W4井大斜度定向井鉆井技術(shù)研究及應(yīng)用

林雍森，邱 康，褚道余

（中石化海洋石油工程有限公司，上海 200120）

W4井位于北部灣盆地潿西區(qū)塊W構(gòu)造。北部灣盆地位于南海北部大陸架的西部，面積約為3.7×104km2，總體上呈現(xiàn)下斷上坳的特征，是在古生代基底上發(fā)展起來的典型陸內(nèi)裂谷盆地，盆地內(nèi)的沉積以下第三系為主體，為一中、新生代斷陷沉積盆地。潿西區(qū)塊位于北部灣盆地北部坳陷北部[1]，2003年中國石化上海海洋油氣分公司獲得北部灣潿西區(qū)塊探礦權(quán)，2005年開始實施鉆井作業(yè)，截至2015年底，已完成鉆井7口。從目前已鉆探情況及周邊海域構(gòu)造的資料來看，該區(qū)域地層常出現(xiàn)井壁垮塌、井徑擴大、起下鉆困難、電測遇阻等復(fù)雜情況，既大大增加了建井周期，又影響了地質(zhì)資料的取全取準(zhǔn)。

W4井是潿西區(qū)塊第二口定向井，結(jié)合第一口定向井—H2井作業(yè)施工情況，根據(jù)北部灣潿西區(qū)塊地層特點，深入分析影響鉆井作業(yè)和地層資料獲取的主要因素，從井壁穩(wěn)定、鉆井提速工藝、儲層保護等關(guān)鍵技術(shù)方面，進一步完善了潿西區(qū)塊大斜度定向井鉆井技術(shù)，解決了鉆井過程中的主要技術(shù)難題，加強了對儲層的保護措施。2015年底完成了W4井定向井鉆井施工，整個施工過程順利，與鉆井設(shè)計相比，共節(jié)約鉆井周期5.25 d，取全取準(zhǔn)了地層資料，獲得了多層油氣發(fā)現(xiàn)，測試兩層，獲得超過1 300 m3/d產(chǎn)能。

1 潿西區(qū)塊定向井鉆井主要技術(shù)難點

1.1 潿二段、流二段井壁失穩(wěn)嚴(yán)重

中海油潿洲區(qū)塊鉆井實踐表明，潿二段及流二段井壁失穩(wěn)引起的事故率占到了60%，多次導(dǎo)致埋鉆具、井眼報廢等嚴(yán)重事故[2-6]；解決潿二段及流二段的井壁失穩(wěn)問題成為了潿西構(gòu)造建井安全和提高地質(zhì)資料質(zhì)量的首要問題。

中石化潿西區(qū)塊潿二段、流二段為砂泥巖互層，泥巖段長，泥巖蒙脫石含量高，且微裂縫發(fā)育，易水化分散。在鉆井過程中，泥巖掉塊嚴(yán)重，井眼擴大率大，起下鉆頻繁遇阻卡，導(dǎo)致后續(xù)的下套管和測井施工不順暢（圖1）。盡管H1井、W1、W2、W3井井型為直井，但是潿二段、流二段泥巖地層多處井徑擴徑比較嚴(yán)重，導(dǎo)致起下鉆多次遇阻，因此引發(fā)的復(fù)雜情況占到了96%；相對于直井，定向井維持井壁穩(wěn)定的難度通常更大。潿西區(qū)塊第1口定向井（H2井）井斜角為38.1°，12-1/4"、8-1/2"井段多次出現(xiàn)起下鉆遇阻和鉆進過程中掉塊情況， 8-1/2"井段測井時，多次嘗試電纜測井均遇阻，期間通井無任何阻卡，在最后一次嘗試電纜測井時，電纜遇卡，穿心打撈后，被迫采用鉆桿輸送測井，影響了測井資料的獲取，多次嘗試電纜測井也嚴(yán)重影響了作業(yè)時效。

圖1 潿西已鉆井井徑擴大率

通過對潿西區(qū)塊已鉆井鉆井液使用情況的總結(jié)，認(rèn)為目前潿西區(qū)塊關(guān)于井壁失穩(wěn)的主要問題表現(xiàn)在：① 鉆井液失水較高，抑制性較差，與地層配伍差；② 鉆井液不能有效封堵微裂縫，鉆井液侵入地層導(dǎo)致泥巖內(nèi)部水化；③ 鉆井液密度過低，不能有效平衡井周應(yīng)力；④ 高溫泥餅虛厚造成深部井眼縮徑。

1.2 角尾組到下洋組疏松地層造斜難度大

潿西區(qū)塊斷層發(fā)育，斷距小，為降低鉆井風(fēng)險，提高油氣發(fā)現(xiàn)幾率，滿足地質(zhì)要求，中靶點選擇范圍較??；導(dǎo)致潿西構(gòu)造定向井造斜段上移，造斜點一般在下洋組上段，甚至角尾組下段；該井段地層砂巖發(fā)育，巖石強度雖然無實驗數(shù)據(jù)，但是在較小鉆井參數(shù)（牙輪鉆頭、1~5 t、3 000 L/ min、8 rpm）下，機械鉆速達到了35 m/h，側(cè)面反映了巖石膠結(jié)性差，強度低。該類地層側(cè)向支撐力差，造斜率低，工具面不穩(wěn)，容易受到鉆桿刮削[7]，形成“大肚子”，且井眼再入容易沖刷出新井眼，鉆具無法找到老井眼。

1.3 流沙港下部地層鉆井提速難度大

從已鉆井鉆頭使用情況來看，流沙港下部地層巖石硬度大、強度高、部分含礫，可鉆性差，導(dǎo)致機械鉆速低，通常小于4 m/h；且非均質(zhì)強、多夾層等引起鉆頭卡滑現(xiàn)象，破巖效率低，鉆頭壽命短。另一方面，流沙港組地層傾角大，一般都大于15°，在高鉆進參數(shù)下，井眼軌跡控制難度大，為了保證井眼軌跡質(zhì)量，通常需要降低鉆壓、排量；限制了鉆進參數(shù)的選擇范圍。

表1 潿西某井地層傾角

1.4 儲層保護難度大

根據(jù)潿西區(qū)塊定向井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計基本原則，預(yù)測儲層主要分布在潿三段、流三段，均在穩(wěn)斜段，維持井壁穩(wěn)定要求的鉆井液密度大，正壓差當(dāng)量密度大于0.25 g/cm3，容易造成井內(nèi)流體和固相顆粒侵入地層。同時，受到大井斜的影響，固井質(zhì)量也難以保證，影響了儲層的有效封隔。

2 潿西定向井鉆井關(guān)鍵技術(shù)和工藝措施

針對潿西區(qū)塊存在定向井鉆井施工技術(shù)難點，對定向井施工技術(shù)進行了包括鉆井提速、儲層保護等方面的技術(shù)優(yōu)化。

2.1 井壁穩(wěn)定優(yōu)化技術(shù)和封堵鉆井液體系

針對潿西構(gòu)造潿二段、流二段井壁失穩(wěn)機理，提出了力學(xué)和化學(xué)協(xié)同作用維持井壁穩(wěn)定方法；針對由應(yīng)力不平衡引起的井壁失穩(wěn)，分析定向井失穩(wěn)規(guī)律，建立了井眼軌跡優(yōu)化圖版[8]，細(xì)化12-1/4"和8-1/2"鉆井液密度，在揭開易垮塌井段之前，提前提高鉆井洲密度，并密切關(guān)注巖屑返出，遇到掉塊問題，及時提高鉆井液密度。

根據(jù)隨州市統(tǒng)計年鑒相關(guān)數(shù)據(jù)，對近五年隨州市三大產(chǎn)業(yè)就業(yè)結(jié)構(gòu)比重進行分析得出：從2013年到2017年這五年里，隨州的第二產(chǎn)業(yè)的就業(yè)結(jié)構(gòu)比重最大，雖五年來也在緩慢下降，但是仍以2017年59.36%就業(yè)結(jié)構(gòu)比重穩(wěn)居第一；而第一產(chǎn)業(yè)的就業(yè)結(jié)構(gòu)比重最少并且五年來持續(xù)下降，從2013年的3.64%下降到2017年的3.18%；唯有第三產(chǎn)業(yè)的就業(yè)結(jié)構(gòu)比重，五年來持續(xù)增長，從2013年34.84%陸續(xù)增長到2017年的3.46%。

潿二段、流二段易水化泥巖對鉆井液性能要求高，采用了KCL-聚合醇強抑制封堵鉆井液體系[6，9-10]。體系配方 ：0. 3%NaOH ＋ 0.2% Na2CO3＋4%KCl＋0.03%PAM＋1.5%PAC-LV＋3%DYFT＋0.3%LPF-H＋0.3%SH2O1＋2% LSF，2 500 m以后加入3%SMP。

該體系主要特點如下：

（1）采用PAM包被劑，提高體系的包被抑制能力，抑制黏土礦物膨脹。

（2）采用KCl-聚合醇抑制封堵劑，利用鉀離子置換泥巖晶格中的其他離子，降低泥巖的水化膨脹趨勢，利用聚合醇對泥巖微裂縫和毛細(xì)管的封堵作用，減少鉆井液濾液侵入地層；二者協(xié)同作用，降低濾液界面張力，抑制泥巖表面水化。

（3）加入聚胺抑制劑，利用成膜作用，增加體系的抑制能力。

（4）加入LSF和SMP，降低體系失水和高溫高壓失水。

進入潿二段后，鉆井液密度及鉆井液性能維護措施：

（1）降低鉆井液失水至3 mL以下。

（2）一次性補充3%~5%超細(xì)碳酸鈣（1 500目、3 000目各半）+3% SMP+3%LSF（配成膠液一個循環(huán)周加入），嚴(yán)格控制HTHP（120 ℃，10~12 mL）

（3）要求無水聚合醇、聚胺抑制劑和納米乳液濃度分別大于3%、0.5%和2% ，液體處理劑可按循環(huán)周直接加入井漿中。

2.2 定向井鉆井提速技術(shù)

（1）井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)

潿西構(gòu)造采用四開井身結(jié)構(gòu)，減少26"井眼和20"套管，井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化如下：

① 一開30"井段封固上部松散地層。

② 二開17-1/2"井段在滿足造斜和必封點要求的前提下，盡可能下深，以減小三開井段井壁穩(wěn)定壓力，最好能夠鉆至潿一段底。

③ 三開12-1/4"井段鉆至潿洲組底部，以封隔不同的壓力體系，減少潿二段易垮塌地層和保護潿三段砂巖儲層。

④ 四開8-1/2"井段鉆至設(shè)計井深。

（2）旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向+馬達+LWD井底鉆具組合

為了解決大斜度定向井造斜和提高深部地層機械鉆速問題，采用了旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向+馬達的井底鉆具組合。

12-1/4"井眼鉆具組合：12-1/4"PDC鉆頭+旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向 頭（ATK Stab）+超級馬達（Modular Motor）+ On trak+供電短節(jié)（BCPM）+電路保護短節(jié)（NM Sub-stop）+無磁浮閥短節(jié)（NM Float Sub）+ 無磁濾網(wǎng)短節(jié)（NM Filter Sub）+無 磁 承 壓 鉆 桿（NMCSDP）+ X/O（631×410）+5"HWDP×6+XO（411×630）+Jar+ X/O（631×410）+5"HWDP8根。

8-1/2"井眼鉆具組合：8-1/2"PDC鉆頭+旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向頭+超級馬達+On trak+供電短節(jié)+電路保護短節(jié)+無磁濾網(wǎng)短節(jié)+無磁浮閥短節(jié)+8-1/8"倒劃眼扶正器+無磁鉆桿+ X/O（411×4A10）+6-1/2"鉆 鋌 1柱 + X/O（4A11×410）+6-1/2"Jar +5"HWDP 14根。

2.3 儲層保護技術(shù)

W4井作為一口探井，儲層保護考慮相對較少，主要從入井鉆井液與地層配伍、提高固井質(zhì)量兩個方面進行了考慮。

（1）鉆井液儲層保護技術(shù)

入井鉆井液對儲層保護主要考慮了兩個方面：一是鉆井液添加劑與地層配伍，有效抑制泥巖水化，改善泥餅質(zhì)量，封堵微裂縫，維持井壁穩(wěn)定的同時，能夠減少濾液滲入地層，封堵層能夠容易清理；另一方面嚴(yán)格控制鉆井液密度，采用能夠維持井壁穩(wěn)定最小鉆井液密度鉆井，避免壓力激動。具體措施如下：

① 優(yōu)化鉆井液配方，強化與地層的配伍性。聚合醇的“濁點”效應(yīng)能夠有效保護產(chǎn)層；胺基抑制作用控制地層黏土分散，避免地層的2次傷害；超細(xì)碳酸鈣封堵作用和磺化瀝青涂敷作用有效地控制鉆井液濾液滲透，減少儲層損害。

② 施工過程中，提高鉆井液性能穩(wěn)定性，嚴(yán)格控制高溫高壓失水，臨近儲層的時候，嚴(yán)格控制鉆井液的密度，起下鉆速度不宜過快，避免壓力激動。

（2）固井儲層保護技術(shù)

減少井內(nèi)流體侵入地層和提高固井質(zhì)量是儲層保護的關(guān)鍵之一，本次采用的單級雙塞固井工藝和雙凝雙密度水泥漿體系有效地降低了儲層處壓力差值，減少了水泥漿失水侵入地層，提高了固井質(zhì)量，具體措施如下：

① 9-5/8"套管采用單級雙塞固井工藝和雙凝雙密度水泥漿體系，即領(lǐng)漿采用1.50~1.60 SG（g/ cm3）的低密度水泥漿體系，尾漿優(yōu)選防竄性能好的非滲透水泥漿體系，密度1.90 SG；水泥漿密度根據(jù)實鉆獲得的地層壓力和地層承壓試驗數(shù)據(jù)確定，保證壓穩(wěn)且不壓漏地層。

② 7"尾管采用尾管懸掛固井工藝，液壓尾管懸掛器，尾管和上層套管重疊段150 m，并適當(dāng)調(diào)整避開測試油氣層；采用單密度非滲透防氣竄水泥漿體系，密度1.90 SG。

3 潿4井定向井鉆井作業(yè)實踐

2015年，潿西構(gòu)造成功實施了W4井鉆井施工，鉆井施工過程順利，該井在潿洲組、流沙港組獲得多層油氣發(fā)現(xiàn)，測試兩層，測試層合計79.3 m，其鉆井施工具體技術(shù)措施如下。

3.1 井身質(zhì)量控制

W4井井身結(jié)構(gòu)（圖2），有效分割了兩段易垮塌地層。上部利用30"套管封隔易漏層后，17-1/2"井段鉆至1 230 m左右，考慮到造斜要求，未鉆至潿洲組，12-1/4"井段長度縮短至1 500 m左右，8-1/2"井段的長度降至1 000 m以內(nèi)，降低了鉆井和固井難度。

圖2 W4井井身結(jié)構(gòu)

W4井采用了KCl-聚合醇強抑制封堵鉆井液體系，利用井壁穩(wěn)定技術(shù)優(yōu)化了鉆井液密度[7，11-12]（圖3），提高了井壁穩(wěn)定性，減少了起下鉆和測井時的阻卡（圖4），有效減少了復(fù)雜情況。對比H2井、W3井與以往鉆井施工情況（圖5），可以看出采用了井壁穩(wěn)定優(yōu)化技術(shù)和新鉆井液體系后，大斜度定向井鉆井施工時，阻卡次數(shù)未明顯增加。

圖3 W4井潿二段、流二段井壁穩(wěn)定分析（左圖為潿二段，右圖為流二段）

圖4 W4井阻卡情況

圖5 潿西構(gòu)造阻卡情況對比

潿西構(gòu)造旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向+馬達井底鉆具組合很好地實現(xiàn)了井眼軌跡控制和提速的要求。其中，W4井造斜段開始于下洋組下段，地層疏松，造斜難度大，采用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)成功實現(xiàn)造斜，且未出現(xiàn)“大肚子”，造斜段起下鉆順暢；2個靶點中靶精度均非常高，W4井實鉆井眼軌跡和設(shè)計軌跡對比見圖6。中W4井12-1/4"和8-1/2"井段機械鉆速分別達到了23.66 m/h、11.89 m/h，節(jié)約了作業(yè)時間。對比潿西構(gòu)造已鉆井8-1/2"井段機械鉆速（圖8），可以看出，W4井實現(xiàn)了較好的機械鉆速，機械鉆速接近12 m/h，優(yōu)于H2井。

圖6 W-M井井眼軌跡控制

從井身結(jié)構(gòu)、井眼軌跡及井筒情況等井身質(zhì)量關(guān)鍵參數(shù)來看，W4井井身質(zhì)量控制較好，為后續(xù)固井及測試施工打下了很好的基礎(chǔ)。

3.2 機械鉆速分析

W4井采用PDC+馬達實現(xiàn)了較好的機械鉆速，本次采用馬達為等壁厚馬達，輸出功率高，耐高溫性好，使用壽命長，一次入井即可完成一個開次鉆進，節(jié)省了起下鉆時間；配備的貝克休斯PDC鉆頭抗研磨性好，磨損程度低（圖7），其

圖7 8-1/2" 貝克休斯鉆頭出井照片

圖8 潿西構(gòu)造已鉆井8-1/2"井段機械鉆速對比

3.3 儲層保護技術(shù)效果分析

W4井12-1/4"井段在鉆井液和固井中考慮了儲層保護問題，鉆井液在有效控制井壁穩(wěn)定前提下，很好地保護了油氣層，失水控制在3 mL以下，減小了濾液滲入地層；固井質(zhì)量總體評價優(yōu)良，有效封隔儲層，滿足測試產(chǎn)能的要求（圖9）。測試兩層表皮系數(shù)分別為1.4、0.7，儲層污染較小，表明該井儲層保護相對較好。

圖9 W4井測固井質(zhì)量優(yōu)良

4 認(rèn)識

針對潿西構(gòu)造大斜度定向井的井身結(jié)構(gòu)、井壁穩(wěn)定、鉆井液體系、井眼軌跡控制、固井以及提速技術(shù)進行了綜合的研究，通過W4井鉆井施工，得到了以下結(jié)論和認(rèn)識：

（1）W4井井身結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了必封點的封固和復(fù)雜井段的分割，降低了作業(yè)風(fēng)險；井壁穩(wěn)定優(yōu)化技術(shù)和封堵鉆井液體系的應(yīng)用解決了潿二段到流二段井壁失穩(wěn)問題，提高了井壁穩(wěn)定性，減少了起下鉆遇阻。

（2）旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向、PDC+馬達井底鉆具組合的應(yīng)用，確保了井眼軌跡控制和靶點中靶精度，并且在12-1/4"和8-1/2"井段均實現(xiàn)了很好的機械鉆 速。

（3）鉆井液和固井技術(shù)中儲層保護措施的考慮減少了油層污染，確保了油氣發(fā)現(xiàn)和測試成功，是該區(qū)勘探開發(fā)不可忽略的重要技術(shù)之一。

（4）W4井及H2井斜井段在通井順暢情況下，未能完成電纜測井，在一定程度上影響了測井項目選擇和高品質(zhì)地層資料獲取，例如成像測井、測壓取樣等，需要進一步研究確定導(dǎo)致電纜下放困難的原因，實現(xiàn)該類井斜定向井電纜測井。