臨興區(qū)塊淺部氣層大斜度定向井鉆井關(guān)鍵技術(shù)

范志坤，夏忠躍，馮 雷

（中海油能源發(fā)有限公司工程技術(shù)分公司，天津300452）

臨興區(qū)塊位于山西省臨縣、興縣境內(nèi)，橫跨伊陜斜坡和鄂爾多斯盆地晉西繞褶帶，其內(nèi)部紫金山構(gòu)造帶北部偏西位置發(fā)育淺部小型氣藏。根據(jù)已鉆井、試氣及生產(chǎn)效果顯示，該井區(qū)鉆探的淺部氣層均為常規(guī)氣層，埋藏淺，鉆探成本低，投資見效快，具有良好的開發(fā)區(qū)前景。臨興區(qū)塊前期實(shí)施的探井目的層主要為下部致密砂巖儲(chǔ)層，上部壓力異常儲(chǔ)層的局部存在對(duì)井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和鉆井施工安全帶來一系列困難。為開發(fā)下部致密氣儲(chǔ)層，氣藏管理部門專門制定了淺部氣藏的開發(fā)方案，充分開采卸壓淺部氣層，為下部氣層的開發(fā)開采奠定基礎(chǔ)。為增加優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層段瀉流面積，提高氣井產(chǎn)量，新部署的淺部氣層開發(fā)井均為大斜度井。

1 鉆井難點(diǎn)分析

1.1 地質(zhì)層系多，巖性復(fù)雜，井壁穩(wěn)定性差

淺部氣層井區(qū)自上而下發(fā)育多套層系，鉆遇地層主要為第四系、延長組、紙坊組、和尚溝組、劉家溝組。第四系為黃土層及砂、礫石等未固結(jié)的松散堆積物，膠結(jié)性差，易漏易坍塌。局部夾火山碎屑巖和碳酸鹽巖沉積，膠結(jié)性差，石塊不易破碎，易從井壁脫落，造成卡鉆事故。延長組巖性由中厚層中細(xì)粒長石砂巖，夾砂質(zhì)泥巖和頁巖組成。紙坊組巖性主要由長石細(xì)砂巖與砂質(zhì)泥巖、頁巖組成。和尚溝組巖性以砂質(zhì)泥巖、泥巖為主，夾有中厚層長石細(xì)砂巖、粉砂巖等。局部夾長石砂巖、薄層頁巖、砂質(zhì)頁巖。劉家溝組巖性以薄層及中厚層長石砂巖為主，夾有粉砂巖、砂質(zhì)頁巖、礫巖、灰白色石英砂巖及長石砂巖等組成[1]。

地層泥砂巖互層嚴(yán)重，膠結(jié)性差，可鉆性強(qiáng)。砂巖滲透性好，易形成較厚的砂質(zhì)泥餅，易縮徑，造成起鉆困難。泥巖易吸水膨脹，剝落掉塊，造成卡鉆事故[2-3]。鉆井過程中使用高密度、高粘切鉆井液，鉆井液易受到有害固相的污染，保持性能穩(wěn)定性是作業(yè)難點(diǎn)[4]。

1.2 井眼軌跡控制困難

由于地層埋深較淺，造斜點(diǎn)較淺，上部地層膠結(jié)性差，造斜率無法達(dá)到設(shè)計(jì)要求，且泥砂巖互層嚴(yán)重，地層非均質(zhì)性強(qiáng)，造斜井段易發(fā)生井壁失穩(wěn)掉塊、起下鉆遇阻等復(fù)雜工況，進(jìn)一步增加了軌跡控制的難度。大井斜穿越泥砂巖互層嚴(yán)重井段時(shí)，由于地層傾角、地應(yīng)力等因素的影響，使得井下情況更加復(fù)雜[5-6]。

1.3 井控風(fēng)險(xiǎn)高

淺部氣層井區(qū)地層壓力系數(shù)較高，主要目的層為紙坊組和和尚溝組，壓力系數(shù)分別為1.55和1.33。氣層埋藏較淺，鄰井鉆遇最淺部氣層垂深僅200m。出現(xiàn)溢流或井涌時(shí)，報(bào)警信號(hào)反應(yīng)的時(shí)間短，天然氣可能在幾乎沒有報(bào)警的情況下到達(dá)地面，繼而發(fā)生井噴。表層一般是薄弱地層，若發(fā)生井噴，不能強(qiáng)行關(guān)井，易憋裂地層，使之失去控制，造成井噴、爆炸起火、燒毀鉆機(jī)等惡性事故[7]。由于上部地層膠結(jié)性較差，偶然的激動(dòng)壓力和循環(huán)壓耗就可以將地層壓漏，出現(xiàn)噴、漏同時(shí)發(fā)生的現(xiàn)象。根據(jù)Landmark軟件井控模擬結(jié)果（見圖1），二開最大允許溢流量為1.90m3，溢流量控制在1.90m3以下時(shí)上層管鞋處環(huán)空壓力小于套管鞋處的地層破裂壓力。

圖1 最大允許溢流量模擬計(jì)算圖

1.4 固井質(zhì)量難以保證

鉆井過程中，由于井眼鉆井斜角大（60°～70°），巖屑自身重力發(fā)生的沉降現(xiàn)象，使得井筒低邊非常容易形成巖屑床。完鉆后，井眼清潔度差，井壁光滑度較差，造成套管下入過程中摩阻較高，導(dǎo)致套管下入困難，且套管居中困難，頂替過程中頂替效率低，流速剖面非對(duì)稱分布，低邊鉆井液不易被替走，水泥漿中的游離液容易在環(huán)空高邊形成較長水帶，對(duì)固井質(zhì)量造成較大影響[8]。

由于地層埋深較淺，地層溫度較低，低溫條件下水泥水化速度慢，早期強(qiáng)度發(fā)展慢，水泥漿在凝結(jié)過程失重大、凝結(jié)過渡時(shí)間較長，淺層氣發(fā)育井段容易竄槽，造成上層套管環(huán)空帶壓。從該井區(qū)前期鉆井來看，固井質(zhì)量較差，部分井存在井口竄槽，環(huán)空帶壓，給后期作業(yè)帶來較高風(fēng)險(xiǎn)。

2 淺部氣層大斜度定向井鉆井關(guān)鍵技術(shù)

2.1 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要根據(jù)地層孔隙壓力和地層破裂壓力剖面，并充分考慮地層復(fù)雜情況等因素。根據(jù)淺部氣層井區(qū)各地層壓力系統(tǒng)、地層巖性及復(fù)雜地層分布，在延長組上部地層設(shè)置必封點(diǎn)，距離氣層頂部約30m。一開主要封隔上部黃土層及砂礫層，為二開鉆井液循環(huán)建立循環(huán)通道，并安裝井控設(shè)備，為淺層氣地層鉆進(jìn)提供井口控制條件[9]。

為滿足淺部氣層后效射孔開發(fā)需求，采用?139.7mm套管射孔完井，按照標(biāo)準(zhǔn)尺寸逐層確定各開次鉆頭和套管尺寸，并參考固井設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)淺部氣層井各層次套管水泥漿上返至地面。以1D井為例，井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見表1，一開鉆進(jìn)至170.5m中完，套管下入至170.0m；二開鉆進(jìn)至1078.0m完鉆，套管下入至1076.0m。

2.2 軌跡控制技術(shù)

表1 1D井身結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)表

根據(jù)區(qū)塊作業(yè)經(jīng)驗(yàn)，定向井軌跡按照“直—增—穩(wěn)”的三段制進(jìn)行設(shè)計(jì)，造斜點(diǎn)選擇在紙坊組上部相對(duì)穩(wěn)定的地層，1D井最大造斜率按照4°/30m進(jìn)行設(shè)計(jì)，最大井斜角65°。定向井施工過程中堅(jiān)持“邊鉆進(jìn)、邊測(cè)量、邊計(jì)算、邊預(yù)測(cè)”的原則，嚴(yán)格控制井眼軌跡，利用MWD隨鉆測(cè)量數(shù)據(jù)，及時(shí)修正井眼軌跡，為中靶留有一定的空間。為減少造斜井段鉆具剛性，鉆具組合設(shè)計(jì)時(shí)盡量減少鉆鋌數(shù)量，使用螺旋鉆鋌和加重鉆桿作為防卡鉆具組合并提供鉆壓。

針對(duì)地層上部以砂泥巖混合夾層為主，造斜率低特點(diǎn)，使用1.25°高造斜率馬達(dá)，并使用改進(jìn)型適用于軟泥巖地層的長保徑5刀翼19mm齒PDC鉆頭，兼顧了造斜率和機(jī)械鉆速兩方面的考慮。19mm系列專利切削齒，可以提高鉆遇硬夾層的能力，且高度拋光的切削齒減少巖屑與切削齒的粘附力，明顯改善巖屑的運(yùn)移狀況，提高鉆速和鉆進(jìn)效率。與刀翼布局相結(jié)合，采用五噴嘴設(shè)計(jì)，噴嘴直徑9mm，見圖2。噴嘴均布置在刀翼與刀翼之間，三個(gè)噴嘴在外側(cè)，射流方向與軸向形成45°夾角，這樣做的目的是為了充分清洗和冷卻鉆頭周圍的巖屑，能夠充分發(fā)揮外齒的保徑和井眼合理擴(kuò)大效果；另外兩個(gè)噴嘴在鉆頭底部，射流方向?yàn)檩S向；對(duì)井底巖屑進(jìn)行破壞、清洗和冷卻鉆頭。這樣的非等稱射流方向布局更利于進(jìn)行定向鉆進(jìn)[10]。

圖2 二開長保徑PDC鉆頭

在實(shí)際鉆進(jìn)過程中，為保證后期大井斜井段穩(wěn)斜效果，采用?213mm欠尺寸扶正器。實(shí)鉆二開鉆具組合為：?215.9mm PDC+172mmPDM+F/V+213mmSTB+定向接頭+165.1mmNMDC+165.1mmDC×7根+127mmHWDP×7根+127mmDP。

2.3 井眼清潔技術(shù)

大斜度定向井鉆井過程中，由于巖屑自身重力發(fā)生的沉降現(xiàn)象，使得井筒低邊非常容易形成巖屑床。而實(shí)際鉆遇的地層砂泥巖互層為主，鉆屑的水化分散性強(qiáng)，固相控制壓力大，進(jìn)一步增加了井眼清潔的難度。因此，在具體施工過程中，為及時(shí)清除鉆井巖屑，降低鉆井液中有害固相，需要從巖屑攜帶和鉆井液固相控制兩方面著手。

為提高巖屑攜帶能力，環(huán)空返速須達(dá)到0.8m/s以上，二開井段保持25～30L/s鉆進(jìn)排量，保持鉆井液低粘高切的流變性，使鉆井液具有足夠的結(jié)構(gòu)力，增強(qiáng)巖屑懸浮能力，降低巖屑沉降速度。鉆井過程中適時(shí)短起下作業(yè)，修整井壁的同時(shí)破壞剛形成的巖屑床，并根據(jù)實(shí)鉆情況掃稠塞攜砂。

針對(duì)淺層大斜度定向井的特點(diǎn)，采用“固控機(jī)械—化學(xué)絮凝—置換稀釋”相結(jié)合方法，綜合控制鉆井液中有害固相，保持井眼清潔。

2.4 防氣竄固井技術(shù)

為提高淺部氣層井段固井質(zhì)量，固井施工過程中采取如下技術(shù)措施：

（1）針對(duì)淺部氣層發(fā)育儲(chǔ)層固井氣竄風(fēng)險(xiǎn)，二開固井采用一次性全返工藝，水泥漿采用快凝防氣竄水泥漿體系，采取兩凝稠化，通過調(diào)整各段水泥漿的雙凝界面，來實(shí)現(xiàn)“壓穩(wěn)防漏”。領(lǐng)漿采用鎖水防氣竄水泥漿體系，控制稠化時(shí)間，在尾漿失重情況下提高壓穩(wěn)系數(shù)；尾漿采用鎖水防氣竄彈塑性短候凝水泥漿體系，提高尾漿段水泥環(huán)的抗韌性，實(shí)現(xiàn)即時(shí)稠化，稠化時(shí)間在90min以內(nèi)。加入晶格膨脹劑，降低凝固期間失重造成的氣竄風(fēng)險(xiǎn)，加入纖維封堵地層的微小孔隙，降低固井期間地層漏失風(fēng)險(xiǎn)。

（2）為確保固井候凝期間井口安全，提高封固質(zhì)量，二開固井選用TWF140型號(hào)套管封隔器，放置在表層套管與技術(shù)套管重疊段，封隔器上下各安放一個(gè)剛性扶正器，提高封隔器居中度。水泥漿頂替到位后緩慢憋壓，坐封封隔器，阻斷氣體上竄通道，保證表層套管與技術(shù)套管環(huán)空封固效果[11]。

（3）完鉆后通井保證井眼通暢、規(guī)則。起鉆前，利用稠塞清潔井眼，通過稠塞反推確定合理的井眼附加量。處理好鉆井液，降粘降切，降低鉆井液摩阻，通井過程中監(jiān)控鉆井液性能變化，判斷是否存在氣侵情況，并取得氣體上竄速度。套管到位后固井前大排量循環(huán)2周，充分?jǐn)y帶沉砂，在保證井下安全前提下盡量降粘降切，并保證井內(nèi)氣全量小于3%。

（4）合理設(shè)置扶正器，保證套管良好的居中度，降低套管與井壁的接觸面。設(shè)計(jì)每3根套管安放1只扶正器，上層套管距離套管鞋內(nèi)約10m位置及距離地面約10m位置各加放一只剛性扶正器。1D井全井共下入彈性雙弓扶正器18只，剛性扶正器3只。

（5）控制下套管速度，每根套管下放速度控制在1m/s。

（6）合理設(shè)計(jì)隔離液和水泥漿漿柱，控制循環(huán)和固井排量，采用塞流頂替模式減小漏失風(fēng)險(xiǎn)。隔離液與鉆井液有良好的相容性，密度高于鉆井液密度的0.24g/cm3，長度保證紊流接觸時(shí)間7～10min。

3 現(xiàn)場應(yīng)用效果

1D井作為該井臺(tái)第一口完鉆的淺部氣層大斜度定向井，設(shè)計(jì)完鉆井深1078m，最大造斜率4°/30m，最大井斜角65°。鉆井過程中通過對(duì)鉆具組合優(yōu)化、鉆井液性能優(yōu)化、固井工藝優(yōu)化等針對(duì)性措施，二開井段一只鉆頭、一套鉆具組合、一趟鉆完成鉆進(jìn)作業(yè)，實(shí)際完鉆井深1080m，二開平均機(jī)械鉆速13.4m/h，比前期同井段鉆速提高近20%。該井鉆至210m即有氣測(cè)顯示，最上部氣層僅為310m。根據(jù)測(cè)斜結(jié)果，該井最大井斜角66°，中靶靶心距7.1m，達(dá)到了井身質(zhì)量控制要求，見圖3。根據(jù)固井質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果，二開水泥返深地面，固井質(zhì)量優(yōu)質(zhì)，為后續(xù)的完井作業(yè)提供了良好的井筒條件。

圖3 實(shí)鉆軌跡與設(shè)計(jì)軌跡圖

4 結(jié)束語

臨興區(qū)塊淺部氣層井區(qū)大斜度定向井鉆井存在地質(zhì)層系多、巖性復(fù)雜、井壁穩(wěn)定性差、井眼軌跡控制困難、井控風(fēng)險(xiǎn)高、固井質(zhì)量難以保證等作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。鉆井施工前必須對(duì)整個(gè)施工過程進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)，通過軌跡優(yōu)化、鉆具優(yōu)選、實(shí)時(shí)跟蹤調(diào)整實(shí)現(xiàn)對(duì)井眼軌跡的精確控制；通過水泥漿體系優(yōu)選以及管外封隔器的使用，保證固井質(zhì)量與施工安全。本文通過對(duì)淺部氣層大斜度定向井設(shè)計(jì)與現(xiàn)場施工，形成了適合于淺部氣層大斜度定向井配套鉆井技術(shù)，對(duì)后續(xù)開發(fā)井的實(shí)施具有指導(dǎo)作用，對(duì)同類氣層的開發(fā)具有借鑒意義。