神府致密氣區(qū)塊小井眼井改進(jìn)研究

賈佳，謝海濤，夏忠躍，解健程

中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司（天津 300467）

神府致密氣區(qū)塊沉積條件復(fù)雜，儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng)、連續(xù)性差、具有低孔、低溫、低滲，低壓、自然產(chǎn)能低或基本無產(chǎn)能的特點(diǎn)[1-2]。目前使用的小井眼井身結(jié)構(gòu)為：Ф215.9 mm 井眼×Ф177.8 mm 套管+Ф155.6 mm 井眼×Ф114.3 mm 套管，在鉆井過程中，存在鉆井周期較長，鉆速較慢，鉆頭易泥包，固井ECD 值高等問題，需要開展針對(duì)性的研究，以解決這些問題。

1 存在的問題

1.1 鉆井周期長，機(jī)械鉆速慢

神府區(qū)塊已鉆小井眼中，如表1所示，鉆井周期平均30 余天，平均機(jī)械鉆速6.7 m/h，制約了小井眼井的快速高效作業(yè)。

1.2 鉆頭易泥包

在小井眼鉆進(jìn)過程中，如表2所示，鉆頭外徑為155.6 mm，泵排量一般開至800 L/min，環(huán)空返速0.7 m/s 左右，巖屑的返出效果較差，尤其是在石千峰-石盒子組泥質(zhì)含量較高的地層，容易引起井底泥質(zhì)固相含量過高，導(dǎo)致鉆頭泥包[3]。

表1 神府區(qū)塊已鉆小井眼井機(jī)械鉆速和鉆井周期統(tǒng)計(jì)

表2 鉆頭泥包情況統(tǒng)計(jì)

1.3 鉆具易損壞

正常鉆進(jìn)過程中，使用的鉆桿為Ф88.9 mm，其內(nèi)徑為Ф70.6 mm，鉆具內(nèi)摩阻較大，比常規(guī)鉆具壓力更高，鉆桿易發(fā)生刺漏[4-7]。4D 井鉆至井深1 845 m 立管壓力由12 MPa 下降至10 MPa，起鉆至1 337 m，鉆具刺漏兩根；8D 井鉆進(jìn)至井深778 m，施工過程中立管壓力由10.6 MPa下降至6.0 MPa，起鉆至第14柱發(fā)現(xiàn)公母扣臺(tái)階面損壞（圖1）。

1.4 固井易井漏

裸眼段擴(kuò)徑后井徑約168 mm，生產(chǎn)套管外徑為114 mm，環(huán)空間隙較小，頂替排量受到限制，頂替效率低，環(huán)空鉆井液易形成滯留帶，替漿中易發(fā)生竄槽，固井質(zhì)量一般較差；同時(shí)，環(huán)空間隙小，摩阻大，固井動(dòng)態(tài)當(dāng)量密度高，導(dǎo)致下部地層尤其是煤系地層，極易出現(xiàn)漏失。在注入泥漿過程中，Ф155.6 mm井眼，環(huán)空返速達(dá)到1.7 m/s，同時(shí)固井水泥漿失水較大，泥餅不斷被沖刷掉落，形成環(huán)空憋壓壓漏地層[8-12]。神府地區(qū)下石盒子、劉家溝屬于易漏地層，固井中上部直接壓裂地層，泥漿無法正常循環(huán)，井口失返，形成長距離套管自由段；下部地層壓力高，形成局部地層漏失，失水過大，導(dǎo)致部分井段膠結(jié)質(zhì)量差。

現(xiàn)場作業(yè)時(shí)，3井井身質(zhì)量較好，固井參數(shù)雖達(dá)到設(shè)計(jì)要求，但注水泥漿時(shí)井口失返，1 754 m 以上為自由套；2D井注水泥時(shí)井口失返，1 800 m以上為自由套（表3）；7 井和9 井，固井過程井口返出和碰壓基本正常，但全井段顯示多段不同程度膠結(jié)質(zhì)量不好（表4）。

表3 神府3井固井時(shí)存在長距離自由段

表4 神府7井固井膠結(jié)質(zhì)量不連續(xù)井段統(tǒng)計(jì)

2 改進(jìn)研究

2.1 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

開展井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究，將原小井眼井身結(jié)構(gòu)Ф215.9 mm×Ф177.8 mm +Ф155.6 mm ×Ф114.3 mm調(diào)整為Ф241.5 mm×Ф193.7 mm +Ф165.1 mm×Ф114.3 mm，該井身結(jié)構(gòu)與小井眼井身結(jié)構(gòu)相比，在泵壓、固井ECD等方面有比較大的優(yōu)勢[13-17]。

2.1.1 鉆進(jìn)中受力研究

鉆進(jìn)過程中，在同等條件下，原井身結(jié)構(gòu)（圖2中井身結(jié)構(gòu)1）中鉆具受力與改進(jìn)后井身結(jié)構(gòu)（井身結(jié)構(gòu)2）的受力相差不大，同等井深下，鉆具受力相差不超過2 t（圖2）。

圖2 不同井身結(jié)構(gòu)鉆進(jìn)過程中受力分析示意圖

2.1.2 扭矩分析

在同等條件下，井身結(jié)構(gòu)1 的扭矩值與井身結(jié)構(gòu)2相差不大。尤其隨著深度的增加，在1 000 m以下地層中，扭矩值幾乎一致（圖3）。

圖3 不同井身結(jié)構(gòu)鉆進(jìn)時(shí)扭矩變化示意圖

2.1.3 泵壓變化

鉆進(jìn)過程中，隨著排量增大，泵壓逐漸增大，在相同排量下，井身結(jié)構(gòu)1的泵壓比井身結(jié)構(gòu)2的大，隨著排量增加，相差的幅度越大。在1 000 L/min的排量下，井身結(jié)構(gòu)1 的泵壓為16.2 MPa，井身結(jié)構(gòu)2的泵壓為8.5 MPa，幾乎相差了1倍（圖4）。

圖4 不同井身結(jié)構(gòu)泵壓隨排量變化示意圖

2.1.4 固井井底ECD變化

在固井過程中，隨著井深增加，ECD 值逐漸增大[16-18]；不同井身結(jié)構(gòu)，ECD 值不同，表現(xiàn)出的規(guī)律是：井身結(jié)構(gòu)1的ECD值＞井身結(jié)構(gòu)2的ECD值，井身結(jié)構(gòu)1 進(jìn)行固井時(shí)，井底ECD 接近了1.88 g/cm3，井身結(jié)構(gòu)2 的井底ECD 為1.82 g/cm3。由于井身結(jié)構(gòu)1固井時(shí)，存在壓漏地層的情況。所以，為了避免井底ECD 過大，需要控制ECD 值在1.88 g/cm3以下[18-20]（圖5）。

圖5 不同井身結(jié)構(gòu)固井井底ECD變化示意圖

2.2 開展鉆頭針對(duì)性研究

對(duì)二開石千峰以上地層：對(duì)比試驗(yàn)19 mm 齒和16 mm 齒的現(xiàn)場效果，使用19 mm 齒鉆頭平均機(jī)械鉆速14.5 m/h，最高達(dá)到22 m/h；使用16 mm 齒鉆頭平均機(jī)械鉆速12.5 m/h，最高達(dá)到18.5 m/h；提速效果對(duì)比16 mm齒平均提速15%；后續(xù)井作業(yè)時(shí)，二開鉆頭使用19 mm齒鉆頭（圖6、圖7）。

圖6 不同鉆頭類型19 mm齒機(jī)械鉆速統(tǒng)計(jì)

圖7 不同鉆頭類型16 mm齒機(jī)械鉆速統(tǒng)計(jì)

對(duì)二開石千峰以下地層進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)：使用19 mm 齒鉆頭平均機(jī)械鉆速7.5 m/h，最高達(dá)到10m/h；使用16 mm 齒鉆頭平均機(jī)械鉆速13 m/h，最高達(dá)到21.5 m/h；提速效果對(duì)比19 mm 齒提速明顯；建議石千峰及其以下地層鉆頭使用16 mm齒鉆頭（圖8）。

圖8 石千峰及其以下地層不同尺寸齒PDC鉆頭

2.3 開展鉆具優(yōu)化研究

由于小井眼井在實(shí)施過程中，使用Ф88.9 mm鉆具，該鉆具柔性大，易發(fā)生刺漏的特點(diǎn)，對(duì)鉆桿尺寸進(jìn)行優(yōu)選，選擇Ф101.6 mm鉆桿與之進(jìn)行對(duì)比研究。

2.3.1 扭矩安全極限

使用Ф88.9 mm和Ф101.6 mm鉆桿進(jìn)行鉆進(jìn)時(shí)，鉆具的安全扭矩極限不盡相同，Ф88.9 mm鉆桿明顯小于Ф101.6 mm鉆桿，同時(shí)，Ф101.6 mm鉆桿的尺寸大，剛性比Ф88.9 mm 鉆桿要強(qiáng)，承受的力也更大（圖9）。

圖9 不同尺寸鉆桿鉆進(jìn)時(shí)理論極限值對(duì)比分析圖

2.3.2 泵壓對(duì)比

使用Ф88.9 mm 鉆進(jìn)時(shí)，泵壓明顯高于Ф101.6 mm鉆桿鉆進(jìn)時(shí)的泵壓，當(dāng)排量開至1 000 L/min時(shí)，Ф88.9 mm 鉆桿鉆進(jìn)時(shí)泵壓為22.6 MPa，而Ф101.6 mm 鉆桿鉆進(jìn)時(shí)的泵壓僅為15.2 MPa，相差了7.4 MPa，泵壓降低了32%，所以使用大尺寸鉆桿，對(duì)大幅降低泵壓，作用突出（圖10）。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 鉆井工期

現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明，改進(jìn)前，折算2 000 m 平均當(dāng)量鉆井工期21.55天；改進(jìn)后，平均當(dāng)量鉆井工期16.60天；工期縮短了23%(圖11)。

圖10 不同尺寸鉆桿泵壓對(duì)比分析圖

圖11 不同井身結(jié)構(gòu)鉆井工期對(duì)比示意圖

3.2 機(jī)械鉆速

隨著不斷改進(jìn)，機(jī)械鉆速也呈現(xiàn)逐漸加快的趨勢，改進(jìn)前，平均機(jī)械鉆速7.69 m/h；改進(jìn)后，平均機(jī)械鉆速10.12 m/h，機(jī)械鉆速提高31%（圖12）。

圖12 不同井身結(jié)構(gòu)機(jī)械鉆速對(duì)比示意圖

4 結(jié)論

1）經(jīng)過改進(jìn)，井身結(jié)構(gòu)Ф311.15 mm× Ф244.5 mm+Ф215.9 mm×Ф139.7 mm，更適合目前神府區(qū)塊的致密氣鉆井作業(yè)。

2）鉆頭使用16 mm齒，可以有效提高機(jī)械鉆速，有效緩解鉆頭泥包的發(fā)生。

3）可以優(yōu)選Ф101.6 mm 鉆桿進(jìn)行鉆進(jìn)，同等排量下，泵壓可以降低32%。

4）使用改進(jìn)后的井身結(jié)構(gòu)，可以有效解決固井中ECD較高產(chǎn)生的井漏問題。

5）現(xiàn)場應(yīng)用表明，改進(jìn)后的小井眼技術(shù)可以提高機(jī)械鉆速31%，縮短鉆井工期23%，在神府致密氣區(qū)塊可以推廣使用。