多壓力層系區(qū)塊鉆完井技術(shù)研究與應(yīng)用

姚 斌

（大慶鉆探鉆井二公司，黑龍江大慶163413）

1 概述

***采油區(qū)塊開發(fā)目的層為A、B、C三個(gè)油層，屬于多層位分段開發(fā)。區(qū)塊內(nèi)斷層較為發(fā)育，共發(fā)育15條斷層，均為正斷層，斷層附近受注水開發(fā)的影響，采出井點(diǎn)較少，形成油層局部憋壓，油層壓力相對(duì)較高，最低地層破裂壓力18MPa，預(yù)計(jì)壓力系數(shù)1.40～1.50；深部C油層未注水開發(fā)，仍處于原始?jí)毫顟B(tài)，平均地層壓力為17.5MPa，壓力系數(shù)平均為1.13。該區(qū)塊標(biāo)準(zhǔn)層和下部Q地層發(fā)育大段泥巖，泥巖吸水水化膨脹易剝落，造漿性能強(qiáng)易泥包鉆具，鉆井過程中易井塌卡鉆，而且易發(fā)生井漏。因此，有必要對(duì)該區(qū)塊的特殊情況進(jìn)行針對(duì)性的研究和試驗(yàn)，形成一套適用于該區(qū)塊的鉆井完井技術(shù)，來保證鉆井施工的順利進(jìn)行和提高完井固井質(zhì)量。

2 技術(shù)研究

2.1 油層防漏鉆井液密度設(shè)計(jì)方法研究

針對(duì)***區(qū)塊地層破裂壓力低、孔隙壓力高的特點(diǎn)，采取近平衡鉆井液密度設(shè)計(jì)方法。

2.1.1 上部A、B油層地質(zhì)壓力預(yù)測(cè)

根據(jù)油水井動(dòng)、靜態(tài)資料、區(qū)塊構(gòu)造位置、以往已鉆井的資料綜合分析，預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)鉆井區(qū)塊油層壓力系數(shù)分為：

（1）注水井?dāng)鄬诱趽踺^高壓力區(qū)∶預(yù)計(jì)壓力系數(shù)1.40～1.50。

（2）注采不平衡較高壓區(qū)∶預(yù)計(jì)地層壓力系數(shù)在1.35～1.55。

（3）正常注采區(qū)∶預(yù)計(jì)地層壓力系數(shù)在1.35～1.45。

2.1.2 深部C油層地層壓力預(yù)測(cè)

注水開發(fā)區(qū)：油層試驗(yàn)區(qū)有2口水井測(cè)壓，地層壓力分別為23.6MPa和23.8MPa，壓力系數(shù)1.48和1.52。

原始?jí)毫^(qū)：取得3口井實(shí)測(cè)壓力，最高地層壓力18.3，最低地層壓力17.0MPa。

2.1.3 鉆井液密度設(shè)計(jì)方法

在鉆前地層壓力調(diào)整充分的前提下，依據(jù)待鉆井鉆前預(yù)測(cè)的孔隙壓力結(jié)果，按公式計(jì)算鉆井液密度：

式中：Pp——地層孔隙壓力，MPa；

ΔP——壓力附加值，MPa，一般取2；

H——井深，m。

設(shè)計(jì)密度的關(guān)鍵是壓力附加值ΔP的確定。根據(jù)近平衡鉆井的原則：

A、當(dāng)預(yù)測(cè)最高壓力系數(shù)大于或等于1.5時(shí)，設(shè)計(jì)為近平衡鉆井，ΔP取1MPa;同時(shí)采取梯級(jí)密度設(shè)計(jì)方式，鉆進(jìn)時(shí)保持近平衡，有利于防止井漏和泄壓，完井鉆井液密度保持平衡，以保證完井施工安全。對(duì)于斷層遮擋高壓區(qū)及注采不平衡區(qū)采取這種密度設(shè)計(jì)方式。

B、預(yù)測(cè)最高壓力系數(shù)小于1.5時(shí)，設(shè)計(jì)為欠平衡鉆井，一般ΔP控制在-0.5～1.0MPa之間。對(duì)于淺氣層區(qū)的井計(jì)算值附加0.05作為設(shè)計(jì)密度下限，附加0.10g/cm3作為設(shè)計(jì)密度上限；非淺氣層區(qū)的井計(jì)算值作為設(shè)計(jì)密度下限，附加0.05g/cm3作為設(shè)計(jì)密度上限。

2.1.4 鉆井施工過程中鉆井液密度調(diào)整原則

2017年施工中應(yīng)用滾動(dòng)預(yù)測(cè)原則對(duì)復(fù)雜區(qū)進(jìn)行設(shè)計(jì)密度調(diào)整，采取分級(jí)加重的措施預(yù)防井漏，區(qū)塊油氣水浸和井漏復(fù)雜情況得到有效控制。具體設(shè)計(jì)情況如表1所示。

表1 鉆井液密度滾動(dòng)設(shè)計(jì)原則

2.2 鉆頭選型與鉆井參數(shù)優(yōu)化研究

2.2.1 鉆頭優(yōu)化選型

PDC鉆頭主要用于泥巖、砂巖、以泥質(zhì)膠結(jié)為主且膠結(jié)松散的小粒徑礫巖、膏巖和灰?guī)r等地層。試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況表明：砂、泥巖互層，當(dāng)?shù)貙涌箟簭?qiáng)度低于10000psi，泥巖成份占巖石總量的40%以上時(shí)，PDC鉆頭的使用效果最好。實(shí)驗(yàn)區(qū)塊地層，以紫紅色泥巖與綠灰色粉砂質(zhì)泥巖呈不等厚互層,目的層黑色泥巖，粉砂質(zhì)泥巖互層為主。

不同冠形PDC鉆頭的攻擊性依次為：長拋物線型＞中等拋物線型＞短拋物線型；按照巖石硬度分類，推薦的鉆頭冠型如表2所示。

表2 不同冠型PDC鉆頭對(duì)巖石攻擊性

根據(jù)巖石抗壓強(qiáng)度，選擇合理的切削齒尺寸?？箟簭?qiáng)度與切削齒尺寸關(guān)系如表3所示。

***區(qū)塊地層以灰色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、含油粉砂巖為主，油層巖性以巖屑質(zhì)長石粉砂巖為主，該區(qū)塊巖石硬度為很低硬度或中等硬度為主，抗壓強(qiáng)度一般不超過16000psi，冠部形狀選擇為中等拋物線形，主切削齒尺寸選擇為19mm復(fù)合片。結(jié)合區(qū)塊地質(zhì)情況，巖石硬度不高;鄰井間距小，便于井眼軌道控制；提速效果好，鉆井時(shí)間長；綜合成本低，穩(wěn)斜段長，穩(wěn)斜性能好等因素，優(yōu)選使用大慶鉆頭廠生產(chǎn)的R4624型號(hào)PDC鉆頭。通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)鉆應(yīng)用，效果較好，區(qū)塊平均井深1894m，平均機(jī)械鉆速可達(dá)29.41m/h，最高機(jī)械鉆速可達(dá)35.56m/h。

表3 不同切削齒尺寸與巖石硬度關(guān)系

2.2.2 鉆井參數(shù)優(yōu)化

試驗(yàn)區(qū)塊直井施工中在1050～1200m夾層多、鉆進(jìn)易斜，采用優(yōu)選的3根鉆鋌鐘擺鉆具組合。?215.9mm(PDC)+?178mm鉆鋌（16～20m）+?165mm鉆鋌（8～10m）+?210mm方接頭+?165mm鉆鋌（64～80m）+?127mm鉆桿。

隨著鉆具組合的改變，對(duì)相應(yīng)的鉆井參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。該區(qū)塊上部地層即標(biāo)準(zhǔn)層前100m，不易產(chǎn)生井斜，所以上部地層鉆壓選擇在40～80kN，有利于提高機(jī)械鉆速；以下的地層鉆壓控制在10～40kN，井斜角可控范圍大時(shí)可適當(dāng)增加鉆壓,轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速240～270r/min，排量28～32L/s；定向井優(yōu)選復(fù)合鉆方式，提高破巖效率15.97%。增加泵排量，提高返砂效率，保障井眼清潔暢通，提高了機(jī)械鉆速。

2.3 定向井軌道控制技術(shù)研究

2.3.1 鉆具組合優(yōu)選

（1）常規(guī)鉆具組合。鉆具組合是我們控制井眼軌跡的主要手段，它能使井眼朝著我們預(yù)期的方向前進(jìn)。我公司在外圍施工中，根據(jù)每個(gè)區(qū)塊的不同地下情況和地層特點(diǎn)，也都制定了不同的鉆具組合來滿足施工要求。微增斜鉆具組合∶?215mmPDC+?210mm螺扶+?165mm無磁鉆鋌+?210mm螺扶+?165mm鉆鋌+?198mm螺扶+?165mm鉆鋌（50～60m）+?127mm鉆桿。

該鉆具組合施工應(yīng)用中上部地層呈增斜趨勢(shì)，每100m增斜0.5°～2.5°左右，下部地層1000～1100m左右開始降斜2°～6°/100m左右。通過分析第一輪井的實(shí)鉆數(shù)據(jù)，對(duì)鉆具組合的力學(xué)性能、受力情況以及所能達(dá)到的效果進(jìn)行了分析，在小于25°井斜的定向井施工中，微增鉆具組合可以滿足井眼軌跡控制的要求。

（2）復(fù)合鉆進(jìn)鉆具組合。選用1°雙螺扶螺桿進(jìn)行復(fù)合鉆井施工，鉆具組合：?215.9mm鉆頭+?172.0mm螺桿（1.0°）+?165.1mm無磁鉆鋌×（8.5～9.0m)+?165.1mm鉆鋌×(17.0～18.0m)+?198mm穩(wěn)定器+?165.1mm鉆鋌×(17.0～18.0m)+?127.0mm鉆桿。

雙螺扶螺桿在上部地層呈微增趨勢(shì)，增斜率達(dá)0.5°～1°/100m，下部地層呈降斜趨勢(shì)降斜率在1°～2°/100m，實(shí)際應(yīng)用中，平均每口井在定向結(jié)束后，穩(wěn)斜鉆進(jìn)時(shí)需調(diào)整4～5次左右，滑動(dòng)鉆進(jìn)比例占比為7.4%，軌跡中途減少了調(diào)整頻次，增加了復(fù)合鉆進(jìn)比例，縮短了鉆井時(shí)間，提高了機(jī)械鉆速。定向井平均機(jī)械鉆速較首輪井提高18.9%，達(dá)到29.75m/h。

2.3.2 軌跡控制方法優(yōu)選

（1）造斜點(diǎn)與井斜優(yōu)化。為了提高生產(chǎn)效率，在綜合各方面因素后對(duì)井眼軌跡的造斜點(diǎn)和最大井斜進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。一是井眼曲率設(shè)計(jì)優(yōu)化，針對(duì)水平位移大，軌跡控制段長，摩阻大的實(shí)際，軌跡優(yōu)化設(shè)計(jì)上注重降低設(shè)計(jì)的狗腿度（3°～4.5°/30m）。二是井斜優(yōu)化，考慮到井斜對(duì)完井電測(cè)垂測(cè)的影響，最大井斜控制在43°以內(nèi)。三是鉆具組合設(shè)計(jì)優(yōu)化，充分考慮到軌跡的平滑性（降摩阻、防復(fù)雜）及施工的連續(xù)性（減少倒換鉆具，縮短鉆進(jìn)周期），采用MWD隨鉆導(dǎo)向施工。四是造斜點(diǎn)選擇優(yōu)化，結(jié)合上部直井段位移情況、井間防碰情況、最大井斜情況通盤考慮調(diào)整造斜點(diǎn)。

（2）復(fù)合鉆進(jìn)鉆具軌跡設(shè)計(jì)。軌跡控制效率的提升主要是通過施工的連續(xù)性和最大限度地提高復(fù)合鉆的比例，進(jìn)而提高機(jī)械鉆速。因此在實(shí)鉆軌跡控制過程中，綜合分析地層造斜規(guī)律及鉆具組合的穩(wěn)平效果進(jìn)行優(yōu)化。一是優(yōu)選?172mm 1°雙螺扶螺桿進(jìn)行隨鉆施工。相比單螺扶螺桿雙螺扶螺桿穩(wěn)平能力好，減少了軌跡中途調(diào)整次數(shù)，增加了復(fù)合鉆進(jìn)比例，提高了機(jī)械鉆速。二是在鉆進(jìn)過程中始終保持軌跡位移超前15～25m控制（如圖1所示），保證在儀器出現(xiàn)異常時(shí)可以換常規(guī)穩(wěn)斜鉆具一趟鉆完鉆或不進(jìn)行倒換鉆具盲打，確保中靶。完成164口定向井，中靶率為100%。軌跡控制措施優(yōu)化后，定向井平均鉆進(jìn)周期由優(yōu)化前的7.06d減少到6.32d，同比優(yōu)化前縮短了10.48%。

2.4 防漏、堵漏技術(shù)研究

2.4.1 梯次鉆井液防漏技術(shù)

針對(duì)該區(qū)塊油層壓力高、縱向上多壓力系統(tǒng)的特點(diǎn)，優(yōu)選不同粒徑封堵劑，采用梯次封堵技術(shù)，從上到下逐級(jí)封堵漏失地層，通過提高各個(gè)地層承壓能力，增大鉆井液進(jìn)入漏失層的阻力達(dá)到防止井漏的目的。

圖1 軌跡控制示意圖

（1）淺層A、B油層應(yīng)用聚合物成膜技術(shù)。該技術(shù)主要是利用特殊聚合物處理劑在高滲砂巖孔隙及微裂縫端口處濃集成膠束，聚合物膠束或膠粒界面吸力及其可變形性，協(xié)同惰性固體顆粒、纖維，并在聚合物顆粒逐步溶脹作用下，在井壁表面形成致密超低滲透封堵膜。

（2）深部Q地層微裂縫優(yōu)選復(fù)合封堵材料進(jìn)行有效封堵。優(yōu)選復(fù)合封堵材料對(duì)深部微裂縫進(jìn)行有效封堵，同時(shí)鞏固對(duì)淺層油層的封堵效果。復(fù)合封堵材料包括II型封堵劑和改性瀝青。Ⅱ型封堵劑較Ⅰ封堵劑粒徑范圍更大，選擇封堵性更強(qiáng)，能夠?qū)紫逗土芽p進(jìn)行有效封堵。在室內(nèi)進(jìn)行了堵漏承壓30min實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)于10～15目砂床（模擬裂縫1～2mm），當(dāng)壓力加到2.0MPa時(shí)，含量3%防漏劑漏失量為零。

2.4.2 堵漏技術(shù)研究

該區(qū)縱向上多壓力系統(tǒng)矛盾突出，深部地層泥頁巖微裂縫普遍發(fā)育，高比重下裂縫被打開，形成漏失通道?，F(xiàn)場(chǎng)證明絕大部分的井漏都是發(fā)生在深部地層，其主要原因就是高比重誘導(dǎo)地層裂縫開啟，導(dǎo)致井漏的發(fā)生。

（1）堵漏材料研究。經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)，配成了3種復(fù)合型堵漏劑（見表4）。Ⅰ型復(fù)合堵漏劑：核桃殼等細(xì)顆粒材料組成；Ⅱ型復(fù)合堵漏劑：膠粒等中等顆粒+增強(qiáng)材料；Ⅲ型堵漏劑：大膠粒、核桃殼、增強(qiáng)材料組成。用模擬堵漏裝置實(shí)驗(yàn)，堵漏強(qiáng)度可達(dá)到60kg以上。

（2）堵漏劑現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用?，F(xiàn)場(chǎng)根據(jù)漏失程度選擇堵漏配方，一般性井漏選擇非滲透性封堵劑和Ⅰ型復(fù)合堵漏劑或Ⅱ型復(fù)合堵漏劑，嚴(yán)重井漏選擇非滲透性封堵劑和Ⅱ型、Ⅲ型復(fù)合堵漏劑。對(duì)非常嚴(yán)重的井漏，需要現(xiàn)場(chǎng)組織多種材料復(fù)配堵漏劑。在循環(huán)池內(nèi)組織20～30m3高于井漏密度0.1～0.15g/cm3的泥漿，加8～10t堵漏劑，混配均勻，然后打入漏層。10口井漏，采用疏通井眼及擴(kuò)眼方法提高成功率，一次堵漏成功率80%。

表4 堵漏劑配方試驗(yàn)

2.5 完井技術(shù)研究

針對(duì)區(qū)塊影響固井質(zhì)量因素開展了一系列技術(shù)研究與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，研究應(yīng)用了包括油層多級(jí)劃眼技術(shù)、異常壓力層封隔技術(shù)、界面增強(qiáng)優(yōu)化技術(shù)、雙密度固井等一系列針對(duì)性技術(shù)措施，形成了窄泥漿密度窗口條件下的完井施工技術(shù)。

2.5.1 油層多級(jí)劃眼技術(shù)

區(qū)塊設(shè)計(jì)開發(fā)多個(gè)油層，且封固井段長達(dá)800多米，井眼清潔是影響固井質(zhì)量的重要因素。因此應(yīng)用了多級(jí)劃眼技術(shù)，電測(cè)后對(duì)油層進(jìn)行三段式劃眼作業(yè)。多級(jí)劃眼鉆具組合：?215mm牙輪+?198mm螺扶+?127mm鉆桿×1+?210mm螺扶+?127mm鉆桿×1+?210mm（3#）螺扶+?127mm鉆桿。

劃眼操作：下鉆至薩零頂位置開始處理鉆井液，將鉆井液粘度處理到50～55s之間，按要求加入界面增強(qiáng)劑，開始接單根劃眼；劃眼參數(shù)：轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速200r/min，鉆井泵排量2.2～2.4m3/min，劃眼方鉆桿下放速度3min/根，劃至井底后循環(huán)鉆井液2周，充分返砂后起鉆下套管，最大程度地保證了下套管前井眼清潔，同時(shí)提高井徑平滑度，提高固井頂替效率。

2.5.2 異常壓力層封隔技術(shù)

針對(duì)該區(qū)塊地層壓力高、封固井段長、地層破裂壓力低、易侵易漏、層間矛盾突出問題，在調(diào)整鉆井液密度平衡地層壓力的同時(shí)，應(yīng)用了異常壓力層封隔技術(shù)，根據(jù)地層壓力監(jiān)測(cè)情況有針對(duì)性下入套管外封隔器，封隔異常壓力層，防止高壓層流體上竄，防止固井候凝過程中發(fā)生混竄，提高了固井質(zhì)量。

2.5.3 界面增強(qiáng)優(yōu)化技術(shù)

應(yīng)用了界面增強(qiáng)技術(shù)一方面可以通過清除表面浮泥餅，降低泥餅厚度，改善界面的結(jié)構(gòu)，提高界面強(qiáng)度；另一方面泥餅硬化劑和晶體誘導(dǎo)劑使形成的泥餅通過物理和化學(xué)作用發(fā)生固化，將固井界面的物理性結(jié)合轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)性親和，提高泥餅的強(qiáng)度同時(shí)提高泥餅與水泥環(huán)的膠結(jié)強(qiáng)度，從而提高固井質(zhì)量。

2.5.4 雙密度固井技術(shù)

針對(duì)封固井段長、地層破裂壓力低的特點(diǎn)，為保證固井質(zhì)量，對(duì)該區(qū)塊應(yīng)用了雙密度固井技術(shù)，針對(duì)A、B油層應(yīng)用密度為1.65g/cm3的高強(qiáng)低密度水泥固井，針對(duì)C油層應(yīng)用1.90 g/cm3的水泥漿固井，在保證固井施工安全順暢的同時(shí)，保證固井質(zhì)量。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

該研究項(xiàng)目2017年現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用200口井，平均井深1894m，鉆井成功率達(dá)到100%，平均建井周期縮短了2.88d，由首輪施工的的13.22d減少到10.34d，縮短了21.78%。通過應(yīng)用梯次鉆井液防漏、堵漏技術(shù)，減少井漏發(fā)生2口，井漏發(fā)生率由前期的8.43%，降低到2.56%；聲變檢測(cè)200口井，優(yōu)質(zhì)率80.5%，高出質(zhì)量目標(biāo)（75%）5.5個(gè)百分點(diǎn)。

4 結(jié)論

（1）梯次鉆井液防漏技術(shù)，能夠強(qiáng)化多層段地層微裂縫和孔隙的封堵效果，減少鉆進(jìn)過程中環(huán)空憋壓現(xiàn)象，有效預(yù)防井漏的發(fā)生。

（2）通過完井技術(shù)研究，應(yīng)用異常壓力層封隔技術(shù)、分級(jí)隨鉆封堵技術(shù)和雙密度固井技術(shù)，固井質(zhì)量優(yōu)質(zhì)率得到大幅度提升。

（3）通過鉆頭選型、定向井軌跡優(yōu)化控制達(dá)到了提高機(jī)械鉆速，縮短建井周期的目標(biāo)。