勝北區(qū)塊致密氣藏小井眼水平井優(yōu)快鉆井技術(shù)攻關(guān)

陳 芳 楊玉娟 顏濤濤 趙前進(jìn) 王小飛 席俊卿

1.中國石油吐哈油田公司工程技術(shù)研究院 2.中國石油測井公司吐哈分公司

0 引言

“十三五”以來，吐哈油田勘探開發(fā)全面進(jìn)入非常規(guī)時(shí)代，勘探開發(fā)不斷向深層、超深層和復(fù)雜類型油氣藏轉(zhuǎn)移。勝北構(gòu)造帶致密氣藏是近兩年吐哈油田重點(diǎn)建產(chǎn)領(lǐng)域之一，前期評(píng)價(jià)井均獲得了較高的日產(chǎn)氣量和工業(yè)油流。勝北構(gòu)造帶的主要目的層中侏羅統(tǒng)七克臺(tái)、三間房組氣藏儲(chǔ)量豐度低，埋深較深（4 200～4 600 m），地質(zhì)條件復(fù)雜，存在異常高壓現(xiàn)象，鉆井中“阻、卡、塌、漏”等復(fù)雜事故頻發(fā)。為了保證鉆井安全且滿足壓裂施工需求，水平井鉆井采用三開大井眼井身結(jié)構(gòu)，但鉆井周期長、成本高，復(fù)雜事故頻發(fā)，無法滿足經(jīng)濟(jì)有效動(dòng)用要求，制約了致密氣藏的快速建產(chǎn)及規(guī)模開發(fā)。為此，在總結(jié)分析勝北構(gòu)造帶工程難點(diǎn)的基礎(chǔ)上，筆者通過在井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、井眼軌跡優(yōu)化與控制、復(fù)合鹽弱凝膠鉆井液技術(shù)和分段鉆井提速技術(shù)等方面開展小井眼水平井優(yōu)快鉆井技術(shù)攻關(guān)，并在勝北1101H水平井開展先導(dǎo)試驗(yàn)，初步形成了一套適合勝北構(gòu)造致密氣藏地質(zhì)特性的小井眼高效水平井鉆井技術(shù)[1-5]。

1 鉆井工程難點(diǎn)

勝北構(gòu)造帶位于吐哈盆地臺(tái)北凹陷勝北洼陷腹地，自下而上發(fā)育中侏羅統(tǒng)七克臺(tái)組、三間房組，上侏羅統(tǒng)喀拉扎組、齊古組，下白堊統(tǒng)吐谷魯群，下始近系鄯善群、新近系葡萄溝組、桃樹園組，鉆探目的層位七克臺(tái)或三間房組。該區(qū)塊進(jìn)行水平井鉆井時(shí)存在3大工程技術(shù)難點(diǎn)[6-8]。

1.1 造斜+水平段機(jī)速慢，鉆井周期長

勝北構(gòu)造帶致密氣藏埋藏深，下部地層灰色細(xì)砂巖巖性致密，壓實(shí)作用強(qiáng)，石英成分含量高，地層可鉆性級(jí)值介于6.8～7.2，同時(shí)受二開大井眼工具面不易控制，托壓嚴(yán)重等影響，造斜及水平段平均機(jī)械鉆速僅1.68 m/h，平均趟鉆進(jìn)尺僅60 m，頻繁起下鉆嚴(yán)重影響鉆井周期。

1.2 井壁穩(wěn)定性差，井下復(fù)雜情況頻發(fā)

勝北構(gòu)造帶桃樹園組（埋深1 150～1 560 m）膏質(zhì)泥巖、鹽膏巖發(fā)育，壓實(shí)程度低，易水化分散膨脹，引起縮徑卡鉆。齊古組至七克臺(tái)組硬脆性泥巖發(fā)育，蒙脫石、伊/蒙混層含量高，易發(fā)生脆性片狀剝落，形成糖葫蘆井眼，導(dǎo)致鉆具通過性差，起下鉆遇阻劃眼頻繁，統(tǒng)計(jì)3口完鉆鄰井，三開鉆遇七克臺(tái)組中上部后共發(fā)生阻卡13次，井漏3次。

1.3 水平段軌跡復(fù)雜，摩阻扭矩大

七克臺(tái)組儲(chǔ)層砂泥巖互層發(fā)育，水平段油層薄，定向找層及頻繁探邊造成軌跡起伏較多，鉆進(jìn)摩阻扭矩大；三間房儲(chǔ)層造斜規(guī)律變化大，鉆具結(jié)構(gòu)調(diào)整頻繁，起下鉆次數(shù)多，水平段復(fù)合鉆井比例僅60%左右。勝北503H井鉆進(jìn)水平段累計(jì)更換鉆具組合5次，下達(dá)地質(zhì)指令調(diào)整軌跡17次，完井作業(yè)使用牙輪鉆頭通井3趟。

2 優(yōu)快鉆井技術(shù)

2.1 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

勝北構(gòu)造帶上部地層為正常壓力，白堊系至喀拉扎組為壓力過渡帶，齊古組之后異常高壓明顯，壓力系數(shù)介于1.3～1.4 g/cm3。齊古組至七克臺(tái)組暗色硬脆性泥巖發(fā)育，地層坍塌壓力達(dá)到1.45 g/cm3。前期完鉆3口評(píng)價(jià)井均采用三開大井眼（3個(gè)開次井眼直徑分別為444.5 mm、311.0 mm、216.0 mm，以下簡稱大三開）井身結(jié)構(gòu)，鉆井周期長，復(fù)雜事故頻發(fā)，經(jīng)濟(jì)效益差。

在分析地層壓力剖面、事故復(fù)雜情況等因素的基礎(chǔ)上，將三開大井眼結(jié)構(gòu)（表1）優(yōu)化為三開小井眼結(jié)構(gòu)（表2）?？紤]七克臺(tái)組至目的層三間房組垂深距離較短，原大三開結(jié)構(gòu)由于二開?311 mm鉆頭造斜率低、工具面擺位困難等原因，技套僅能下至七克臺(tái)組上部，無法完全封固易垮塌地層，采用優(yōu)化的小井眼三開井身結(jié)構(gòu)后，技術(shù)套管順利下至七克臺(tái)組底部，完全封固了復(fù)雜地層，有效降低了三開鉆井液密度，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)層專打。同時(shí)各級(jí)井眼縮小一級(jí)尺寸，有利于提高機(jī)械鉆速，節(jié)省套管、鉆井液及固井等費(fèi)用[9-12]。

表1 原大三開井身結(jié)構(gòu)展示表

表2 勝北1101H井身結(jié)構(gòu)展示表

2.2 井眼軌跡優(yōu)化與控制

為落實(shí)三間房油氣藏儲(chǔ)量規(guī)模，以“斜導(dǎo)眼造斜段最大限度與水平井設(shè)計(jì)線重合，減少回填段長”為思路，優(yōu)選“直—增—微增（探油頂）—增—穩(wěn)”五段制剖面。水平井側(cè)鉆點(diǎn)位于斜導(dǎo)眼造斜末端，主造斜段造斜率小于等于6 /30 m，降低摩阻扭矩及施工風(fēng)險(xiǎn)，增斜至85 后，以低造斜率微增探油頂，確定入層后，增斜至預(yù)定井斜，滿足了復(fù)合鉆進(jìn)找儲(chǔ)層需求[13-15]。

2.2.1 斜井段軌跡控制

針對(duì)大尺寸井眼定向效率低、長裸眼段高密度條件下鉆具易黏附井壁、摩阻扭矩大等問題，通過優(yōu)化鉆具結(jié)構(gòu)（表3）、縮短動(dòng)力鉆具下穩(wěn)定器與鉆頭之間的距離、選用三瓣式偏心直棱穩(wěn)定器（圖1）來實(shí)現(xiàn)強(qiáng)力增斜，同時(shí)配套水力振蕩器，通過產(chǎn)生軸向振動(dòng)減少鉆具與井壁間摩擦力，改善對(duì)定向工具面的控制、提高造斜控制效率。

表3 造斜段鉆具組合參數(shù)優(yōu)化前后對(duì)比表

圖1 三瓣式偏心直棱穩(wěn)定器結(jié)構(gòu)示意圖

2.2.2 水平段軌跡控制

水平段鉆進(jìn)由使用常規(guī)螺桿鉆具優(yōu)化為采用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具PD Archer +IMPulse（MWD），在高溫高壓井況下，全程復(fù)合鉆進(jìn)實(shí)現(xiàn)小狗腿度調(diào)整軌跡，提高軌跡平滑度及入靶精度，降低水平段下套管阻卡風(fēng)險(xiǎn)，水平段機(jī)械鉆速由區(qū)塊平均1.61 m/h提至2.00 m/h以上。同時(shí)水平段建立地質(zhì)導(dǎo)向模型，應(yīng)用LWD進(jìn)行儲(chǔ)層跟蹤，提高油層鉆遇率至90%以上。

2.3 復(fù)合鹽弱凝膠鉆井液

勝北構(gòu)造帶齊古組（J3q）、七克臺(tái)組（J2q）分布大段棕紅色泥巖、棕褐色泥巖，以蒙脫石、伊蒙混層為主的黏土含量較高，要求鉆井液有較好的抑制性，同時(shí)為保障水平段井眼凈化，鉆井液還應(yīng)具有較強(qiáng)的攜砂能力。

根據(jù)活度平衡理論，復(fù)合鹽鉆井液能夠降低鉆井液的水活度，以化學(xué)滲透壓減少自由水向地層擴(kuò)散，防止地層水化，有利于泥巖井壁穩(wěn)定。在15%～20%NaCl + 5%～7% KCl為比例的復(fù)合鹽基漿基礎(chǔ)上優(yōu)化鉆井液性能，維持K+含量在20 000 mg/L以上，控制Cl-含量在140 000 mg/L以上。用齊古組巖屑做滾動(dòng)回收實(shí)驗(yàn)，滾動(dòng)回收率達(dá)到90%以上，鉆井液抑制性能較強(qiáng)。

新型弱凝膠提切劑BC-VIS是針對(duì)吐哈油田地層特點(diǎn)研制出的新型弱凝膠處理劑，具有凝膠和提切劑的特點(diǎn)，成膠時(shí)間短，具有良好的抗鹽（20%復(fù)合鹽水）和抗溫能力（120℃），0.3 r/min條件下黏度在90 000 mPa s以上，完全滿足水平井以及深井井眼凈化要求。

以復(fù)合鹽基漿為基礎(chǔ)，配合新型弱凝膠提切劑，研發(fā)并形成了1套強(qiáng)抑制復(fù)合鹽弱凝膠鉆井液體系。鉆井液性能維護(hù)方面，鉆進(jìn)過程中正常補(bǔ)充含鹽量，同時(shí)深井段使用2%～3%超鈣、3%～5%乳化瀝青（天然瀝青等）、2%～3%納米級(jí)封堵材料對(duì)泥巖的納米、納米—微米、微米級(jí)的孔喉、微裂縫進(jìn)行封堵，提升封堵效果，進(jìn)一步提高井壁穩(wěn)定性[16-18]。

2.4 分段鉆井提速

根據(jù)地層、巖性特點(diǎn)及可鉆性值大小，研發(fā)配套自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高性能PDC鉆頭、優(yōu)選長壽命螺桿，配套相應(yīng)尺寸井壁修復(fù)器、水力振蕩器及雙向通井工具，形成適應(yīng)勝北區(qū)塊的小井眼水平井分段鉆井提速技術(shù)。

1）一開時(shí)，第四系、第三系局部膏質(zhì)泥巖、鹽膏巖發(fā)育，易水化分散膨脹，黏附鉆頭，造成鉆頭泥包。優(yōu)選ZJS9531大流道、5刀翼19 mm切削齒PDC鉆頭，配合?244.5 mm（1.25 ）大扭矩高轉(zhuǎn)速螺桿，擴(kuò)大井眼，防止泥巖縮徑，阻卡鉆具，從而實(shí)現(xiàn)表層一趟鉆。

2）二開時(shí)，直井段在白堊系至侏羅系上部的含砂礫巖，礫石粒徑一般為10～50 mm，最大為65～85 mm，含礫地層平均厚度在250～300 m，對(duì)鉆頭沖擊性強(qiáng)，普通PDC鉆頭磨損嚴(yán)重，優(yōu)選SD9531TH強(qiáng)攻擊性（圖2），寬排屑槽5刀翼、19 mm復(fù)合片PDC鉆頭，優(yōu)化配置具有井壁修復(fù)功能的新型穩(wěn)定器，形成 0-1-2”特殊三穩(wěn)定器鉆具組合，實(shí)現(xiàn)全壓復(fù)合鉆井條件下（強(qiáng)穩(wěn)）防斜的功效，全壓復(fù)合鉆進(jìn)比例大于等于95%，鉆壓40～120 kN范圍可調(diào)，二開直井段鉆井周期較前期平均縮短6.1 d。

圖2 雙向通井工具示意圖

3）在白堊系齊古組、七克臺(tái)組的不整合膠結(jié)且裂縫發(fā)育的硬脆性地層進(jìn)行二開造斜時(shí)，容易發(fā)生地層坍塌剝落，遇阻、卡鉆風(fēng)險(xiǎn)較大。通過優(yōu)選SD6651TH強(qiáng)攻擊、強(qiáng)穩(wěn)定6刀翼16 mm復(fù)合片PDC鉆頭，配套高造斜率螺桿及II型中壓低頻水力振蕩器，提高增斜鉆進(jìn)效率，降低摩阻扭矩，同時(shí)強(qiáng)化復(fù)合鹽弱凝膠鉆井液綜合性能，控制鹽的濃度，抑制防塌，采用固液復(fù)配潤滑，摩阻同比降低。

4）在三間房組進(jìn)行三開水平段鉆進(jìn)時(shí)，優(yōu)選?165 mm SD3655TH強(qiáng)攻擊、高抗研磨6刀翼13 mm復(fù)合片PDC鉆頭，配套 0-1”雙扶高效穩(wěn)斜鉆具組合實(shí)現(xiàn)水平段強(qiáng)穩(wěn)斜鉆進(jìn)，同時(shí)應(yīng)用斯倫貝謝抗高溫高壓地質(zhì)導(dǎo)向系統(tǒng)，提高儀器穩(wěn)定性，減少儀器故障。

5）完井應(yīng)用“雙向通井工具（圖2）+隨鉆井壁修復(fù)器+鉆頭伴侶”鉆具組合，實(shí)現(xiàn)1趟通井，保障井筒安全和下套管一次性到底，與常規(guī)通井鉆具相比，通井時(shí)間由平均21.4 d縮短至目前的4.75 d。

3 實(shí)施效果

先導(dǎo)試驗(yàn)井勝北1101H井完鉆井深5 690 m，鉆井周期146 d，水平段長1 180 m，平均機(jī)械鉆速4.39 m/h，油層鉆遇率100%，全井無復(fù)雜情況發(fā)生。與鄰井相比，水平段長增加575 m，機(jī)械鉆速提高35.49%，鉆井周期縮短24.08%，刷新了吐哈油田小井眼水平井垂深和水平段長紀(jì)錄。

通過井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化，單井節(jié)約套管105.94 t，節(jié)約水泥200 t，累計(jì)節(jié)約鉆井成本80.4萬元，實(shí)現(xiàn)了降本增效。

抗高溫復(fù)合弱凝膠鉆井液（表4）的成功應(yīng)用，使三開小井眼鉆井液密度由1.53 g/cm3降至1.35 g/cm3，高溫（140℃）高壓濾失量低至8 mL，井徑擴(kuò)大率比鄰井降低40%，泥餅黏滯系數(shù)介于0.034 9～0.042 7，確保水平段順利延伸。

表4 勝北1101H井鉆井液性能參數(shù)一覽表

4 結(jié)論與建議

1）井身結(jié)構(gòu)“瘦身”為小三開，技套下至三間房組儲(chǔ)層上部砂層，完全封固上部易坍塌泥巖，實(shí)現(xiàn)三開儲(chǔ)層專打，但二開造斜段鉆進(jìn)時(shí)風(fēng)險(xiǎn)較高，在加強(qiáng)安全鉆井配套措施的基礎(chǔ)上，小三開更具經(jīng)濟(jì)性及合理性。

2）復(fù)合鹽弱凝膠鉆井液體系具有較強(qiáng)的抑制、封堵防塌劑潤滑攜帶性能，能夠有效抑制齊古組、七克臺(tái)組大段暗色泥巖坍塌，確保了二開長裸眼造斜段安全作業(yè)及水平段有效延伸。

3）針對(duì)各個(gè)地層巖性特征優(yōu)選的高效PDC鉆頭對(duì)復(fù)雜地層具有良好的適應(yīng)性，基于高效鉆頭、提速工具、安全鉆井配套工具及高性能鉆井液等形成的分段鉆井提速技術(shù)能有效提高機(jī)械鉆速，確保油層鉆遇率，降低鉆井成本。

4）針對(duì)勝北構(gòu)造帶前期水平井鉆井二開造斜段定向效率低、定向速度不佳的問題，建議繼續(xù)加強(qiáng)個(gè)性化高造斜PDC鉆頭研發(fā)與試驗(yàn)，試驗(yàn)頂驅(qū)扭擺系統(tǒng)，優(yōu)化鉆具結(jié)構(gòu)，提前下入抗高溫、高壓隨鉆測量儀器，持續(xù)優(yōu)化鉆井液抑制潤滑性能，減少托壓。