神木氣田水平井優(yōu)快鉆井配套技術(shù)

孫曉日

（長(zhǎng)城西部鉆井有限公司，遼寧 盤錦 124010）

神木氣田位于鄂爾多斯盆地東部，勘探面積約2.0×l04km2，發(fā)育上古生界二疊系石盒子組、山西組、太原組和石炭系本溪組等多套含氣層系。儲(chǔ)層巖性為巖屑石英砂巖，充填程度較高（＞90%），儲(chǔ)層平均孔隙度為3.9%，平均滲透率為0.41 mD，為典型的致密氣藏。該氣田地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng)，初探時(shí)被認(rèn)為是沒(méi)有開采價(jià)值的“邊角料”區(qū)塊而擱置。隨著對(duì)致密氣藏認(rèn)識(shí)的進(jìn)一步深化以及勘探思維的轉(zhuǎn)變，創(chuàng)新建立了致密氣藏“多層系兼顧、大井組部署、工廠化作業(yè)”的立體化開發(fā)模式。神木氣田接連建成了國(guó)內(nèi)規(guī)模最大的叢式井組整體開發(fā)區(qū)，高效建產(chǎn)，已成為長(zhǎng)慶油田“二次加快發(fā)展”和增儲(chǔ)上產(chǎn)的主力區(qū)塊。

1 水平井施工周期分析

叢式井組中水平井是提高產(chǎn)量及采收率的重要手段，一般井身結(jié)構(gòu)如表1 所示。神木氣田水平井平均井深4 113.1 m，平均水平段長(zhǎng)1 455.4 m，平均鉆井周期61.82 天。

表1 神木氣田水平井井身結(jié)構(gòu)

與其他區(qū)塊同井型相比，鉆井周期較長(zhǎng)[1-3]，分析發(fā)現(xiàn)影響該氣田水平井施工周期因素如下。

1.1 機(jī)械鉆速低

主力氣層為山西組和太原組，山西組主要巖性為深灰、灰色泥巖、煤、灰白色砂巖，太原組為深灰色泥巖、灰?guī)r、煤、灰白色砂巖。地層變化大，巖性復(fù)雜，區(qū)塊局部石英含量高達(dá)50%，最低機(jī)械鉆速僅3.48 m·h-1，鉆頭易崩齒掉齒，偏磨嚴(yán)重，鉆頭壽命低。

地層軟硬交替，井眼曲率變化大的現(xiàn)象，大大增加了鉆具的摩阻和扭矩，導(dǎo)致定向時(shí)擺工具面困難、鉆具拖壓，鉆壓不能及時(shí)傳遞到鉆頭，降低了機(jī)械鉆速。

1.2 井下工具、儀器壽命不一致

井下工具、儀器壽命不匹配，常因某個(gè)工具或儀器原因被迫起鉆，延長(zhǎng)了施工周期。

1.3 井漏頻繁

劉家溝組裂縫發(fā)育且分布復(fù)雜，承壓能力低，存在區(qū)域性漏失。據(jù)統(tǒng)計(jì)，近年來(lái)有49%的井發(fā)生不同程度的漏失，速度一般為6～15 m3·h-1，也有個(gè)別井甚至發(fā)生失返性漏失。

1.4 易發(fā)生井壁失穩(wěn)

石千峰組、石盒子組存在大段泥巖，水平段煤層、碳質(zhì)泥巖發(fā)育，最長(zhǎng)鉆遇碳質(zhì)泥巖和煤層688 m，占水平段長(zhǎng)度57%。泥巖水敏性強(qiáng)，易發(fā)生井壁失穩(wěn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，神木氣田31%的井出現(xiàn)井壁失穩(wěn)，甚至引起卡鉆、斷鉆具事故。

工程復(fù)雜大大延長(zhǎng)了鉆井周期，一方面增加了鉆井成本，另一方面也影響了產(chǎn)能建設(shè)進(jìn)度，有必要對(duì)水平井優(yōu)快鉆井技術(shù)進(jìn)行研究。

2 水平井優(yōu)快鉆井技術(shù)

2.1 鉆頭、螺桿“等壽命”優(yōu)化

2.1.1 高性能長(zhǎng)壽命PDC 鉆頭優(yōu)選

PDC 鉆頭作為水平井鉆井提速的主要利器，鉆頭的合理選型對(duì)提高鉆進(jìn)速度、降低鉆井綜合成本起著十分重要的作用。筆者對(duì)鉆頭使用情況分層段統(tǒng)計(jì)，從PDC 鉆頭的結(jié)構(gòu)、布齒、復(fù)合片數(shù)目及材料、水眼等方面進(jìn)行優(yōu)選[4-7]，提高平均機(jī)械鉆速和單只進(jìn)尺，增強(qiáng)PDC 鉆頭的可鉆性及使用壽命。

二開劉家溝組上部泥巖含石英，中下部部分含礫石，部分三維井還涉及增井斜與扭方位，肩部及保徑部分要避免鉆頭崩齒后環(huán)磨、縮徑等現(xiàn)象，因此選用6 刀翼、19 mm 斧形齒、大齒間距、雙排齒、長(zhǎng)保徑、強(qiáng)攻擊性輪廓鉆頭，達(dá)到提速提效目的。石千峰組至石盒子組泥砂巖互層變換較頻繁，鉆進(jìn)時(shí)主要扭方位、增井斜，工程要求狗腿度每30 m 5～6°，滑動(dòng)進(jìn)尺比例高，肩部磨損大，另在小參數(shù)下鉆頭長(zhǎng)時(shí)間破碎地層，復(fù)合片磨損較嚴(yán)重，因此選用5 刀翼、16 mm 復(fù)合片、雙排齒、雙圓弧輪廓鉆頭。

三開水平段鉆遇地層巖性主要為灰白色砂巖夾泥巖，鉆遇泥巖時(shí)會(huì)調(diào)整井斜，需考慮鉆頭定向能力，選用5 刀翼、16 mm 復(fù)合片、肩部雙排齒、短保徑鉆頭，優(yōu)化后傾角，提升鉆頭吃入能力。

2.1.2 螺桿優(yōu)選

螺桿馬達(dá)由定子和轉(zhuǎn)子組成，是最關(guān)鍵最敏感的部位，目前常用的定子結(jié)構(gòu)有常規(guī)定子和等壁厚定子，常規(guī)定子受熱膨脹變形不均勻且極易老化，使得螺桿鉆具的輸出效率大大降低；等壁厚螺桿馬達(dá)受內(nèi)壓作用的影響小，具有很好的抗壓能力和密封性能，且隨著壓力增加，定子內(nèi)輪廓線各點(diǎn)法向位移增加較均勻，可提高螺桿的鉆進(jìn)效率和使用壽命[8]。

為最大限度實(shí)現(xiàn)“一趟鉆”，螺桿優(yōu)選等壁厚螺桿。二開選用低轉(zhuǎn)速、大扭矩、7/8 頭大導(dǎo)程、高硬度橡膠的Φ172/165 mm 等壁厚單彎螺桿；三開結(jié)合地層巖性，優(yōu)化彎點(diǎn)和軸頭距離，Φ127 mm 等壁厚單彎螺桿。

2.1.3 儀器要求

為防止因定向儀器壽命不足而起鉆，每趟鉆選用新電池、新探管和新脈沖等儀器配件，確保入井使用時(shí)間不低于200 h，達(dá)到鉆頭、螺桿、儀器“等壽命”要求[9]。

2.2 振動(dòng)減阻工具優(yōu)選

振動(dòng)減阻工具可通過(guò)鉆井液的驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生高頻、低幅振動(dòng)并傳遞至相鄰鉆具，進(jìn)而將定向鉆進(jìn)過(guò)程中的靜摩擦轉(zhuǎn)換為動(dòng)摩擦，從而降低摩阻，提高鉆壓傳遞效果，同時(shí)降低滑動(dòng)鉆進(jìn)時(shí)粘卡風(fēng)險(xiǎn)。

為達(dá)到“等壽命”要求，完善了工具的規(guī)格、強(qiáng)度，優(yōu)選了工具的振動(dòng)參數(shù)，確定偏心距定位12 mm，馬達(dá)級(jí)數(shù)為1.5 級(jí)，并對(duì)轉(zhuǎn)子表面進(jìn)行了鍍鉻處理，提高表面硬度、抗沖蝕能力，硬度可達(dá)到HV800 以上，在非油基泥漿環(huán)境中，壽命可到300 h以上。通過(guò)優(yōu)化馬達(dá)定子橡膠配方，并按照特定方式與轉(zhuǎn)子組裝，使工具抗溫能力達(dá)150 ℃以上。其規(guī)格參數(shù)如表2 所示。

表2 振動(dòng)減阻工具規(guī)格參數(shù)

2.3 堵漏配方優(yōu)化

為穩(wěn)定石千峰組及以下地層，一般需將密度提至1.20～1.25 g·cm-3，而劉家溝組底裂縫發(fā)育，承壓能力低，易發(fā)生漏失。因此進(jìn)入石千峰組50～100 m需做承壓工藝堵漏，以提高地層承壓能力。

橋塞堵漏因其成本低廉而成為首選的堵漏方法，但常依賴于現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，成功率較低。通過(guò)合理選取橋接堵漏材料的種類、濃度與粒度級(jí)配[10-11]，形成不同漏失情況的堵漏配方，所需堵漏材料如表3 所示。

表3 堵漏材料

漏失速度1～2 m3·h-1時(shí)，一般用DFC、ZDX-40等進(jìn)行隨鉆堵漏；漏失速度3～10 m3·h-1時(shí)，承壓堵漏配方一般為：3%DFB+6% DFC+3% ZDX-40 +3%ZDX-60 + 0.5% DRQ-7 + 雷特纖維（0.5 kg·m-3）；漏失速度10～30 m3·h-1時(shí)，承壓堵漏配方一般為：1%DFA+1%DFM+6%DFB+8%DFC+2%ZDX-40+2%ZDX-60+1%DRQ-7+雷特纖維（0.5 kg·m-3）；漏失速度≥30 m3·h-1時(shí)，應(yīng)堵漏漿墊底，下光鉆桿承壓堵漏：2%DFA+2%DFM+6%DFB+8%DFC+2%ZDX-40 +2%ZDX-60+2%DRQ-7+雷特纖維（0.7 kg·m-3）。如橋塞堵漏效果不佳，可用水泥堵漏。

承壓堵漏過(guò)程中，可觀察套壓，適時(shí)小排量蹩入堵漏漿，以達(dá)到提高承壓能力的目的。承壓堵漏結(jié)束時(shí)注意緩慢泄壓，讓地層緩慢閉合，以免堵漏劑在突然泄壓時(shí)再次回吐至井眼中。后續(xù)施工中工程上予以配合，注意開泵程序，減小壓力激動(dòng)，控制鉆時(shí)、增加循環(huán)時(shí)間，防止因環(huán)空鉆井液巖屑含量高而增加環(huán)空壓耗導(dǎo)致井漏。

2.4 鉆井液性能優(yōu)化

石千峰組、石盒子組、山西組和太原組存在大段的煤層和碳質(zhì)泥巖，層理和微裂縫發(fā)育，在液柱壓力和毛細(xì)管力持續(xù)作用下，微裂縫容易開裂、延伸和擴(kuò)展，使硬脆泥巖易剝落掉塊，引起井壁失穩(wěn)，導(dǎo)致劃眼、憋漏及卡鉆等復(fù)雜事故頻發(fā)。復(fù)合鹽高性能水基鉆井液[12-15]是在復(fù)合鹽鉆井液基礎(chǔ)上復(fù)配聚胺抑制劑而形成的新型高性能水基鉆井液，具有抑制效果好、抑制作用平緩而長(zhǎng)效的特點(diǎn)。

通過(guò)對(duì)聚胺抑制劑、納米封堵劑、高效潤(rùn)滑劑等核心處理劑的優(yōu)選，形成了一套復(fù)合鹽高性能水基鉆井液體系。其配方為：2%～3%膨潤(rùn)土+0.1%～0.2%純堿+0.1%～0.2%燒堿+1.5%～2%YLJ-1+ 0.2%～0.4%LV-PAC+2%～3%納米乳液+0.1%～0.2%XC+2%～5%極壓潤(rùn)滑劑+0.5%～1%聚胺抑制劑+ 25%NaCl+3%～5%甲酸鈉+加重劑。該體系在不同密度時(shí)性能如表4 所示。

表4 復(fù)合鹽高性能水基鉆井液性能評(píng)價(jià)

復(fù)合鹽高性能水基鉆井液熱滾前后黏切適中，濾失量低，能夠滿足施工中對(duì)鉆井液流變性的要求。室內(nèi)評(píng)價(jià)試驗(yàn)表明該體系可抗130 ℃高溫，抑制性能與油基鉆井液相當(dāng)，封堵性強(qiáng)，磨阻系數(shù)0.11 左右，潤(rùn)滑性強(qiáng)，滿足現(xiàn)場(chǎng)施工要求。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

神木氣田水平井優(yōu)快鉆井技術(shù)已在3 口井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，試驗(yàn)井使用優(yōu)選后的鉆頭、低轉(zhuǎn)速大扭矩螺桿、使用時(shí)間不低于200 h 的定向儀器、造斜段使用φ172 mm 振動(dòng)減阻工具，有效地降低了鉆進(jìn)摩阻和扭矩。3 口井在劉家溝底有滲漏現(xiàn)象，漏速為3～5 m3·h-1，使用優(yōu)化后的堵漏配方均一次承壓堵漏成功，承壓當(dāng)量密度達(dá)到1.25 g·cm-3。復(fù)合鹽高性能水基鉆井液體系在施工中表現(xiàn)出了優(yōu)異的抑制性和潤(rùn)滑性，施工很順利，未出現(xiàn)井壁失穩(wěn)。施工中優(yōu)化了鉆進(jìn)水力參數(shù)如表5 所示。

表5 鉆井水力參數(shù)

摸清每趟鉆的井身軌跡控制規(guī)律，精細(xì)化操作，多復(fù)合鉆進(jìn)；根據(jù)地質(zhì)導(dǎo)向預(yù)測(cè)巖性變化，優(yōu)化待鉆設(shè)計(jì)，提前調(diào)整軌跡，取得了較好的提速效果，如表6 所示。

表6 優(yōu)快鉆井技術(shù)應(yīng)用效果

從表6 可以看出，3 口井平均鉆井周期45.2 天，縮短了26.88%；平均機(jī)械鉆速為10.355 m·h-1，提速32%；水平段平均鉆速8.94 m·h-1，提速35.4%。其中雙55-XXH3 井水平段1 500 m 用2 趟鉆完成，螺桿、儀器、鉆頭“等壽命”配套優(yōu)選初步得到驗(yàn)證，其中一趟鉆165 h 鉆進(jìn)1 018 m，水平段平均鉆速為10.8 m·h-1，施工中沒(méi)有劃眼遇阻現(xiàn)象，氣層鉆遇率100%，刷新了該區(qū)塊歷史記錄。

4 結(jié) 論

1）通過(guò)分析神木氣田鉆頭使用情況，針對(duì)鉆遇地層巖性，各開次優(yōu)選了高性能長(zhǎng)壽命的PDC 鉆頭、等壁厚的低轉(zhuǎn)速、大扭矩螺桿；同時(shí)對(duì)定向儀器的使用做了要求，達(dá)到鉆頭、螺桿、儀器“等壽命”目的。

2）優(yōu)選的振動(dòng)減阻工具有效降低了摩阻和扭矩，提高了鉆壓傳遞效果，提升了鉆進(jìn)速度。

3）針對(duì)不同漏失情況，優(yōu)化了不同尺寸堵漏劑配比，進(jìn)一步優(yōu)化了堵漏配方，提高了堵漏一次成功率。

4）優(yōu)化后的復(fù)合鹽高性能水基鉆井液具有良好的流變性、觸變性、抑制性和潤(rùn)滑性，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)井施工順利，未出現(xiàn)井壁失穩(wěn)。水平井優(yōu)快鉆井配套技術(shù)大幅度提高了機(jī)械鉆速，縮短了鉆井、建井周期，應(yīng)用前景廣闊。