南堡2號構(gòu)造深層潛山水平井鉆井完井技術(shù)

李云峰， 徐 吉， 徐小峰， 朱寬亮， 吳 艷

(中國石油冀東油田分公司鉆采工藝研究院，河北唐山 063000)

南堡2號構(gòu)造深層潛山儲層是奧陶系、寒武系碳酸鹽巖地層經(jīng)過長期風(fēng)化、剝蝕、溶蝕等各種作用形成的儲集空間，是冀東油田勘探開發(fā)碳酸鹽巖油氣的重點區(qū)塊。該區(qū)塊地質(zhì)條件復(fù)雜，儲層存在壓力敏感，且地層溫度高，前期采用常規(guī)定向井進(jìn)行勘探開發(fā)，開發(fā)效率較低，同時潛山儲層鉆井完井施工過程中易發(fā)生漏噴共存的問題，部分井漏失量達(dá)2 000 m3以上，給南堡2號構(gòu)造深層潛山儲層的安全鉆井帶來了難題，且機(jī)械鉆速慢，鉆井周期較長，嚴(yán)重制約了南堡2號構(gòu)造潛山儲層的勘探開發(fā)進(jìn)程[1-6]。

筆者在分析已完鉆井施工過程中存在的技術(shù)難點的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了南堡2號構(gòu)造深層潛山水平井井身結(jié)構(gòu)和井眼軌道優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)選了高溫條件下造斜工具與監(jiān)測儀器，優(yōu)化了抗高溫水包油鉆井液，開展了微流量精細(xì)控壓鉆井技術(shù)和抗高溫凍膠閥完井技術(shù)的應(yīng)用研究，形成了南堡2號構(gòu)造深層高溫潛山水平井鉆井完井技術(shù)，解決了南堡2號構(gòu)造潛山儲層水平井鉆井完井施工中易發(fā)生井漏、溢流的問題，提高了機(jī)械鉆速，縮短了鉆井周期，為加快南堡2號構(gòu)造深層潛山儲層勘探開發(fā)步伐提供了技術(shù)支撐。

1 鉆井技術(shù)難點分析

1) 潛山儲層埋藏深、溫度高。儲層埋藏深度為4 000.00～4 500.00 m，井底溫度160～180 ℃，易造成隨鉆測量儀器和定向工具的電子元器件老化，影響隨鉆測量儀器和定向工具的使用時間，且在高溫條件下長時間應(yīng)用會造成儀器出現(xiàn)故障、螺桿橡膠發(fā)生老化脫膠，進(jìn)而導(dǎo)致隨鉆測量儀器和定向工具失效，因此，對隨鉆測量儀器和定向工具抗高溫性能提出了較苛刻的要求[7-10]；同時，常規(guī)鉆井液中的一些添加劑會在高溫條件下失效，造成鉆井液性能發(fā)生變化，使其攜巖能力降低、濾失量增大，因此，對鉆井液的抗高溫性要求較高[11-13]。

2) 潛山面著陸地點窗口深，垂深在4 000.00 m以上，且地層傾角為50°～90°，入靶后對井眼軌跡要求高，靶點縱向漂移誤差要求控制在1.00 m，水平段井斜角誤差要求控制在0.3°，井眼軌跡不易控制。由于南堡2號構(gòu)造潛山頂面垂深變化范圍較大，致使入靶角受到制約，易造成提前或滯后著陸，軌跡無法沿潛山頂面有效鉆進(jìn)，對潛山面中靶設(shè)計及控制提出了較高的要求[14-17]。

3) 潛山儲層裂縫發(fā)育，對壓力敏感，鉆井完井過程中易發(fā)生漏噴共存的現(xiàn)象，致使部分潛山水平井提前完鉆，水平段長度未達(dá)到設(shè)計要求。南堡2號構(gòu)造潛山地層壓力系數(shù)0.99～1.04，漏失壓力系數(shù)1.01～1.06，鉆井液安全密度窗口較窄，鉆井過程中易發(fā)生既漏又噴、有進(jìn)無出現(xiàn)象，導(dǎo)致潛山儲層鉆井及后期完井施工風(fēng)險增大[18-24]。

2 鉆井完井關(guān)鍵技術(shù)

為了實現(xiàn)南堡2號構(gòu)造潛山儲層的高效開發(fā)，開展了潛山水平井鉆井完井關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)研究，從井身結(jié)構(gòu)設(shè)計,井眼軌跡控制和潛山水平井安全、高效鉆井完井施工等方面進(jìn)行了深入細(xì)致的研究，形成了一系列的鉆井完井關(guān)鍵技術(shù)，為高效開發(fā)南堡2號構(gòu)造潛山儲層提供了技術(shù)保障。

2.1 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計

設(shè)計水平井井身結(jié)構(gòu)時，在保證水平井段精確入窗的前提條件下，要考慮盡可能縮短長裸眼井段被鉆井液浸泡的時間，以避免井眼發(fā)生掉塊坍塌；同時為了降低施工中的摩阻和扭矩，需要盡可能地縮短下部裸眼段的長度。

根據(jù)地層巖性、三壓力剖面、井身剖面及水平位移長度分析結(jié)果，結(jié)合地質(zhì)要求、現(xiàn)有鉆井設(shè)備的施工能力和已完鉆鄰井施工情況均衡分?jǐn)偢骶问┕るy度，確定了南堡2號構(gòu)造深層潛山水平井井身結(jié)構(gòu)，即水平位移小于2 500.00 m的井采用四開井身結(jié)構(gòu)，水平位移大于2 500.00 m的井采用五開井身結(jié)構(gòu)(見圖1)。

該類型井身結(jié)構(gòu)主要具有以下特點：1)φ508.0 mm套管封隔上部疏松的平原組地層；2)φ339.7 mm套管下至穩(wěn)斜段，封隔明化鎮(zhèn)組上部地層，為下部井段的安全施工創(chuàng)造有利條件；3)φ244.5 mm套管封固東營組上部地層，縮短下部裸眼段長度，以降低施工中的摩阻和扭矩；4)φ177.8mm尾管下入潛山面1.00～3.00 m，封固沙河街組地層，為潛山儲層實施專打創(chuàng)造有利條件；5)選用φ152.4 mm鉆頭鉆進(jìn)潛山儲層裸眼段。

2.2 井眼軌道設(shè)計

設(shè)計潛山水平井井眼軌道時，在以靶前距為依據(jù)的前提下，需綜合考慮造斜工具造斜率受地層影響的不確定性及潛山儲層位置的空間變化，需要進(jìn)行分段優(yōu)化和控制井眼曲率，以確保井眼軌跡平滑，實現(xiàn)安全鉆進(jìn)，精確中靶。因此，南堡2號構(gòu)造深層潛山已完鉆水平井均采用“直—增—穩(wěn)—增—穩(wěn)—增—水平”的七段式井眼軌道，其中第一、第三增斜段采用動力鉆具增斜，中間段進(jìn)行旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，以提高軌跡的調(diào)整控制能力、降低提前與滯后進(jìn)入目的層的影響程度；同時盡可能采用復(fù)合鉆進(jìn)，并盡量降低斜井段的井眼曲率，以確保提高井眼軌跡的控制精度。

圖1 南堡2號構(gòu)造深層潛山水平井井身結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic of casing program of horizontal well in deep buried hills of Nanpu No.2 Structure

1) 造斜點的選擇。造斜點盡量選擇在地層成巖性好，且比較穩(wěn)定的井段；同時為了盡可能地提高上部井段的鉆井速度，造斜點應(yīng)盡可能下移，因此，其造斜點應(yīng)在900.00～1 200.00 m井段內(nèi)選擇。

2) 造斜率的選擇。為了保證潛山水平井井眼軌跡的平滑，確保造斜工具的造斜率能夠適應(yīng)復(fù)雜地層巖性變化，同時要盡可能縮短造斜段的長度，以降低鉆井施工中的摩阻和扭矩。因此，第一增斜段的造斜率要控制在(2.1°～3.2°)/30m，井斜角盡量控制在40°～45°，第二增斜段的造斜率要控制在(2.1°～3.0°)/30m，著陸入窗，同時盡量將該井段井斜角控制在75°～82°進(jìn)入潛山面；第三增斜段的造斜率要控制在(2.1°～3.4°)/30m，以保證盡快實現(xiàn)水平段著陸，為后期潛山儲層水平井水平段鉆進(jìn)提供保證。

3) 井眼軌道剖面選擇。綜合造斜點位置和不同井段的造斜率，最終確定南堡2號構(gòu)造深層潛山水平井采用“直—增—穩(wěn)—增—穩(wěn)—增—水平”的七段式井眼軌道。其中第二增斜段的目的是探潛山面，進(jìn)行井斜角、方位角和入靶姿態(tài)調(diào)整，達(dá)到矢量入靶；穩(wěn)斜段的目的是大斜度穿越潛山儲層，為尋找和確定水平段最佳的位置提供保證；第三增斜段的目的是保證深層潛山水平井水平段精確中靶著陸。

2.3 井眼軌跡控制技術(shù)

2.3.1 造斜工具及監(jiān)測儀器優(yōu)選

由實驗結(jié)果可以看出，當(dāng)任務(wù)規(guī)模較小時，三種算法在任務(wù)完成時間上的差距相對較小，改進(jìn)算法收斂速度更快且更穩(wěn)定.隨著任務(wù)規(guī)模的提升，可以看到改進(jìn)的粒子群算法表現(xiàn)出更為明顯的優(yōu)勢.相比較而言，F(xiàn)IFO算法的迭代次數(shù)比其他算法更大，收斂速度較慢.算法初期，傳統(tǒng)粒子群算法相比FIFO算法具有更好的收斂速度，但后期收斂速度明顯變慢，且無法跳出局部極值過早的收斂.隨著任務(wù)數(shù)的提升，改進(jìn)的粒子群算法在總的任務(wù)完成時間上相比其他算法優(yōu)勢更為明顯，可以看到通過慣性權(quán)重優(yōu)化和調(diào)整算子的設(shè)置，能夠更有效地實現(xiàn)較好的目標(biāo)區(qū)域的搜索，降低了任務(wù)總時間，從而在優(yōu)化資源以及合理調(diào)度資源方面具有良好的效果．

南堡2號構(gòu)造深層潛山儲層溫度較高，國內(nèi)常規(guī)螺桿在應(yīng)用過程中經(jīng)常發(fā)生橡膠掉膠和老化的現(xiàn)象，造成螺桿容易失效，給南堡潛山水平井井眼軌跡的控制帶來了難題，為此，優(yōu)選出了耐175 ℃高溫的等壁厚螺桿。螺桿定子橡膠采用ZYN-02型丁腈橡膠，螺桿具有較高的強(qiáng)度、耐磨性和耐溫性能，井下工作時間顯著增長；與常規(guī)螺桿相比，等壁厚螺桿鉆具整體長度縮短了2.00～3.00 m，使鉆具的彎曲半徑較小，更有利于控制潛山水平井井眼軌跡。

井眼軌跡監(jiān)測選用了斯倫貝謝公司耐高溫MWD監(jiān)測儀器，該監(jiān)測儀器的井下脈沖發(fā)生器、傳感器及電池等關(guān)鍵部件使用了耐175 ℃高溫的電子元器件，確保監(jiān)測儀器能夠在高溫條件下正常工作，同時儀器監(jiān)測精度較高，井斜角誤差0.1°，方位角誤差0.1°，能夠滿足深層高溫潛山儲層水平井井眼軌跡監(jiān)測的要求。

2.3.2 著陸井段及水平段井眼軌跡控制

由于潛山儲層地層傾角變化范圍大、儲層深度不易確定，因此在進(jìn)行井眼軌跡控制時要堅持“略高勿低、早走偏移、穩(wěn)斜探頂、動態(tài)監(jiān)控、矢量入靶”的原則控制井眼軌跡。

探潛山面造斜段增斜率控制在(2.1°～3.0°)/30m，井斜角控制在75°～82°中靶進(jìn)入潛山面，鉆具組合為φ215.9 mm鉆頭+φ172.0 mm×(1.25°～1.50°)螺桿+浮閥+φ158.0 mm無磁鉆鋌+MWD+φ158.0 mm鉆鋌+φ127.0 mm加重鉆桿+φ158.0 mm震擊器+φ127.0 mm加重鉆桿+φ127.0 mm鉆桿。

潛山面中靶后采用小尺寸鉆頭盡快將井斜角增至90°左右，造斜率控制在(2.1°～3.4°)/30m，當(dāng)井斜角達(dá)到90°時，進(jìn)行水平段鉆進(jìn)。水平段增斜鉆具組合：φ152.4 mm鉆頭+φ120.0 mm×1.5°螺桿+φ120.0 mm箭形止回閥+φ89.0 mm無磁鉆桿+φ89.0 mm鉆桿+φ120.0 mm旁通閥+φ89.0 mm鉆桿+φ89.0 mm加重鉆桿+φ89.0 mm鉆桿+φ127.0 mm鉆桿。同時，按照軌跡光滑平緩、小調(diào)整、勤監(jiān)測、多開轉(zhuǎn)盤和及時短起下鉆的原則進(jìn)行水平段井眼軌跡控制，以保證井眼軌跡沿著潛山面鉆進(jìn)。

2.4 抗高溫鉆井液技術(shù)

針對南堡2構(gòu)造深層潛山儲層溫度高、裂縫發(fā)育、對壓力敏感，且鉆井過程中易發(fā)生井漏的情況，選用了抗220 ℃高溫水包油鉆井液。

室內(nèi)試驗結(jié)果表明，泥頁巖在該抗高溫水包油鉆井液中的線性膨脹性率僅為7.8%，巖屑滾動回收率為90.5%，巖心滲透率一次滲透率恢復(fù)率均大于90.0%，進(jìn)一步表明該鉆井液具有較強(qiáng)的抑制性、較好的潤滑性和儲層保護(hù)效果。

2.5 控壓鉆井技術(shù)

為了解決南堡2號構(gòu)造深層潛山儲層壓力敏感導(dǎo)致的潛山儲層水平段鉆井施工中易發(fā)生漏噴同存的問題，降低鉆井液漏失量和縮短非生產(chǎn)時間，有效延伸潛山儲層水平段的長度，在南堡2號構(gòu)造潛山奧陶系儲層應(yīng)用了微流量控壓鉆井系統(tǒng)。該鉆井系統(tǒng)利用高精度傳感器監(jiān)測井筒內(nèi)鉆井液流入與流出的體積，中央數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)對傳感器實時監(jiān)測的井筒內(nèi)鉆井液流入與流出的體積數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和精確計算。當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測到鉆井液流出井筒的體積大于流入體積時，說明地層流體已經(jīng)進(jìn)入井筒內(nèi)，需要利用控壓鉆井系統(tǒng)在井口增加一定的回壓或提高鉆井液排量來實現(xiàn)正常的鉆井施工；當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測到鉆井液流出井筒的體積小于流入體積時，說明鉆井液進(jìn)入了地層，井底發(fā)生了漏失，需要降低鉆井液排量或井口的回壓來實現(xiàn)正常的鉆井施工。

因此，南堡2號構(gòu)造潛山儲層鉆井施工時，將水包油鉆井液密度控制在0.92～0.95 kg/L，并利用微流量監(jiān)測、自動節(jié)流管匯等控壓鉆井裝備，將井底壓力當(dāng)量密度控制在0.99～1.10 kg/L，以保證潛山儲層水平井控壓鉆進(jìn)。嚴(yán)格控制溢流量，將溢流量控制在0.5 m3以內(nèi)，井口施加0～3 MPa回壓，若不能控制溢流量，則以1.0 MPa/10min的速度提高井口回壓，直至井筒內(nèi)流入與流出的鉆井液體積相一致；溢流量達(dá)到1.0 m3時立即進(jìn)行關(guān)井作業(yè)，并用常規(guī)的方法進(jìn)行壓井。同時，為進(jìn)一步降低起下鉆、接單根過程中的井口回壓，將正常鉆進(jìn)施工過程中的井口回壓控制在0～1.5 MPa，若井口回壓大于1.5 MPa時，以0.02 kg/L的幅度提高鉆井液密度。

2.6 完井技術(shù)

由于前期已完鉆的潛山水平井在完井作業(yè)中發(fā)生了數(shù)次溢流和有進(jìn)無出的惡性井漏同存的現(xiàn)象，為了保護(hù)儲層，保證起鉆安全，同時降低后續(xù)完井作業(yè)井控風(fēng)險，研究應(yīng)用了抗150 ℃高溫凍膠封堵技術(shù)，有效實現(xiàn)了φ177.8 mm尾管回接和完井作業(yè)過程中的油層保護(hù)及安全順利施工。

該抗高溫凍膠初期黏度低，確保了凍膠能夠順利泵入井筒并能頂替至設(shè)計位置，隨著溫度上升，凍膠能夠迅速形成高強(qiáng)度凍膠閥段塞封隔油氣上竄，且具有較好的熱穩(wěn)定性能。該抗高溫凍膠閥在溫度150 ℃下性能穩(wěn)定，強(qiáng)度高(見表2)，200 m長凍膠閥可承壓10 MPa，成膠時間可控，能夠完全封隔潛山頂部油氣層，保證后期完井作業(yè)安全施工。完井結(jié)束后，注入破膠液或利用鉆頭噴嘴高壓射流的方式實現(xiàn)抗高溫凍膠閥破膠，再采用氮氣或清水排液的方式把破膠后留在井筒中的凍膠全部排出地面。

表2 抗高溫凍膠閥熱穩(wěn)定性試驗結(jié)果Table 2 Results of stability test on high-temperature gel valve

3 現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 總體應(yīng)用情況

截至目前，南堡2號構(gòu)造潛山儲層已成功完鉆潛山水平井15口，平均完鉆井深5 345 m，最大完鉆井深5 644.00 m，最大水平位移4 013.00 m；水平井最大井斜角93.22°(見表3)，潛山儲層水平段鉆進(jìn)中井漏和溢流得到了有效控制，漏失量大幅度降低，大部分井實現(xiàn)了“零漏失”的目標(biāo)，逐步形成了適合于南堡2號構(gòu)造深層潛山水平井鉆井完井技術(shù)，為提高南堡2號構(gòu)造深層潛山開發(fā)進(jìn)程提供了保障。下面以NP23-P2012井為例詳細(xì)介紹其應(yīng)用情況及效果。

表3 南堡2號構(gòu)造潛山水平井部分已完鉆井基本情況Table 3 Basic conditions of previously drilled horizontal wells in deep buried hills of the Nanpu No.2 Structure

3.2 NP23-P2012井

NP23-P2012井完鉆井深5 510.00 m，垂深3 628.00 m,水平位移3 722.00 m，最大井斜角92.47°，水平段長297.00 m，設(shè)計采用七段式井眼軌道。該井五開潛山段5 213.00～5 510.00 m鉆進(jìn)施工中采用密度為0.92～0.95 kg/L的抗220 ℃水包油鉆井液，施工過程中潛山儲層的井壁穩(wěn)定，井眼規(guī)則，平均井徑擴(kuò)大率小于5.0%，且在水平段鉆井施工中，鉆具摩阻小于80 kN，起下鉆無阻卡，套管順利下至設(shè)計位置，保證了潛山儲層的安全順利鉆進(jìn)。

NP23-P2012井5 213.00～5 510.00 m井段應(yīng)用了微流量控壓鉆井技術(shù)，鉆進(jìn)過程中控壓數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動監(jiān)測到多次溢流，并準(zhǔn)確找到了壓力平衡點，通過循環(huán)調(diào)整鉆井液的性能后，在井口施加1.0～1.5 MPa回壓繼續(xù)鉆進(jìn)，最終3趟鉆完成了潛山儲層水平段的鉆進(jìn)，累計進(jìn)尺297.00 m，控壓鉆井純鉆時間98 h，中途實施帶壓起下鉆2趟，平均機(jī)械鉆速3.03 m/h，發(fā)現(xiàn)了6套油氣層，后效全烴最高達(dá)至99.9%，出口氣體流量最高達(dá)4 362 m3/h，整個控壓鉆井施工過程中未發(fā)生漏失等井下故障，順利鉆達(dá)設(shè)計地質(zhì)目標(biāo)，達(dá)到了發(fā)現(xiàn)和保護(hù)儲層的目的。

NP23-P2012井完井階段應(yīng)用了抗高溫凍膠閥技術(shù)，在4 950.00～5 250.00 m井段利用凍膠閥形成段塞封隔油氣，通過隨鉆壓力溫度測量工具測得井底最高溫度為141.2 ℃，儲層最高壓力達(dá)到36.44 MPa(見圖2)。凍膠閥施工結(jié)束后，分別進(jìn)行起鉆、回接φ177.8 mm尾管、固井和聲幅測井等作業(yè)，整個完井施工過程中未出現(xiàn)油氣外溢現(xiàn)象，證明抗高溫凍膠閥成功封隔了井筒，保護(hù)了儲層。完井作業(yè)結(jié)束后，采用鉆頭切削方式實現(xiàn)抗高溫凍膠閥破膠，凍膠碎塊隨鉆井液一起返出井口，整個完井作業(yè)施工安全順利。

圖2 NP23-P2012井抗高溫凍膠閥施工井段溫度及壓力隨時間變化情況Fig.2 Temperature and pressure in well section with high-temperature gel valve in the Well NP23-P2012

4 結(jié)論與建議

1) 南堡2號構(gòu)造深層潛山水平井鉆井完井技術(shù)解決了深層潛山水平井鉆井施工中存在的技術(shù)難點，尤其是在深層高溫潛山儲層井眼軌道的設(shè)計與控制、窄窗口條件下潛山儲層的安全鉆井、抗高溫水包油鉆井液技術(shù)和抗150 ℃高溫凍膠閥完井工藝技術(shù)等方面，實現(xiàn)了南堡2號構(gòu)造深層潛山油藏高效開發(fā)。

2) 南堡2號構(gòu)造深層潛山水平井設(shè)計為四開和五開井身結(jié)構(gòu)，不僅為潛山儲層實施專打創(chuàng)造了有利條件，同時保證了鉆井施工的安全順利，為進(jìn)一步提高鉆井速度奠定了基礎(chǔ)。

3) 抗高溫凍膠閥完井封堵技術(shù)雖然能夠有效封堵深層高溫儲層油氣，但凍膠閥的成膠效果和強(qiáng)度受到井下復(fù)雜環(huán)境的影響，需要進(jìn)一步開展深入研究。

4) 微流量控壓鉆井技術(shù)能夠解決“窄密度窗口”條件下鉆井施工中出現(xiàn)的井涌、井漏等井下復(fù)雜問題，建議在其他同類型的儲層推廣應(yīng)用，以降低鉆井成本，實現(xiàn)安全鉆井。

參 考 文 獻(xiàn)

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