仇越（大慶鉆探工程公司鉆井四公司）

松遼盆地北部青山口組和泉頭組等中淺部復(fù)雜地層，蘊(yùn)藏著豐富的致密油等非常規(guī)油氣資源，其中齊家-古龍地區(qū)是中高成熟度致密油等資源發(fā)育的最有利地區(qū)，經(jīng)過(guò)近幾年的勘探開(kāi)發(fā)，已經(jīng)建成超過(guò)120×104t的產(chǎn)能建設(shè)，對(duì)大慶油田油氣可持續(xù)開(kāi)采具有重要意義。但在勘探過(guò)程中，特別是鉆至復(fù)雜地層時(shí)存在著井壁失穩(wěn)事故多發(fā)、鉆井周期長(zhǎng)、總體固井質(zhì)量不高等技術(shù)難題，在研究分析復(fù)雜地層井壁失穩(wěn)機(jī)理的基礎(chǔ)上，形成了一系列適用于大慶中淺部復(fù)雜層安全鉆完井配套技術(shù)，在現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中取得了較好的應(yīng)用效果，具有廣闊應(yīng)用前景。

1 鉆井施工難點(diǎn)分析

1）井下復(fù)雜事故率高。由于造斜段、水平段井眼周?chē)貞?yīng)力的變化，極易誘發(fā)井壁失穩(wěn)，對(duì)前幾年致密油區(qū)塊的施工情況來(lái)看，超過(guò)80%的井發(fā)生了不同程度的井壁剝落和掉塊現(xiàn)象，有的井發(fā)生井壁坍塌，頻繁憋泵、卡鉆，導(dǎo)致該井提前完鉆。較高的井下復(fù)雜事故率，使大多數(shù)井難以鉆達(dá)設(shè)計(jì)井深，無(wú)法完全實(shí)現(xiàn)地質(zhì)目標(biāo)，給非常規(guī)油氣資源的勘探開(kāi)發(fā)造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。

2）鉆井液性能要求高。較高的井下復(fù)雜事故率要求鉆井液具有良好的抑制、封堵能力；長(zhǎng)水段水平井技術(shù)是非常規(guī)油氣資源增儲(chǔ)的核心技術(shù)，這對(duì)鉆井液的攜巖能力提出更高要求，否則極易在井底形成巖屑床，如果設(shè)計(jì)井軌扭方位，在著陸及水平段施工中經(jīng)常調(diào)整井軌尋找儲(chǔ)層，攜屑更加困難；較長(zhǎng)的造斜段和水平段要求鉆井液具有良好的潤(rùn)滑性，否則極易引起起下鉆遇阻、套管難下入等問(wèn)題。

3）總體固井質(zhì)量較低。水平井固井施工面臨井眼規(guī)則度差、套管下入居中困難、固井密度窗口窄、沖洗效率低、大型壓裂對(duì)水泥石性能要求高等難題，固井質(zhì)量保障難度增大。往年水平井水平段平均優(yōu)質(zhì)井段比例小于45%。因此，提高長(zhǎng)水平段固井質(zhì)量，確保井筒的完整性，才能滿(mǎn)足大規(guī)模儲(chǔ)層改造的要求。

4）鉆井周期長(zhǎng)、成本高。統(tǒng)計(jì)近幾年松遼盆地北部的施工情況，鉆井周期同比其它油田多一倍，成本也居高不下，導(dǎo)致非常規(guī)油氣資源無(wú)法實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)有效開(kāi)發(fā)。

2 井壁失穩(wěn)機(jī)理分析

2.1 XRD衍射分析

通過(guò)對(duì)復(fù)雜地層取樣巖心（青山口組）進(jìn)行XRD衍射分析得知，青山口地層粘土礦物總體含量較高，超過(guò)30%，主要以伊利石和伊蒙混層為主，其中伊利石相對(duì)含量大于80%，脆性礦物含量高達(dá)45%以上。高黏土礦物含量極易導(dǎo)致頁(yè)巖發(fā)生表面水化，引起井壁剝落，導(dǎo)致井壁承壓能力降低，同時(shí)，鉆井液濾液等外來(lái)液相在壓力傳遞作用下，容易使底層裂縫發(fā)生“水力尖劈”作用，進(jìn)而發(fā)生更為嚴(yán)重的井壁失穩(wěn)事故[1-2]。

2.2 掃描電鏡及薄片分析

通過(guò)掃描電鏡及薄片分析得知，青山口組地層頁(yè)理、微裂縫發(fā)育，微裂縫以頁(yè)理縫和構(gòu)造縫為主，頁(yè)理縫密度較高，構(gòu)造縫寬度為微米級(jí)，并且具備毛細(xì)管吸水特征。

2.3 水化特性測(cè)定

通過(guò)滾動(dòng)回收實(shí)驗(yàn)和線(xiàn)性膨脹實(shí)驗(yàn)得知，青山口組地層巖心的清水滾動(dòng)回收率大于90%，線(xiàn)性膨脹率小于5%，在柴油中的滾動(dòng)回收率大于99.9%，線(xiàn)性膨脹率等于0，表明該地層在油相中不膨脹和分散，屬于低分散弱膨脹硬脆性頁(yè)巖。

3 井壁穩(wěn)定對(duì)策研究

3.1 優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)和井眼軌道

為減小鉆井過(guò)程中的摩阻和扭矩，首先從井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化和井眼軌道設(shè)計(jì)入手，設(shè)計(jì)出摩阻和扭矩都較小的井眼軌道，以降低井眼軌跡控制難度，提高軌跡光滑度，主要采取以下措施：一是井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化[3-5]，針對(duì)上部可能存在的流沙層，大段泥巖易水化膨脹和滿(mǎn)足固井一次性封固要求，采用技術(shù)套管一次性封固目的層以上的地層，直井和定向井采用二開(kāi)井身結(jié)構(gòu)，水平井采用三開(kāi)井身結(jié)構(gòu)，探井可在直井導(dǎo)眼基礎(chǔ)上開(kāi)窗側(cè)鉆，通過(guò)以上措施以及在水平井設(shè)計(jì)中規(guī)模推廣三層套管井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可進(jìn)一步提高施工安全性；二是井眼軌道設(shè)計(jì)優(yōu)化[6-7]。在確保能夠?qū)崿F(xiàn)地質(zhì)目的的前提下，再進(jìn)一步兼顧降低工程施工難度，采取合理上移造斜點(diǎn)、軌跡剖面由三維變成二維，達(dá)到井眼軌道的優(yōu)化設(shè)計(jì)，既能夠減少設(shè)計(jì)井深，降低施工難度，還能使摩阻和扭矩更小，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)提速降本的目的。

3.2 鉆頭優(yōu)選和隨鉆儀器應(yīng)用

為提高鉆井施工效率，在復(fù)雜層造斜段和水平段全程使用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)，因?yàn)樾龑?dǎo)系統(tǒng)具有復(fù)合鉆進(jìn)速度快、轉(zhuǎn)速高、減少井眼迂曲度、實(shí)現(xiàn)井眼軌跡精確控制的優(yōu)點(diǎn)，能夠有效降低摩阻、防止托壓，提高油層鉆遇率。通過(guò)對(duì)高壽命和高造斜率旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向進(jìn)行優(yōu)選后，確定了造斜段選用推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向，水平段選用指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向。

通過(guò)對(duì)現(xiàn)有旋導(dǎo)專(zhuān)用鉆頭進(jìn)行優(yōu)選，采用5刀翼、短冠、大尺寸復(fù)合片的PDC鉆頭，提高造斜段旋導(dǎo)工具造斜能力，滿(mǎn)足地質(zhì)導(dǎo)向要求[8]。

3.3 鉆井液技術(shù)

由于復(fù)雜地層的特殊性，使用水基鉆井液很難將井眼打成，所以只能油基鉆井液進(jìn)行施工。而常規(guī)油基鉆井液在該類(lèi)地層鉆進(jìn)過(guò)程中，常發(fā)生井壁剝落、坍塌等事故，所以為了提高鉆井液的井壁穩(wěn)定效果，主要從以下幾方面優(yōu)化油基鉆井液相關(guān)性能：一是確定鉆井液密度，對(duì)造斜段和水平段井筒三壓力剖面進(jìn)行了預(yù)測(cè)，確定造斜段合理鉆井液密度為1.50~1.55g/cm3，水平段鉆井液密度1.55~1.60g/cm3；二是提高封堵性能[9-10]，針對(duì)地層微裂縫寬度和分布范圍特征，優(yōu)化封堵材料粒度級(jí)配，研選粒度分布更低、分散效果更好的油溶性復(fù)合型成膜封堵材料，并將體系封堵材料種類(lèi)進(jìn)行優(yōu)選和合理級(jí)配；三是流變性控制[11-12]，開(kāi)展油基鉆井液體系流變特性研究，在保證體系凝膠結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的前提下，在原有體系配方基礎(chǔ)上，通過(guò)調(diào)整主、輔乳化劑最優(yōu)配比，改善低轉(zhuǎn)速黏度，提高體系攜巖能力，最終形成一套綜合性能更優(yōu)的油基鉆井液體系，油基鉆井液性能數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。優(yōu)化后的鉆井液體系在150℃條件下分別老化16h、24h、32h后，鉆井液流變性穩(wěn)定，破乳電壓變化不大。

表1 油基鉆井液性能數(shù)據(jù)

3.4 提高固井質(zhì)量技術(shù)

通過(guò)對(duì)近幾年水平井總體固井質(zhì)量進(jìn)行分析，主要存在著水平段長(zhǎng)、井徑不規(guī)則、套管安全下入居中困難、沖洗效率低、井筒完整性保障難度大等問(wèn)題，這些都嚴(yán)重影響了固井質(zhì)量。為提高固井質(zhì)量，主要開(kāi)展了以下幾方面工作：一是理論模型研究，通過(guò)建立力學(xué)模型及數(shù)值模擬分析技術(shù)，組裝徑向全尺寸物理模擬裝置，形成了水泥環(huán)完整性安全系數(shù)評(píng)價(jià)方法，增強(qiáng)了井筒完整性理論認(rèn)識(shí)，為水泥漿技術(shù)研究提供了理論和方法指導(dǎo)；二是提高清洗效率，研選同時(shí)具有沖洗、懸浮功效的表面活性劑并使用流型調(diào)節(jié)劑，實(shí)現(xiàn)環(huán)空界面潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)，并保持合理的頂替流態(tài)，使水泥環(huán)膠結(jié)強(qiáng)度提高了60%以上，油基鉆井液驅(qū)替效率可達(dá)96%以上；三是水泥外加劑研選，通過(guò)研選成膜防竄劑、樹(shù)脂增韌劑等關(guān)鍵外加劑，形成了具有高強(qiáng)度、高抗竄、高耐久性、低滲透率、低彈性模量、低失水的新型防竄韌性水泥漿。解決了水泥石韌性增加、強(qiáng)度降低的瓶頸，使水泥石彈性模量降低了40%以上，應(yīng)變量提高了近20%。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

形成的中淺部復(fù)雜層優(yōu)快鉆井配套技術(shù)，在L26、YP1等區(qū)塊累計(jì)應(yīng)用9口井，試驗(yàn)井與非試驗(yàn)井施工情況對(duì)比見(jiàn)表2。采用配套技術(shù)后，平均機(jī)械鉆速12.4m/h，平均鉆井周期46.8天，與往年施工水平井相比，機(jī)械鉆速提高了34%，鉆井周期平均縮短8.1天。在固井質(zhì)量方面，水平井優(yōu)質(zhì)井段比例達(dá)到91.2%，同往年相比提高了45%以上。

表2 試驗(yàn)井與非試驗(yàn)井施工情況對(duì)比

按照1口井縮短8.1天鉆井周期計(jì)算，9口井共縮短鉆井周期72.9天，按照30D鉆機(jī)每天費(fèi)用6.5萬(wàn)元計(jì)算，9口井共節(jié)約鉆機(jī)費(fèi)用473.85萬(wàn)元。另外，形成的相關(guān)技術(shù)可以有效降低井下復(fù)雜事故率、提高固井質(zhì)量，潛在的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益也十分可觀。

5 結(jié)論

1）為解決松遼盆地北部致密油等非常規(guī)油氣資源勘探開(kāi)發(fā)中存在的一系列鉆井技術(shù)難題，在研究分析復(fù)雜地層井壁失穩(wěn)機(jī)理的基礎(chǔ)上，通過(guò)開(kāi)展優(yōu)化井眼軌道設(shè)計(jì)、優(yōu)選鉆頭和隨鉆儀器、研制鉆完井液體系等技術(shù)研究，形成了適合大慶油田非常規(guī)油氣資源優(yōu)快鉆井的配套技術(shù)對(duì)策。

2）在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，平均機(jī)械鉆速和固井優(yōu)質(zhì)率等指標(biāo)都大幅度提高，鉆完井周期也較大幅度縮短，為大慶油田非常規(guī)油氣資源的安全高效開(kāi)發(fā)提供了技術(shù)支撐。