大寧-吉縣地區(qū)致密氣水平井優(yōu)快鉆井技術(shù)探討

張曉明，王靜雙，楊馥蔓，許軍富

（1.中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院,山東東營 257017；2.中石化勝利石油工程有限公司,山東東營 257017）

鄂爾多斯盆地大寧-吉縣區(qū)域構(gòu)造位置屬于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡東部,構(gòu)造整體呈向西傾的斜坡。井區(qū)構(gòu)造為一大型寬緩西傾單斜,地層平緩。山西組為天然氣勘探的主要目的層,屬于典型的致密砂巖氣藏［1-3］,巖性主要為淺灰色中—粗粒石英砂巖,孔隙類型以殘余粒間孔、高嶺石晶間孔為主,孔隙度一般4%～8%,平均滲透率一般（0.3～2.0）×10-3μm2。鄰井鉆探、地震資料表明,該區(qū)山2 段石英砂巖儲層發(fā)育,分布穩(wěn)定。氣藏埋深較深（＞2 000 m）,鉆遇地層復雜,漏失、井壁失穩(wěn)、卡鉆頻繁出現(xiàn),甚至埋旋導儀器,導致水平井施工難度和風險增大。通過對已完鉆的5口水平井的鉆井情況進行分析,為鄂爾多斯盆地大寧-吉縣地區(qū)致密氣水平井的開發(fā)提供了寶貴的開發(fā)經(jīng)驗。

1 鉆井概況

大寧-吉縣地區(qū)鉆遇地層自上而下依次為：新生系、三疊系（延長組、紙坊組、和尚溝組、劉家溝組）、二疊系（石千峰組、石盒子組、山西組、太原組）、石炭系（本溪組）、奧陶系（馬家溝組）等,地表出露主要為新生系。大寧-吉縣地區(qū)致密砂巖氣開發(fā)主要集中在大寧-吉縣區(qū)塊,最初井身結(jié)構(gòu)大多采用導管+三開制,各開次套管下深及原則為：導管封上部易漏失黃土層,套管下入延長組基巖內(nèi)10 m；一開封固延長組上部地層,建立井口安裝防噴器；二開封固劉家溝組、石千峰組易漏層,套管下入石盒子泥巖段,為三開鉆井提供有利條件（見表1）。隨著勘探開發(fā)不斷深入,在滿足鉆井安全的基礎(chǔ)上,不斷優(yōu)化井身結(jié)構(gòu),通過縮小井眼尺寸,減少大尺寸井眼長度來實現(xiàn)鉆井提速（見圖1）。

表1 實鉆井井身結(jié)構(gòu) mm

圖1 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

針對該區(qū)塊的自身地質(zhì)特征,從井身結(jié)構(gòu)、鉆頭優(yōu)選、導向工具和鉆井參數(shù)等方面進行了研究和實踐,形成了適合大寧-吉縣地區(qū)的優(yōu)快鉆井技術(shù),取得了一定的提速提效效果。

1.1 鉆井周期分析

目前,5 口完鉆井主要集中在大寧-吉縣區(qū)塊,平均完鉆井深3 176 m,水平段長856 m,最短鉆井周期為49.54 d（見圖2、圖3）。

圖2 鉆井周期對比分析

圖3 各開次鉆井周期對比分析

除DP8 井采用常規(guī)動力鉆具導向鉆具組合外,其他井均采用旋轉(zhuǎn)導向鉆井。最長鉆井周期85.8 d,最短49.54 d。二開鉆井周期最長24.92 d,最短7.73 d,平均14.58 d；三開鉆井周期最長48.54 d,最短30.21 d,平均41.09 d。DP8 井除去因處理復雜情況及停待等因素,三開鉆井周期為28.60 d。從鉆井周期上來看,提速提效的關(guān)鍵井段在三開。

1.2 機械鉆速分析

二開機械鉆速最高12 m/h,最低3.77 m/h,平均6.35 m/h；三開機械鉆速最高4.50 m/h,最低2.01 m/h,平均2.95 m/h,旋轉(zhuǎn)導向鉆井技術(shù)（DP5 井）比常規(guī)螺桿定向（DP8 井）機械鉆速提高17%（見圖4）。結(jié)合進尺、施工難度進行分析,提速的關(guān)鍵井段是在二開和三開。

從鄰井實鉆情況,結(jié)合鉆井周期、機械鉆速的對比分析,制約提速提效的關(guān)鍵因素是井下復雜情況和提速工具的選型,因此,應優(yōu)選高效鉆頭以提高機械鉆速,減少起下鉆次數(shù)；優(yōu)選高性能鉆井液以維護井壁穩(wěn)定,減少復雜情況發(fā)生；采用旋轉(zhuǎn)導向鉆井方式降低摩阻,減少因托壓而耗費的定向輔助時間,提高鉆井效率。

2 優(yōu)快鉆井關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)大寧-吉縣區(qū)塊地層巖性、地層復雜情況的特點,充分研究借鑒鄰近區(qū)塊的鉆井技術(shù)經(jīng)驗,探索并初步形成了一套適合該地區(qū)的鉆井技術(shù)。

2.1 地質(zhì)導向技術(shù)

利用實時采集的地質(zhì)參數(shù),與鉆前地質(zhì)建模進行對比分析,根據(jù)需要及時調(diào)整井眼軌跡,引導鉆頭準確鉆達目的層,并確保鉆頭最大限度在油氣層中鉆進。地質(zhì)導向技術(shù)的運用,及時、準確地了解地質(zhì)變化狀況,在此基礎(chǔ)上再對相關(guān)參數(shù)進行校正,有利于提高儲層鉆遇率［4-6］。常規(guī)導向工具（LWD+螺桿）在滑動鉆進時摩阻大、托壓嚴重、軌跡調(diào)整困難,而旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)（井下無復雜情況）可有效克服來自井下的摩阻而提高機械鉆速。

水平井開發(fā)對目標層地質(zhì)特征特別是目標層砂體展布方向的掌握要求嚴格［7］。DP8井設(shè)計施工中吸取前期鉆井教訓,采用常規(guī)導向工具,通過地質(zhì)與工程一體化導向技術(shù),基于地質(zhì)模型,修正了靶點深度（見圖5）。設(shè)計A 靶較模型偏淺17 m,設(shè)計B 靶較模型偏淺9 m,設(shè)計地層傾角1.4°,模型地層傾角1.9°。鉆井施工過程中,根據(jù)巖性標志層和模型反演伽馬曲線對比實時跟蹤,實鉆與模型吻合程度高,著陸點深度較模型偏淺0.5 m,根據(jù)實鉆目的層數(shù)據(jù),校正地層傾角約1.9°,順利進入儲層。在水平段鉆進過程中,根據(jù)氣層顯示共進行了4 次軌跡調(diào)整（見圖6）,最大限度地保證軌跡在良好氣顯示層段內(nèi)穿行。全井儲層鉆遇率100%,氣層鉆遇率達到97%以上。

圖5 地質(zhì)工程一體化軌跡導向

圖6 水平段4次軌跡調(diào)整

2.2 減摩降阻工藝技術(shù)

2.2.1 摩阻扭矩分析

應用Landmark 軟件計算摩阻扭矩,對待鉆設(shè)計井眼軌道進行摩阻扭矩分析,有利于優(yōu)選摩阻扭矩較小的施工剖面,及時調(diào)整鉆具組合、工程技術(shù)措施和鉆井液性能,以降低裸眼段摩阻系數(shù),改善井下環(huán)境,確保施工順利［8］。對DP8 井三開井段進行摩阻扭矩計算分析。模擬計算條件如下：

井身結(jié)構(gòu)：?177.8 mm 套管×1 900 m+?152.4 mm裸眼×3 275 m；

鉆具組合：?152.4 mm 鉆頭+?127 mm1.25°螺桿+?101.6 mm 無磁承壓鉆桿+?101.6 mm 鉆桿×108根+?101.6 mm加重鉆桿×21根+?101.6 mm鉆桿；

鉆井參數(shù)：鉆壓40 kN,鉆頭扭矩2 000 N·m,排量15 L/s；套管內(nèi)摩阻系數(shù)0.20,裸眼段摩阻系數(shù)分別取0.30、0.35、0.40、0.45、0.50；水基鉆井液密度：1.25 g/cm3；裸眼段井眼擴大率為3%。模擬計算結(jié)果見表2。

表2 水平裸眼段不同摩阻系數(shù)下的摩阻扭矩數(shù)據(jù)

鉆進至井深3 100 m 時,現(xiàn)場實測復合鉆進扭矩約9 460 N· m,上提摩阻約98 kN,下放摩阻約140 kN,表2 中反算出的裸眼段摩阻系數(shù)約0.35～0.40。根據(jù)反算的摩阻系數(shù),積極采取降低摩阻扭矩的措施,從而指導后續(xù)施工。

2.2.2 減摩降阻方法和工具

水平井施工過程中,鉆井液潤滑性差、重力影響使鉆柱與井壁的摩阻增大是產(chǎn)生托壓現(xiàn)象的主要原因。隨著井斜角的不斷增大,通過采用“LWD+螺桿”柔性倒裝鉆具組合和井下輔助減摩降阻工具（如防磨接頭、水力振蕩器）來緩解托壓,有利于鉆壓的傳遞,實現(xiàn)控制鉆井參數(shù)來調(diào)整井眼軌跡,提高復合鉆進比例,實現(xiàn)位移的有效延伸。DP8 井水平段進尺805 m,滑動進尺92 m,滑動進尺比例11.43%,有效減輕托壓現(xiàn)象。

2.3 高效提速工具優(yōu)選技術(shù)

高效鉆頭是提高水平井機械鉆速的關(guān)鍵,只有鉆頭與地層相匹配才能真正實現(xiàn)鉆井提速［9-10］。石盒子組和山西組上部主要為泥巖井段,可鉆性差,嚴重影響機械鉆速,同時斜井段對鉆頭造斜能力、穩(wěn)定性和導向性都提出了較高的要求。太原組地層以灰?guī)r或泥灰?guī)r為主,夾灰色石英砂巖與碳質(zhì)泥巖,巖石可鉆性較差,鉆頭磨損嚴重。

綜合考慮地層巖性、巖石力學參數(shù)、鉆井參數(shù),從提高切削齒抗研磨性、降低切削齒受到的沖擊載荷出發(fā),對鉆頭進行了優(yōu)選。從表3 鉆頭的使用效果來看,鉆頭的優(yōu)選方案達到預期效果。

表3 完鉆井鉆頭使用情況

2.4 高性能鉆井液技術(shù)

根據(jù)地層巖性及附近區(qū)塊已完鉆井的實鉆資料分析,該區(qū)塊鉆井需要考慮以下重點情況：

（1）上部地層黏土含量高,滲透性強,鉆井過程中易造漿,易縮徑；

（2）劉家溝組易漏失,石盒子組易坍塌卡鉆；

（3）山西組、太原組炭質(zhì)泥巖、煤層掉塊坍塌；

（4）裸眼段長,定向摩阻大導致托壓。

2.4.1 二開鉆井液要點

針對劉家溝組的漏失,在進入該層前,提前加入隨鉆類堵漏材料+超細碳酸鈣,鉆井液黏度40～45 s；發(fā)現(xiàn)惡性漏失時,泵入8%～10%橋塞堵漏劑+1%速封堵漏劑+2%隨鉆堵漏劑,起鉆至漏層上部建立循環(huán),加入復合堵漏材料和隨鉆堵漏材料,井下正常后恢復鉆進；保持鉆井液中堵漏劑含量,鉆穿劉家溝、石千峰組地層。

2.4.2 三開鉆井液要點

若鉆井液封堵性和抑制性不足,可能導致炭質(zhì)泥巖、煤層吸水膨脹、掉塊嚴重而造成垮塌［11］。因此,進入煤層前鉆井液黏度應控制在60～70 s,加入超細碳酸鈣或者隨鉆屏蔽劑類處理劑+乳化石蠟。鉆井液降濾失材料的選取對體系潤滑性和流變性產(chǎn)生約束,處理劑間產(chǎn)生不配伍,且潤滑劑不能及時添加,易造成托壓等復雜情況［12］。調(diào)整好鉆井液流變性,使鉆井液維持合適的黏切,以利快速鉆進并保持適當?shù)臎_刷能力,提高攜巖效率。

3 致密氣水平井提速探討

3.1 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的原則是：封堵易漏、易坍塌地層；盡可能提高機械鉆速、降低鉆井成本；井眼軌跡便于控制,精確中靶［13］。大寧-吉縣區(qū)塊地層劉家溝組、石千峰組易漏,石盒子組下部、山西組煤系地層失穩(wěn)垮塌。前期施工基本解決了劉家溝組的漏失層封固問題,仍存在石盒子組煤層坍塌問題,增加了三開長裸眼井段的施工難度,井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化如下（見圖7）。

圖7 井身結(jié)構(gòu)

一開選用?346.1 mm 鉆頭鉆進,下入?273.1 mm表層套管,封隔延長組上部地層。

二開選用?222.3 mm 或?215.9 mm 鉆頭鉆進,下入?177.8 mm 技術(shù)套管到A 靶點,完全封堵劉家溝組、石盒子組,為水平段鉆進創(chuàng)造安全條件。

水平段井眼尺寸為?155.6 mm,裸眼完井,下入?114.3 mm的壓裂管柱,分段壓裂。

3.2 目的層導向工具

水平井軌跡控制常用的導向方式主要有常規(guī)LWD 和旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng),兩種導向工具各有優(yōu)勢,前者成本相對較低,后者在降低摩阻扭矩、提高井眼圓滑度和機械鉆速方面有優(yōu)勢（見表4）。

表4 兩種井眼軌跡控制方式對比

如果井下狀況良好（無漏失、坍塌）的情況下,應用旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)鉆進,在提高機械鉆速的同時,可避免常規(guī)螺桿鉆具摩阻過高、滑動鉆進慢、容易產(chǎn)生不規(guī)則井眼等問題,降低了后期完井作業(yè)的風險［14］,但是若井段較短,則綜合成本高。

大寧-吉縣區(qū)塊地層復雜,漏失、坍塌、卡鉆時有發(fā)生,甚至造成儀器埋井事故,旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)的使用具有很大風險；而且,國內(nèi)旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)主要依賴國外技術(shù),服務費用高。

因此,在導向工具的選擇上,要加強地質(zhì)與工程的結(jié)合,以少調(diào)整軌跡、保證軌跡平滑、提高機械鉆速、降低工程風險為目標［15］。在水平井靶點設(shè)計時,尋找最優(yōu)的地質(zhì)甜點和工程甜點；對于儲層認識比較清楚的井,可直接選用常規(guī)LWD 施工,降低成本,而對地層認識不清、產(chǎn)狀變化大的水平井,可以優(yōu)先考慮旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)［16］。

3.3 三開小井眼尺寸的探討

應用Landmark 軟件對?155.6 mm 井眼與? 152.4 mm 井眼進行水力參數(shù)計算,從排量、攜巖效率方面對比分析（見表5）。相同排量下,?155.6 mm井眼泵壓較低,?152.4 mm 井眼環(huán)空返速較快。對比顯示?155.6 mm井眼具有以下優(yōu)勢：

表5 兩種井眼泵壓及環(huán)空返速對比

（1）降低環(huán)空壓耗,可進一步增加排量,有利于攜巖和提高機械鉆速；

（2）增加了環(huán)空間隙,有利于處理井下復雜情況；

（3）有利于套管的下入,降低開泵困難、憋泵等風險；

（4）增加套管與井壁間隙,有利于提高固井時的排量、降低施工泵壓和施工風險,提高固井質(zhì)量。

因此,在綜合考慮排量、攜巖效率、環(huán)空返速及處理復雜情況方面,?155.6 mm 井眼更有利于安全優(yōu)快鉆井。

4 結(jié)論與建議

（1）將三維地質(zhì)建模與地質(zhì)導向技術(shù)相結(jié)合,能減少油藏地質(zhì)設(shè)計與實鉆誤差、提高水平井儲層鉆遇率、提高單井產(chǎn)量。應加強對隨鉆地質(zhì)導向技術(shù)的應用,及時準確分析地層,指導水平井施工。

（2）鉆井配套集成技術(shù)是致密氣優(yōu)快鉆井的關(guān)鍵,在井下正常情況下旋轉(zhuǎn)導向鉆井系統(tǒng)能顯著降低摩阻扭矩、提高井眼圓滑度和提高機械鉆速,更有利于鉆井提速提效。

（3）通過優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)、優(yōu)選高效鉆頭等技術(shù)方案,采用短程起下鉆、分段循環(huán)、通井等技術(shù)措施保障了井眼暢通和井下安全。