覃　毅，高　飛，劉振通，李　歡，朱　赫，霍磊磊，張國(guó)山

(渤海鉆探工程有限公司第一固井分公司， 河北任丘 062552)

古潛山致密砂巖水平井鉆完井技術(shù)

覃毅，高飛，劉振通，李歡，朱赫，霍磊磊，張國(guó)山

(渤海鉆探工程有限公司第一固井分公司， 河北任丘 062552)

摘要：致密砂巖孔滲性低，可鉆性差，長(zhǎng)水平段水平井鉆井難度大。以任丘古潛山致密砂巖第一口水平預(yù)探井任密1H井為例，對(duì)長(zhǎng)水平段水平井鉆完井施工中的難點(diǎn)及相應(yīng)技術(shù)措施進(jìn)行了論述。任密1H井鉆進(jìn)過程中摩阻扭矩大，井眼軌跡不易控制；巖屑上返路程長(zhǎng)，易形成巖屑床；要求全井封固，固井難度大。通過鉆具組合和鉆頭優(yōu)選，應(yīng)用“螺桿+MWD”定向控制的井眼軌跡控制鉆井技術(shù)保證了井身質(zhì)量。應(yīng)用鉆井液技術(shù)控制高溫、高壓濾失量，降低鉆井液摩阻系數(shù)，保證巖屑懸浮和攜帶，確保井眼清潔。應(yīng)用低失水、低敏感性及穩(wěn)定性好的大溫差雙密度水泥漿體系配套固井技術(shù)有效保證了固井質(zhì)量。整套鉆完井技術(shù)保證該水平井中靶率為100%，全井段封固合格率為100%，實(shí)現(xiàn)了該區(qū)致密儲(chǔ)層油氣勘探突破。對(duì)國(guó)內(nèi)其他地區(qū)古潛山致密砂巖水平井的施工有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：致密砂巖水平井；古潛山；任密1H井；井眼軌跡控制；長(zhǎng)封固段大溫差固井技術(shù)

Drilling and Completion Technology for Buried-hill

Tight Sandstone Horizontal Wells

Qin Yi，Gao Fei，Liu Zhentong，Li Huan，Zhu He，Huo Leilei，Zhang Guoshan

(No.1CementingCompanyofBohaiDrillingandExplorationEngineeringCompanyLtd.,Renqiu,Hebei062552,China)

Abstract:Tight sandstone features in low porosity and permeability and poor drillability, so it is difficult to drill horizontal wells of long horizontal segment. Taking Well Renmi 1H, the first exploratory horizontal well in Renqiu buried-hill tight sandstone as an example, we discussed the difficulties and relevant countermeasures for horizontal well drilling and completion of long horizontal segment. During drilling, it produced great friction torque, and it was difficult to control the well bore trajectory. What’s more, there were another two difficulties when drilling the well, one was the long distance of the cuttings back to the wellhead, and the other was the easily formed cuttings bed. And it was required to cement all wellbore. Through drilling assembly and bit optimization, we applied the borehole trajectory control technology of “screw+MWD” oriented control to assure wellbore quality. In addition, we used drilling fluid technology to control filtration of high temperature and high pressure, to reduce filtration coefficient of drilling fluid, and to ensure cuttings suspension and carrying as well as cleanliness of borehole. And the cementing quality was guaranteed, with the cementing technology matching with cement slurry system of large temperature difference, double density, low water loss, low sensitivity, and good stability. With the systematic drilling and completion technology, both of the target rate and the seal qualification rate of the horizontal well were 100%, and breakthrough was made in exploration for oil and gas in tight reservoirs of the area. This could be a reference for buried-hill tight sandstone horizontal well drilling in other areas of China.

Key words:tight sandstone horizontal well; buried hill; Well Renmi 1H; hole trajectory control; cementing technology of long cementing segment and big temperature difference

致密砂巖是一種沉積巖，一般具有7%～12%的孔隙度和小于1.0mD的空氣滲透率，砂巖孔喉半徑一般小于0.5μm。近幾年來，由于非常規(guī)連續(xù)型油氣聚集理論的創(chuàng)新及致密儲(chǔ)層中納米級(jí)孔隙的發(fā)現(xiàn)，推動(dòng)了中國(guó)致密砂巖油氣快速發(fā)展。目前，鄂爾多斯盆地、四川盆地是中國(guó)致密砂巖油氣開發(fā)的主要地區(qū)；塔里木盆地、松遼盆地和吐哈盆地也開展了致密砂巖油氣開發(fā)的探索。經(jīng)預(yù)測(cè)，致密砂巖氣總體可建產(chǎn)規(guī)模在600×108m3以上，勘探前景廣闊[1-16]。目前常規(guī)定向井無法實(shí)現(xiàn)致密砂巖油氣的有效勘探開發(fā)，必須用長(zhǎng)水平段水平井才可大幅度提高致密砂巖油氣的勘探開發(fā)效果。

為了揭開冀中坳陷饒陽(yáng)凹陷任丘斷裂潛山構(gòu)造帶任7山頭構(gòu)造—巖性圈閉沙三中亞段致密砂巖含油氣情況，華北油田部署了第一口水平預(yù)探井——任密1H井，該井位于河北省任丘市石門橋鎮(zhèn)東關(guān)張東南，毗鄰京開國(guó)道。設(shè)計(jì)井深為4327.94m，垂深為2970m，井斜為91°，水平位移為1573m，是一口雙靶井。完鉆井深為4280m，最大井斜96.37°，水平段長(zhǎng)1079.79m，水平位移為1581m，鉆井周期為63.48天、機(jī)械鉆速為5.6m/h，是華北油田水平段長(zhǎng)度和井底水平位移最大的一口水平探井，完井時(shí)下入φ127mm油層套管固井，全井封固，封固段長(zhǎng)達(dá)4277m，創(chuàng)華北地區(qū)同類型水平井施工井斜最大、水平段最長(zhǎng)、鉆井周期最短、機(jī)械鉆速最快、水平封固段最長(zhǎng)等多項(xiàng)紀(jì)錄。

1 工程概況及鉆完井技術(shù)難點(diǎn)[17-19]

1.1 工程概況

任密1H井在鉆井中依次鉆遇明化鎮(zhèn)組、館陶組、東營(yíng)組、沙河街組。預(yù)計(jì)在沙一段底2910m左右鉆遇斷層。該區(qū)域以石英、長(zhǎng)石、燧石礫為主，在區(qū)塊鄰井調(diào)研中，由于均為較早期已完鉆井，大多發(fā)生劃眼、遇卡等復(fù)雜情況，尤其在東營(yíng)組和沙河街組沙二段、沙三段，本井施工難度非常大。

該構(gòu)造帶砂三中亞段巖石類型主要為長(zhǎng)石砂巖，含少量石英砂巖和巖屑長(zhǎng)石砂巖，礦物組分主要為石英、長(zhǎng)石。巖石多具有中—高等的成分成熟度，儲(chǔ)層填隙物含量較高(一般為15%～25%),主要為方解石，少量為白云石、黏土礦物(主要為高嶺石)和泥質(zhì)。巖石實(shí)測(cè)孔隙度一般為5.5%～19.6%；滲透率為1～4.43mD，平均為1.08mD，為中孔—低孔、低滲—特低滲儲(chǔ)層。

該井一開使用φ444.5mm鉆頭鉆至201m，下入φ339.7mm表層套管200.08m，封固上段松軟地層，安裝井口，保證表套具有足夠能力懸掛技術(shù)套管懸重；二開使用φ311.2mm鉆頭鉆至3002m，下入φ244.5mm技術(shù)套管3000m，分級(jí)箍位置為805.89m，封隔易漏、易塌等復(fù)雜層，提高井眼承壓能力，為實(shí)現(xiàn)三開打下基礎(chǔ)；三開使用φ215.9mm鉆頭鉆至4280m完鉆，下入φ127mm套管4277m，要求水泥漿返至地面進(jìn)行全井封固。

1.2 鉆完井技術(shù)難點(diǎn)

(1) 任密1H井設(shè)計(jì)井深4327.94m，水平裸眼段長(zhǎng)，鉆井液密度為1.28g/cm3，后期摩阻大，井斜難以控制，鉆井難度大、風(fēng)險(xiǎn)高。

(2) 致密砂巖上部地層復(fù)雜，起下鉆阻卡等復(fù)雜事故頻頻發(fā)生；致密砂巖膠結(jié)致密，硬度高、研磨性強(qiáng)、可鉆性差、鉆井速度慢、定向造斜率低、井眼軌跡控制困難，導(dǎo)致造斜速度慢、周期長(zhǎng)。

(3) 該井水平段長(zhǎng)，井底水平位移大，井眼易形成巖屑床，且不易清除，易發(fā)生環(huán)空憋堵、井下漏失等復(fù)雜情況。井徑擴(kuò)大率高達(dá)16.3%、環(huán)空容積大、水泥漿用量大，加上井身質(zhì)量不理想，井眼井斜和方位變化大，套管不易居中，易發(fā)生串槽，頂替效率差，固井難度大。

(4) 該井套管與井壁環(huán)空間隙小，水泥漿流動(dòng)阻力大、水泥環(huán)薄，對(duì)水泥漿性能要求嚴(yán)格，否則水平段固井質(zhì)量難以保證，導(dǎo)致后期無法進(jìn)行儲(chǔ)層改造。

2 鉆井技術(shù)措施

2.1 井眼軌跡控制鉆井技術(shù)[20-25]

2.1.1 鉆具組合優(yōu)選

針對(duì)任密1H井水平段長(zhǎng)、井眼軌跡控制難、鉆井過程中易出現(xiàn)垮、卡、漏等復(fù)雜井況和工藝繁瑣等特點(diǎn)，通過轉(zhuǎn)滑結(jié)合精確控制井眼軌跡，降低滑動(dòng)進(jìn)尺比例，并采取劃眼、短起下鉆、及時(shí)混入原油和潤(rùn)滑劑等措施，降低鉆井過程中的摩阻扭矩，保證井眼軌跡按照設(shè)計(jì)要求鉆進(jìn)。水平段具體鉆具組合為φ215.9mm鉆頭+φ172mm×(1°~1.25°)單彎螺桿+鉆具浮閥+φ165mmMWD+伽馬短節(jié)+φ127mmNWDp+φ127mmDp18°斜坡+φ127mmWDp+φ159mm隨鉆震擊器+φ127mmWDp+φ127mmDp18°斜坡。

2.1.2 鉆頭選型

為了優(yōu)選適合地層的鉆頭，從地層可鉆性評(píng)估結(jié)果及鄰井實(shí)鉆資料對(duì)比出發(fā)，結(jié)合不同鉆頭破巖機(jī)理的不同進(jìn)行選擇評(píng)價(jià)。發(fā)現(xiàn)館陶組及其以上地層為極軟—中軟地層，但夾雜色礫巖，上部使用HAT127或PDC鉆頭，底部使用HJ437鉆頭，能取得更好的鉆井時(shí)效。東營(yíng)組—沙三中亞段適合HJ517G、HJ537G鉆頭或PDC鉆頭鉆進(jìn)。在一開φ444.5mm井眼中使用P2鉆頭，在二開φ311.2mm井眼中2000m前使用PDC與JD437鉆頭，在φ311.2mm井眼中2000～3002m之間使用PDC與HJ517G鉆頭，在φ215.9mm井眼中使用PDC與HJT517G鉆頭，實(shí)際使用效果良好。

2.1.3 井眼軌跡控制技術(shù)

針對(duì)任密1H井井眼軌跡難控制和摩阻較大的問題，采用國(guó)內(nèi)成熟的“螺桿+MWD”定向控制技術(shù)，通過精確測(cè)量井斜方位，提高井眼軌跡控制精度。三開后采用“螺桿+MWD+伽馬”的導(dǎo)向技術(shù)，能對(duì)實(shí)鉆地層信息進(jìn)行精確描述，A靶、B靶兩個(gè)靶點(diǎn)全部精準(zhǔn)中靶，井身質(zhì)量為100%，鉆探目的順利實(shí)現(xiàn)。

通過使用井眼軌跡控制鉆井技術(shù)，二開中完鉆井周期比設(shè)計(jì)縮短12.19天。三開最大井斜為96.37°，水平段長(zhǎng)1079.79m，鉆井周期為63.48天，機(jī)械鉆速為5.6m/h，為華北地區(qū)同類型水平井中施工井斜最大、水平段最長(zhǎng)、鉆井周期最短、機(jī)械鉆速最快。

2.2 鉆井液技術(shù)[26-30]

三開至完鉆鉆井液的原則為:①以KPAM為包被、絮凝、抑制造漿、控制膨潤(rùn)土含量上升的主處理劑；②聚合物小分子降黏、降濾失；③FT-108配合改善泥餅質(zhì)量，鞏固和增加井壁穩(wěn)定性，防止井壁垮塌。

根據(jù)鉆井液原則及其鉆井技術(shù)難點(diǎn)，三開3002～4278m井段采用高性能的正電膠聚磺鉆井液體系。鉆井液配方是膨潤(rùn)土+Na2CO3+NaOH+KPAM+ NPAN+黑色正電膠+FT-108+陽(yáng)離子乳化瀝青+極壓潤(rùn)滑劑+原油+石墨+SMP-1+HMF+SMC+DCL-1+塑料小球+乳化劑。

根據(jù)井下實(shí)際情況及時(shí)調(diào)整鉆井液性能，完鉆時(shí)鉆井液性能：密度為1.28g/cm3，漏斗黏度為50s，濾失量為2.4mL/3.5MPa，泥餅為0.5mm，切力為3Pa/10s、6Pa/10mim，含砂為0.1%，pH為8.5。

該鉆井液具有良好的封堵防塌性、潤(rùn)滑性、流變性和懸浮攜帶能力，有效地維護(hù)了井壁穩(wěn)定，降低了摩阻系數(shù)，保證了井眼清潔。

經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，該鉆井液體系達(dá)到了以下的的應(yīng)用效果：①以正電膠、磺化處理劑為主，使用SMP-Ⅰ、SMC、HMF嚴(yán)格控制高溫高壓濾失量，改善泥餅質(zhì)量；極壓潤(rùn)滑劑和石墨降低鉆井液摩阻系數(shù)，提高其防塌、防卡性能；②根據(jù)摩阻扭矩預(yù)測(cè)分析和實(shí)際監(jiān)測(cè)情況，及時(shí)向鉆井液中補(bǔ)充加入原油、石墨和極壓潤(rùn)滑劑，保證原油含量為6%~8%，使泥餅?zāi)ψ柘禂?shù)始終保持在0.08以下，控制鉆進(jìn)摩阻扭矩，防止卡鉆事故的發(fā)生；③對(duì)攜巖和儲(chǔ)層保護(hù)具有良好的效果；④在保證鉆井液性能及施工安全的情況下，鉆井液密度盡量靠近設(shè)計(jì)下限，有利于油層保護(hù)和安全鉆進(jìn)。最大限度保證大排量鉆進(jìn)，保證足夠的環(huán)空上返速度，保證巖屑懸浮和攜帶，避免巖屑床形成，確保井眼清潔。

3 配套固井技術(shù)

3.1 井眼準(zhǔn)備

(1)完井電測(cè)結(jié)束后必須用完鉆鉆具下鉆通井。通井到底后，充分循環(huán)鉆井液，利用凈化設(shè)備清除井底沉砂及井壁吸附物，同時(shí)調(diào)整鉆井液性能達(dá)到完鉆電測(cè)之前時(shí)的狀態(tài)。

(2)下套管前采用三扶通井，起鉆過程中如有掛卡現(xiàn)象，要進(jìn)行短起下作業(yè)，并根據(jù)井下情況降低鉆井液摩阻系數(shù)，確保套管加放扶正器后能夠安全下入預(yù)定位置，最后一趟通井及下完套管后采用150s以上的稠鉆井液裹砂，確保井下清潔。套管下到井底之后，循環(huán)鉆井液兩周以上，鉆井液性能達(dá)到要求后方可固井。

(3)做好承壓試驗(yàn)。承壓能力須達(dá)到7.5MPa，穩(wěn)壓30min壓降不大于0.5MPa。如有漏失則先堵漏，篩除堵漏材料后再做承壓。如井下發(fā)生其他復(fù)雜情況，必須進(jìn)行相應(yīng)處理，使井眼暢通、井壁穩(wěn)定。

3.2 優(yōu)選高低密雙凝水泥漿體系[31-33]

3.2.1 水泥漿設(shè)計(jì)原則

(1)按照井內(nèi)溫度、壓力、水泥漿和外加劑設(shè)計(jì)，進(jìn)行不同套管程序設(shè)計(jì)的水泥漿室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，要求各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到要求。

(2) 注水泥漿之前，現(xiàn)場(chǎng)采樣，進(jìn)行水泥漿稠化時(shí)間、相溶性復(fù)合試驗(yàn)，確保注水泥漿施工安全順利。

(3) 注水泥漿須按設(shè)計(jì)進(jìn)行，確保連續(xù)施工。水泥漿和前置液注入量、注替排量、水泥漿密度和性能必須達(dá)到設(shè)計(jì)要求，盡可能實(shí)現(xiàn)紊流頂替。水泥漿密度應(yīng)控制在設(shè)計(jì)要求的±0.03g/cm3范圍以內(nèi)。

(4) 水泥漿容易混合與泵送，具有良好的流動(dòng)度、適宜的初始稠度，且均質(zhì)、起泡性小，自由液為零。

(5)全井封固段長(zhǎng)達(dá)4277m，井底溫度為90℃，地面溫度為18℃，封固段上下溫差達(dá)72℃，為保證注水泥漿施工安全，需要設(shè)計(jì)較長(zhǎng)的水泥漿可泵時(shí)間。

(6)外加劑配伍性好、敏感性低、稠化時(shí)間易調(diào)，對(duì)水泥水化、水泥內(nèi)部結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度發(fā)展、長(zhǎng)期膠結(jié)性能無不良影響。

3.2.2 水泥漿體系配方

針對(duì)固井難點(diǎn)和水泥漿設(shè)計(jì)原則，研究和優(yōu)選了適合本井長(zhǎng)封固段大溫差固井的綜合性能好且對(duì)溫度敏感性低的外加劑，有效地保證了大溫差條件下的水泥漿性能。優(yōu)選了破碎率低、抗高壓性能好的3M漂珠，有效降低水泥漿密度及液柱壓力，防止固井時(shí)發(fā)生井漏。

低密度防竄高強(qiáng)水泥漿配方為：G級(jí)水泥+微硅+3M微珠+DRT-100S防竄劑+DRF-100S降失水劑+高溫懸浮劑+DRH-100L緩凝劑+抑泡劑+消泡劑+早強(qiáng)劑。

高密度彈性膠乳水泥漿配方為：G級(jí)水泥+微硅+DRE-100S彈性材料+DRT-100S防竄劑+DRF-100S降失水劑+DRT-100LT膠乳調(diào)節(jié)劑+高溫懸浮劑+DRH-100L緩凝劑+抑泡劑+消泡劑。

水泥漿性能如表1所示，兩種水泥漿稠化曲線見圖1。

表1　水泥漿性能表

注：T100Bc—水泥漿稠度達(dá)到100Bc所需時(shí)間；FL—API失水量；P24h—24小時(shí)水泥石抗壓強(qiáng)度。

圖1　低密度和高密度水泥漿稠化曲線圖Fig.1　Low-density and High-density cement slurry thickening curves

實(shí)驗(yàn)條件：初始溫度為18℃，最終溫度為90℃，升溫時(shí)間為40min，初始?jí)毫?MPa，最終壓力為40MPa。

該套水泥漿體系流變性能好、漿體穩(wěn)定、抗壓強(qiáng)度、稠化時(shí)間可調(diào)、水泥石強(qiáng)度高,綜合性能好，能夠提高頂替效率。水泥漿混配時(shí)，產(chǎn)生的氣泡較少，配成低失水、低敏感性及穩(wěn)定性好的大溫差雙密度水泥漿體系，有效保證了固井質(zhì)量。

3.3 固井施工措施

(1)采用漂浮固井與變排量替漿技術(shù)。壓膠塞后，首先用水泥車進(jìn)行替漿，2700m至井底用水泥車清水頂替，使用漂浮固井技術(shù)，使水平段套管在鉆井液浮力作用下處于漂浮狀態(tài)，提高了套管居中度；接著大泵紊流頂替鉆井液，鉆井泵頂替排量為2.4m3/min，最后2m3使用水泥車替漿進(jìn)行碰壓。整個(gè)施工過程重疊段平均返速為1.49m/s，裸眼段返速為1.09m/s。

(2)采用優(yōu)質(zhì)前隔離液體系。使用S-104驅(qū)油沖洗液與沖洗隔離液相結(jié)合方式，有效沖洗井壁、隔離鉆井液與水泥漿，防止水泥漿與鉆井液發(fā)生混竄，提高固井質(zhì)量。

(3)施工時(shí)，選派性能先進(jìn)、混漿能力強(qiáng)、自動(dòng)化程度高的現(xiàn)代化水泥車參加固井施工，及時(shí)做好不同梯度的水泥漿密度轉(zhuǎn)換，確保水泥漿密度達(dá)到設(shè)計(jì)要求的±0.03g/cm3范圍以內(nèi)。

固井施工完成后候凝120小時(shí)，聲幅顯示，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)符合設(shè)計(jì)要求，全井固井質(zhì)量合格率為100%。

4 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

(1) 針對(duì)鉆井過程中易出現(xiàn)垮、卡、漏等復(fù)雜井況和繁瑣工藝，優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)，控制關(guān)鍵井段地層壓力監(jiān)測(cè)及鄰井防碰等施工要點(diǎn)，通過轉(zhuǎn)滑結(jié)合精確控制井眼軌跡，降低滑動(dòng)進(jìn)尺比例，并采取劃眼、短起下鉆、及時(shí)混入原油和潤(rùn)滑劑等措施嚴(yán)格控制井眼軌跡，確保二開φ311.2mm井眼、三開φ215.9mm井眼施工過程安全順利，提高鉆井速度和鉆機(jī)工作效率，找到一套適合該類井的鉆井技術(shù)。

(2) 良好的鉆井液體系是完井投產(chǎn)施工的前提。鉆進(jìn)過程中容易發(fā)生井漏、井塌、卡鉆等復(fù)雜情況，對(duì)鉆井液性能要求非常嚴(yán)格。優(yōu)選出適合致密儲(chǔ)層的鉆井液體系，尤其斜井段和水平段鉆井時(shí)，合理的鉆井液密度控制及鉆井液流變性調(diào)整，配套工程技術(shù)，可提高井眼清潔效果，避免巖屑床形成，防止壓差卡鉆，對(duì)致密砂巖水平井鉆井液研究具有一定的借鑒意義。

(3) 采用適合長(zhǎng)封固段大溫差固井的高低密雙凝水泥漿體系，優(yōu)化套管扶正器安放設(shè)計(jì)、漂浮固井及變排量替漿技術(shù)施工參數(shù)，形成致密砂巖水平井完井配套固井技術(shù)，實(shí)現(xiàn)固井質(zhì)量合格率100%，水泥膠結(jié)質(zhì)量良好。

(4)水平井鉆完井技術(shù)致密油氣開發(fā)的有效途徑，可加大鉆過油層的面積，提高采收率。通過優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，嚴(yán)格井眼軌跡控制，采取可行的配套技術(shù)措施，認(rèn)真周密組織施工，任丘古潛山致密砂巖實(shí)施水平井鉆井安全可行，對(duì)類似地層的鉆完井技術(shù)具有指導(dǎo)意義。

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中圖分類號(hào)：TE256

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：第一覃毅(1984年生)，男，工程師，現(xiàn)從事固井技術(shù)研究及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工作。郵箱：896028085@qq.com。