涇河油田頁巖油水平井優(yōu)快鉆井技術(shù)

馮永超

（中國石化華北油氣分公司石油工程技術(shù)研究院，河南 鄭州 450000）

全球油氣工業(yè)發(fā)展正在不斷突破油氣生成最高溫度極限、油氣儲集最小孔喉極限、油氣聚集最大深度極限，“3 個極限”的突破，推動油氣發(fā)展地域由陸地向深水區(qū)、深度由淺層向深層—超深層、資源由常規(guī)油氣向非常規(guī)油氣快速延伸[1-4]。頁巖油是未來非常規(guī)石油發(fā)展的潛在資源，我國的頁巖油資源豐富[5-7]，其中，鄂爾多斯盆地南部延長組長7段發(fā)育一套含油氣系統(tǒng)，涇河油田是其中的重要區(qū)塊之一。現(xiàn)場施工和取芯等資料顯示該地區(qū)頁巖段地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，導(dǎo)致鉆進(jìn)速度低，鉆井速度較同期砂巖段慢30%～50%，井壁失穩(wěn)風(fēng)險高，處理事故花費了大量人力、物力和時間，鉆井周期較同期砂巖長1.7～2倍，嚴(yán)重影響了建井周期，制約了工區(qū)勘探開發(fā)效益[8-9]。為此，通過鉆頭優(yōu)化設(shè)計，提高了鉆頭利用率和機(jī)械鉆速，通過井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化和鉆井液優(yōu)化設(shè)計，降低了井壁失穩(wěn)風(fēng)險，從而為鄂南頁巖油的高效勘探開發(fā)提供新的思路和方法。

1 涇河油田頁巖油水平井鉆井技術(shù)難點

涇河油田頁巖油儲層分布廣泛，各區(qū)塊巖性差異大，非均質(zhì)性強(qiáng)，對頁巖地層巖石的理化性能、力學(xué)性能、研磨性能認(rèn)識不清，工區(qū)以頁巖油儲層為目的層的井較少，目前未形成成熟配套的鉆完井工藝，鉆井作業(yè)效益差，集中體現(xiàn)在以下幾點：

（1）井身結(jié)構(gòu)不合理，少量已完鉆長7 頁巖水平井改造工藝主要沿用砂巖成熟工藝，應(yīng)用效果不理想，尚未能形成與頁巖壓裂改造工藝相適應(yīng)的井身結(jié)構(gòu)系列。

（2）中國陸相優(yōu)質(zhì)油源巖常與凝灰?guī)r共生，鄂南長7 頁巖段和凝灰?guī)r段均是頁巖油的儲層。上部的頁巖地層巖性硬脆、層理和微裂縫發(fā)育，易造成井漏；下部的凝灰?guī)r遇水易膨脹變形，儲層整體對鉆井液敏感性強(qiáng)，井壁失穩(wěn)風(fēng)險大，影響了建井周期，制約了水平段長度。

（3）現(xiàn)場施工和取芯等資料顯示該地區(qū)頁巖段地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，導(dǎo)致鉆進(jìn)速度低，鉆井速度較同期砂巖段慢30%～50%，鉆井周期較同期砂巖長1.7～2 倍，嚴(yán)重影響了建井周期，制約了工區(qū)勘探開發(fā)效益。

2 優(yōu)快鉆井關(guān)鍵技術(shù)

2.1 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

鄂南長7 頁巖油水平井井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化以滿足頁巖水平段安全成井為首要目標(biāo)，以體積壓裂、二次增產(chǎn)為目的，以提高機(jī)械鉆速、實現(xiàn)優(yōu)快鉆井為技術(shù)優(yōu)化方向。結(jié)合前期鉆井工程地質(zhì)特征和四壓力剖面計算，如表1所示：地層沒有明顯的異常壓力段，但是在志丹群裂縫發(fā)育，上直井段要注意鉆井漏失，長7段凝灰?guī)r浸泡后易失穩(wěn)。

表1 涇河油田壓力統(tǒng)計表

可以得出涇河地層孔隙壓力正常，對三級井身結(jié)構(gòu)三開6″井眼、3-1/2″鉆具、4-1/2″套管及二級井身結(jié)構(gòu)二開8-1/2″井眼、5″鉆具、5-1/2″套管進(jìn)行了1000m 水平段鉆進(jìn)延伸及套管下入能力分析，鉆具未發(fā)生螺旋屈曲，套管下至井底井口懸重均大于零，兩種井身結(jié)構(gòu)均可行?；诙跄祥L7頁巖儲層規(guī)模化壓裂和低成本勘探開發(fā)的要求，結(jié)合鄂南中生界地層四壓力剖面、鄰區(qū)鉆井施工情況和鉆井風(fēng)險分析，泥頁巖儲層采用二級井身結(jié)構(gòu)+套管固井完井，凝灰?guī)r儲層采用三級井身結(jié)構(gòu)+套管固井完井，優(yōu)化后井身結(jié)構(gòu)如表2所示。

表2 優(yōu)化后井身結(jié)構(gòu)

優(yōu)化后的井身結(jié)構(gòu)在泥頁巖儲層井身結(jié)構(gòu)層次簡單，提速降本效果好，在凝灰?guī)r層段能降低坍塌風(fēng)險，利于安全建井，配合后續(xù)鉆井液體系優(yōu)化，使得坍塌事故降低了66.7%，初步形成了與工區(qū)頁巖壓裂改造工藝相適應(yīng)的井身結(jié)構(gòu)系列。

2.2 水平井鉆井液性能優(yōu)化

通過取芯觀察、鑄體薄片鑒定、電鏡掃描、泥頁巖理化性能分析等實驗，得到鄂南長7頁巖層理明顯、裂縫發(fā)育，如圖1 所示。粘土含量34.6%～63.23%，以伊利石和伊蒙混層為主，礦物組分中含有大量的石英和凝灰質(zhì)，純頁巖膨脹率小于10%，凝灰?guī)r極易膨脹，膨脹率可達(dá)25%，且在實驗中出現(xiàn)凝灰?guī)r遇水分散、垮塌的現(xiàn)象，如圖2所示。巖性呈現(xiàn)中等脆性特征。

圖1 巖芯及顯微照片

圖2 膨脹實驗?zāi)規(guī)r分散、垮塌

針對鄂南古生界鉆井特征和鉆完井施工情況，細(xì)化各井段鉆井液性能指標(biāo)要求，保證水基鉆井液實現(xiàn) 油頁巖水平段1000m 安全鉆進(jìn)結(jié)合鄂南長7 井壁失穩(wěn)機(jī)理分析和DP1 井施工經(jīng)驗，鉆井液體系較強(qiáng)的抑制性和封堵性是保證鄂南長7泥頁巖水平段鉆進(jìn)的主要手段。

通過孔隙測定儀測量頁巖封堵前后的孔喉分布，頁巖原始流動孔喉尺寸大部分在0.2～0.35mm 之間，采用納米顆粒封堵后孔喉尺寸降低至0.1mm 以下，表明一定配比的超細(xì)瀝青和納米二氧化硅可對頁巖微裂縫和微孔進(jìn)行有效封堵，封堵前后效果對比如圖3 所示，可作為鉆井液中的封堵材料。

圖3 封堵前后孔喉分布

通過向鉆井液中加入微乳液，提高鉆井液體系的潤濕改變能力，從而使其接觸的頁巖地層的親水性降低；同時加入硅酸鉀鈉和聚胺為抑制劑，降低巖石的分散和膨脹能力，利于提高頁巖井壁穩(wěn)定性。根據(jù)不同地層配置強(qiáng)抑制水基鉆井液，基本參數(shù)見表3。

表3 強(qiáng)抑制水基鉆井液體系基本參數(shù)表

強(qiáng)抑制水基鉆井液體系在100℃下仍能保持良好的性能，巖芯回收率超過了96%，實現(xiàn)水平段鉆井液性能高溫高壓失水不大于10mL，泥頁巖膨脹率不大于3%，泥頁巖膨脹率不大于7%，微裂縫封堵率大于90%，滿足鉆井施工的要求。

2.3 鉆頭優(yōu)化

通過對涇河油田地層可鉆性研究，建立測井資料和可鉆性之間的關(guān)系[10-13]，并分析了不同地層的可鉆性見表4。

表4 涇河油田地層可鉆性統(tǒng)計表

對涇河油田第四系志丹群、安定組延安組、延長組的鉆頭磨損情況進(jìn)行統(tǒng)計并根據(jù)IADC 鉆頭磨損定級標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行精細(xì)評價[14-17]，以機(jī)械鉆頭、進(jìn)尺和單只鉆頭純鉆進(jìn)時間為效果評價指標(biāo)，運用主成分分析法，形成了各層位鉆頭的優(yōu)選方案。第四系志丹群優(yōu)選出M1952C、HJ517G、SKG124三種型號鉆頭，安定組延安組優(yōu)選出HD83-16、SD9531 兩種型號鉆頭，延長組優(yōu)選出MD9641H、HD83-16 兩種型號鉆頭。其中，HD83-16 鉆頭采用18mmPDC 復(fù)合片，設(shè)計技術(shù)布置成五刀翼式結(jié)構(gòu)。中密度布齒，大排屑槽水力結(jié)構(gòu)，適用于鉆進(jìn)軟—中硬地層；SD9531 鉆頭采用16mm 或18mm 復(fù)合片，四刀翼結(jié)構(gòu)，低密度布齒大排屑槽水力結(jié)構(gòu)，適用于鉆進(jìn)軟—中硬地層。將優(yōu)選出來的分井段鉆頭應(yīng)用于現(xiàn)場施工，應(yīng)用情況見表5。

表5 現(xiàn)場鉆頭使用情況統(tǒng)計表

通過應(yīng)用情況可以得出，優(yōu)選出的SKG124、SD9531、MD9641H、HD83-16 單只鉆頭進(jìn)尺長，機(jī)械鉆速高，平均單鉆頭進(jìn)尺750.625m，平均機(jī)械鉆速12.12m/h，SD9531 單只鉆頭進(jìn)尺達(dá)1186m，HD83-16鉆頭鉆J26井導(dǎo)眼段一趟鉆完鉆，鉆速達(dá)14m/h。隨著高效PDC鉆頭的推廣應(yīng)用，鉆頭平均提速80%，單只鉆頭進(jìn)尺提高了50%，實現(xiàn)了提速增效。

3 結(jié)論與建議

（1）針對泥頁巖儲層和凝灰?guī)r儲層分別優(yōu)化了井身結(jié)構(gòu)，達(dá)到了簡化井身結(jié)構(gòu)層次，提速降本效，同時能降低坍塌風(fēng)險，利于安全建井。

（2）分析了水平段頁巖和凝灰?guī)r的坍塌機(jī)理，設(shè)計了強(qiáng)抑制水基鉆井液體系，既能有效封堵微裂縫，又能抑制分散和膨脹，降低了66.7%的坍塌失穩(wěn)事故，提高了最大水平段的長度。

（3）基于室內(nèi)實驗和現(xiàn)場資料研究可鉆性的結(jié)果改進(jìn)了鉆頭，J27井單只鉆頭進(jìn)尺達(dá)到1186m，J26井導(dǎo)眼段實現(xiàn)一趟鉆完鉆，鉆頭平均提速80%，單只鉆頭進(jìn)尺提高了50%，實現(xiàn)了提速增效。