鄂爾多斯盆地臨興淺層氣區(qū)塊優(yōu)快鉆井技術(shù)

賈 佳 夏忠躍 馮 雷 李 建

（中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452）

0 引言

淺層氣是分布于淺部地層的天然氣，由于其在地下沉積速度快，地層壓力來不及釋放，所以淺層氣具有破壞力強(qiáng)、危險(xiǎn)程度高的特點(diǎn)［1-4]。一旦控制不好，發(fā)生井噴，會造成爆炸起火、鉆機(jī)燒毀的嚴(yán)重后果［5-7]。臨興淺層氣井區(qū)位于鄂爾多斯盆地紫金山構(gòu)造帶北部，整體屬于北西—南東走向的背斜構(gòu)造。中三疊統(tǒng)紙坊組和下三疊統(tǒng)和尚溝組為淺層氣的主要開發(fā)層位，紙坊組孔隙度介于11%～14%，滲透率介于2.7～8.3mD，地層壓力系數(shù)為1.55；和尚溝組孔隙度介于10%～12%，滲透率介于2.0～3.7 mD，地層壓力系數(shù)為1.33。前期鉆井作業(yè)時(shí)，曾發(fā)生了上漏下噴、固井質(zhì)量不合格、井口冒氣、遇阻遇卡等問題，延長了鉆井周期，影響了整體開發(fā)效益。為了解決這些問題，提高淺層氣區(qū)塊的鉆井效率，對臨興淺層氣進(jìn)行了針對性的研究，形成了適合臨興區(qū)塊的淺層氣鉆井技術(shù)。

1 作業(yè)難點(diǎn)分析

1.1 鉆進(jìn)時(shí)上漏下噴同時(shí)發(fā)生，復(fù)雜情況發(fā)生率高

臨興淺層氣區(qū)塊位于臨興先導(dǎo)試驗(yàn)區(qū)北部，屬于黃土丘陵區(qū)域［8-10]，表層黃土層松軟未成巖，在前期井作業(yè)時(shí)，多口井在第四系地層發(fā)生漏失，部分井漏速達(dá)到30 m3／h，漏失量超過110 m3（表1），對鉆井正常作業(yè)產(chǎn)生了不利影響。同時(shí)，鉆過第四系后，紙坊組和和尚溝組屬于異常高壓儲層（壓力系數(shù)達(dá)到1.55），鉆進(jìn)時(shí)，又發(fā)生了溢流的情況（表2），這種地層上部漏失和下部溢流同時(shí)發(fā)生的情況，在前期已鉆井中，占比達(dá)到了80%以上，給鉆井安全作業(yè)，產(chǎn)生了重大挑戰(zhàn)，延長了鉆井周期，降低了致密氣整體開發(fā)效益。為了同時(shí)解決好上漏下噴的情況，需要對現(xiàn)有井身結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場安全鉆井［11-12]，逐步縮短鉆井周期。

表1 已鉆井表層漏失情況統(tǒng)計(jì)表

表2 已鉆淺層氣井發(fā)生溢流統(tǒng)計(jì)表

1.2 固井質(zhì)量不合格，出現(xiàn)環(huán)空帶壓情況

臨興淺層氣井區(qū)前期作業(yè)井固井后，固井質(zhì)量不合格（表3），其中，部分井出現(xiàn)了環(huán)空帶壓的情況（未形成有效水泥環(huán)，導(dǎo)致發(fā)生環(huán)空氣竄），這種情況的發(fā)生會降低了油氣采收率、侵蝕和腐蝕套管，降低套管壽命，給后續(xù)施工埋下了巨大隱患。為了解決固井不合格和環(huán)空帶壓情況，需要對淺層氣固井技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化研究。

表3 已鉆淺層氣區(qū)塊固井不合格情況統(tǒng)計(jì)表

1.3 鉆井液護(hù)壁性差，遇阻遇卡現(xiàn)象明顯

鉆井過程中，為了保持安全鉆井，鉆井液密度需要控制在1.65 g／cm3以上，前期淺層氣井使用高密度鉆井液鉆進(jìn)時(shí)，井筒間壓差過大，導(dǎo)致在電測、下套管、取心時(shí)多次發(fā)生遇阻和遇卡（表4），經(jīng)統(tǒng)計(jì)，發(fā)生率占比達(dá)到40%以上，影響了整個(gè)鉆井的高效作業(yè)。

表4 部分井發(fā)生復(fù)雜情況統(tǒng)計(jì)表

2 淺層氣鉆井技術(shù)研究

2.1 淺層氣井身結(jié)構(gòu)改進(jìn)研究

前期作業(yè)井采取二開的井身結(jié)構(gòu)，一開套管下至和尚溝組底，雖然將高壓層與下部低壓層隔開，但是，沒有將高壓層和上部的第四系易漏層隔開，在實(shí)際鉆進(jìn)時(shí)，漏失和溢流依然同時(shí)發(fā)生，花費(fèi)大量時(shí)間解決漏失和溢流，導(dǎo)致鉆井周期延長。經(jīng)過分析，紙坊組和和尚溝組是高壓層，第四系為漏失層，屬于兩套不同的壓力系統(tǒng)，在對后續(xù)淺層氣井進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，從壓力平衡和安全的原則出發(fā)，將兩套壓力系統(tǒng)封隔開。為此，將之前的二開井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化為三開井身結(jié)構(gòu)，保障高壓層與上部和下部的易漏層均分隔開，一開設(shè)計(jì)下入Φ244.5 mm導(dǎo)管，封固上部易漏地層；二開鉆Φ215.9 mm井眼揭開高壓層，使用高密度鉆井液鉆過紙坊組和和尚溝組，鉆入劉家溝組完鉆；三開鉆Φ155.6 mm井眼至完鉆井深，下入Φ114.3 mm套管，井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的思路如表5所示。采用下入導(dǎo)管和三開井身結(jié)構(gòu)后，漏失和溢流同時(shí)發(fā)生的情況，得到了有效的控制。

表5 井身結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)表

2.2 淺層氣強(qiáng)封堵高密度鉆井液技術(shù)研究

淺層氣鉆井時(shí)，針對三套不同的壓力系統(tǒng)，開展針對性的鉆井液技術(shù)研究。

對于一開井段，地層屬于黃土易漏層，膠結(jié)性差，可鉆性好，且易漏，易垮塌，需要防止井漏、井塌，防止沉砂卡鉆［13-15]。同時(shí)井眼尺寸大，鉆時(shí)快，要求鉆井液需要有足夠的攜沙能力，防止重復(fù)破巖和沉砂卡鉆。此井段采用膨潤土漿作業(yè)，密度控制在1.10 g／cm3以內(nèi)。

對于二開井段，紙坊組和和尚溝組屬于異常高壓層，進(jìn)入二開井段后，需要迅速提高鉆井液密度至1.65 g／cm3，打開儲層前，加重材料的儲備量應(yīng)滿足該井段1.5倍井筒容積鉆井液密度提高0.2 g／cm3。同時(shí)，石盒子組以下泥巖黏土成分以伊蒙間層和伊利石為主，不含蒙脫石，屬于硬脆性泥巖。地層沿層理、裂縫的斷面發(fā)生剝落坍塌，從封堵性和抑制性兩方面保持井壁穩(wěn)定。

對鉆井液體系中關(guān)鍵性能進(jìn)行研究，隨著膨潤土加量逐漸增多，鉆井液表觀粘度（AV）、塑性粘度（PV）、動力切（YP）均隨之增加，但當(dāng)加量增加至2%時(shí)，繼續(xù)增多加量，PV值增加緩慢，同時(shí)濾失量隨之減小，綜合考慮，膨潤土含量控制在2%～4%（圖1）。隨著黃原膠（XC）加量逐漸增多，鉆井液AV、PV、YP均明顯增加，但當(dāng)加量增加至2%時(shí)，繼續(xù)增多加量，濾失量隨之減小，綜合考慮，XC含量控制在0.1%～0.2%（圖2）。

圖1 膨潤土含量對鉆井液性能的影響曲線圖

圖2 XC加量對鉆井液性能的影響曲線圖

為了進(jìn)一步提升封堵性能，在鉆井液體系中，添加封堵劑，對臨興地層進(jìn)行分析，非均質(zhì)性強(qiáng)，部分孔喉較小，引入粒徑更小的封堵劑和多級封堵劑，以封堵住孔喉和裂隙。對添加封堵劑后的鉆井液濾失性能進(jìn)行研究，隨著時(shí)間延長，濾失量逐漸增多，30 min時(shí)，濾失量為5 mL（圖3），能夠起到預(yù)期效果。

圖3 鉆井液濾失性能變化曲線圖

為了進(jìn)一步增強(qiáng)潤滑效果，對潤滑劑LUBE開展加量對比試驗(yàn)，分析不同加量時(shí)，鉆井液的潤滑性能差異。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著LUBE加量增加，潤滑性能越來越好，但LUBE加量增加至1%以后，潤滑性增加速度變慢，對于淺層氣這種大斜度井來說，優(yōu)選3%LUBE為最優(yōu)加量（表6）。

表6 不同LUBE加量時(shí)潤滑性能數(shù)據(jù)對比表

綜合研究，二開井段鉆井液具體配方為：清水＋2%膨潤土＋0.25%Na0H＋0.15%Na2CO3＋0.6%CMC－LV＋0.3%PAC－LV＋0.2%XC＋1%植物膠＋1.5%瀝青＋0.5%多元抑制劑＋1%單向壓力封堵劑＋2%隨鉆堵漏劑＋3%潤滑劑＋重晶石。

對于三開井段，石千峰組以上含泥頁巖地層存在井徑擴(kuò)大嚴(yán)重現(xiàn)象，需適當(dāng)控制鉆井液失水。石盒子地層存在硬脆性泥頁巖，易發(fā)生井壁浸泡垮塌，需提高鉆井液抑制性能［16-17]。山西組、太原組存在煤層，還需要嚴(yán)格控制鉆井液密度和失水，防止出現(xiàn)漏失，具體鉆井液情況見表7所示。

表7 各井段鉆井液性能設(shè)計(jì)表

2.3 淺層氣防氣竄固井技術(shù)研究

由于淺部存在高壓氣層，所以一開套管和二開套管的固井尤為重要。在進(jìn)行固井設(shè)計(jì)時(shí)，一方面要保證固井質(zhì)量，同時(shí)另一方面不能壓漏地層。臨興區(qū)塊已鉆井地漏試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示：進(jìn)基巖后地層破裂壓力當(dāng)量密度1.80 g／cm3以上，對于一開和二開套管采用高密度水泥漿進(jìn)行固井。對于三開固井，劉家溝組承壓能力較弱，如果采用單一高密度水泥漿進(jìn)行固井，由于高密度水泥漿出套管進(jìn)入環(huán)空，環(huán)空液柱壓力大，很容易將地層壓漏，最終領(lǐng)漿固井質(zhì)量無法保證［18-20]。設(shè)計(jì)采用兩種密度水泥漿進(jìn)行固井，領(lǐng)漿采用低密高強(qiáng)水泥漿，尾漿采用高密度水泥漿，以此來保證水泥漿封固質(zhì)量。

選擇1.90 g／cm3的水泥漿進(jìn)行固井模擬試驗(yàn)，會壓漏地層（圖4）。選擇1.45 g／cm3領(lǐng)漿和1.90 g／cm3的尾漿進(jìn)行固井模擬試驗(yàn)，計(jì)算井底ECD值為1.71 g／cm3，不會壓漏地層（圖5）。在水泥漿中，添加防氣竄劑，提高對氣層的封固，添加纖維，提高地層的承壓能力；稠化時(shí)間控制在1小時(shí)內(nèi)，降低水泥漿失重時(shí)氣侵影響；同時(shí)使用管外封隔器，以解決氣體上竄產(chǎn)生的環(huán)空帶壓問題。最終使用的領(lǐng)漿配方為：G級水泥＋1.5%防氣竄劑＋0.6%減阻劑＋43%現(xiàn)場水；尾漿配方為：G級水泥＋1%降失水劑＋1.5%流型調(diào)變劑＋1.5%防氣竄劑＋0.5%減阻劑＋晶格膨脹劑＋纖維＋42.5%現(xiàn)場水。

圖4 單一高密度水泥漿會壓漏地層

圖5 采用領(lǐng)漿和尾漿固井不會壓漏地層

分析固井過程中頂替速度對頂替效率的影響，根據(jù)赫巴模式紊流臨界雷諾數(shù)NRec和偏心流動綜合雷諾數(shù)NRe中進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)速度為0.2 m／s時(shí)，頂替流態(tài)為塞流；當(dāng)速度0.2 m／s＜v＜2.3 m／s時(shí)，頂替流態(tài)為層流；當(dāng)頂替速度v＞2.3 m／s時(shí)，此時(shí)頂替流態(tài)過渡為紊流。針對塞流、層流和紊流三種不同的流態(tài)，對赫巴模式下不同頂替速度時(shí)注水泥頂替過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，頂替速度盡量保持在0.6 m／s以內(nèi)（圖6），以提升頂替效率，保證固井質(zhì)量。

圖6 頂替速度對頂替效率的影響規(guī)律曲線圖

3 應(yīng)用效果

現(xiàn)場已完成10多口淺層氣井作業(yè)，包括直井、定向井，均沒有發(fā)生井涌，井噴，固井質(zhì)量不合格現(xiàn)象明顯改善，機(jī)械鉆速明顯提升，實(shí)現(xiàn)了高效鉆井的目的。

1）上漏下噴同時(shí)發(fā)生情況得到有效控制。前期已鉆井中，80%以上的井出現(xiàn)上漏下噴的情況，經(jīng)過改進(jìn)后，新鉆井的漏失得到了控制。

2）固井質(zhì)量不合格情況得到明顯改善。改進(jìn)固井技術(shù)，通過添加防氣竄劑和纖維，提高地層的承壓能力和對氣層的封固質(zhì)量；通過控制頂替速度，保證頂替流態(tài)為層流，新鉆井固井質(zhì)量得到了明顯改善，新鉆井中均實(shí)現(xiàn)了固井合格，環(huán)空帶壓的問題成功解決，井口不再出現(xiàn)冒氣的情況，保證了后續(xù)作業(yè)的進(jìn)行。

3）鉆井遇阻遇卡現(xiàn)象有效緩解。通過添加潤滑劑，改善鉆井液的潤滑性能，使得正常鉆進(jìn)、下套管過程中遇阻、遇卡現(xiàn)象得到有效緩解。通過數(shù)值模擬，改進(jìn)前摩阻系數(shù)在0.33左右，改進(jìn)后鉆進(jìn)模擬系數(shù)降低至0.28，摩阻有效降低。

4）機(jī)械鉆速明顯提升。漏失、溢流、固井不合格情況得到改善后，鉆井復(fù)雜情況大為減少，鉆井整體作業(yè)速度得到明顯提升，改進(jìn)前，平均機(jī)械鉆速12.98 m／h（圖7），改進(jìn)后，平均機(jī)械鉆17.95 m／h，鉆速提高38%。

圖7 機(jī)械鉆速改進(jìn)前后對比圖

4 結(jié)論

臨興淺層氣鉆井技術(shù)可以有效指導(dǎo)現(xiàn)場作業(yè)，實(shí)現(xiàn)淺層氣安全作業(yè)的目的，形成的主要結(jié)論如下：

1）針對淺層氣高壓儲層，采用三開井身結(jié)構(gòu)，將上部的低壓系統(tǒng)、中間的高壓系統(tǒng)、以及下部的常壓系統(tǒng)有效封隔開，有效的封隔易噴易漏層。

2）淺層氣強(qiáng)封堵高密度鉆井液技術(shù)避免了鉆井過程中的上漏下噴的同時(shí)發(fā)生，保證了作業(yè)的安全進(jìn)行。

3）采用防氣竄水泥漿體系，保證了淺層氣井的封固質(zhì)量，有效解決了前期作業(yè)井出現(xiàn)的井口冒氣現(xiàn)象。

4）現(xiàn)場作業(yè)表明，可以有效地解決淺層氣鉆井作業(yè)等復(fù)雜情況難題，實(shí)現(xiàn)提速，提高淺層氣整體鉆井效益。