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雜地層，蘊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)，經過近幾年的勘探開發(fā)，已經建成超過120×104t的產能建設，對大慶油田油氣可持續(xù)開采具有重要意義。但在勘探過程中，特別是鉆至復雜地層時存在著井壁失穩(wěn)事故多發(fā)、鉆井周期長、總體固井質量不高等技術難題，在研究分析復雜地層井壁失穩(wěn)機理的基礎上，形成了一系列適用于大慶中淺部復雜層安全鉆完井配套技術，在現場施工過程中取得了較好的應用效果，具有廣闊應用前景。

1 鉆井施工難點分析

1）井下復雜事故率高。由于造斜段、水平段井眼周圍地應力的變化，極易誘發(fā)井壁失穩(wěn)，對前幾年致密油區(qū)塊的施工情況來看，超過80%的井發(fā)生了不同程度的井壁剝落和掉塊現象，有的井發(fā)生井壁坍塌，頻繁憋泵、卡鉆，導致該井提前完鉆。較高的井下復雜事故率，使大多數井難以鉆達設計井深，無法完全實現地質目標，給非常規(guī)油氣資源的勘探開發(fā)造成較大的經濟損失。

2）鉆井液性能要求高。較高的井下復雜事故率要求鉆井液具有良好的抑制、封堵能力；長水段水平井技術是非常規(guī)油氣資源增儲的核心技術，這對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，如果設計井軌扭方位，在著陸及水平段施工中經常調整井軌尋找儲層，攜屑更加困難；較長的造斜段和水平段要求鉆井液具有良好的潤滑性，否則極易引起起下鉆遇阻、套管難下入等問題。

3）總體固井質量較低。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、大型壓裂對水泥石性能要求高等難題，固井質量保障難度增大。往年水平井水平段平均優(yōu)質井段比例小于45%。因此，提高長水平段固井質量，確保井筒的完整性，才能滿足大規(guī)模儲層改造的要求。

4）鉆井周期長、成本高。統(tǒng)計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，導致非常規(guī)油氣資源無法實現經濟有效開發(fā)。

2 井壁失穩(wěn)機理分析

2.1 XRD衍射分析

通過對復雜地層取樣巖心（青山口組）進行XRD衍射分析得知，青山口地層粘土礦物總體含量較高，超過30%，主要以伊利石和伊蒙混層為主，其中伊利石相對含量大于80%，脆性礦物含量高達45%以上。高黏土礦物含量極易導致頁巖發(fā)生表面水化，引起井壁剝落，導致井壁承壓能力降低，同時，鉆井液濾液等外來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，進而發(fā)生更為嚴重的井壁失穩(wěn)事故[1-2]。

2.2 掃描電鏡及薄片分析

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

2.3 水化特性測定

通過滾動回收實驗和線性膨脹實驗得知，青山口組地層巖心的清水滾動回收率大于90%，線性膨脹率小于5%，在柴油中的滾動回收率大于99.9%，線性膨脹率等于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巖。

3 井壁穩(wěn)定對策研究

3.1 優(yōu)化井身結構和井眼軌道

為減小鉆井過程中的摩阻和扭矩，首先從井身結構優(yōu)化和井眼軌道設計入手，設計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：一是井身結構設計優(yōu)化[3-5]，針對上部可能存在的流沙層，大段泥巖易水化膨脹和滿足固井一次性封固要求，采用技術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井身結構，水平井采用三開井身結構，探井可在直井導眼基礎上開窗側鉆，通過以上措施以及在水平井設計中規(guī)模推廣三層套管井身結構設計，可進一步提高施工安全性；二是井眼軌道設計優(yōu)化[6-7]。在確保能夠實現地質目的的前提下，再進一步兼顧降低工程施工難度，采取合理上移造斜點、軌跡剖面由三維變成二維，達到井眼軌道的優(yōu)化設計，既能夠減少設計井深，降低施工難度，還能使摩阻和扭矩更小，進一步實現提速降本的目的。

3.2 鉆頭優(yōu)選和隨鉆儀器應用

為提高鉆井施工效率，在復雜層造斜段和水平段全程使用旋轉導向系統(tǒng)，因為旋導系統(tǒng)具有復合鉆進速度快、轉速高、減少井眼迂曲度、實現井眼軌跡精確控制的優(yōu)點，能夠有效降低摩阻、防止托壓，提高油層鉆遇率。通過對高壽命和高造斜率旋轉導向進行優(yōu)選后，確定了造斜段選用推靠式旋轉導向，水平段選用指向式旋轉導向。

通過對現有旋導專用鉆頭進行優(yōu)選，采用5刀翼、短冠、大尺寸復合片的PDC鉆頭，提高造斜段旋導工具造斜能力，滿足地質導向要求[8]。

3.3 鉆井液技術

由于復雜地層的特殊性，使用水基鉆井液很難將井眼打成，所以只能油基鉆井液進行施工。而常規(guī)油基鉆井液在該類地層鉆進過程中，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)化油基鉆井液相關性能：一是確定鉆井液密度，對造斜段和水平段井筒三壓力剖面進行了預測，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]，針對地層微裂縫寬度和分布范圍特征，優(yōu)化封堵材料粒度級配，研選粒度分布更低、分散效果更好的油溶性復合型成膜封堵材料，并將體系封堵材料種類進行優(yōu)選和合理級配；三是流變性控制[11-12]，開展油基鉆井液體系流變特性研究，在保證體系凝膠結構穩(wěn)定的前提下，在原有體系配方基礎上，通過調整主、輔乳化劑最優(yōu)配比，改善低轉速黏度，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，油基鉆井液性能數據見表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 油基鉆井液性能數據

3.4 提高固井質量技術

通過對近幾年水平井總體固井質量進行分析，主要存在著水平段長、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題，這些都嚴重影響了固井質量。為提高固井質量，主要開展了以下幾方面工作：一是理論模型研究，通過建立力學模型及數值模擬分析技術，組裝徑向全尺寸物理模擬裝置，形成了水泥環(huán)完整性安全系數評價方法，增強了井筒完整性理論認識，為水泥漿技術研究提供了理論和方法指導；二是提高清洗效率，研選同時具有沖洗、懸浮功效的表面活性劑并使用流型調節(jié)劑，實現環(huán)空界面潤濕反轉，并保持合理的頂替流態(tài)，使水泥環(huán)膠結強度提高了60%以上，油基鉆井液驅替效率可達96%以上；三是水泥外加劑研選，通過研選成膜防竄劑、樹脂增韌劑等關鍵外加劑，形成了具有高強度、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、強度降低的瓶頸，使水泥石彈性模量降低了40%以上，應變量提高了近20%。

4 現場應用

形成的中淺部復雜層優(yōu)快鉆井配套技術，在L26、YP1等區(qū)塊累計應用9口井，試驗井與非試驗井施工情況對比見表2。采用配套技術后，平均機械鉆速12.4m/h，平均鉆井周期46.8天，與往年施工水平井相比，機械鉆速提高了34%，鉆井周期平均縮短8.1天。在固井質量方面，水平井優(yōu)質井段比例達到91.2%，同往年相比提高了45%以上。

表2 試驗井與非試驗井施工情況對比

按照1口井縮短8.1天鉆井周期計算，9口井共縮短鉆井周期72.9天，按照30D鉆機每天費用6.5萬元計算，9口井共節(jié)約鉆機費用473.85萬元。另外，形成的相關技術可以有效降低井下復雜事故率、提高固井質量，潛在的經濟效益和社會效益也十分可觀。

5 結論

1）為解決松遼盆地北部致密油等非常規(guī)油氣資源勘探開發(fā)中存在的一系列鉆井技術難題，在研究分析復雜地層井壁失穩(wěn)機理的基礎上，通過開展優(yōu)化井眼軌道設計、優(yōu)選鉆頭和隨鉆儀器、研制鉆完井液體系等技術研究，形成了適合大慶油田非常規(guī)油氣資源優(yōu)快鉆井的配套技術對策。

2）在現場應用中，平均機械鉆速和固井優(yōu)質率等指標都大幅度提高，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發(fā)提供了技術支撐。