富縣區(qū)塊氣層水平井二級井身結(jié)構(gòu)應(yīng)用可行性分析

牛似成

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

2009 年以來，華北油氣分公司先后部署實(shí)施了8口直井和3 口水平井對富縣區(qū)塊天然氣資源進(jìn)行勘探評價(jià)，認(rèn)為下石盒子組盒1 段地層具有開發(fā)價(jià)值。盒1 段氣層垂深為2 700～2 900 m，孔隙度為5%～11%，滲透率為0.1×10-3～0.5×10-3μm2，地層壓力系數(shù)為0.85，屬于低孔低壓特低滲儲層。2014—2016 年，在盒1 段氣層實(shí)施了富平探1 井、FP1 H 井和FP3H井三口評價(jià)水平井，平均鉆井周期長達(dá)100.26 d。富平探1 井和FP1H 井均采用裸眼預(yù)置管柱完井+分段壓裂改造，儲層改造體積有限，試氣后未達(dá)到工業(yè)開發(fā)要求；FP3H 井采用懸掛尾管固井及可鉆橋塞分段大規(guī)模壓裂改造，試氣效果仍未達(dá)到工業(yè)開發(fā)要求。盒1 段氣層水平井鉆井周期偏長，裸眼預(yù)置管柱完井儲層改造規(guī)模制約了富縣盒1 段氣層的有效開發(fā)。將三級井身結(jié)構(gòu)改進(jìn)為二級井身結(jié)構(gòu)可縮短鉆井周期，采用φ139.70 mm 全通徑套管固井完井可為后期儲層大規(guī)模改造壓裂提供較好的井眼條件。

1 二級井身結(jié)構(gòu)應(yīng)用難點(diǎn)

分析富縣區(qū)塊前期實(shí)施的富平探1 井、FP1H 井和FP3H 井得出:①地表層第四系容易發(fā)生漏失；②劉家溝組、石千峰組及石盒子組泥巖井壁易掉塊，水平段井壁掉塊尤為明顯；③石千峰組局部發(fā)育鹽水層，影響鉆井液抑制性及封堵性。基于此，結(jié)合二級井身結(jié)構(gòu)水平井特點(diǎn)，得到富縣區(qū)塊氣層實(shí)施水平井二級井身結(jié)構(gòu)主要存在鹽水層污染鉆井液及長裸眼段井壁失穩(wěn)等問題。

1.1 泥巖井壁易失穩(wěn)掉塊

富縣區(qū)塊氣層水平井以下石盒子組盒1 段為目的層，水平井全井井深3 900 m 左右（水平段長1 000 m 左右），若采用二級井身結(jié)構(gòu)，則二開裸眼段長度為3 500 m 左右，二開穿越發(fā)育硬脆性泥巖的劉家溝組、石千峰組及石盒子組，極易發(fā)生井壁失穩(wěn)掉塊。在FP1H 井及FP3H 井現(xiàn)場施工過程中，劉家溝組、石千峰組及石盒子組均發(fā)生了較為嚴(yán)重的泥巖掉塊，導(dǎo)致井徑變化劇烈、井徑變化率偏大（圖1 和圖2）。

圖1 FP1H 井導(dǎo)眼段井徑變化曲線

圖2 FP3H 井導(dǎo)眼段井徑變化曲線

從FP1H 井和FP3H 井導(dǎo)眼段井徑變化曲線可以看出，實(shí)鉆井壁穩(wěn)定效果較差，井壁掉塊嚴(yán)重。FP1H 井應(yīng)用類油基鉆井液體系并未起到很好的穩(wěn)定井壁效果，F(xiàn)P3H 井應(yīng)用常規(guī)鉀銨基聚磺鉆井液體系井壁失穩(wěn)掉塊嚴(yán)重，現(xiàn)場應(yīng)用鉆井液體系存在密度及性能控制不足。FP1H 井和FP3H 井均采用三級井身結(jié)構(gòu)，三開水平段為φ152.40 mm 井眼。若改為二級井身結(jié)構(gòu)，在水平段井眼由φ152.40 mm 增大為φ215.90 mm，根據(jù)前期大牛地氣田井壁穩(wěn)定研究技術(shù)成果，井眼尺寸越大則井壁穩(wěn)定性越差，若改為二級井身結(jié)構(gòu)，將加大水平段井壁垮塌的風(fēng)險(xiǎn)。因此，需要針對當(dāng)前采用的鉆井液體系進(jìn)行改進(jìn)，提高抑制性及封堵性，同時(shí)確定各井段合適的鉆井液密度以穩(wěn)定井壁，降低井壁失穩(wěn)掉塊造成遇阻卡鉆的風(fēng)險(xiǎn)。

1.2 長裸眼段套管固井完井

對富縣區(qū)塊氣層水平井進(jìn)行長裸眼段套管安全下入敏感性分析，設(shè)定一開采用J55 型φ244.50 mm×8.94 mm 套管，二開采用φ222.30 mm 與φ215.90 mm 的復(fù)合井眼，井徑擴(kuò)大率8%，套管內(nèi)摩阻系數(shù)為0.10～0.20，裸眼段摩阻系數(shù)為0.10～0.30，安全下入敏感性分析結(jié)果見圖3。

圖3 二級井身結(jié)構(gòu)套管下入敏感性分析

從套管下入敏感性分析結(jié)果來看，裸眼段摩阻系數(shù)0.20～0.30 內(nèi)均能實(shí)現(xiàn)套管下入，只是隨著摩阻系數(shù)增大，套管會出現(xiàn)一定的屈曲。采用一次雙凝水泥漿體系固井完井，模擬二級井身結(jié)構(gòu)水平井全井段3 903 m，環(huán)空間隙較大（38.1 mm），可以滿足現(xiàn)場施工要求。杭錦旗區(qū)塊已成功實(shí)施多口水平井二級井身結(jié)構(gòu)且采用一次雙凝水泥漿固井，如J58P9H 井垂深3 118 m、井深4 238 m，采用一次雙凝水泥漿體系成功實(shí)施固井，固井質(zhì)量優(yōu)良。據(jù)此估算，富縣區(qū)塊氣層的水平井垂深2 700～2 900 m 和井深3 900～4 200 m，可以全井段采用一次雙凝水泥漿固井。

1.3 局部發(fā)育鹽水層

富縣區(qū)塊局部區(qū)域石千峰組發(fā)育鹽水層，鉆遇后易造成鉆井液性能下降，井壁穩(wěn)定效果變差，井壁掉塊嚴(yán)重。新富3 井鉆至石千峰組發(fā)生鹽水侵，鉆井液失水增大，密度增加，氣泡增多，pH 值上調(diào)比較困難，泥漿增稠；現(xiàn)場水分析Cl-含量為7 361.81 mg/L，鉆井液受污染后井壁掉塊明顯增多，鉆具上提下放困難，且蹩轉(zhuǎn)盤嚴(yán)重。新富6 井鉆至石千峰組也發(fā)生鹽水侵，井壁失穩(wěn)嚴(yán)重，造成長井段回填側(cè)鉆。FP1H 井現(xiàn)場采用類油基鉆井液體系，現(xiàn)場鉆進(jìn)鹽水層未發(fā)生鉆井液性能下降等情況。因此，富縣區(qū)塊氣層水平井應(yīng)采用抗鹽類鉆井液體系，預(yù)防鹽水侵。

1.4 儲層保護(hù)及儲層評價(jià)

統(tǒng)計(jì)富平探1 井、FP1H 井和FP3H 井斜井段最高鉆井液密度發(fā)現(xiàn)，富平探1 井斜井段鉆井液密度為1.23～1.26 g/cm3，F(xiàn)P1H 井斜井段鉆井液密度為1.23～1.26 g/cm3，F(xiàn)P3H 井斜井段鉆井液密度為1.20～1.25 g/cm3。若采用二級井身結(jié)構(gòu)水平井，則水平段鉆井過程中須提高鉆井液密度至1.20 g/cm3以上，如此高的鉆井液密度必然加重鉆井液對儲層的污染，不利于富縣區(qū)塊氣層評價(jià)。

2 二級井身結(jié)構(gòu)的可行性

某區(qū)塊某儲層是否適合水平井二級井身結(jié)構(gòu)，首先必須明確地層壓力（破裂壓力、孔隙壓力和坍塌壓力）變化情況，有無異常壓力地層，即地層壓力是否適合水平井二級井身結(jié)構(gòu)，其次應(yīng)了解實(shí)鉆地層中是否有易發(fā)生惡性漏失、井塌的地層，即是否有必封點(diǎn)[1-7]。針對富縣區(qū)塊前期實(shí)鉆情況開展這兩方面分析。

2.1 地層壓力剖面分析

在富縣區(qū)塊實(shí)鉆直井進(jìn)行了聲波、電阻率、自然伽馬等多項(xiàng)測井，但尚未開展全井段地層壓力測試，僅對目的層的下石盒子組及馬家溝組等開展了DST測試，明確了地層孔隙壓力?；诖舜_定富縣區(qū)塊地層壓力的求取思路，依據(jù)測井資料并利用地層壓力經(jīng)驗(yàn)計(jì)算模型求取地層壓力，并通過DST 校準(zhǔn)地層壓力剖面。利用測井資料求取地層壓力剖面首先要確定全井段巖石力學(xué)參數(shù)剖面，如彈性模量、泊松比等?；诼暡?、自然伽馬、密度等測井資料及全井段巖石力學(xué)參數(shù)剖面，利用等效深度法計(jì)算得到了富縣區(qū)塊全井段地層孔隙壓力，再利用最大拉應(yīng)力破壞準(zhǔn)則計(jì)算地層破裂壓力，最后利用庫倫摩爾準(zhǔn)則計(jì)算地層坍塌壓力，得到的地層壓力剖面見圖4。

從圖4 可明顯看出，富縣區(qū)塊地層孔隙壓力正常趨勢分布，當(dāng)量密度為0.78～1.02 g/cm3。地層坍塌壓力當(dāng)量密度自延長組至太原組從0.50 g/cm3逐步增加到1.20 g/cm3，地層破裂壓力當(dāng)量密度從1.70 g/cm3增加到2.20 g/cm3，馬家溝組坍塌壓力當(dāng)量密度迅速減小到0.50 g/cm3以下，破裂壓力當(dāng)量密度迅速增大到2.50 g/cm3以上。

富縣區(qū)塊全井段地層壓力呈正常分布趨勢，未有異常低壓或異常高壓，且地層破裂壓力當(dāng)量密度均在1.70 g/cm3以上，根據(jù)同構(gòu)造相鄰區(qū)塊實(shí)鉆情況，鉆井液密度最高為1.25 g/cm3，不會壓漏上部地層，滿足水平井二級井身結(jié)構(gòu)應(yīng)用條件。

圖4 富縣區(qū)塊直井全井段地層壓力剖面

2.2 必封點(diǎn)分析

分析富縣區(qū)塊二級井身結(jié)構(gòu)水平井實(shí)施難點(diǎn)發(fā)現(xiàn)，劉家溝組-石盒子組泥巖井壁易失穩(wěn)是制約水平井二級井身結(jié)構(gòu)應(yīng)用的關(guān)鍵，亦是實(shí)現(xiàn)儲層保護(hù)的關(guān)鍵。劉家溝組-石盒子組恰好位于斜井段，地層坍塌壓力相對較高，在現(xiàn)用鉆井液體系條件下很難同時(shí)實(shí)現(xiàn)井壁穩(wěn)定及儲層保護(hù)；泥巖易分散，水化黏土礦物含量高且微裂縫發(fā)育，鉆井液濾液通過微裂縫進(jìn)入泥巖導(dǎo)致泥巖水化失穩(wěn)?；诖?，可優(yōu)化鉀銨基聚磺鉆井體系液封堵性、抑制性，優(yōu)選封堵類材料封堵泥巖微裂縫，減少鉆井液濾液侵入，同時(shí)優(yōu)選抗鹽類抑制劑及降濾失劑，綜合提高鉀銨基聚磺鉆井液體系泥巖井壁穩(wěn)定性。研究無土相硅酸鹽復(fù)合鹽水鉆井液，降低鉆井液密度的同時(shí)，提高鉆井液體系對泥巖的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定泥巖井壁與保護(hù)儲層的目的。

3 二級井身結(jié)構(gòu)

基于富縣區(qū)塊實(shí)施水平井二級井身結(jié)構(gòu)難點(diǎn)，結(jié)合地層壓力正常分布趨勢，確定一開封固地層疏松地層，減少鉆具輸送測井對接次數(shù)，二開防塌保護(hù)儲層鉆至井底。結(jié)合當(dāng)前分段壓裂改造工具及大規(guī)模壓裂改造需求，水平段采用φ139.70 mm 生產(chǎn)套管，反向遞推得到一開和二開井眼尺寸及套管尺寸，二開A 靶點(diǎn)之前采用φ222.25 mm 井眼，保留更改三級井身結(jié)構(gòu)預(yù)案[8-11]。

3.1 技術(shù)方案

針對斜井段劉家溝組、石千峰組和石盒子組泥巖易垮塌、鹽水侵、儲層保護(hù)差等問題，在鉆至A靶點(diǎn)后下膨脹管封固整個斜井段，確保后期水平段鉆進(jìn)過程中斜井段不會發(fā)生垮塌，保證鹽水不會對鉆井液產(chǎn)生污染，為水平段低密度鉆井液鉆進(jìn)打好基礎(chǔ)，井身結(jié)構(gòu)見表1。

表1 富縣氣層水平井二級井身結(jié)構(gòu)方案

3.2 配套技術(shù)措施

3.2.1 強(qiáng)抑制抗鹽鉆井液體系

富縣區(qū)塊實(shí)施3 口氣層水平井分別采用鉀銨基聚磺鉆井液體系及類油基鉆井液體系，F(xiàn)P1H 井應(yīng)用類油基鉆井液體系具有較強(qiáng)的抗鹽能力，但成本較高且穩(wěn)定井壁效果一般。初步估算FP1H 井類油基鉆井液成本約為200 萬元，F(xiàn)P1H 井導(dǎo)眼斜井段井徑變化劇烈且井徑擴(kuò)大率較大（圖1），富平探1 井及FP3H 井應(yīng)用鉀銨基聚磺鉆井液體系抗鹽能力較差，且穩(wěn)定井壁效果較差，F(xiàn)P3H 井導(dǎo)眼斜井段井徑變化劇烈且井徑擴(kuò)大率較大（圖2）?；谥旅艿蜐B氣藏低成本開發(fā)的需要，類油基鉆井液成本高，無法大規(guī)模推廣應(yīng)用，應(yīng)對鉀銨基聚磺鉆井液體系抗鹽能力及抑制性進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)選CMC、SMP、聚陰離子纖維素、改性淀粉或FCLS 等抗鹽處理劑對鉀銨基聚磺鉆井液體系進(jìn)行抗鹽能力優(yōu)化，同時(shí)對鉀銨基聚磺鉆井液體系進(jìn)行泥巖封堵性、抑制性優(yōu)化評價(jià)，通過室內(nèi)多組配方的復(fù)配實(shí)驗(yàn)，形成抗鹽能力較強(qiáng)且穩(wěn)定泥巖效果較好的鉆井液體系。此外，開展硅酸鹽復(fù)合鹽水鉆井液應(yīng)用匹配性實(shí)驗(yàn)，硅酸鹽復(fù)合鹽水鉆井液抗鹽能力較強(qiáng)，且抑制性亦較強(qiáng)，可通過室內(nèi)泥巖浸泡實(shí)驗(yàn)或其他抑制性實(shí)驗(yàn)逐步優(yōu)化，形成與富縣區(qū)塊泥巖層相匹配的硅酸鹽復(fù)合鹽水鉆井液體系。

3.2.2 波紋膨脹管封隔易垮塌地層

富縣區(qū)塊氣層水平井采用二級井身結(jié)構(gòu)，二開長裸眼段包含直井段、斜井段及水平段，斜井段石千峰組和上石盒子組硬脆性泥巖受鉆井液浸泡時(shí)間較長，極易誘發(fā)井壁失穩(wěn)掉塊。水平段鉆進(jìn)過程中若斜井段發(fā)生掉塊卡鉆，極易造成埋鉆具等復(fù)雜情況。波紋膨脹管施工受地下條件影響，存在一定的風(fēng)險(xiǎn)，若發(fā)生遇阻、遇卡或膨脹不到位等復(fù)雜情況，會影響后續(xù)施工。鑒于此，鉆穿斜井段后，建議采用波紋膨脹管封隔大斜度井段，用物理封隔方式穩(wěn)定斜井段硬脆性泥巖[10]。

3.3 應(yīng)急預(yù)案

為確保富縣區(qū)塊氣層水平井二級井身結(jié)構(gòu)在現(xiàn)場應(yīng)用過程中安全有效，制定二級井身結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)三級井身結(jié)構(gòu)預(yù)案，以防二級井身結(jié)構(gòu)無法實(shí)施后整口井報(bào)廢。

若二開直井段及斜井段實(shí)鉆過程中發(fā)生鹽水侵、井壁掉塊嚴(yán)重或其他復(fù)雜情況，則在二開采用φ 222.25 mm 鉆至A 靶點(diǎn)后，下入φ177.8 mm 技術(shù)套管固井，固井采用一次注水泥雙凝水泥漿體系全井封固固井工藝，尾漿返至氣層頂界以上300 m，低密度水泥漿返至井口。完井完成后進(jìn)行三開作業(yè)，三開水平段采用φ152.40 mm 鉆頭鉆至設(shè)計(jì)B 靶點(diǎn)，井身結(jié)構(gòu)與套管程序設(shè)計(jì)見表2。

表2 二級變更三級井身結(jié)構(gòu)預(yù)案

4 結(jié)論及建議

（1）富縣區(qū)塊氣層水平井實(shí)施二級井身結(jié)構(gòu)存在鹽水侵及井壁失穩(wěn)等風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)優(yōu)化強(qiáng)抑制抗鹽鉆井液體系，應(yīng)用波紋膨脹管可保證二級井身結(jié)構(gòu)的有效實(shí)施。

（2）建議開展室內(nèi)強(qiáng)抑制抗鹽鉆井液體系優(yōu)化研究，在富縣區(qū)塊氣層水平井推廣應(yīng)用二級井身結(jié)構(gòu)。