikanassin组地层为致密砂岩气层，埋深约3 000 m，厚度70～140 m，孔隙度2%～6%，渗透率0.3～0.7 mD。

West Central油区属于常温低压、低孔低渗致密砂岩富含液气藏，主要目的层为Cardium组地层，埋深约2 500 m，厚度6～15 m，孔隙度10%～20%，渗透率0.1～10.0 mD。

Pembina油区属中低孔、低—特低渗岩性油气藏，主要目的层为Cardium和Belly River组地层。Cardium组地层为致密砂砾岩油层，厚度为13～20 m，埋深约1 200 m,孔隙度3%～13%，渗透率0.02～3.00 mD。地区中部物性较好，孔渗较高，属正常油藏；地区两侧物性较差，属致密砂岩油藏[8]，油层分布较稳定，分布范围较广。Belly River组油层为致密砂岩油层，厚度4～5 m，埋深约1 000 m，为低孔低渗储层，分布稳定。

2 优快钻井技术

经过多年探索，Daylight油田已经形成了较为成熟的配套钻井技术，由早期的直井开发到如今的长水平段水平井开发、由水基钻井液到油基钻井液钻井，优快钻井技术日趋成熟。同时，借助于北美地区发达的技术服务市场和信息技术，形成了适合该油田致密砂岩油藏开发的系列技术。

2.1 井身结构设计

Daylight油田地层压力系统为常压体系，地层稳定。井身结构设计主要依据以下原则：1)根据保护地下水的要求，采用油基钻井液或者欠饱和/饱和盐水钻井液施工时，施工前需要对地表水进行保护，并根据当地地表水深度调整表层套管下深，避免污染地下水；2)利用邻井地层压力调研数据，根据溢流允许量，计算表层套管最浅下深(Daylight油田的溢流允许量设计为2 m3)；3)利用阿尔伯达能源资源保护局网站提供的数据平台，收集拟钻井周围10 km以内所有井的资料，获取相关地层压力、地表水状况、H2S、钻井复杂情况以及地层应力等数据资料，为钻井设计提供技术数据[9-10]；4)工区内钻井井下故障以漏失为主，无井涌、井塌等其他井下故障，且漏失量较少，不需进行专门的堵漏作业，仅添加随钻堵漏材料进行封堵。

Elmworth油区和中部West Central等以Cadomin、Montney组地层为目的层的水平井，以三开井身结构为主：一开为直井段，φ311.1 mm井眼下入φ244.5 mm套管；二开φ222.2 mm井眼钻至井深1 630 m左右后造斜，钻至井深2 200 m左右下入φ177.8 mm套管至A点，套管封隔高压层Montney/Duvernay组；三开采用φ155.6 mm钻头钻进水平段，钻至井深3 500 m左右带封隔器下入φ114.3 mm衬管，该衬管也是压裂管串，先悬挂后回接，不固井。

南部Pembina地区，属中低孔、低—特低渗岩性油气藏，主要是以Cardium、Belly River组地层为目的层的水平井，以二开井身结构为主：一开采用φ279.4 mm钻头钻至井深约320 m，下入φ219.1 mm套管；二开采用复合井眼，钻至设计井深约2 850 m，φ171.4 mm钻头钻至A点，φ158.8 mm钻头钻至完钻井深，水平段长1 300～1 500 m，下入带封隔器的φ114.3 mm套管，采用分级固井，分级箍位于A点附近，封隔器位于水平段。该井身结构减小了井眼尺寸，减小了破岩面积，节省了φ177.8 mm套管费用。

2.2 钻头优化设计

主要依据地层的岩石可钻性进行钻头设计，从地层岩性、岩石强度着手，参考邻区、邻井钻头使用情况综合优选。Daylight油田油藏埋藏浅，地层主要为中生界地层，岩性以砂泥岩为主，岩石强度相对较低，沉积岩地层强度多在100 MPa以下，变质岩多在200 MPa以下。已经取得的资料表明：埋深2 380～2 410 m地层的抗压强度为172～241 MPa，埋深2 410～2 500 m地层的抗压强度为70～140 MPa，埋深3 450～3 500 m地层的抗压强度为140～280 MPa，适合使用PDC钻头钻进，较少使用牙轮钻头[11]。实际设计时，通过阿尔伯达能源资源局网站得到不同区块、不同厂家钻头使用情况及原始测井资料，进行分析研究。北美地区具备成熟的服务市场，Halliburton、NOV等钻头服务与制造厂商利用测井资料优选钻头，并时刻跟踪钻头的使用情况，研制了专用的PDC钻头，并不断进行优化。Daylight油田部分钻头优选结果见表2。

表2 钻头优选结果Table 2 Results of bit optimization

为了快速钻穿软硬交错的井段，还专门研制了Kymera PDC-牙轮复合钻头(见图2)。与传统PDC钻头相比，复合钻头能够充分发挥PDC钻头切削和牙轮钻头的碾压作用，降低钻削扭矩，在钻进软硬交错或夹层较多的地层时，具有较小的扭转振动和较好的定向控制性能；与传统的牙轮钻头相比，轴向转动较少，提高了机械钻速，延长了钻头的使用寿命。

图1 Kymera复合钻头Fig.1 Kymera composite drill bit

2.3 钻井液技术

Daylight油田泥岩水敏性强，开发初期使用水基钻井液时井壁失稳严重。20世纪80年代使用油基钻井液后，井壁失稳问题得到解决[12-13]。根据保护地表水的要求，一开使用水基钻井液；二开直井段和定向段使用逆乳化油基钻井液(即油包水体系)，油水比为90∶10，三开水平段使用油水比为95∶5的油基钻井液，以减小水平段作业时的摩阻，有利于水平段的延伸。基油选择矿物油，极少数公司使用原油，非化石油(如植物油提取)也有所应用。二开和三开对钻井液性能的要求见表3，实际钻井液的性能均优于该要求，其中破乳电压性能更优。

表3二开及三开钻井液性能

Table3Drillingfluidpropertiesofsecondandthirddrillingsections

性能二开三开密度/(kg·L-1)1.00～1.051.00～1.05漏斗黏度/s45～6545～65油水比90∶1095∶5塑性黏度/(mPa·s)<30<30动切力/Pa2.01.0～2.0静切力/Pa2.0～5.03.0～5.0破乳电压/V>800>800高温高压滤失量/mL<10<10生石灰加量/(kg·m-3)10～1510～15CaCl2加量,%>23>23水相盐度/(mg·L-1)>277 900>277 900

施工中对钻井液的主要维护处理措施有：1)使用油基钻井液钻水泥塞；2)使用乳化剂Invermul、Ez-Mul，保持油基钻井液的破胶电压高于800 V，现场实际控制在1 100～1 200 V；3)随钻补充CaCl2、BaroFibre(纤维)、Durateon、BarBlok和DrilTreat，提高钻井液的流变性和高温稳定性，并有效防止其漏失；4)预配浆由Invermul、Lime、Durateon、BarBlok和DrilTreat组成；5)保持固控设备运行良好，二开振动筛使用200目筛布，离心机转速2 900～3 200 r/min,三开振动筛使用325目以上筛布，离心机转速2 900～3 200 r/min；6)三开井段补充加入BaroLube提高润滑性能，加入Torque-Less降低水平段摩阻；7) 保持低固相含量低于8%，降摩减阻剂加量不少于 3 L/m3。

2.4 井眼轨迹控制技术

非常规油气的开发大多采用“井工厂”的模式，井眼防碰是一个关键的问题，必须进行一体化、系统化的设计[14]。在轨道设计时，要求直井段提前防碰，造斜段采用中半径剖面，水平段缩短滑动进尺并避免大段滑动，以达到安全、快速钻进的目的[15]。在造斜段，采用中半径剖面，造斜点至完钻井深垂深差和靶前位移基本保持在300～400 m。长水平段井造斜率(5°～6°)/30m ，水平段较短的井保持在(7°～8°)/30m。这样，减小管串下入难度，减小水平段作业时的摩阻，防止狗腿度过大引起钻杆、油管摩损套管。同时，较低的造斜率虽然延长了定向段进尺，但是可以使用较大弯角的螺杆，以缩短滑动进尺，增加复合钻进进尺。

为了解决水平井钻进中的托压问题，Daylight油田采用了“振荡钻井”技术，主要是借助于顶驱的Rocking Drilling功能模块，它位于定向钻井模块内，在地面对钻具组合施加周向往复的振动，经验值设置15 r/min，钻具每正转4～5圈后，自动反转4～5圈，来回往复。另外一种工具是AGITATOR，需接在钻头以上500～600 m左右位置，通过对钻具组合施加轻柔的震荡，来提高钻压传递效果，降低摩阻。但工具压降比较大，通常在6 MPa左右，限制了工具的应用范围。实际应用中，根据井下摩阻情况，单独使用AGITATOR或Rocking Drilling，或者两者同时使用。即便如此，水平段定向钻进仍然要非常谨慎，每次定向钻进进尺不超过2 m。定向作业施工时间很长，需要反复上提下放钻具来解决托压问题。

钻至设计井深后，循环起钻，换欠尺寸划眼器进行全井段划眼，要求划眼器外径150～152 mm，主要目的是破坏水长平段中形成的岩屑床和狗腿，使井眼轨迹更平滑，以利于套管和封隔器的下入。钻具组合为：φ158.8 mm钻头+双母接头+单根钻杆+φ150.0 mm划眼器+钻杆+加重钻杆(井斜角小于60°)。以无钻压(<10 kN)划眼，转速80 r/min，划眼至井底循环后短起至套管鞋，通井一次，循环后起钻。使用划眼器划眼后，下放摩阻由350～400 kN下降至140～150 kN。井深4 400 m处的上提摩阻130～140 kN，下放摩阻150～160 kN，表明划眼后有效清除了岩屑床和狗腿，清洁修整了井眼。起钻前，注入封闭浆至裸眼段，准备下套管。

此外，利用黑匣子(Black Box)测量记录井下黏滑等现象，来优化施工参数。钻井过程中，井底瞬时转速可能达到地面转速的3～15倍，钻具组合中，利用Black Box短节测量轴向振动、扭转振动和钻柱转速，测量数据在井下存储，起钻后在地面读取，分析钻柱运动特性，优化设计井下钻具组合。

3 应用效果

经过工艺优化和管理完善，缩短了钻井周期，降低了钻井成本。Warburg地区的平均井深为3 000 m，2010和2011年的平均钻井周期为18 d，而2012年则为8 d，钻井周期大幅度缩短(见表4)。Warburg地区2012年钻井成本为585美元/m，比2011年的765美元/m降低了24%；Brazeau地区的井更深一些，钻井成本降低了32%。

表4 2012年主要完钻井情况Table 4 Wells drilled and completed in 2012

4 结论与认识

1) 周密的工程设计，先进的钻井设备、工具，参数优选，以及现场作业不同专业间的协调合作，为Daylight油田快速钻井提供了保障。

2) 通过探索形成了配套的钻井技术，包括井身结构设计、钻井液、钻头优化和井眼轨迹控制等技术，为国内非常规油田开发提供了一定的技术思路。

3) 对Daylight油田部分区块的较深井进行开发时，需要继续优化工艺技术、提升管理水平，进一步降低钻井成本、提高油田的经济效益。

参考文献
References

[1] 梁涛，常毓文，郭晓飞，等.巴肯致密油藏单井产能参数影响程度排序[J].石油勘探与开发，2013，40(3)：357-362.

Liang Tao,Chang Yuwen,Guo Xiaofei，et al.Influence factors of single well’s productivity in the Bakken tight reservoir[J].Petroleum Exploration and Development，2013，40(3)：357-362.

[2] 贾承造，邹才能，李建忠，等.中国致密油评价标准、主要类型、基本特征及资源前景[J].石油学报，2012，33(3)：343-350.

Jia Chengzao,Zou Caineng，Li Jianzhong,et al.Assessment criteria,main types,basic features and resource prospects of the tight oil in China[J].Acta Petrolei Sinica，2012，33(3)：343-350.

[3] 邹才能，朱如凯，吴松涛，等.常规与非常规油气聚集类型、特征、机理及展望：以中国致密油和致密气为例[J].石油学报，2012，33(2)：173-187.

Zou Caineng,Zhu Rukai,Wu Songtao,et al.Types，characteristics，genesis and prospects of conventional and unconventional hydrocarbon accumulations:taking tight oil and tight gas in China as an instance[J].Acta Petrolei Sinica，2012，33(2)：173-187.

[4] 王永辉，卢拥军，李永平，等.非常规储层压裂改造技术进展及应用[J].石油学报，2012，33(1)：150-157.

Wang Yonghui,Lu Yongjun，Li Yongping，et al.Progress and application of hydraulic fracturing technology in unconventional reservoir[J].Acta Petrolei Sinica，2012，33(1):150-157.

[5] 葛洪魁，王小琼，张义.大幅度降低页岩气开发成本的技术途径[J].石油钻探技术，2013，41(6)：1-5.

Ge Hongkui，Wang Xiaoqiong，Zhang Yi.A technical approach to reduce shale gas development cost[J].Petroleum Drilling Techniques，2013,41(6):1-5.

[6] 韩来聚，周延军，唐志军.胜利油田非常规油气优快钻井技术[J].石油钻采工艺，2012，34(3)：11-15.

Han Laiju,Zhou Yanjun,Tang Zhijun.High quality and fast drilling techniques for unconventional oil and gas reservoirs in Shengli Field[J].Oil Drilling & Production Technology，2012，34(3)：11-15.

[7] 许孝顺.墨西哥EPC区块优快钻井技术[J].石油钻探技术，2011，39(5)：53-57.

Xu Xiaoshun.Slimhole horizontal drilling technology for EPC Block in Mexico[J].Petroleum Drilling Techniques，2011，39(5)：53-57.

[8] 谌卓恒，Kirk G Osadetz.西加拿大沉积盆地Cardium组致密油资源评价[J].石油勘探与开发，2013，40(3)：320-327.

Chen Zhuoheng,Kirk G Osadetz.An assessment of tight oil resource potential in the Upper Cretaceous Cardium Formation,Western Canada Sedimentary Basin[J].Petroleum Exploration and Development,2013,40(3):320-327.

[9] Sangeeth George Mathew，Ghasem G Nasr.Optimized drilling by improved well control using MPD in narrow pressure window[R].SPE 157075,2012.

[10] Economides Michael J，Martin Tony.Modern fracturing-enhancing natural gas production[M].Houston:ET Publishing，2007.

[11] Hanna Chase,Douglas Charles H S,Asr Hany，et al.Application specific steel body PDC bit technology reduces drilling costs in unconventional North America shale plays[R].SPE 144456，2011.

[12] Zou Xiaoping,Huang Yingshi.Successful approach to push ERD limit,optimize production,and optimize reserve recovery of an extended reach oil field[R].SPE 166654,2013.

[13] Juma Al Shamsi,Adnan Mohammed Al Menhali.Successful application of extended reach drilling(ERD)technology in Super Giant Onshore Middle East Field,case study[R].SPE 161281，2012.

[14] 魏海峰，凡哲元，袁向春.致密油藏开发技术研究进展[J].油气地质与采收率，2013，20(2)：62-65.

Wei Haifeng，Fan Zheyuan，Yuan Xiangchun.Research progress of development technology in tight oil reservoir[J].Petroleum Geology and Recovery Efficiency,2013,20(2):62-65.

[15] 赵政璋，杜金虎.致密油气[M].北京：石油工业出版社，2012：150-188.

Zhao Zhengzhang，Du Jinhu.Tight oil and gas[M].Beijing:Petroleum Industry Press,2012:150-188.