蘇里格氣田區(qū)小井眼二開水平井優(yōu)化設(shè)計(jì)

王萍， 樊佳勇*， 韓成福， 王亮， 屈展， 黃海， 顧甜利

(1.西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院， 西安 710065； 2.陜西省油氣井及儲(chǔ)層滲流與巖石力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 西安 710065； 3.中國石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司長慶鉆井分公司， 西安 710018； 4.西安石油大學(xué)學(xué)生處， 西安 710065)

隨著長慶油田的勘探不斷發(fā)展，蘇里格氣田區(qū)的水平井?dāng)?shù)量也不斷增加，但該地區(qū)氣井自然產(chǎn)能低，因此，實(shí)現(xiàn)氣井的高效開發(fā)至關(guān)重要。將小井眼鉆井技術(shù)節(jié)約成本的優(yōu)點(diǎn)與水平井技術(shù)高產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，以達(dá)到高效開采的目的，這項(xiàng)技術(shù)已成為鉆井行業(yè)的技術(shù)研究熱點(diǎn)[1]。小井眼鉆井適應(yīng)范圍廣，如開窗側(cè)鉆、老油區(qū)再開發(fā)等，應(yīng)用前景廣闊。

蘇里格氣田區(qū)小井眼水平井自上而下鉆遇地層包括白堊系環(huán)河組、華池組和洛河組，侏羅系安定組、直羅組、延安組和富縣組，中生界三疊系延長組、紙坊組、和尚溝組和劉家溝組，二疊系石千峰組、石盒子組和山西組[2]。該地區(qū)小井眼水平井井身結(jié)構(gòu)一般為三開結(jié)構(gòu)，但三開井身結(jié)構(gòu)存在機(jī)械鉆速低、套管層次多、中完作業(yè)周期長和鉆井成本高等問題，難以滿足安全快速經(jīng)濟(jì)鉆井的要求。史配銘等[3]認(rèn)為，二開井段技術(shù)套管能夠有效封隔漏層、泥巖易垮塌層，提高儲(chǔ)層鉆進(jìn)效率。但是二開結(jié)構(gòu)井的鉆遇裸眼段長，塌漏同層，容易出現(xiàn)復(fù)雜井下情況；楊靜等[4]認(rèn)為蘇里格氣田區(qū)鉆遇地層巖石的硬度和研磨性較強(qiáng)，對(duì)鉆具組合優(yōu)選進(jìn)行了優(yōu)選，但所選鉆具組合與井眼軌跡控制措施不同導(dǎo)致鉆速緩慢；王仕水[5]研究發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)大斜度井段的石千峰組以及石盒子組地層坍塌壓力高，需要降低鉆井液密度以及排量，但降低鉆井液密度和排量后易發(fā)生井塌和砂堵卡鉆。

針對(duì)上述問題，根據(jù)鉆遇地層優(yōu)化設(shè)計(jì)小井眼二開井身結(jié)構(gòu)，縮短鉆井周期，設(shè)計(jì)五段制中的“直-增-穩(wěn)-增-水平”方式進(jìn)行井眼軌跡設(shè)計(jì)，同時(shí)，為提高機(jī)械鉆速優(yōu)選配套鉆具組合，為保證井壁的穩(wěn)定性配置防塌鉆井液，通過現(xiàn)場應(yīng)用驗(yàn)證小井眼二開水平井的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的可靠性。

1 小井眼水平鉆井技術(shù)難點(diǎn)

(1)井壁穩(wěn)定。由于和尚溝組、劉家溝組、山西組均屬易漏地層，因此發(fā)生井漏的概率增大，所以需要更高當(dāng)量密度的鉆井液；根據(jù)地質(zhì)分析得知陜28-22-46XH1井所在地區(qū)巖性主要為泥巖，鉆井液的配制還需要克服泥巖水化的問題，在鉆井過程中容易出現(xiàn)井壁不穩(wěn)定的情況。

(2)井眼尺寸小。由于井眼尺寸小，鉆頭需要配合井眼尺寸，使得鉆進(jìn)效率大幅度降低；井眼尺寸小也導(dǎo)致了環(huán)空間隙減小，在環(huán)空中產(chǎn)生偏心螺旋流，流道增加使得環(huán)空壓耗增加，環(huán)空返速低會(huì)導(dǎo)致形成巖屑床導(dǎo)致卡鉆等情況。

(3)井控難度大。小井眼井在上提鉆桿時(shí)產(chǎn)生的激動(dòng)壓力較常規(guī)鉆井大，導(dǎo)致鉆柱對(duì)井壁的作用力較大，包括碰撞、擠壓，特別是穩(wěn)定器和彎螺桿對(duì)井壁的作用力大，因此井底壓力控制難度增加。

2 鉆井設(shè)計(jì)

2.1 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

(1)小井眼水平井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要考慮以下問題：①井身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)能有效保護(hù)儲(chǔ)層，避免漏、噴、塌、卡等復(fù)雜情況產(chǎn)生，縮短建井周期，使全井鉆井費(fèi)用最低；②鉆下部高壓地層時(shí)，所用的較高密度鉆井液產(chǎn)生的液柱壓力不得壓裂上一層套管鞋處薄弱的裸露地層；③在下套管過程中，井內(nèi)鉆井液液柱壓力和地層壓力之間的壓差不至于產(chǎn)生壓差卡阻套管事故；④當(dāng)實(shí)際地層壓力超過預(yù)測值發(fā)生溢流時(shí)，在一定范圍內(nèi)，具有處理溢流問題的能力[6]。

(2)小井眼二開水平井井身結(jié)構(gòu)和套管程序。由于該區(qū)塊地表是未固結(jié)松散黃土、沙土層，為了建立循環(huán)通道，用346 mm鉆頭鉆至130 m，下入273.1 mm的導(dǎo)管封固疏松層。一開：選用222.2 mm直徑鉆頭鉆至2 890 m，下入177.8 mm表層套管以封固上部易垮塌層、劉家溝漏層，分隔水層，進(jìn)入石千峰50 m。二開：選用152.4 mm直徑鉆頭鉆至目的層，下入144.3 mm生產(chǎn)套管至目的層，為固井做準(zhǔn)備。圖1為井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)剖面圖。

圖1 小井眼二開水平井井身結(jié)構(gòu)Fig.1 Well structure of a second spud horizontal well

2.2 井眼軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)

小井眼水平井鉆井施工中的井眼軌道設(shè)計(jì)為了使軌跡平滑、提高鉆速、提高入靶準(zhǔn)確度，在設(shè)計(jì)過程中需要及時(shí)調(diào)整以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。該井靶窗范圍在縱向±2 m以內(nèi)、橫向±20 m以內(nèi)，靶窗要求范圍小，準(zhǔn)確入靶難度大，為了快速安全地鉆至目的層，根據(jù)井眼軌道確定原則并結(jié)合該地區(qū)的實(shí)際情況選定五段制中的“直-增-穩(wěn)-增-水平”方式為主，設(shè)置一個(gè)穩(wěn)斜段是為了彌補(bǔ)造斜工具造斜率不足。

據(jù)實(shí)鉆情況，為避開區(qū)域水層和適應(yīng)地層情況，在設(shè)計(jì)造斜點(diǎn)之前采取斜井段施工，這樣也可以減少定向施工的工作次數(shù)；設(shè)計(jì)造斜點(diǎn)在延安組上部地層，因?yàn)樵摱蔚貙酉鄬?duì)穩(wěn)定，出現(xiàn)復(fù)雜情況概率低；穩(wěn)斜段地層存在易塌、易漏風(fēng)險(xiǎn)，減小井斜角降低施工難度，確保鉆進(jìn)安全；水平段的井斜角相對(duì)增大，以滿足采油工藝需求[7]。

圖2為井眼軌道垂直剖面圖，直觀地反映了陜28-22-46XH1井的井眼軌跡，可以看出，該井的直井段、穩(wěn)斜段以及水平段的長度。

圖3為井眼軌道方位圖，井眼軌道方位圖的水平投影反映了軌道的方位變化，該井的方位變化為西北方向。

結(jié)合表1、圖2與圖3分析可以看出，原點(diǎn)為井口；0～800 m測深為直井段，測深800 m處為造斜點(diǎn)，開始第一段造斜施工；在井斜角為18.02°時(shí)，測深980.2 m處停止造斜，開始穩(wěn)斜段施工；在測深3 168.53 m處開始第二段造斜施工，于測深3 577.46 m處達(dá)到設(shè)計(jì)井斜角要求，開始近乎水平段施工。

2.3 鉆具組合優(yōu)選

2.3.1 鉆頭的選擇

小井眼允許施加的鉆壓減小，會(huì)導(dǎo)致機(jī)械鉆速低。且該地區(qū)巖石研磨性強(qiáng)，所以選擇小尺寸耐磨且硬度高的PDC鉆頭，不但可以提升鉆速，還逐漸解決了鉆頭容易泥包和地層適應(yīng)性差的缺陷，其使用壽命長、減少起下鉆作業(yè)次數(shù)的優(yōu)勢越來越明顯[8]。

表2為不通開次鉆頭根據(jù)巖屑描述分析，地層巖性以泥巖為主，其硬度較硬，選用的聚晶金剛石復(fù)合片(polycrystalline diamond compact，PDC)鉆頭與地層巖性相適應(yīng)。施工過程以復(fù)合鉆進(jìn)為主，其機(jī)械鉆速相對(duì)較高。本次施工平均機(jī)械鉆速為12.28 m/h。

2.3.2 水平段鉆具組合優(yōu)選

小井眼水平井鉆井具有井徑小、循環(huán)壓耗大、泵壓高、排量受限井眼凈化困難等問題；在鉆進(jìn)過程中由于小鉆具柔性大，會(huì)出現(xiàn)定向鉆進(jìn)反扭矩較大、工具面穩(wěn)定性較差、鉆頭加壓困難的問題，這些問題都會(huì)導(dǎo)致軌跡控制難度增加。

小井眼水平井軌跡控制關(guān)鍵和難點(diǎn)在于水平段軌跡控制，鉆具組合優(yōu)選必須遵循以下兩個(gè)基本原則：①在水平段旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)具有較強(qiáng)的穩(wěn)斜能力；②在水平段滑動(dòng)鉆進(jìn)時(shí)具有合適的造斜能力[9]。

(1)水平段鉆具組合優(yōu)選。在施工中選擇18°斜臺(tái)肩鉆桿，這種鉆桿可以降低摩擦阻力，還可以消除對(duì)鉆具的應(yīng)力集中。針對(duì)水平段鉆進(jìn)的托壓、井眼軌道控制等問題，鉆進(jìn)中下入鉆具組合為：152.4 mm直徑PDC*長度0.27 m+127 mm直徑LZ*1.25°*長度5.39 m+124回壓閥*0.505 m+148STAB*長度1.209 m+MWD*長度0.895 m+NMDC*長度9.245 m+311扣*HLST39B*長度0.418 m+4＂HWDP*4柱+4＂DP65柱+4＂HWDP*6柱+4＂DP，其中，LZ為螺桿，STAB為鉆桿扶正器，MWD為隨鉆測量系統(tǒng)，NMDC為無磁鉆鋌，HLST39B為鉆具接頭海倫母扣型，HWDP為加重鉆桿，DP為鉆桿，＂為單位in(1 in=2.54 cm)。使用1.25°單彎螺桿在較短井段就可實(shí)現(xiàn)定向或扭方位施工，定向或扭方位施工速度較快，施工效率高；采取兩段加重鉆桿組合，在滑動(dòng)鉆井過程中起穩(wěn)定器作用，緩解水平段井眼軌跡控制的工作壓力，它還可以更好地控制井斜角和方位角，減少造斜工作次數(shù)，從而縮短施工周期。

(2)增斜段鉆具組合優(yōu)選。在該井段的施工過程中，根據(jù)設(shè)計(jì)的最大造斜率5.0°/30 m，按照比這個(gè)設(shè)計(jì)最大造斜率高20%來優(yōu)選造斜工具，選用1.5°單彎螺桿鉆具進(jìn)行造斜施工即可。綜合考慮下入鉆具組合為：228.6 mm直徑PDC*長度0.34 m+185 mm直徑LZ*1.5°*長度8.64 m+回壓閥*長度0.49 m+172SDC*長度2.071 m+224 mm直徑STAB*長度1.514 m+MWD*長度0.88 m+NMDC*長度8.254 m+7"DC*54.13 m+5"HWDP*10柱+5"加厚DP+5"DP。

2.3.3 優(yōu)選結(jié)果

綜合考慮各種影響因素，得到具體優(yōu)選結(jié)果，如表3所示。

2.4 小井眼鉆井液技術(shù)

在小井眼水平井鉆井中，相適應(yīng)的鉆井液配方選擇對(duì)鉆井液性能要求具有較好的流變性、潤滑性、抑制性，以達(dá)到安全、高效施工的目的。

2.4.1 鉆井液技術(shù)難點(diǎn)

(1)井壁穩(wěn)定：該區(qū)石盒子組地層巖性以泥巖為主，由于是小井眼施工，機(jī)械鉆速相對(duì)較慢，施工周期相對(duì)較長，泥巖經(jīng)鉆井液濾液長時(shí)間浸泡，極易水化、膨脹分散，其強(qiáng)度大幅度降低，產(chǎn)生剝落、坍塌現(xiàn)象。由于小井眼井環(huán)空間隙小，泥巖一旦剝落掉塊對(duì)安全施工是極大的威脅。

(2)巖屑的懸浮、攜帶：小井眼鉆井較常規(guī)鉆井環(huán)空壓耗大，所需泥漿泵泵壓高，排量減小，進(jìn)而環(huán)空返速減小，二開井裸眼段較長，環(huán)空小。如果鉆井液體系懸浮攜帶能力差，在斜井段和水平段施工過程中，產(chǎn)生的鉆屑在重力作用下沉降積累在井壁表面，形成巖屑床會(huì)引起卡鉆等鉆井事故的發(fā)生，另外一些非正常破碎的巖屑還會(huì)產(chǎn)生堵塞。

(3)地層易漏：小井眼井徑小，抽提鉆柱產(chǎn)生的激動(dòng)壓力較常規(guī)鉆井大，所以需要更高當(dāng)量密度的鉆井液。而和尚溝組、劉家溝組、山西組均屬易漏地層，因此發(fā)生井漏的概率增大。

(4)增斜段潤滑防卡：由于鉆具尺寸小、柔性強(qiáng)，造斜施工中鉆具緊貼井壁一邊鉆進(jìn)，使得鉆具和井壁更大部分的接觸，引起鉆進(jìn)中摩阻和扭矩增大，影響鉆壓傳遞效率，產(chǎn)生托壓現(xiàn)象。而且鉆屑層的形成，也導(dǎo)致摩阻和扭矩增大，鉆井液配方潤滑鉆具防止卡鉆的難度相應(yīng)加大。

(5)儲(chǔ)層保護(hù)：鉆井液固相含量高易堵塞地層孔隙通道；砂巖儲(chǔ)層致密，孔道狹窄，所以毛細(xì)管效應(yīng)比較明顯，若施工不當(dāng)則會(huì)引起喉道堵塞，從而降低油相、氣相滲透率，影響油氣開采[10-11]。

2.4.2 技術(shù)思路

(1)水化問題：提高鉆井液的抑制性，使用具有包被作用的高分子聚合物。處理劑吸附性強(qiáng)具有一定憎水性能，可除去有害固相形成高質(zhì)量泥餅。使用無機(jī)鹽，降低鉆井液的活性，增強(qiáng)鉆井液濾液的抑制能力。

(2)增強(qiáng)鉆井液的懸浮、攜帶能力：優(yōu)選排量得到合適的上返速度，保證巖屑上返效率，降低巖屑井壁沉降程度。

(3)提高地層承壓能力：①將近井筒的漏失通道進(jìn)行人工封堵，阻止鉆井液進(jìn)入漏失地層，以此提高地層承壓能力；②其主要措施是在進(jìn)入漏失層段前，增加了鉆井液中的黏土含量或者添加增黏劑；③進(jìn)入易漏失層段前，在泥漿中加入堵漏材料，漏失發(fā)生時(shí)由于壓差的產(chǎn)生，堵漏材料會(huì)進(jìn)入漏失通道。

(4)提高鉆井液潤滑性：調(diào)節(jié)泥餅的潤滑性能和鉆井液流體自身的潤滑性能，控制鉆井液固相，加入可以改變泥餅質(zhì)量和提高潤滑性的有機(jī)高分子處理劑。

2.4.3 優(yōu)選結(jié)果分析

該地區(qū)地層情況較為復(fù)雜，選擇水基鉆井液更好的調(diào)控鉆井液性能以滿足鉆井施工需求，保證安全施工。另外，水基鉆井液的潤滑性處于空氣和油的潤滑性之間；還可以達(dá)到保護(hù)油氣層的要求，表4為根據(jù)地質(zhì)特征所選鉆井液[12]。

根據(jù)巖屑描述分析得知地層巖性以泥巖為主，存在易塌風(fēng)險(xiǎn)，因此施工中在配方里加入KCl，使鉆井液的抑制性增強(qiáng)，抑制泥巖水化，防止井壁坍塌的發(fā)生；還能抑制地層造漿，流動(dòng)性好，性能較穩(wěn)定。二開斜井段主要存在防塌的問題，施工時(shí)使用聚合物鉆井液，其中的高分子聚合物的分子鏈能夠吸附并包被在鉆屑和井壁上，防止鉆屑在鉆井液中分散，最大限度地控制了鉆井液的固相含量，維護(hù)了鉆井液性能的穩(wěn)定，并且還可以抑制泥巖層水化膨脹，有效地解決了該段易塌問題。通過流變參數(shù)的測定可知該鉆井液體系流變性良好，懸浮攜帶鉆屑能力強(qiáng)。還加入了聚陰離子纖維素(poly anionic cellulose,PAC)增強(qiáng)了鉆井液體系抗污染性能。水平段涉及鉆開儲(chǔ)層，同樣選用聚合物鉆井液體系，利用它良好的抑制性能防止儲(chǔ)集層黏土礦物的水化膨脹、運(yùn)移，避免堵塞喉道，降低油氣滲透率。再者水平段需要降低摩阻，可以隨鉆加入固體潤滑劑或液體潤滑劑。

3 應(yīng)用情況

該井采用小井眼二開水平鉆井技術(shù)順利完鉆，施工過程中沒有井下事故、井下復(fù)雜情況的發(fā)生，并且井身質(zhì)量、固井質(zhì)量都是符合設(shè)計(jì)要求的。結(jié)果表明該區(qū)塊小井眼二開水平鉆井技術(shù)應(yīng)用是成功的，可以完善配套技術(shù)，在該區(qū)塊推廣運(yùn)用，表5為項(xiàng)目設(shè)計(jì)與實(shí)際技術(shù)指標(biāo)對(duì)比。

該井計(jì)劃建井周期為46 d，最終實(shí)際工期為34.625 d，相比之下工期縮短了11.375 d，節(jié)省了約25%的時(shí)間，相應(yīng)的費(fèi)用也就減少，進(jìn)而也就降低了施工成本。

4 結(jié)論

(1)針對(duì)鄂爾多斯地區(qū)油藏埋藏深，鉆遇地層塌漏嚴(yán)重、鉆井周期長效率低、鉆井成本高等問題，通過減少開次、提高機(jī)械鉆速的井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化思路，優(yōu)化了必封點(diǎn)位置和井眼尺寸，形成了小井眼二開井身結(jié)構(gòu)。

(2)為了提高入靶精度，需要合理控制井斜角，為了彌補(bǔ)造斜率不足的問題，井眼軌道設(shè)計(jì)為五段式，加入一個(gè)穩(wěn)斜段保證井斜角。

(3)優(yōu)選鉆具組合提高機(jī)械鉆速，水平段采用旋轉(zhuǎn)鉆井方式，造斜段采用1.5°單彎螺桿鉆具，提高了鉆井速度；實(shí)際工期比預(yù)計(jì)工期縮短25%。

(4)鉆井液的優(yōu)選保證了井壁的穩(wěn)定性，水平段的聚合物鉆井液良好的性能提升了鉆井的效率的同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了安全鉆井。