張 輝

（中國(guó)石化華北油氣分公司石油工程技術(shù)研究院，河南 鄭州 450006）

0 引言

大牛地氣田是中國(guó)知名致密低滲透氣藏之一，縱向發(fā)育多套儲(chǔ)層［1-6］。但隨著勘探開(kāi)發(fā)的不斷深入，已經(jīng)進(jìn)入綜合調(diào)整期，儲(chǔ)層品味逐步變差，井網(wǎng)密度不斷加劇，征地、環(huán)保等要求日益嚴(yán)格，且伴隨國(guó)際油價(jià)的持續(xù)低迷，效益開(kāi)發(fā)對(duì)鉆井降本減費(fèi)提出了更高的要求。井身結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化和叢式井組的應(yīng)用是鉆井提速的重要手段之一，能夠減少鉆井程序，降低鉆頭切削面積，減少?gòu)U棄物處理，推動(dòng)集約化鉆井，縮短鉆井周期，為降本增效拓展了空間。目前國(guó)內(nèi)對(duì)于叢式井組工廠化開(kāi)展了積極探索，并取得了成功，如四川涪陵頁(yè)巖氣工廠化鉆井、蘇里格叢式井鉆井等［7-9］；而對(duì)于井身結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化的相關(guān)研究較少，主要是受限于后期作業(yè)及市場(chǎng)非標(biāo)工具配套不完善［10］等原因。筆者結(jié)合大牛地井網(wǎng)分布條件開(kāi)展了叢式小井眼集約化鉆井技術(shù)探索研究，發(fā)現(xiàn)主要存在以下難點(diǎn)：①井網(wǎng)密度大，單個(gè)平臺(tái)井?dāng)?shù)少，均為定向井，經(jīng)濟(jì)有效的叢式井組施工模式需要優(yōu)化；②征地難度大，井網(wǎng)間距小，井間干擾風(fēng)險(xiǎn)大，目的層垂直中靶對(duì)軌跡的平滑性提出了較高要求；③井眼尺寸變小，施工排量受限，鉆頭水力破巖能力降低，影響機(jī)械鉆速；④劉家溝組地層承壓能力低，小井眼增大了環(huán)空壓耗，固井易憋漏地層。綜上可知：應(yīng)通過(guò)完善叢式井組施工模式，減小井眼尺寸，優(yōu)化井眼軌跡，設(shè)計(jì)強(qiáng)研磨鉆頭和低密度水泥漿體系，以保障叢式小井眼集約化鉆井技術(shù)得以優(yōu)化。

1 叢式井組施工模式

國(guó)內(nèi)叢式水平井井組工廠化作業(yè)模式主要有3種［11-13］：整拖式“井工廠”作業(yè)模式、批量化單鉆機(jī)“井工廠”作業(yè)模式和流水線雙鉆機(jī)“井工廠”作業(yè)模式，分別采用單鉆機(jī)單口井依次完成施工、單鉆機(jī)逐個(gè)開(kāi)次完成施工和雙鉆機(jī)逐個(gè)開(kāi)次完成施工。涪陵頁(yè)巖氣田實(shí)踐表明，當(dāng)平臺(tái)布井少于6 口時(shí)，3 種模式工程費(fèi)用接近；當(dāng)平臺(tái)布井超過(guò)10 口后，批量化單鉆機(jī)“井工廠”作業(yè)模式和流水線雙鉆機(jī)“井工廠”作業(yè)模式降本減費(fèi)更具優(yōu)勢(shì)。

與涪陵頁(yè)巖氣田相比，大牛地氣田小井眼叢式井組有以下不同：①井組均不大于6 口井，施工井?dāng)?shù)少；②二級(jí)結(jié)構(gòu)定向井施工，單井鉆井周期短，平均鉆井周期為20.11 d，鉆機(jī)拖動(dòng)逐開(kāi)次施工優(yōu)勢(shì)不足；③工廠化作業(yè)需要改進(jìn)鉆機(jī)，現(xiàn)場(chǎng)配套不足。因此，大牛地小井眼叢式井組優(yōu)選整拖式“井工廠”作業(yè)模式，設(shè)計(jì)單排單鉆機(jī)和雙排雙鉆機(jī)作業(yè)模式。以六井組為例，單排單鉆機(jī)作業(yè)模式是井口“一”字型排布，單個(gè)鉆機(jī)依次完成6 口井施工；雙排雙鉆機(jī)作業(yè)模式是井口“二”字型排布，兩臺(tái)鉆機(jī)對(duì)向各自完成3口井施工（圖1）。常規(guī)單井井場(chǎng)面積為6 300 m2，叢式井組井口間距設(shè)計(jì)為5 m，六井組單排單鉆井施工模式可節(jié)約4.72 個(gè)井場(chǎng)；采用液動(dòng)滑軌整托式搬遷，單井搬遷周期設(shè)計(jì)為8 d，井組間單井搬遷周期設(shè)計(jì)為2天，六井組預(yù)計(jì)累計(jì)搬遷時(shí)間為18 d（表1）。

圖1 井口設(shè)計(jì)圖

表1 叢式井組施工模式指標(biāo)對(duì)比表

2 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

大牛地氣田常規(guī)定向井采用二級(jí)井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，一開(kāi)采用直徑為311.2 mm 鉆頭，下入外徑為244.5 mm 套管封固第四系黃土層和白堊系砂泥巖易漏、易垮塌層；二開(kāi)采用直徑為215.9 mm 鉆頭，下入外徑為139.7 mm 生產(chǎn)套管固井。為減小鉆頭切削面積，并保障壓裂等作業(yè)要求，以外徑為114.3 mm生產(chǎn)套管固井為基準(zhǔn)，逆向設(shè)計(jì)井身結(jié)構(gòu)。一開(kāi)優(yōu)化直徑為241.3 mm 鉆頭，下入外徑為193.7 mm 套管固井；二開(kāi)采用直徑為165.1 mm 鉆頭，下入外徑為114.3 mm 生產(chǎn)套管固井；井眼尺寸縮小了22.46%～23.53%，套管尺寸縮小了18.18%～20.78%（表2）。

表2 井身結(jié)構(gòu)對(duì)比表

當(dāng)壓裂改造層小于等于3層時(shí)，采用機(jī)械分壓工藝，井口選用KQ65-70 型井口，封隔器以上采用N80 鋼級(jí)外徑為73.0 mm 加厚油管，抗內(nèi)壓為72.9 MPa，封隔器以下采用P110鋼級(jí)外徑為73.0 mm加厚油管，抗內(nèi)壓為95.6 MPa，油管壁厚均為5.51 mm，后期采用壓裂管柱直接投產(chǎn)。當(dāng)壓裂改造層大于3層時(shí)，采用可溶橋塞分壓工藝，選擇KQ103／65-70型壓裂井口，采用P110 鋼級(jí)外徑為114.3 mm 的管柱，優(yōu)選外徑為60.3 mm油管作為生產(chǎn)管柱［14］。

3 井眼軌跡優(yōu)化

大牛地氣田面積為2 003 km2，已完鉆上千口井，井網(wǎng)間距約為600 m。受限于地下井網(wǎng)和地面征地條件，若采用“直—增—穩(wěn)”三段制軌道設(shè)計(jì)，目的層位移較大，軌跡易進(jìn)入鄰井的泄氣半徑內(nèi)，產(chǎn)生井間干擾（圖2）。因此目的層設(shè)計(jì)兩個(gè)靶點(diǎn)，利用垂直中靶控制軌跡，采用“直—增—穩(wěn)—降—直”S型軌道設(shè)計(jì)（圖3）。

圖2 目的層井間干擾水平投影示意圖

圖3 軌道垂直投影對(duì)比示意圖

與“直—增—穩(wěn)”三段制定向井相比，增加了降斜和下部直井段，且儲(chǔ)層埋深更深，垂深為3 200 m，摩阻、扭矩較大，88.9 mm鉆具加壓難度增大。結(jié)合實(shí)鉆數(shù)據(jù)，利用landmark 軟件開(kāi)展摩阻分析，優(yōu)化井眼軌跡。結(jié)果表明，造斜率一定時(shí)，井斜越小，摩阻越??；井斜一定時(shí)，2.4°／30 m～3°／30 m 設(shè)計(jì)軌道的摩阻低于3°／30 m～2°／30 m設(shè)計(jì)軌道。造斜點(diǎn)優(yōu)選穩(wěn)定地層，設(shè)置上限為800 m，因此優(yōu)選2.4°／30 m增斜，3°／30 m降斜，井斜20～25°的軌道設(shè)計(jì)（表3）。依據(jù)《叢式井平臺(tái)布置及井眼防碰技術(shù)要求：SY／T 6396-2014》，叢式井組一開(kāi)井深依次錯(cuò)開(kāi)10 m 以上，造斜點(diǎn)依次錯(cuò)開(kāi)30 m以上，保障鉆井施工安全。

表3 軌道設(shè)計(jì)對(duì)比數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

4 鉆頭及鉆具優(yōu)化

定向井完鉆層位為下奧陶統(tǒng)馬家溝組，其中上古生界以泥巖、泥質(zhì)砂巖和粉砂巖為主，下古生界馬家溝組以灰?guī)r和白云巖為主。綜合室內(nèi)巖石可鉆性微鉆頭實(shí)驗(yàn)和聲波時(shí)差計(jì)算可鉆性級(jí)值，其中和尚溝組及上部地層，PDC 鉆頭垂向可鉆性級(jí)值基本上分布在4，屬于軟地層；和尚溝組—石千峰組PDC鉆頭垂向可鉆性級(jí)值基本上分布在7，上石盒子組太原組地層巖石可鉆性與和尚溝組—石千峰組地層基本相當(dāng)，均分布在7～8，馬家溝可鉆性級(jí)值介于6～8，屬于中—中硬地層。

設(shè)計(jì)PDC 鉆頭采用五刀翼，中拋物線設(shè)計(jì)，中心部位鑲錐形齒，直接頂碎中心巖心，提高機(jī)械鉆速；后排齒設(shè)置錐形齒，提高外部切削能力；中等密度布齒，主切削位置使用的復(fù)合片磨耗比高，配合后排錐形齒，增強(qiáng)了鉆頭攻擊性和抗沖擊性；優(yōu)化水力結(jié)構(gòu)，加深水道，七水眼布置提高了鉆頭排屑效率［15-17］，適用于中等硬度含有夾層地層（圖4）。配套101.6 mm 鉆具，內(nèi)通徑為84.84 mm，提高鉆具加壓能力和巖屑床清洗能力?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用8口井，單井二開(kāi)鉆頭消耗為3.8 只，平均進(jìn)尺為756.09 m，單只鉆頭最大進(jìn)尺為1 754 m，實(shí)現(xiàn)了二開(kāi)兩趟鉆完鉆，其中單井最快機(jī)械鉆速為17.87 m／h，最短鉆井周期為13.33 d（表4和表5）。

圖4 設(shè)計(jì)的PDC鉆頭出井圖

表4 常規(guī)井和小井眼鉆頭使用情況對(duì)比表

表5 D1-XX井鉆頭使用情況表

5 防漏固井設(shè)計(jì)

大牛地氣田中生界底部劉家溝組地層承壓能力低，地層破裂壓力當(dāng)量密度為1.22～1.27 g／cm3，水平井技術(shù)套管固井將井眼直徑由215.9mm 擴(kuò)大為222.3 mm，增大了環(huán)空間隙，固井漏失得到明顯改善；常規(guī)定向井井眼直徑為215.9 mm，下入外徑為139.7 mm 生產(chǎn)套管固井，采用一次注水泥雙凝固井工藝，1.90 g／cm3尾漿封固氣層以上300 m，1.33 g／cm3領(lǐng)漿返至井口，封固段長(zhǎng)3 200 m，通過(guò)壓力節(jié)點(diǎn)控制工藝，保障了固井一次全返。研究表明，隨著環(huán)空尺寸減小，環(huán)空壓耗增大，當(dāng)環(huán)空間隙小于25 mm 時(shí)更為明顯［18］。165.1 mm 井眼直徑尺寸變小，環(huán)空間隙變窄，按照井徑擴(kuò)大率7%，環(huán)空截面積僅為14 249.64 mm2，較常規(guī)215.9 mm 井眼直徑縮小了46.4%，循環(huán)壓耗增大，現(xiàn)場(chǎng)施工最高泵壓為30 MPa，較常規(guī)增大了5.2 MPa，多口井憋漏地層。

進(jìn)一步降低水泥漿密度，調(diào)整漿體流變性是降低泵壓的重要手段之一［19-23］。采用電廠漂珠和人工漂珠復(fù)配為1.25 g／cm3低密度水泥漿體系，電廠漂珠具有質(zhì)輕、強(qiáng)度高的特點(diǎn)，可以減少人工漂珠受壓破碎引起的漿體密度上升，體系較為穩(wěn)定，同時(shí)塑性黏度和屈服值降低，提高了固井的頂替效率?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用固井碰壓壓力降低了5.5 MPa，保障了水泥漿一次全返至地面（表6）。

表6 領(lǐng)漿體系流變性對(duì)比表

6 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

2019 年大牛地氣田完鉆小井眼井共計(jì)19 口，4個(gè)井組，單個(gè)平臺(tái)最多為6口井，平均鉆井周期縮短了24.54%，平均機(jī)械鉆速提高了15.04%，固井優(yōu)良率為100%，其中平均搬遷時(shí)間縮短了54.49%，最短搬遷時(shí)間為1.92 d（圖5）。與常規(guī)井眼相比，小井眼廢棄鉆井液及巖屑處理減少了48.46%，水泥漿用量減少了44.84%，套管費(fèi)用節(jié)約了25.28萬(wàn)元；叢式井組第二口及以后單井征地費(fèi)用降低了65.6 萬(wàn)，搬遷費(fèi)用降低了26.03 萬(wàn)元，鉆前費(fèi)用降低了18.6 萬(wàn)元，取得了較好的提速降本效果。

圖5 鉆井指標(biāo)對(duì)比圖

7 結(jié)論

1）在小井眼完井工藝配套完善的條件下，逆向簡(jiǎn)化井身結(jié)構(gòu)，縮小井眼尺寸，是鉆井提速降本的重要途徑之一。

2）直徑為165.1 mm鉆頭下入外徑為114.3 mm生產(chǎn)套管固井，能夠滿足大牛地致密低滲氣藏的后期作業(yè)要求，PDC 鉆頭中心部位和后排齒的錐形齒設(shè)計(jì)有助于提高小井眼破巖效率，1.25 g／cm3低密度水泥漿體系降低了施工泵壓，有利于一次全返固井。

3）小井眼和叢式井組的集約化應(yīng)用縮短了建井周期，節(jié)約了搬遷、征地、鉆前等費(fèi)用，降低了廢棄物、水泥漿及套管等成本，利于推動(dòng)大幅提速降本，具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。