杭錦旗區(qū)塊錦58井區(qū)二級井身結(jié)構水平井優(yōu)快鉆井技術研究與應用

馮永超

（中國石化華北油氣分公司石油工程技術研究院，河南鄭州450000）

杭錦旗區(qū)塊十里加汗區(qū)帶錦58井區(qū)為中國石化華北油氣分公司探明的重點區(qū)塊，下石盒子組儲層埋深約3100m，屬致密砂巖氣藏。該區(qū)塊地質(zhì)特征復雜，縱向發(fā)育中生界—古生界全套地層，地層非均質(zhì)性強，易漏、易塌層多。其中上古生界劉家溝組—石盒子組以砂泥巖為主，地層疏松。劉家溝組與石千峰組為三疊系與二疊系交界面，也是中生界和古生界的交界面，裂縫發(fā)育，橫向連通性強，地層整體承壓能力低、易漏。石千峰組、石盒子泥巖呈硬脆性層理狀分布，易發(fā)生剝落破碎。為實現(xiàn)儲層有效動用，達到效益開發(fā)，滿足儲層二次改造的要求，在分析杭錦旗錦58井區(qū)地層特征的基礎上，開展二級井身結(jié)構套管固井完井現(xiàn)場試驗，采取了井壁穩(wěn)定、防漏堵漏和長裸眼井段井眼軌跡控制等技術措施，并實驗應用了鉆井提速新技術，初步形成了杭錦旗區(qū)塊復雜地層二級井身結(jié)構水平井鉆井技術，2017年順利完成了3口復雜地層二級井身結(jié)構水平井的鉆井作業(yè)，完鉆平均鉆井周期47.94d，較2016年杭錦旗水平井平均鉆井周期縮短32.56%。

1 鉆井技術難點

1.1 劉家溝破碎性地層易漏

杭錦旗區(qū)塊古生界劉家溝組地層埋深2400～2600m，厚度約200m，巖性以砂泥巖互層為主。地質(zhì)構造運動分析與成像測井解釋結(jié)構表明：劉家溝與石千峰交界面是三疊系和二疊系交界面，同時也是中生界和古生界的交界面，地質(zhì)沉積環(huán)境和氣候環(huán)境變化巨大，造成區(qū)域內(nèi)裂縫發(fā)育，裂縫以水平界面縫和鉆井誘導縫為主。

1.2 石千峰組、上石盒子組泥巖易垮塌

石千峰組、上盒子組泥巖破巖時表現(xiàn)為硬脆性，掉塊明顯，隨著鉆井液濾液的侵入，逐漸變軟吸水膨脹，隨著循環(huán)漿沖刷極易形成大肚子或鍵槽。利用伽馬能譜測井及現(xiàn)場巖性返出情況研究表明：本區(qū)主要垮塌層位石千峰及上石盒子、下石盒子組泥巖，泥巖以層理狀為主，垮塌地層含易膨脹的蒙脫石，上石盒子組含易剝落掉塊的伊蒙混層和高嶺石，泥巖水敏性強，宜吸水剝落掉塊，井筒失穩(wěn)風險較大。

1.3 裸眼段存在窄負安全密度窗口

易漏層與易塌層處于同一裸眼井段，井漏和井壁失穩(wěn)相輔相成，漏塌處理難度大，造成鉆井復雜處理時間大于裸眼段泥巖坍塌周期，進一步惡化井壁失穩(wěn)情況。其中，錦58井區(qū)上部易漏地層漏失壓力最低至1.10g/cm3，下部坍塌壓力最高至1.25g/cm3,僅通過調(diào)節(jié)鉆井液密度實現(xiàn)一體化防漏抑塌難度大。其中防漏堵漏技術措施實施過程中通過降低鉆井液密度易引發(fā)井壁坍塌、處理漏失浸泡時間長易引發(fā)失穩(wěn)、而鉆井液體系高失水易造成泥巖破碎。而在井壁坍塌處理過程中大排量循環(huán)和劃眼壓力激動引發(fā)井漏，增加了復雜處理難度。杭錦旗錦58井區(qū)安全密度窗口分布見表1。

表1 杭錦旗錦58井區(qū)安全密度窗口分布表

1.4 二級井身結(jié)構井水平段摩阻大

杭錦旗錦58井區(qū)二級井身結(jié)構水平井裸眼段長3600～3800m，斜井段累計泥巖段長700～800m，井壁易失穩(wěn)。且長裸眼水平段大于600m后摩阻系數(shù)和摩阻急劇增大，后期托壓扭矩大，施工緩慢，延長泥巖的浸泡時間，造成泥巖段井漏井垮。杭錦旗錦58井區(qū)二級井身結(jié)構水平井水平段延伸模擬計算結(jié)果如表2所示。

2 優(yōu)快鉆井技術

表2 杭錦旗錦58井區(qū)二級井身結(jié)構水平井水平段延伸模擬計算

2.1 上部地層低承壓防漏堵漏技術

基于成像測井數(shù)據(jù)，細化杭錦旗區(qū)塊裂縫分布特征認識，引入二次正應力裂紋起裂及臨界能量釋放率裂縫延伸準則，采用有限元模擬巖石的三維復合裂縫起裂與擴展。建立劉家溝組裂縫擴展規(guī)律模型，明確劉家溝組裂縫延展特征：誘導縫延展規(guī)則，延展長度0.5～0.9m，延展裂縫方位70°～80°，裂縫寬度在0.001～1cm，橫向連通性強。

同時由于錦58井區(qū)地質(zhì)構造復雜，橫向基于儲集層三維地震剖面描述和該區(qū)域地層連續(xù)發(fā)育的認知，構建劉家溝組地質(zhì)構造剖面，縱向基于區(qū)域單井成像測井裂縫識別和走向刻畫，結(jié)合實際鉆井區(qū)域漏失分布和區(qū)域特殊測井解釋，精細描述錦58井區(qū)高、中、低漏失風險區(qū)域劃分，為防漏堵漏技術的優(yōu)選提供依據(jù)。杭錦旗錦58井區(qū)漏失區(qū)域劃分如表3所示。

根據(jù)堵漏材料進入地層裂縫所表現(xiàn)的以“力鏈”為核心的多尺度特征，結(jié)合中、低漏失風險區(qū)易漏地層漏失特征，開展防漏堵漏配方研究。分別形成了以纖維布網(wǎng)、剛性充填、彈性承壓，實現(xiàn)網(wǎng)格護壁的高承壓防漏配方（纖維∶片狀∶剛性∶彈性=2∶2∶4∶5）和以纖維布網(wǎng)、片狀架橋、變形+彈性充填、剛性承壓、延遲膨脹有效應對裂縫誘導開啟強力鏈堵漏配方（纖維∶片狀∶彈性∶剛性∶延遲膨脹=2∶2∶4∶5∶3）。

由于劉家溝組裂縫連通性強，一旦發(fā)生漏失，具有漏速快、漏失量大、堵漏困難的特征。針對高漏失風險區(qū)，在固井水泥堵漏的基礎上，應用纖維架橋、膨脹填充和水泥固結(jié)的原理，形成纖維水泥KPD（G級水泥+降失水劑+緩凝劑+復合纖維增韌劑+晶格膨脹劑+分散劑+消泡劑）和高失水ZYSD專項堵漏技術，且根據(jù)鉆井工況選擇專項堵漏技術：其中KPD適用于鉆遇劉家溝組發(fā)生漏失進行專項堵漏，ZYSD適用于鉆穿劉家溝組進入下部泥巖段由于壓差導致劉家溝組漏失的專項堵漏。杭錦旗錦58井區(qū)不同漏失特征承壓防漏堵漏配方如表4所示。

表3 杭錦旗錦58井區(qū)漏失區(qū)域劃分

表4 杭錦旗錦58井區(qū)承壓防漏堵漏配方

2.2 下部泥巖井段防塌鉆井液技術

基于礦物組分和理化性能分析測試，開展下部泥巖工程地質(zhì)特征研究，明確地層井壁失穩(wěn)機理和鉆井液體系優(yōu)化方向。

劉家溝組、石千峰組、石盒子組巖屑中粘土礦物（32.25%）含量較高，粘土礦物中伊蒙混層（69.87%）、伊利石（22.5%）含量最高，水化膨脹、分散性礦物較多，鉆井液要求極強的抑制分散能力。泥巖微裂縫較為發(fā)育（長10～100μm，寬2～10μm），外力的作用下易沿微裂縫破裂，濾液侵入后，降低了泥巖強度，進一步失穩(wěn)，為鉆井液優(yōu)先水化提供了天然通道，嚴控鉆井液體系濾失量和封堵能力，封堵地層微裂縫，防止鉆井液濾液侵入地層，延長坍塌周期。下盒子組紅褐色泥巖易水化、分散，回收率低（52.45%）；灰色泥巖微裂縫發(fā)育易剝落，回收率高（90.75%），鉆井液鉆遇泥巖需較強的抑制泥巖水化分散能力。

基于古生界泥巖組構特征綜合分析，結(jié)合“多元協(xié)同”井壁穩(wěn)定理論，提出“物化封/固井壁阻緩壓力傳遞和濾液侵入—加強抑制表面水化—合理密度有效應力支撐”防塌鉆井液技術對策，兼顧鉆井液高性能與成本問題。采用減少泥巖與鉆井液濾液接觸的方法，降低泥巖水化。通過室內(nèi)實驗對聚胺抑制劑SDJA、包被抑制劑BLZ-1、瀝青類柔性封堵防塌劑SDFT等3種關鍵處理劑的性能進行了評價，并確定了其加量，形成了下部泥巖井段防塌鉆井液配方：4%膨潤土漿+0.2%NaOH+0.2%PAC-LV＋0.2%強力包被劑BLZ-1+1.0%NH4-HPAN+2%SD201＋4%SDFT＋2%SD?JF+2%細目鈣+0.5%SDJA+1%GR（石灰石加重至1.13g/cm3）。室內(nèi)實驗結(jié)果表明，泥巖在該防塌鉆井液中的線性膨脹率為4.37%，巖屑滾動回收率為96.49%，與常規(guī)鉀銨基鉆井液相比，線性膨脹率降低了2.99%，滾動回收率提高了13.57%。且優(yōu)化體系老化后極壓潤滑系數(shù)（0.5010）和泥餅粘滯系數(shù)（0.2323），潤滑性能進一步優(yōu)化。聚銨體系對100μm裂縫承壓能力大于6MPa，在砂床中的侵入深度僅為0.8cm。下部泥巖井段防塌鉆井液的基本性能如表5所示。

表5 下部泥巖井段防塌鉆井液的基本性能

2.3 鉆井提速技術

2.3.1 井眼軌道優(yōu)化

杭錦旗區(qū)塊水平井的造斜段位于劉家溝組至石盒子組整個復雜地層，隨著杭錦旗區(qū)塊針對性的井眼穩(wěn)定技術不斷優(yōu)化，鉆完井井筒穩(wěn)定性的不斷提高，通過大斜度導眼井壁穩(wěn)定性論證、全井筒井眼軌道設計和防漏防塌技術措施研究，明確了大斜度導眼最大井斜70°～75°，主井眼自70°井斜側(cè)鉆的軌道設計方法，有效減少導眼段報廢進尺。主井眼采用雙增式軌道，第一增斜段即導眼重復利用井段造斜率設計為5°/30m，導眼70°側(cè)鉆后穩(wěn)斜鉆進50～80m，主探目的層有效砂頂，進入目的層后全力增斜至A靶點，造斜率5.5°～6.0°/30m。

2.3.2 高效PDC鉆頭優(yōu)化

常規(guī)PDC鉆頭是整體式鉆頭，隨鉆具震動橫向位移偏移量大，方位不穩(wěn)定，且下部泥巖地層適應性差，鉆頭易泥包，不適合在長裸眼水平井中應用。為此結(jié)合杭錦旗區(qū)塊巖石可鉆性極值，針對中生界強研磨性地層，優(yōu)選JRDP1655J和S1655FGA2胎體結(jié)構、高切屑齒PDC鉆頭。針對古生界硬脆性泥巖，優(yōu)選M1655GG型剛體結(jié)構PDC鉆頭，有效促進巖屑返排，預防泥包，該型鉆頭有獨特的剛體結(jié)構——窄高的刀翼設計，能有效促進巖屑的返排，特殊的切削面接觸——中突的刨面流線、平直的刀翼形狀，能有效提升鉆進效率、增強鉆頭的操控性。

2.3.3 短彎螺桿與隨鉆測量工具的優(yōu)選

杭錦旗區(qū)塊上部地層泥巖發(fā)育，鉆井井壁失穩(wěn)嚴重，工具面擺放較為困難，對定向儀器要求高。為此，造斜段鉆井選用1.5°短彎螺桿，自帶222.3mm穩(wěn)定器的有效長度為160.0mm，彎點至底部的距離為975.0mm，定向復合鉆井比例達6∶4，有效提高定向效率。

同時斜井段易發(fā)生漏失，優(yōu)選EMMWD隨鉆測量工具，特殊的結(jié)構設計實現(xiàn)防堵漏條件下數(shù)據(jù)有效傳輸，有效傳輸距離為5000m。避免常規(guī)堵漏起下鉆換鉆具組合，實現(xiàn)邊定向邊堵漏，且表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。

2.3.4 減摩降阻技術

應用減摩降扭工具，實現(xiàn)長裸眼水平段有效延伸。選用鉀基聚合物鉆井液體系，利用該鉆井液良好的潤滑性降低摩阻。采用不帶穩(wěn)定器的柔性鉆具組合，減少鉆具與井壁的接觸面積，以降低摩阻。

3 現(xiàn)場應用

杭錦旗區(qū)塊錦58井區(qū)2017年完鉆3口二級井身結(jié)構水平井——JPH-404、PH-405和JPH-423井。三口二級井身結(jié)構井平均鉆井周期47.94d，較2016年杭錦旗水平井平均鉆井周期縮短32.56%。

（1）防漏堵漏效果顯著。3口二級井身結(jié)構水平井采用三元復合隨鉆防漏方式鉆穿劉家溝破碎性地層。JPH-405、JPH-423井在鉆井液中加入1%～2%纖維+2%DF-1，井底循環(huán)當量密度控制在1.25g/cm3左右，沒有發(fā)生漏失。JPH-404井加入2%竹纖維+1%SRD+2%DF-1，井底循環(huán)最高當量密度控制在1.28g/cm3左右，無漏失情況發(fā)生，地層穩(wěn)定。

（2）防塌效果顯著。水平段鉆遇大段泥巖是二級井身結(jié)構井保證井眼穩(wěn)定最大的挑戰(zhàn)。3口二級井身結(jié)構井現(xiàn)場實施過程中，二開水平段均采用優(yōu)化后的密度1.20～1.25g/cm3的防塌鉆井液體系，整體鉆井過程中斜井段井壁穩(wěn)定，平均井徑擴大率8.3%。水平段JPH-405井鉆遇98m泥巖后完鉆，水平段長867m，JPH-404和JPH-423水平段分別鉆遇89m、97m大段泥巖后地質(zhì)回填側(cè)鉆，整體水平段井筒穩(wěn)定，無嚴重掉塊阻卡等井壁失穩(wěn)現(xiàn)場發(fā)生。

（3）井眼軌跡控制效果良好。3口井均采用螺桿定向鉆具組合，全部命中靶區(qū)，井眼軌跡與設計軌道符合率達85%以上。其中JPH-423作為JPH-404老井場后續(xù)施工的叢式井，最近距離0.21m（位于JPH-404實鉆井深2721.43m），二者在一開直井段及二開井段軌道存在大段交叉及相鄰情況，JPH-423施工過程中，二開從600m開始進行定向造斜繞障（造斜率2.9°/30m，方位345°），鉆至751.65m進行降斜鉆進（井斜變化率2.9°/30m，方位345°），鉆至第1控制點903.31m（井斜0°）后進行直井段鉆進，鉆至造斜點2704.81m，采用造斜率5.56°/30m單增定向造斜入A靶點，穩(wěn)斜鉆達B點完鉆。

4 結(jié)論與建議

（1）基于強力鏈網(wǎng)絡的防漏堵漏技術，可在一定程度抑制劉家溝組裂縫開啟，降低漏失風險，可有效提高劉家溝地層漏失壓力當量密度由1.08g/cm3至1.12g/cm3。

（2）使用加入聚胺抑制劑SDJA的聚銨鉆井液體系，可有效解決下部泥巖地層井壁失穩(wěn)的問題。

（3）現(xiàn)場3口井的應用表明，杭錦旗區(qū)塊錦58井區(qū)二級井身結(jié)構水平井鉆井技術能夠滿足長裸眼水平井安全高效鉆井的需求，能顯著縮短鉆井周期，提速提效。