松遼盆地基巖水平風(fēng)險探井鉆井優(yōu)化設(shè)計與應(yīng)用

孫 妍

(大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院，黑龍江 大慶 163413)

為了拓展天然氣勘探領(lǐng)域，探索新的天然氣儲量，松遼盆地北部深層天然氣勘探向更深的基巖邁進，部署了大慶油田首口基巖水平風(fēng)險探井——隆平1井。通過水平井增產(chǎn)改造，大幅度增加單井產(chǎn)量已成為古中央隆起帶效益勘探的關(guān)鍵。但由于中央隆起帶基巖地層巖石硬度大，地層造斜率低，使造斜段施工過程中定向比例高，單只鉆頭進尺少，機械鉆速低；井眼曲率大，易造成鉆具組合發(fā)生不同程度的屈曲，摩阻/扭矩增大，施工難度大，鉆井周期長[1-2]。同時，該區(qū)塊裂縫和孔隙較為發(fā)育，部分井鉆進過程中發(fā)生井壁剝落、井眼坍塌和惡性漏失等復(fù)雜。因此，有必要優(yōu)化施工方案，從而在保證安全、鉆達地質(zhì)目標前提下，提高鉆井速度、縮短鉆井周期、降低鉆井成本。

1 地層特點和鉆井難點

1.1 地層特點

松遼盆地北部古中央隆起帶及周邊鉆遇基底的探井共45口，其中取心井23口。試驗分析表明，該區(qū)基巖孔隙度相對比較低，最大孔隙度4.8%，其中花崗巖孔隙度0.4%～4.8%，平均1.0%；碎裂花崗巖孔隙度0.7%～2.1%，平均1.4%；構(gòu)造角礫巖孔隙度1.4%～4.3%，平均2.43%。全巖分析表明(數(shù)據(jù)來源于隆探1、隆探2和隆探X3井)，花崗巖暗色礦物含量平均0.86%，孔隙度平均1%；碎裂花崗巖暗色礦物含量平均0.75%，孔隙度平均1.4%；構(gòu)造角礫巖暗色礦物含量平均1.23%，孔隙度平均為2.43%?；◢弾r、構(gòu)造角礫巖暗色礦物含量較低，脆性大，裂縫發(fā)育、儲層物性相對較好。

1.2 鉆井難點

距隆平1井約120 m處有一口2017年完鉆的隆探2井，通過隆探2井的鉆探，揭示出隆平1井存在如下幾項鉆井難點和工程風(fēng)險：

(1)隆平1井位于八廠葡萄花油層開發(fā)井區(qū)內(nèi)(油層中部深度為1300～1500 m)，300 m范圍內(nèi)共有油井3口，注水井5口。若不采取鉆關(guān)措施，根據(jù)隆探2井實鉆效果，預(yù)計隆平1井實際二開鉆井液密度將達到1.40～1.62 g/cm3。

(2)青山口組和嫩江組發(fā)育大段泥巖地層，對鉆井液抑制和防塌能力提出了更高的要求。

(3)目標區(qū)有肇深1井、肇深3井和隆探2井基底進行了地層溫度和地層壓力測試，實測地層溫度4層，平均地溫梯度為4.25 ℃/100 m。隆平1井目的層垂深2844.5～3111.5 m，推測地層溫度120.8～132.2 ℃，井下儀器、鉆井液和固井需要滿足抗高溫需求。

(4)姚二、三段底部約1305 m鉆遇斷層，斷層約10 m，直井段防斜、防漏。同時，鄰井隆探2井2827～3116 m采用了大規(guī)模壓裂增產(chǎn)措施，壓裂裂縫有可能影響本井定向段施工。

(5)由于本井井口受鄰近村莊、國道、工廠、油氣集輸站等地面設(shè)施限制，靶前距僅有275 m，要求造斜率達到(5.5°～7.15°)/30 m，定向施工和管柱下入難度較大。

(6)基巖地層花崗巖硬(可鉆性7～9級)，鉆進速度慢。

2 井眼軌道優(yōu)化設(shè)計

目的層確定：根據(jù)鄰井隆探2井勘探成果，該區(qū)共發(fā)育5個含氣層段，其中上部3個為主力氣層。為了達到勘探效果最優(yōu)化，隆平1井軌跡從A靶點進入氣層后，水平段自北向南穿過3個主力氣層，入靶點A和終靶點B垂深相差267 m，水平位移為1527.8 m(見圖1)。

圖1 井口附近地面設(shè)施和靶點投影

井口位置確定：根據(jù)圖1看出該井井口選擇受鄰近的村莊、公路、鄰井井口、井場布置要求等條件限制，靶前距僅有275.49 m。

表1 隆平1井井眼軌道設(shè)計

3 井身結(jié)構(gòu)及套管柱設(shè)計

3.1 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計

統(tǒng)計近年來大慶深層水平井實鉆效果，主要有以下3種井身結(jié)構(gòu)：

(1)一開：?444.5 mm鉆頭/?339.7 mm套管(300～500 m)；二開：?311.2 mm鉆頭/?244.5 mm套管(2200～2500 m，直井段)；三開：?215.9 mm鉆頭/?139.7 mm套管(造斜段和水平段)。

(2)一開：?444.5 mm鉆頭/?339.7 mm套管(300～500 m)；二開：?311.2 mm鉆頭/?244.5 mm套管(2700～3200 m，直井段和造斜段)；三開：?215.9 mm鉆頭/?139.7 mm套管(水平段)。

(3)一開：?342.9 mm鉆頭/?273.1 mm套管(300～500 m)；二開：?215.9 mm鉆頭/?177.8 mm套管(2700～3200 m，直井段和造斜段)；三開：?152.4 mm鉆頭/?114.3 mm套管(水平段)。

根據(jù)實鉆效果來看，第一種使用最廣泛，適合于勘探目標明確，造斜段不含兼探目的層或異常壓力層系的井；第二種采用大井眼造斜，多用于探井，造斜段含兼探目的層或異常壓力層系，存在必封點的井；第三種適用于小井眼水平井，主要用于達深、宋深等區(qū)塊，儲層不含角礫巖、流紋巖、花崗巖等特殊巖性的井[6-8]。

隆平1井主要目的層為花崗巖，因此,不適合第三種井身結(jié)構(gòu)。同時本井為松遼盆地第一口基巖水平風(fēng)險探井，造斜段登婁庫組含氣，所以選用第二種井身結(jié)構(gòu)，且表層下至310 m穩(wěn)定泥巖段(封隔地表水和不穩(wěn)定地層)，技術(shù)套管下至2920 m(基底垂深以上20 m，防止地層預(yù)測誤差導(dǎo)致技術(shù)套管進入儲層)。

3.2 套管柱強度校核

根據(jù)鄰井隆探2井試采產(chǎn)氣量2.43×104m3/d，預(yù)計隆平1井產(chǎn)量在5×104m3/d以上，因此，隆平1井各開次套管柱強度需滿足深層天然氣風(fēng)險探井需求(105 MPa大規(guī)模體積壓裂)。由于本井的二開和三開鉆進過程中均可能鉆遇氣層，因此套管柱強度校核中，一開和二開套管柱最惡劣的工況為下開次鉆進工程中發(fā)生井噴并關(guān)井，且井內(nèi)鉆井液全部噴出，充滿高壓天然氣。由于氣體為可壓縮性流體，與鉆井液等不可壓縮流體存在本質(zhì)不同。如圖2所示，鉆井液靜液柱壓力隨井深增加壓力不斷疊加，但氣體在密閉空間內(nèi)壓力相等，也就是全井筒內(nèi)壓力均為氣層的原始地層壓力。

圖2 氣體運移帶來的井筒壓力變化示意及壓力關(guān)系曲線

因此，套管柱承受的內(nèi)外壓差表達式如下：

ΔP=P0-Pi

(1)

式中：ΔP——套管柱承受的載荷(內(nèi)外壓差)，MPa；P0——套管承受內(nèi)壓，即為氣體埋藏所在地層的原始壓力，MPa；Pi——任意井深處地層壓力，MPa。

當實際施工時氣藏深度確定后，P0為套管承受內(nèi)壓，被視為一個固定的常數(shù)。而Pi是任意地層孔隙壓力值，常規(guī)情況下它是隨井深增加而增加，呈現(xiàn)出線性變化關(guān)系，其斜率為地層壓力梯度。因此，非產(chǎn)層套管抗內(nèi)壓強度校核時，ΔP呈現(xiàn)上小下大的線性關(guān)系，但生產(chǎn)套管部存在下開次鉆進的問題，ΔP呈現(xiàn)上大下小的截然相反的線性關(guān)系。總體而言，生產(chǎn)套管井底處是抗內(nèi)壓薄弱點，而其它開次套管則是井口處。

4 鉆井提速措施

在地質(zhì)預(yù)測基礎(chǔ)上，結(jié)合鉆井提速、防噴、防漏等要求，通過點—線—面—體的井震結(jié)合分析研究，詳細描述待鉆井的巖石可鉆性、壓力、裂縫/破碎帶等參數(shù)，為鉆頭的優(yōu)選、防漏堵漏措施的制定提供依據(jù)。

4.1 鉆頭優(yōu)選

在巖石可鉆性和巖性預(yù)測的基礎(chǔ)上，繪制了不同層段鉆頭特征圖版(刀翼、復(fù)合片尺寸等)，重新優(yōu)選了鉆頭序列，減少了鉆頭數(shù)量(二開段：鉆頭數(shù)由7只減少到4只；三開段：鉆頭由23只減少到19只)，提高了機械鉆速。其中，針對12in大井眼造斜段砂礫巖互層，優(yōu)選PDC-牙輪復(fù)合鉆頭有效解決牙輪鉆頭鉆速慢、PDC鉆頭工具面不穩(wěn)的雙重矛盾，提高了大井眼造斜效率，同比隆探2井鉆速提高13.38%，同比牙輪鉆頭日進尺提高127.90%，同比PDC鉆頭日進尺提高33.21%，其效果與8in井眼基本相當。

表2 隆平1井復(fù)合鉆頭提速效果

4.2 強化鉆井參數(shù)

4.3 其他措施

(1)一開保證大鉆鋌用量，控制鉆井參數(shù)，保證井眼開直；

(2)二開以后，為保證井控安全，應(yīng)配備齊全鉆具內(nèi)防噴工具；

寫入模式：amtech芯片一直處于低功耗的接收狀態(tài)（功耗應(yīng)在10 μA以內(nèi)），在進入RF輻射區(qū)后，接收到正確數(shù)據(jù)包頭后用中斷等方式將MCU喚醒，與MCU進行數(shù)據(jù)交換，繼續(xù)向讀寫器要數(shù)據(jù)包，得到正確的數(shù)據(jù)包后，MCU對此數(shù)據(jù)進行加密算法，直到amtech芯片離開RF輻射區(qū)，芯片重新進入低功耗接收狀態(tài)，同時給MCU一個可休眠信號。MCU進入休眠狀態(tài)。

(3)姚二、三段底部鉆遇斷層，注意加強測斜(鉆具組合加2根無磁鉆鋌)；

(4)二開、三開為保證強化鉆井參數(shù)需求，鉆桿由常規(guī)的5 in優(yōu)化為5in；

(5)二開、三開分別采用1.5°和1.0°中空螺桿鉆具，在保證造斜率的同時，提高復(fù)合鉆進比例，保證井眼平滑，提高鉆進速度；

(6)二開造斜段使用MWD，三開使用LWD，最大限度降低成本。

5 復(fù)雜事故預(yù)防

由于本井存在高壓注水、裂縫破碎帶發(fā)育(鄰井壓裂縫也有影響)、天然氣防噴難度大等特點，隆平1井復(fù)雜事故預(yù)防主要表現(xiàn)為：預(yù)防井噴和預(yù)防井漏。

5.1 預(yù)防井噴措施

從鉆關(guān)方面重點做好以下幾項工作：鉆關(guān)距離：500 m，肇71-X25、肇71-X26、肇71-X28、肇68-X22、肇64-X24；鉆關(guān)時間：開鉆前15～20 d關(guān)井，300 m范圍內(nèi)的注水井關(guān)井24 h后井口恢復(fù)壓力≯2 MPa；300～500 m范圍內(nèi)的注水井關(guān)井24 h后井口恢復(fù)壓力≯3 MPa；恢復(fù)注水：在隆平1井固井后48 h可以恢復(fù)注水。

5.2 預(yù)防井漏措施

在地質(zhì)設(shè)計基礎(chǔ)上，通過裂縫/破碎帶詳細預(yù)測，給出了1305、2325、2470、4300～4530 m等4個易漏層段，并根據(jù)裂縫形態(tài)和發(fā)育特征，提前50 m采用針對性的隨鉆堵漏措施，按照圖3所示堵漏方法，成功防漏。

圖3不同漏失速度下的堵漏技術(shù)圖

Fig.3Plugging technology for different circulation loss rates

5.2.1 室內(nèi)裂縫模擬

深部地層裂縫開度分布范圍廣(10～200 μm)，以往模擬最小縫寬僅100 μm，無法實現(xiàn)全范圍封堵。利用金屬箔片在堿性條件下會發(fā)生腐蝕的特點，制作出最小縫寬僅為3 μm的人造微裂縫，實現(xiàn)了地層裂縫寬度的全尺寸模擬，為防漏堵漏效果室內(nèi)評價提供了手段。

5.2.2 堵漏材料選擇

以纖維材料、納米材料、熱塑性彈性體和吸水樹脂為主要材料研制的膨脹堵漏劑(技術(shù)特點：體積膨脹倍率>5倍；抗溫至160 ℃，抗壓5 MPa；對0.01～5 mm裂縫形成有效封堵；與鉆井液體系配伍性好；工藝簡單、便于現(xiàn)場施工)，粒度分布范圍更廣，可對0.01～5.00 mm裂縫形成有效封堵，抗溫160 ℃、承壓5 MPa，解決了常規(guī)堵漏劑反復(fù)漏失的問題[12-14]。

通過室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)，結(jié)合現(xiàn)場施工經(jīng)驗，形成了不同漏速下的堵漏配方，制定了防漏堵漏工藝技術(shù)模板和操作規(guī)程(見圖3)，并根據(jù)隆平1井裂縫預(yù)測結(jié)果，制定了針對隆平1井的堵漏措施(見表3)，實現(xiàn)了堵漏作業(yè)規(guī)范化。通過以上技術(shù)的實施，與鄰近的隆探2井相比，天然裂縫角度更高(72°)，裂縫密度更大(是隆探2井的3.2倍)，未出現(xiàn)漏失的復(fù)雜情況(隆探2井滲漏約8 m3/d)，累計減少鉆井液漏失247 m3。

表3 隆平1井裂縫破碎帶防漏堵漏技術(shù)

6 應(yīng)用效果

隆平1井，完鉆斜深4523.00 m(垂深3074.58 m)，平均機械鉆速5.15 m/h，鉆井周期126.67 d，建井周期171.54 d。通過鉆頭選型、鉆井參數(shù)強化等提速技術(shù)集成應(yīng)用，與最近的隆探2井(直井)機械鉆速5.05 m/h相比，還提高2%；與同類型井隆探X3井的3.25 m/h相比，平均鉆速提高了58.46%，大井眼造斜周期縮短32%(從28 d縮短至19 d)，全井鉆井周期同比縮短了21.16 d(從147.83 d縮短至126.67 d)。根據(jù)試采統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，該井穩(wěn)定產(chǎn)量為5.4×104m3/d，是隆探2井的1.22倍，基巖風(fēng)化殼實現(xiàn)了產(chǎn)量突破，中央隆起帶已經(jīng)成為深層氣勘探的重要接替領(lǐng)域[15]。

7 結(jié)論

(1)隆平1井的成功鉆探，驗證了水平井穿多套氣層+套管射孔+大規(guī)模壓裂方式這項技術(shù)的可行性，從而為基巖的勘探開發(fā)提供了一種新的有效手段和途徑。

(2)在地質(zhì)設(shè)計基礎(chǔ)上，通過裂縫/破碎帶詳細預(yù)測，并根據(jù)裂縫形態(tài)和發(fā)育特征，提前50 m采用針對性的隨鉆堵漏措施，可有效降低井漏發(fā)生的幾率。

(3)通過采用復(fù)合鉆頭、強化鉆井參數(shù)、優(yōu)化鉆具組合等措施，鉆井周期同比隆探2井縮短21.16 d，從而為以后同類井的實施提供了依據(jù)。

(4)基巖地層存在天然裂縫、孔隙發(fā)育，建議以后同類井施工中采用控壓鉆井技術(shù)，從而更好的保護油氣層和提高井控保障的手段。