紅河油田水平井井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化與實(shí)踐

閆吉曾

(中石化華北油氣分公司石油工程技術(shù)研究院，河南 鄭州 450006)

紅河油田位于鄂爾多斯盆地西緣天環(huán)向斜南段，主力含油層系為三疊系延長組長8、長9油層組，埋深一般在2000～2400m[1～4]，從2010年實(shí)施水平井以來，共完鉆水平井458口，平均實(shí)鉆井深3289.79m，平均水平段長927.88m。水平井平均機(jī)械鉆速9.29m/h，平均鉆井周期32.33d，較初期機(jī)械鉆速提高54.83%，鉆井周期縮短47.00%。水平井鉆井提速是伴隨著井身結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化而實(shí)現(xiàn)的，水平井開發(fā)初期采用三級(jí)井身結(jié)構(gòu)，之后隨著壓裂工具的逐步配套完善，水平段?215.9mm井眼,采用?152.4mm井眼；為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)提速降本，水平井井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化為二級(jí)井身結(jié)構(gòu)，下入套管固井完井。通過井身結(jié)構(gòu)的不斷優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了水平井安全、經(jīng)濟(jì)和有效開發(fā)。

1 工程地質(zhì)特征

紅河油田地層平緩西傾，構(gòu)造南東高、北西低，為辮狀河三角洲沉積體系，自上而下主要發(fā)育第四系、白堊系、侏羅系和三疊系。地層非均質(zhì)性較強(qiáng)，具有較大的差異性，其中泥巖以非膨脹性黏土礦物為主，部分井段地層蒙脫石含量較高，表現(xiàn)為易水化膨脹、剝落掉塊、井徑易擴(kuò)大。延安組含有較厚煤層，穩(wěn)定性差，易發(fā)生掉塊卡鉆，對(duì)鉆井液性能要求較高。通過“五敏”試驗(yàn)，總體傷害程度較弱[5]，存在一定水鎖傷害，傷害率為10.8%～16.2%；儲(chǔ)層孔隙度主要分布在4.4%～14%，平均為10.8%；滲透率主要分布在0.1～0.64mD，平均為0.40mD；平均壓力因數(shù)為0.91；平均地層破裂壓力因數(shù)為1.65；平均地溫梯度為2.65℃/100m。紅河油田屬于常溫、低壓系統(tǒng)。

2 施工難點(diǎn)分析

2.1 泥頁巖和煤層穩(wěn)定性差

侏羅系延安組上部是炭質(zhì)泥巖與淺灰色細(xì)砂巖、泥質(zhì)粉砂巖，泥巖地層易水化膨脹、剝落掉塊，井徑易擴(kuò)大。下部發(fā)育煤層，厚度幾米至幾十米不等，煤層存在垂直割理,在外力的作用下易造成開裂掉塊,對(duì)鉆頭等機(jī)械作用力特別敏感，具有彈性模量小、微裂縫發(fā)育、脆性大等特點(diǎn)。在延安組煤層上部是炭質(zhì)泥巖，對(duì)水有很強(qiáng)的敏感性，極不穩(wěn)定，導(dǎo)致煤層沿層理呈片狀剝落掉塊、垮塌。

2.2 上部地層井漏嚴(yán)重

洛河-宜君組及延長組存在滲漏，部分井區(qū)存在裂縫性漏失。主要為硬質(zhì)中砂巖，砂巖直徑>0.1mm的占80%左右，孔喉直徑主要分布在0.2～735μm的范圍內(nèi)，大部分分布在20～40μm和100～130μm，主要為滲透性漏失。從巖心觀察來看，部分井區(qū)發(fā)育裂隙，易產(chǎn)生失返性漏失。

3 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化的總體目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)安全鉆井、提速降本以及配合后期壓裂建產(chǎn)。紅河油田井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化經(jīng)歷了一個(gè)不斷認(rèn)識(shí)、探索優(yōu)化的歷程，從三級(jí)井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化到復(fù)合井眼結(jié)構(gòu)，再優(yōu)化到二級(jí)井眼結(jié)構(gòu)，從裸眼管外多級(jí)封隔器完井到水平段固井完井。每種井身結(jié)構(gòu)基本達(dá)到了優(yōu)化目標(biāo)。

3.1 三級(jí)井身結(jié)構(gòu)

紅河油田屬于低滲致密油藏，平均滲透率僅0.4mD，為了實(shí)現(xiàn)有效開發(fā)，一般進(jìn)行儲(chǔ)層壓裂改造。2010年在紅河油田進(jìn)行水平井開發(fā)時(shí)，考慮到后期壓裂工具尺寸要求，水平段采用?215.9mm井眼。HH37P1井是該油田第一口水平井，采用三級(jí)井身結(jié)構(gòu)：一開?444.5mm鉆頭鉆穿第四系進(jìn)入白堊系30～50m，下入?339.7mm表層套管固井；二開?311.2mm鉆頭鉆進(jìn)至A靶點(diǎn)，下入?244.5mm技術(shù)套管固井；三開水平段采用?215.9mm鉆頭鉆進(jìn)至B靶點(diǎn)。該井于2010年11月1日完鉆，完鉆井深2680.00m，水平段長451.00m，平均機(jī)械鉆速5.90m/h。完鉆電測(cè)后下入?139.7mm壓裂管柱分五段壓裂改造，試油初期平均日產(chǎn)油10t，最高日產(chǎn)油達(dá)到33t，較直井產(chǎn)量大幅提高，取得了較好的地質(zhì)效果。

隨著壓裂工具不斷完善，?114.3mm壓裂管柱逐漸配套，為了降低鉆井和壓裂成本，對(duì)井身結(jié)構(gòu)進(jìn)行了第一次優(yōu)化。因一開鉆遇第四系黃土層，鉆井及固井過程中漏失非常嚴(yán)重，為降低鉆進(jìn)過程中大排量循環(huán)造成的摩阻增大，必須增大環(huán)空間隙。因此根據(jù)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)和鉆頭及套管配合系列，一開采用?374.7mm鉆頭鉆進(jìn)，下入?273.1mm技術(shù)套管；二開采用?241.3mm鉆頭鉆進(jìn)，下入?177.8mm技術(shù)套管[6]，環(huán)空間隙31.75mm，這樣能降低鉆井過程中的摩阻，有效防止井漏發(fā)生，固井過程中可增大變排量壓力節(jié)點(diǎn)控制的窗口，提高固井質(zhì)量；三開水平段采用?152.4mm井眼，下入?114.3mm壓裂管柱。井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化見表1。

表1 第1次井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

一開鉆穿第四系黃土層進(jìn)入白堊系羅漢洞組，下入表層套管固井，水泥漿返至地面；二開鉆進(jìn)至A靶點(diǎn)后再鉆進(jìn)30m，可確保中途測(cè)井測(cè)準(zhǔn)A靶點(diǎn)地質(zhì)情況，為水平段軌跡調(diào)整控制提供參考，技術(shù)套管下至A靶點(diǎn)，水泥漿返至地面；三開鉆進(jìn)至地質(zhì)要求的B靶點(diǎn)，測(cè)井后下入多級(jí)管外封隔器壓裂投產(chǎn)。

優(yōu)化后，共實(shí)施水平井210口，完井壓裂費(fèi)用較優(yōu)化前降低了32.17%，達(dá)到了降低成本的預(yù)期。平均機(jī)械鉆速6.50m/h，比優(yōu)化前有所提高，主要原因是井眼尺寸縮小一級(jí)，鉆頭破巖面積減少；平均鉆井周期60.12d，與優(yōu)化前基本持平，主要原因是井下復(fù)雜情況多，時(shí)間利用率偏低，復(fù)雜情況集中在井漏和造斜段延安組煤層失穩(wěn)。因此有必要對(duì)井身結(jié)構(gòu)進(jìn)行再優(yōu)化，以達(dá)到安全鉆井、降低成本的目的。

3.2 復(fù)合井眼設(shè)計(jì)

為了增強(qiáng)造斜段井壁穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)安全鉆井，提高定向斜井段機(jī)械鉆速，縮短二開施工時(shí)間，加快下技術(shù)套管固井進(jìn)度，有必要對(duì)井身結(jié)構(gòu)再次優(yōu)化，為此筆者提出了一種復(fù)合井眼井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

通過對(duì)已完鉆210口水平井進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，上部地層井漏發(fā)生的比例是75.27%，其中有12.71%的井漏是因?yàn)樘岣吲帕繉?dǎo)致環(huán)空摩阻增大引起的。因此，二開直井段仍采用?241.3mm井眼，以降低井漏發(fā)生的概率。定向斜井段采用?222.3mm井眼，下入?177.8mm技術(shù)套管固井。定向斜井段沒有選擇?215.9mm井眼，主要是下入?177.8mm技術(shù)套管，其技術(shù)套管固井屬于窄間隙固井，影響固井質(zhì)量。而在鉆進(jìn)和固井過程中，同等條件下，?222.3mm井眼較?215.9mm井眼環(huán)空摩阻小，可用環(huán)空摩阻計(jì)算公式進(jìn)行定量分析，公式如下：

(1)

式中：Δp為環(huán)空壓耗，Pa；ρ為流體密度，kg/m3；v為流體流速，m/s；f為摩阻系數(shù)，1；L為井段長度，m；dh為井徑，m；do為環(huán)空內(nèi)徑，m。

表2 第2次井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

通常情況下，鉆桿采用?177.8mm尺寸，鉆鋌采用?203.2mm尺寸，在鉆井液性能及其他條件不變的情形下，?222.3mm井眼與?215.9mm井眼相比，鉆桿處環(huán)空壓耗降低6.72%，鉆鋌處環(huán)空壓耗降低33.51%，固井環(huán)空壓耗降低14.38%。井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果見表2。

復(fù)合井眼設(shè)計(jì)首先在紅河12井區(qū)HH12P103水平井進(jìn)行探索試驗(yàn)。該井實(shí)鉆井深3460.00m，水平段長1200.69m，其中定向斜井段段長622.00m，施工時(shí)間僅7d，較平均水平縮短50.17%，機(jī)械鉆速4.54m/h，較平均水平提高27.18%，純鉆時(shí)間138h，時(shí)間利用率高達(dá)82.14%，技術(shù)套管固井聲幅均在15%以內(nèi)，固井質(zhì)量良好。

該種井身結(jié)構(gòu)共推廣應(yīng)用205井次，斜井段平均機(jī)械鉆速4.81m/h，平均施工時(shí)間10.18d，鉆井周期縮短至51.27d，達(dá)到了鉆井提速的預(yù)期目的。

3.3 二級(jí)井身結(jié)構(gòu)

但隨著水平井開發(fā)的進(jìn)展，鉆井周期依然偏長，下入技術(shù)套管、固井等特種作業(yè)時(shí)間所占比例偏大，也隨著認(rèn)識(shí)的不斷深入，多級(jí)裸眼封隔器壓裂完井方式不足之處也顯現(xiàn)出來，主要是后期再次壓裂增產(chǎn)作業(yè)非常困難。提速降本的壓力和后期壓裂改造的不足，促使對(duì)井身結(jié)構(gòu)進(jìn)行了第3次優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要是在安全的前提下實(shí)現(xiàn)快速鉆井，減少特種、輔助作業(yè)時(shí)，完井方式優(yōu)化為水平段固井完井[7～13]。因此，將原三級(jí)井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化為二級(jí)井身結(jié)構(gòu)，水平段采用套管固井完井。井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果見表3。

表3 第3次井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

二級(jí)井身結(jié)構(gòu)水平井首先在HH12P142井進(jìn)行探索試驗(yàn)，該井實(shí)鉆井深2778.00m，水平段長600.02m，鉆井周期24.66d，機(jī)械鉆速11.25m/h，水平段固井質(zhì)量合格，采用泵送橋塞分段壓裂方式，壓后一個(gè)月日產(chǎn)油14.64t，由于節(jié)約了中途測(cè)井費(fèi)用、套管費(fèi)用及鉆井日費(fèi)，鉆井成本降低了19.50%，達(dá)到了鉆井提速、降本和壓裂增產(chǎn)的目的。二級(jí)井身結(jié)構(gòu)后來推廣應(yīng)用65口水平井，提速降本顯著，取得了較好的應(yīng)用效果。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

通過對(duì)井身結(jié)構(gòu)的不斷持續(xù)優(yōu)化，紅河油田水平井鉆井提速、降本顯著。第1次井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化，共實(shí)施水平井210口，平均機(jī)械鉆速6.50m/h，平均鉆井周期60.12d。第2次井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化，二開采用復(fù)合井眼設(shè)計(jì)，共實(shí)施水平井205口，平均機(jī)械鉆速8.01m/h，平均鉆井周期49.55d。第3次井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化，采用二級(jí)井身結(jié)構(gòu)，共實(shí)施水平井65口，平均機(jī)械鉆速9.29m/h，平均鉆井周期32.33d。優(yōu)化前后鉆井指標(biāo)見圖1和圖2。最終機(jī)械鉆速較優(yōu)化前提高了54.83%，鉆井周期縮短了47.00%。

圖1 優(yōu)化后的機(jī)械鉆速對(duì)比 圖2 優(yōu)化后的鉆井周期對(duì)比

5 結(jié)論

1)通過對(duì)井身結(jié)構(gòu)的不斷持續(xù)優(yōu)化，滿足了不同階段的鉆井預(yù)期目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了安全、經(jīng)濟(jì)和快速鉆井，保證了水平井的有效建產(chǎn)。

2)提出的復(fù)合井眼井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，二開直井段采用?241.3mm井眼，定向斜井段采用?222.3mm井眼，既增強(qiáng)了造斜段井壁穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)安全鉆井，同時(shí)提高定向斜井段機(jī)械鉆速，縮短二開施工時(shí)間，又降低了技術(shù)套管固井時(shí)的摩阻，保證了固井質(zhì)量。

3)通過對(duì)井身結(jié)構(gòu)的不斷持續(xù)優(yōu)化，紅河油田水平井鉆井提速、降本顯著。最終機(jī)械鉆速較優(yōu)化前提高了54.83%，鉆井周期縮短了47.00%，實(shí)現(xiàn)了水平井安全鉆井、提速增效降本。