延安氣田富縣區(qū)域下古生界水平井優(yōu)快鉆井技術(shù)

倪維軍，楊國(guó)昊，翟喜桐，馬龍飛

西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院（陜西西安 710065）

2022 年，富縣工區(qū)首口二級(jí)結(jié)構(gòu)水平井N101-1 井完鉆，根據(jù)電測(cè)油氣顯示，砂巖鉆遇率達(dá)88.3%，含氣顯示61.78%，是鄂爾多斯盆地區(qū)塊油氣增產(chǎn)的重要探區(qū)[1-3]。2009—2011 年中石油華北油田分公司在富縣古生界開(kāi)鉆6 口探井，平均單井完鉆井深3 117 m，平均鉆井周期為81 d，僅因地層井壁失穩(wěn)導(dǎo)致卡鉆平均次數(shù)11 次，嚴(yán)重降低了鉆進(jìn)效率，延長(zhǎng)了鉆井周期[4-8]。頻繁的鉆井事故對(duì)富縣下古生界天然氣開(kāi)發(fā)的步伐產(chǎn)生了制約，增加了鉆井成本，并對(duì)項(xiàng)目進(jìn)展造成了負(fù)面影響。針對(duì)這些難題，在現(xiàn)場(chǎng)施工資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合富縣區(qū)塊的鉆井施工難點(diǎn)，通過(guò)了解鉆進(jìn)過(guò)程中地層鉆遇難點(diǎn)，分層位優(yōu)選鉆頭并優(yōu)化鉆井液[9-10]，探索出一套能夠有效提高富縣下古生界水平井的優(yōu)快鉆井技術(shù)，對(duì)富縣下古生界水平井提速發(fā)展具有重要的意義。

1 鉆井施工技術(shù)難點(diǎn)及地層分布特征

1.1 鉆井施工難點(diǎn)

富縣區(qū)域下古生界水平井綜合提速難點(diǎn)與事故如下：

1）延安富縣區(qū)域氣井井深在3 000 m左右，地層可鉆性極值4.5～7，孔隙度為5%～11%。在鉆進(jìn)過(guò)程中極易發(fā)生跳鉆等鉆井事故，增加鉆井施工時(shí)間，降低鉆井效率[11-12]。2003年，富古1井在側(cè)鉆中，地層可鉆性極差，導(dǎo)致大部分鉆頭牙齒跳鉆而折斷，鉆進(jìn)損失9 h；2009年，延262井發(fā)生斷鉆具事故7次，掉牙輪事故1次，共損失時(shí)間183.5 h；富古1井僅因鉆井事故所損失的時(shí)間長(zhǎng)達(dá)3 303 h[13-15]。

2）下古生界多為泥巖層段，膠結(jié)松散，欠壓實(shí)，水敏性較強(qiáng)，泥巖易水化膨脹，儲(chǔ)層物性差，存在微裂縫滲流通道，極易出現(xiàn)漏失問(wèn)題。2006—2011年，某氣田劉家溝組有8口井出現(xiàn)漏失；井漏發(fā)生頻率從2006年的18%增加至2011年的24.35%，造成的時(shí)間損失非常嚴(yán)重；2012年，延705井發(fā)生漏失現(xiàn)象6次，處理故障損失的時(shí)間共412 h，延長(zhǎng)了鉆井周期，嚴(yán)重制約了下古生界區(qū)塊水平井的勘探開(kāi)發(fā)[16-18]。

3）由于泥頁(yè)巖及煤層結(jié)構(gòu)脆弱，鉆井過(guò)程中鉆頭的轉(zhuǎn)動(dòng)和鉆井液的沖刷會(huì)導(dǎo)致井壁坍塌、掉塊等，尤其是在斜井段和近水平段，這些因素都會(huì)增加井壁失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。為確保鉆井安全的順利進(jìn)行，需要采取相應(yīng)的措施，如調(diào)整鉆井液性質(zhì)等[19]。2016年，靖平61-10井等水平井在本溪層發(fā)生井壁失穩(wěn)，處理此次故障損失的時(shí)間共792 h[20]。

4）位垂比大，水平段具有大的摩阻和扭矩，導(dǎo)致鉆進(jìn)過(guò)程緩慢，鉆壓傳遞低效，鉆進(jìn)速度下降，延長(zhǎng)了鉆井周期。2013 年，F(xiàn)ZF47P1 井在下鉆600 m之后出現(xiàn)“豎旗桿”現(xiàn)象，水平6段摩阻過(guò)大，鉆具出現(xiàn)屈曲現(xiàn)象，機(jī)械鉆速明顯下降，施工周期延長(zhǎng)[13-16]。

1.2 地層分布特征

馬五1+2氣藏：下古儲(chǔ)層展布受古風(fēng)化殼地層殘余厚度控制，馬五1+2儲(chǔ)層主要分布于東部延873 區(qū)塊、延969區(qū)塊，西部延929區(qū)塊東部，南部延439井區(qū)東側(cè)、延694 井區(qū)，有效儲(chǔ)層分布于侵蝕溝槽兩側(cè)，巖溶殘丘為有效儲(chǔ)層發(fā)育有利位置，有效儲(chǔ)層平面分布零散、規(guī)模小，厚度4.0～10.0 m。

馬五41氣藏：儲(chǔ)層主要分布于西部延929區(qū)塊-延439區(qū)塊，延694井區(qū)西南部，儲(chǔ)層沿西部剝蝕帶分布。巖溶殘丘為有效儲(chǔ)層發(fā)育有利位置，平面分布較零散、規(guī)模小，有效厚度2.0～6.0 m。

馬五5氣藏：儲(chǔ)層主要分布于延929 區(qū)塊西部，吳起區(qū)域、志丹延439井區(qū)西側(cè)，延儲(chǔ)層沿西部剝蝕帶分布，規(guī)模較大，連片性相對(duì)較好。巖溶殘丘為有效儲(chǔ)層發(fā)育有利位置，有效厚度4.0～10.0 m。

2 水平井鉆井提速技術(shù)

優(yōu)選鉆頭和優(yōu)化防塌鉆井液性能，為縮短鉆機(jī)、鉆井泵等設(shè)備的調(diào)試搬遷時(shí)間，提高鉆完井各階段的施工效率，縮短建井周期，采用“井工廠”開(kāi)發(fā)技術(shù)，形成延安氣田富縣區(qū)域下古生界水平井優(yōu)快鉆井技術(shù)。

2.1 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

由于該區(qū)塊延262井鉆至井深2 451 m，發(fā)生井滲漏失嚴(yán)重，只進(jìn)不出，因此優(yōu)選二開(kāi)井身結(jié)構(gòu)將漏失井段封堵。鉆進(jìn)過(guò)程中，為確保不會(huì)出現(xiàn)加壓失效現(xiàn)象，采用大井眼井深結(jié)構(gòu)。通過(guò)選擇合適的井眼剖面和優(yōu)化鉆具組合，進(jìn)行摩阻扭矩分析計(jì)算，可以確定鉆進(jìn)中鉆具所能承受的最大扭矩，從而得到臨界井深。這是保證鉆井作業(yè)安全和高效進(jìn)行的重要措施之一。結(jié)合水平井段的機(jī)械鉆速和地質(zhì)條件等多個(gè)因素，經(jīng)過(guò)優(yōu)化計(jì)算，確定了水平段的最佳長(zhǎng)度為850 m。這一優(yōu)化決策可以提高鉆井作業(yè)的效率和安全性，并最大限度地滿足開(kāi)發(fā)需求，井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果

一開(kāi)采用Φ159 mm 鉆鋌、Φ127 mm 鉆桿，在鉆進(jìn)時(shí)采用低鉆壓、高轉(zhuǎn)速、大排量快速鉆井，采用塔式鉆具組合，每50～60 m 測(cè)一次井斜，控制井斜在2°以內(nèi)，鉆至膠結(jié)較好的基巖層，循環(huán)充分后起鉆，采用鉆頭直徑Φ311.1 mm，鉆至直羅組。

二開(kāi)中，Φ215.9 mm鉆頭二開(kāi)，下Φ244.5 mm技術(shù)套管至石千峰組。鉆進(jìn)采用中鉆壓、高轉(zhuǎn)速，在控制井斜、防止井內(nèi)掉塊的基礎(chǔ)上盡量提高機(jī)械鉆速，勤活動(dòng)轉(zhuǎn)盤和鉆具，以免井內(nèi)出現(xiàn)復(fù)雜情況。

2.2 鉆頭優(yōu)選

通過(guò)比較牙輪鉆頭與PDC 鉆頭的可鉆性極值均值（表2），結(jié)合鉆井參數(shù)與機(jī)械鉆速的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，優(yōu)選確定出高效鉆頭。一開(kāi)直井段選用Φ40 mm單排切削齒Φ311 mm PDC鉆頭；二開(kāi)直井段選用Φ35 mm 單排切削齒Φ215.9 mm PDC 鉆頭；穩(wěn)斜段選用Φ35 mm 雙排切削齒、長(zhǎng)保徑、深內(nèi)錐的Φ215.9 mm PDC鉆頭，提高鉆進(jìn)面的穩(wěn)定性和機(jī)械鉆速，“一趟鉆”完成二開(kāi)穩(wěn)斜段（表3）。

表2 牙輪鉆頭與PDC鉆頭的可鉆性極值均值對(duì)比表

表3 鉆頭優(yōu)選結(jié)果

2.3 鉆井液分段優(yōu)化

由于富縣區(qū)塊探井所鉆遇地層易塌、易漏，地層成巖性差且容易分散垮塌，在鉆井過(guò)程中，延262井共發(fā)生了6次遇卡和遇阻事件。這些地質(zhì)特點(diǎn)增加了鉆井的復(fù)雜度和風(fēng)險(xiǎn)，需要采取相應(yīng)的措施，如加強(qiáng)井壁穩(wěn)定、調(diào)整鉆井液性質(zhì)等，以確保鉆井作業(yè)的順利進(jìn)行。鑒于該地層特點(diǎn)，為保證鉆井作業(yè)的安全和高效進(jìn)行，需要優(yōu)化鉆井液體系，其中鉆井液技術(shù)難點(diǎn)主要包括井壁穩(wěn)定性、防止膏鹽層鹽侵以及儲(chǔ)層保護(hù)等方面[19-21]。

為了優(yōu)化富縣下古生界水平井的鉆井液體系，借鑒了華北油氣分公司在古生界氣探井中成功應(yīng)用的鉀銨基聚磺鉆井液體系，并進(jìn)行了相關(guān)研究工作。這一研究旨在提高鉆井液的性能和適應(yīng)性，以滿足富縣下古生界水平井鉆井的特殊需求。為確保鉆進(jìn)過(guò)程的順利進(jìn)行，通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，采用低傷害、低成本、高效率的原則，對(duì)鉆井液進(jìn)行處理劑的篩選、配方的優(yōu)化以及巖心傷害實(shí)驗(yàn)等工作，以此調(diào)整鉆井液配方，取得了良好的效果，形成一套低成本、優(yōu)質(zhì)快速的分段鉆井液體系[22-25]。

1）第四系地層穩(wěn)定性差，易垮塌和壓差性漏失，入窗密度窗口窄。綜合考慮優(yōu)選斑土CMC鉆井液，因?yàn)樽銐虻陌咄梁?、黏度切力和排量可以處理大井眼的漏失與巖屑攜帶。鉆井液配方：水+（4%～5%）土粉（國(guó)標(biāo)土）+（0.1%～0.2%）燒堿+（0.2%～0.3%）純堿+（0.1%～0.3%）HV-PAC，可以預(yù)防斜井段泥巖垮塌。

2）鉆至延長(zhǎng)組直井段，直羅組坍塌造成起下鉆柱阻卡嚴(yán)重。綜合考慮選用無(wú)固相聚合物鉆井液，通過(guò)利用聚合物的強(qiáng)絮凝和包被作用，在鉆井液中抑制延安組和延長(zhǎng)組縮徑，同時(shí)改善地層造漿情況，以解決起下鉆阻卡問(wèn)題，并提高機(jī)械鉆速。鉆井液配方：水+（0.1%～0.2%）燒堿+（0.2%～0.3%）純堿+（0.1%～0.2%）KPAM（或FA-367）+（0.1%～0.3%）HV-PAC。

3）延長(zhǎng)組鉆至紙坊組，該斜井段易坍塌、掉塊，主要是防塌、防漏，大斜度井段的防黏卡，綜合考慮選用無(wú)固相聚合物鉆井液，目的層防噴。鉆井液配方：水+（3%～5%）土粉（國(guó)標(biāo)土）+（0.1%～0.2%）燒堿+（0.2%～0.3%）純堿+（0.5%～1%）GWSSL-Ⅱ+（1%～2%）SMP-Ⅱ+（1%～2%）低軟瀝青+（0.1%～0.2%）HV-PAC+（0.5%～1%）固體潤(rùn)滑劑+（0.2%～0.5%）液體潤(rùn)滑劑+（0.2%～0.4%）超低滲透劑+0.2%單項(xiàng)壓力封閉劑。有利于確保鉆具的潤(rùn)滑性和較低的失水，泥餅堅(jiān)韌致密光滑，較好的高溫流變性。

4）紙坊組鉆至劉家溝組，該段井眼小、泵壓高、排量受限。該層位中間夾有泥巖，容易剝落和垮塌，綜合考慮選用三磺防塌鉆井液。鉆井液配方：（2.5%～3%）土粉+（0.1%～0.2%）NaOH+（5%～8%）KCl+2%GWSSL-Ⅱ+1%SMP-Ⅱ+（0.1%～0.3%）LVPAC+（0.1%～0.3%）HV-PAC+（0.1%～0.3%）XC+（1%～2%）乳化瀝青+（1%～2%）白瀝青+（1%～2%）固體潤(rùn)滑劑+（2%～5%）液體潤(rùn)滑劑+（1%～2%）RT9051+（0.2%～0.4%）超低滲透劑。

分段鉆井液優(yōu)化后的性能優(yōu)化結(jié)果與性能指標(biāo)分別見(jiàn)表4、表5。在優(yōu)化鉆井液后，濾失量顯著降低，抑制性提高。通過(guò)對(duì)優(yōu)化后的鉆井液進(jìn)行儲(chǔ)層傷害性評(píng)價(jià)，結(jié)果顯示鉆井液巖芯傷害恢復(fù)率高于90%，表明其對(duì)儲(chǔ)層的損害程度較低。

表4 鉆井液性能優(yōu)化結(jié)果

表5 鉆井液性能優(yōu)化指標(biāo)

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

在富縣區(qū)域下古生界8口井進(jìn)行優(yōu)快鉆井技術(shù)應(yīng)用，優(yōu)化后的各項(xiàng)數(shù)據(jù)指標(biāo)見(jiàn)表6。優(yōu)化后鉆井速度明顯提升。

表6 優(yōu)化后8口井的數(shù)據(jù)指標(biāo)

1）井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)采用二開(kāi)井身結(jié)構(gòu)，鉆井液分段分層優(yōu)化。由表6可知，通過(guò)優(yōu)化鉆井液，平均鉆井周期從76.42 d 縮短至52.36 d，縮短了31.48%；同時(shí)，平均機(jī)械鉆速?gòu)?.26 m/h提高至6.47 m/h，提高了88.43%。這些結(jié)果表明優(yōu)化后的鉆井液在提高鉆井效率方面取得了顯著成果，并且對(duì)于鉆井周期和機(jī)械鉆速的改善具有重要意義。尤其是延564井，鉆井周期、完井周期和建井周期明顯縮短，平均機(jī)械鉆速達(dá)到9.94 m/h，大大降低了綜合開(kāi)發(fā)成本。

2）延625 井在進(jìn)行二開(kāi)作業(yè)時(shí)選用PDC 鉆頭，單只鉆頭的進(jìn)尺達(dá)到1 458 m，機(jī)械鉆速為11 m/h，純鉆率為33.23%，最高日進(jìn)尺達(dá)到424.61 m，達(dá)到了富縣下古生界區(qū)塊的最高標(biāo)準(zhǔn)。這些數(shù)據(jù)表明該井在鉆井效率方面取得了顯著成果，并且達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

3）在對(duì)富縣區(qū)域下古生界水平井進(jìn)行優(yōu)化后，井徑規(guī)則得到改善，井壁穩(wěn)定性得到提高，卡鉆事故明顯減少。

延625井在山西組以上地層的平均井徑擴(kuò)大率為5.37%，低于15%的考核標(biāo)準(zhǔn)；而目的層的平均井徑擴(kuò)大率為3.72%，低于10%的考核標(biāo)準(zhǔn)；全井的井徑擴(kuò)大率為5.21%，達(dá)到了鉆進(jìn)高效的目標(biāo)。

4 結(jié)論

1）通過(guò)采用富縣下古生界水平井優(yōu)快鉆井技術(shù)，該區(qū)塊的鉆井效率得到有效提升，包括機(jī)械鉆速、鉆井周期、建井周期和完井周期顯著縮短。平均鉆井周期縮短了31.48%，機(jī)械鉆速提高了88.43%。特別是延625 井，該井機(jī)械鉆速達(dá)到11 m/h，純鉆率為33.23%，最高日進(jìn)尺達(dá)到424.61 m。這些數(shù)據(jù)表明，優(yōu)快鉆井技術(shù)在提高鉆井效率方面效果顯著，并且延625井的表現(xiàn)尤為突出。

2）分段優(yōu)化鉆井液體系降低了濾失量，儲(chǔ)層傷害小，有效減少鉆井事故，確保井下安全，降低了復(fù)雜情況發(fā)生率，保持井壁穩(wěn)定和規(guī)則井徑。

3）富縣下古生界水平井優(yōu)快鉆井技術(shù)為該區(qū)塊油氣井的經(jīng)濟(jì)高效開(kāi)發(fā)提供了有力支持，實(shí)現(xiàn)了高產(chǎn)、低成本的鉆井操作。