東勝氣田二級井身結(jié)構(gòu)水平井鉆完井關(guān)鍵技術(shù)

張永清

（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）

東勝氣田經(jīng)濟(jì)高效開發(fā)需求迫切[1]，原來采用三級井身結(jié)構(gòu)的水平井配合裸眼預(yù)制管柱分段壓裂投產(chǎn)，生產(chǎn)過程中普遍高產(chǎn)液[2]且完井管柱內(nèi)非全通徑，為后續(xù)采氣及治理作業(yè)帶來了較大困難，嚴(yán)重影響著水平井的開發(fā)效益。二級井身結(jié)構(gòu)水平井套管固井完井可節(jié)約部分套管費(fèi)用、節(jié)約中完作業(yè)時間，同時可為控水壓裂、產(chǎn)液剖面測試等作業(yè)提供便利的工作環(huán)境。為此，開展了二級井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，研究形成了以理化復(fù)合防漏防塌、高效PDC 鉆頭選型及長裸眼段固井為核心的關(guān)鍵技術(shù)，保障了東勝氣田二級結(jié)構(gòu)水平井鉆、完井的經(jīng)濟(jì)快速實施。

1 技術(shù)難點(diǎn)分析

東勝氣田區(qū)內(nèi)斷裂發(fā)育，構(gòu)造復(fù)雜[3]。縱向上自上而下發(fā)育第四系志丹群、侏羅系安定組、直羅組、延安組，三疊系延長組、二馬營組、和尚溝組、劉家溝組，二疊系石千峰組、上石盒子組、下石盒子組，鉆遇地層多；平面上主力含氣層位的下石盒子組為沖積平原辮狀河沉積，砂體厚度變化快，非均質(zhì)性強(qiáng)。東勝氣田二級井身結(jié)構(gòu)水平井鉆完井過程中存在以下難點(diǎn):

（1）井漏風(fēng)險大。成像測井資料顯示，劉家溝組底部及石千峰組上部存在天然高角度裂縫及水平層理縫，漏失壓力當(dāng)量密度為1.10～1.35 g/cm3；下部石千峰組、石盒子組泥巖垮塌壓力當(dāng)量密度為1.18～1.25 g/cm3，鉆井過程中存在窄負(fù)安全密度窗口，劉家溝組易發(fā)生失返性漏失及復(fù)漏[4]。

（2）井壁易失穩(wěn)。非目的層石千峰組、上石盒子組發(fā)育的裂縫型硬脆性泥巖厚度達(dá)120 m 以上；目的層砂泥巖交互、軌跡調(diào)整頻繁，泥巖段浸泡時間長，上部劉家溝組地層存在井漏風(fēng)險，增加了井壁穩(wěn)定的難度。

（3）鉆頭易失效。志丹群、延長組下部及二馬營組上部發(fā)育礫石，下石盒子組砂巖中石英含量達(dá)到70%以上，地層研磨性強(qiáng)，鉆頭磨損嚴(yán)重[5]。J58P22H 井使用19 只鉆頭，全井平均機(jī)械鉆速僅5.62 m/h。

（4）長裸眼段固井難度大。二級結(jié)構(gòu)水平井固井時二開全為裸眼段，長度在3 900 m 以上。長裸眼段摩阻大，若A 靶著陸及水平段軌跡調(diào)整，將導(dǎo)致井眼軌跡狗腿度增加、平滑度降低，下套管難度增加。完鉆后為充分?jǐn)y砂，鉆井液黏切較大，紊流頂替時長裸眼段環(huán)空壓耗大，增加了井漏的風(fēng)險。

2 鉆完井關(guān)鍵技術(shù)

2.1 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計

東勝氣田水平井目前主要使用三級井身結(jié)構(gòu)，對二級井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化時應(yīng)重點(diǎn)考慮以下因素:①增加井眼尺寸，擴(kuò)大環(huán)空間隙，降低循環(huán)壓耗，降低人為因素導(dǎo)致漏失的風(fēng)險[6]；②縮小井眼尺寸，提高井壁穩(wěn)定性[7]；③擴(kuò)大井眼尺寸，采用固井完井，降低作業(yè)工具下入難度；④若出現(xiàn)嚴(yán)重井壁垮塌、大型漏失等復(fù)雜情況時，能夠?qū)崿F(xiàn)A點(diǎn)固井轉(zhuǎn)變?yōu)槿壘斫Y(jié)構(gòu)且能滿足水平段增產(chǎn)改造的需要。綜合以上原則優(yōu)化設(shè)計了二級井身結(jié)構(gòu)（表1）。

表1 水平井井身結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)

2.2 理化復(fù)合防漏防塌

2.2.1 分井斜角密度精細(xì)控制

鉆井液密度是維護(hù)井壁穩(wěn)定的重要物理因素之一。二級井身結(jié)構(gòu)水平井鉆進(jìn)過程中易漏層劉家溝組和易垮塌層石千峰組、石盒子組處于同一裸眼井段，需采用能支撐井壁的最低鉆井液密度以降低漏失風(fēng)險。

東勝氣田地應(yīng)力狀態(tài)為正斷型（上覆地層壓力＞最大水平主應(yīng)力＞最小水平主應(yīng)力），最大水平地應(yīng)力方向為NE75°。在正斷型應(yīng)力模式下，井筒沿水平最小地應(yīng)力方向的井壁最穩(wěn)定[8]，在井筒延伸方位確定的前提下，井斜角是決定坍塌壓力的重要因素[9]。根據(jù)石盒子組泥巖的巖石力學(xué)參數(shù)及地層應(yīng)力，采用摩爾庫倫準(zhǔn)則，通過大斜度井、水平井的井周應(yīng)力方程[10]，計算了不同井斜角下的泥巖安全密度窗口。考慮泥巖強(qiáng)度隨水化時間增加而降低的問題，在井段坍塌壓力當(dāng)量上限的基礎(chǔ)上附加0.05 g/cm3的安全值，將全井段的鉆井液密度控制為1.10～1.25 g/cm3，并根據(jù)安全密度窗口變化特征及巖石疲勞破壞特性[11]，分井斜角精細(xì)控制（圖1），預(yù)防鉆進(jìn)過程中鉆井液密度大幅變化，以達(dá)到同時防漏防塌的效果。

圖1 井斜度與鉆井液當(dāng)量密度關(guān)系

2.2.2 強(qiáng)抑制封堵固壁

成像測井資料顯示，劉家溝組中部至石千峰組中部發(fā)育水平層理縫，還發(fā)育垂直誘導(dǎo)縫且延展度大，裂縫寬度為1.3～9.4 mm，垂向縫長為5～10 m。石盒子組盒1 段儲層局部發(fā)育天然微裂縫，裂縫寬度小于1.0 mm。掃描電鏡資料顯示，石千峰組泥巖中有小于20 μm 的微裂縫。理化性能測試結(jié)果表明，黏土礦物中伊蒙混層占比達(dá)到69.87%，膨脹率為18%，屬于含微裂縫的硬脆性泥巖。鉆井資料顯示，石千峰組發(fā)育一套棕紅色泥巖，造漿能力強(qiáng)，鉆頭在該井段易出現(xiàn)泥包。不同尺度的復(fù)雜裂縫及不同屬性的泥巖出現(xiàn)在同一井段，存在窄安全密度窗口，增加了防漏防塌的難度。封堵近井地帶微裂縫，使井壁滲透率趨近于零，可隔斷鉆井液漏失通道，提高井筒完整性。提高鉆井液密度時，為防止濾液大量進(jìn)入裂縫，導(dǎo)致孔隙壓力增加，降低了井壁的穩(wěn)定性[12]，造成井壁坍塌[13]；應(yīng)加強(qiáng)抑制泥巖水化，增加泥巖強(qiáng)度，可降低井壁失穩(wěn)風(fēng)險及失穩(wěn)后劃眼帶來的井漏風(fēng)險。

進(jìn)入劉家溝組前50 m，鉆井液中以重量比例3∶2∶2∶2 一次性加入4%的封堵材料，其中超細(xì)碳酸鈣3 t（小于5μm 占比70%）、單封2 t、石墨粉2 t、乳化瀝青2 t（或乳化石蠟、磺化瀝青）及少量柔性纖維類材料（改性竹纖維）；鉆穿劉家溝組底界如有滲漏時加入1%～2%的隨鉆堵漏劑。針對石千峰組及石盒子組泥巖，通過K+和NH4+的晶格固定和離子交換作用來抑制泥頁巖水化分散，同時加入聚合醇和0.3%～0.5%的大分子強(qiáng)力包被劑BLZ-1 及1.5%～2.0%瀝青類防塌劑，進(jìn)一步提高鉆井液抑制能力。這些抑制性材料具有降失水和封堵作用，控制鉆井液API濾失量小于4 mL，高溫高壓濾失量小于12 m3，配合使用180～200 目的振動篩可形成薄而致密的泥餅，整體利于防塌防漏。

2.3 高效PDC 鉆頭優(yōu)選

東勝氣田儲層礫石發(fā)育且石英含量高，鉆頭失效快。通過巖石力學(xué)實驗獲得抗壓強(qiáng)度為60～80 MPa[5]，依據(jù)地層硬度分級及PDC 鉆頭型號，選擇IADC 碼為M/S322 的密布齒且切削齒為14～24 mm的短冠部金剛石鉆頭。二馬營組以上的直井段含礫層切削齒采用3 mm 布齒間隔、進(jìn)口復(fù)合片，強(qiáng)化鉆頭抗沖擊性、耐磨性及攻擊性；斜井段石英含量高的砂巖層切削齒采用2 mm 布齒間隔、進(jìn)口復(fù)合片，增強(qiáng)鉆頭側(cè)切能力和耐磨性，采用50 mm 短冠部結(jié)構(gòu)，滿足定向需要；高含石英及可能存在泥巖的水平段切削齒采用2 mm 布齒間隔、進(jìn)口復(fù)合片及15°后傾角，提高鉆頭攻擊性和壽命，增加減震齒，提高鉆頭穿越夾層能力。不同井段PDC 鉆頭進(jìn)尺和機(jī)械鉆速見表2。

表2 PDC 鉆頭優(yōu)化選型

2.4 長裸眼段固井技術(shù)

2.4.1 下套管作業(yè) 二級井身結(jié)構(gòu)水平井裸眼段長且摩阻大，儲層非均質(zhì)性強(qiáng)，在A 靶著陸時可能出現(xiàn)軌跡調(diào)整，導(dǎo)致井眼曲率較大，進(jìn)一步加劇下套管的難度。因此，要求最大井眼曲率不超過8°/30 m；下套管前對小井眼段和遇阻井段劃眼、洗井，做到起下鉆無阻卡；調(diào)整好泥漿性能，完井液密度不超過1.25 g/cm3，黏度小于50 mPa·s，初終切比小于0.5；最后一次通井時在大斜度井段泥漿中加入2%的塑料小球及液體潤滑劑。下套管時在浮鞋段連續(xù)加放3 個彈性扶正器，減小前部套管摩阻；采用力學(xué)軟件模擬下套管過程，確定套管受壓位置，在受壓段下套管時平穩(wěn)操作；中途循環(huán)2～3 次并活動套管防治黏卡，套管下至井底循環(huán)時緩慢開泵，降低井漏風(fēng)險。

2.4.2 固井作業(yè) 固井工藝采用一次注水泥雙凝水泥漿體系全井封固近平衡固井工藝，通過調(diào)整各段水泥漿的封固和合適的水泥漿密度來實現(xiàn)“壓穩(wěn)防漏近平衡”固井。領(lǐng)漿（1.30 g/cm3）返至井口，尾漿（1.90 g/cm3）返至氣層以上300 m，固井替漿采用紊流+塞流復(fù)合頂替工藝，壓塞結(jié)束后，大泵開始頂替時采用紊流頂替，紊流接觸時間大于7 min。當(dāng)井口壓力大于8 MPa 時，降低排量塞留頂替，在壓穩(wěn)防漏的同時減少儲層傷害，水泥漿性能參數(shù)設(shè)計見表3。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

J66P18H 井位于東勝氣田北部，是錦66 井區(qū)試驗的第一口有導(dǎo)眼的二級井身結(jié)構(gòu)水平井，目的層為盒2 段。通過實施井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化、理化復(fù)合防漏、高效PDC 鉆頭優(yōu)選、長裸眼段固井等關(guān)鍵技術(shù)，完鉆井深3 307 m、全井進(jìn)尺3 705 m、水平段長700 m，全井未發(fā)生漏塌。每個井段僅使用一只PDC 鉆頭，固井水泥漿順利返出地面且固井質(zhì)量優(yōu)質(zhì)，鉆井周期26.75 d，平均機(jī)械鉆速14 m/h。

表3 水泥漿性能

在J66P18H 井試驗成功的基礎(chǔ)上，將該技術(shù)推廣應(yīng)用到東勝氣田南部5 口井，5 口井施工過程中均未出現(xiàn)井壁失穩(wěn)和井漏等嚴(yán)重復(fù)雜情況，測井、固井作業(yè)順利，平均單井使用鉆頭7 只，與優(yōu)化前相比單井使用鉆頭減少5 只。平均鉆井周期44.15 d，平均機(jī)械鉆速10.70 m/h，與同期的三級井身結(jié)構(gòu)水平井相比鉆井周期縮短34.98 d；機(jī)械鉆速提高1.78 m/h（表4）。

以單井5 000 m 進(jìn)尺計算，僅進(jìn)尺費(fèi)用及套管費(fèi)用就可節(jié)約35.7 萬元。此外，φ1 397 mm 套管固井完井提供了較大的內(nèi)通徑，有利于后期采收率的提高。

表4 二級井深結(jié)構(gòu)與同期三級井深結(jié)構(gòu)水平井鉆井指標(biāo)情況

4 結(jié)論

（1）以井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化、理化復(fù)合防漏防塌、高效PDC 鉆頭選型、長裸眼段固井等為核心的二級井身結(jié)構(gòu)水平井關(guān)鍵技術(shù)可支撐東勝氣田鉆完井大幅提速提效。

（2）窄安全密度窗口下，應(yīng)用理化復(fù)合防漏防塌方法，可取得較好效果。二級井身結(jié)構(gòu)水平井在東勝氣田應(yīng)用經(jīng)濟(jì)效益良好，具有較高的推廣應(yīng)用價值。