鄭 磊，王開龍，韓金良，劉奕杉，喬 磊，車 陽

（1.中國石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院有限公司，北京 102206；2.中國石油集團(tuán)煤層氣有限責(zé)任公司工程技術(shù)研究院，陜西西安 710082）

在低油價(jià)背景下，小井眼水平井鉆井技術(shù)[1]得到快速發(fā)展，已成為國內(nèi)外致密油氣藏降本高效開發(fā)的重要手段。鄂爾多斯盆地東緣上古生界氣藏屬低孔低滲致密型砂巖氣藏，自2016 年以來，借鑒國內(nèi)外成功經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合區(qū)塊地質(zhì)特征，積極開展配套技術(shù)的優(yōu)化研究與推廣。統(tǒng)計(jì)近幾年鉆井情況，井壁失穩(wěn)、水平段長機(jī)械鉆速低等問題凸顯，為此，本文從井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化、高效鉆進(jìn)鉆具組合優(yōu)選及鉆井液優(yōu)化等方面入手研究，2019 年現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用7 口井，鉆井過程基本順利，水平段機(jī)械鉆速和施工質(zhì)量均顯著提高，形成了適應(yīng)于鄂東致密氣藏小井眼水平井優(yōu)快鉆井技術(shù)。

1 地層特點(diǎn)及鉆井技術(shù)難點(diǎn)

通過對(duì)鄂東致密氣井地質(zhì)特點(diǎn)及鉆井現(xiàn)狀的梳理分析，本文主要為解決以下技術(shù)難點(diǎn)展開研究：

（1）地層條件復(fù)雜，井壁穩(wěn)定性差：上部劉家溝組、石千峰組裂縫發(fā)育，易發(fā)生漏失；下部山西組煤層、泥頁巖夾層易垮塌卡鉆。

（2）受地貌條件限制及儲(chǔ)層特征影響，普遍靶前距大、方位變化大且水平段長（統(tǒng)計(jì)鄂東區(qū)塊2016 年至2019 年共完鉆井17 口，平均水平段長989 m，最長的1 580 m）；儲(chǔ)層薄且發(fā)育不連續(xù)性，鉆井過程中需要根據(jù)地質(zhì)導(dǎo)向頻繁調(diào)整軌跡，影響了井眼質(zhì)量和井眼清潔效果，同時(shí)增加了長水平段延伸鉆進(jìn)難度；水平段機(jī)械鉆速低。

2 小井眼水平井鉆井關(guān)鍵技術(shù)

2.1 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.1.1 建立準(zhǔn)確地層三壓力剖面 準(zhǔn)確的地層三壓力剖面是科學(xué)設(shè)計(jì)鉆井液密度，井身結(jié)構(gòu)確定及優(yōu)化的可靠依據(jù)。先利用相鄰?fù)赉@井測(cè)井資料建立預(yù)測(cè)基礎(chǔ)模型，再結(jié)合導(dǎo)眼井實(shí)鉆數(shù)據(jù)，修正原始地層孔隙壓力、地層破裂壓力和地應(yīng)力預(yù)測(cè)模型，最后建立待鉆井眼地層三壓力剖面[2]。

由DJ02 井三壓力剖面圖（見圖1）可見，實(shí)鉆使用的鉆井液密度在石千峰組產(chǎn)生一定程度上的擴(kuò)徑。實(shí)鉆鉆井液密度低于地層坍塌壓力時(shí)，井徑測(cè)井顯示出現(xiàn)擴(kuò)徑，驗(yàn)證了地層坍塌壓力剖面的準(zhǔn)確性。圖中紅點(diǎn)為實(shí)測(cè)地層破裂壓力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)，與地層破裂壓力剖面吻合良好，進(jìn)一步證明地層破裂壓力剖面的準(zhǔn)確性。

圖1 地層三壓力剖面圖

2.1.2 井眼軌道優(yōu)化 針對(duì)井眼軌道方位變化大且水平段長，需要根據(jù)地質(zhì)開發(fā)要求頻繁調(diào)整的情況，研究采用三維軌道“直-增-穩(wěn)-增-穩(wěn)”五段制剖面（見表1）與類雙二維“直-增-穩(wěn)-增-增-穩(wěn)”六段制剖面[3]（見表2），造斜率控制在5°/30 m 以內(nèi)，能夠降低造斜難度，減少造斜段摩阻，滿足地質(zhì)導(dǎo)向軌跡調(diào)整并保證長水平段順利延伸。

表1 三維井眼軌跡剖面

表2 類雙二維井眼軌跡剖面

通過將兩種軌道進(jìn)行摩阻扭矩分析，兩者軟件模擬結(jié)果接近，而類雙二維軌道的優(yōu)點(diǎn)是在入窗之前完成扭方位，保證軌跡平滑。為下部造斜段、水平井段施工降低難度，由此，推薦采用類雙二維軌道。

2.1.3 優(yōu)化井身結(jié)構(gòu) 根據(jù)地質(zhì)特征，結(jié)合三壓力剖面和完鉆井鉆井情況，井身結(jié)構(gòu)采用三開，儲(chǔ)層專打：表層套管固封地表及延長組疏松垮塌及易漏層段；技術(shù)套管封固劉家溝組、石千峰組及石盒子組易漏、地層壓力較低的層段及山西組易塌煤層，為安全鉆進(jìn)儲(chǔ)層提供條件。

考慮長水平段井鉆井作業(yè)泵壓、鉆具和套管下入載荷等因素，結(jié)合目前國內(nèi)外小井眼水平井較為常用的結(jié)構(gòu)，井身結(jié)構(gòu)由大尺寸三開優(yōu)化為小尺寸三開[4]（見表3、圖2），有助于快速鉆進(jìn)，井眼穩(wěn)定性較好，節(jié)省套管、鉆井液、水泥等物資消耗。

圖2 長水平段水平井井身結(jié)構(gòu)

表3 長水平段水平井井身結(jié)構(gòu)

2.2 高效鉆進(jìn)技術(shù)

2.2.1 鉆頭優(yōu)選 根據(jù)完鉆井鉆頭使用情況，石盒子組中下部及山西組中上部地層推薦使用Φ155.6 mm史密斯的MDSI516 鉆頭（DJ 04 井，1 960～2 428 m，進(jìn)尺468 m，鉆速7.1 m/h）。石盒子組適合使用MI516 鉆頭和MDSI516 鉆頭（DJ 05 井，1 725～1 960 m，進(jìn)尺235 m，鉆速9.59 m/h）。山西組中下部地層較適合用史密斯的MSI613 鉆頭或速銳的PDC 鉆頭（DJ 05 井，2 428～3 258 m，進(jìn)尺830 m，鉆速3.32 m/h；DJ 29 井，2 394～2 896 m，進(jìn)尺502 m，鉆速5 m/h）。

2.2.2 水平段鉆具組合優(yōu)化 結(jié)合致密氣水平井鉆井施工情況，參照國內(nèi)外已完成的小井眼長水平段井施工案例[5]，初選了四種鉆具組合：Φ114.3 mm-G105 鉆桿組合、Φ114.3 mm-S135 鉆桿組合、Φ101.6 mm 和Φ114.3 mm 組合式、倒裝鉆具組合。分別對(duì)四種鉆具組合進(jìn)行扭矩（見圖3 左）、泵壓（見圖3 右）、抗拉校核（見表4）及鉆具屈曲分析對(duì)比（見表5）：（1）扭矩最?。航M合鉆具；（2）Φ114.3 mm-S135 鉆桿的鉆具組合泵壓最小，其次為G105 和組合鉆具，倒裝鉆具組合由于加重鉆桿的原因，泵壓較其他鉆具組合高5 MPa；（3）抗拉余量基本接近，其中倒裝鉆具組合鉤載最大，其次為組合式鉆具組合；（4）倒裝鉆具組合的屈曲最小，其次為組合鉆具的屈曲較小。

表4 抗拉校核分析結(jié)果對(duì)比表 單位：kN

表5 屈曲分析結(jié)果對(duì)比表 單位：m

圖3 抗扭校核對(duì)比與泵壓分析結(jié)果對(duì)比

綜合分析結(jié)果（見表6）確定最優(yōu)鉆具組合，推薦101.6 mm+114.3 mm 鉆桿組合式鉆具：Φ155.6 mmPDC鉆頭+Φ123.4 mm 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)+Φ120.65 mm 浮閥+Φ101.6 mm 鉆桿×380 根+Φ114.3 mm 鉆桿。

表6 鉆具分析結(jié)果匯總表

2.2.3 強(qiáng)化鉆井參數(shù)優(yōu)選 鄂東區(qū)塊水平井鉆井液密度普遍在1.25 g/cm3，泵壓16～26 MPa，受工具能力、機(jī)泵條件影響，鉆壓普遍低于80 kN、轉(zhuǎn)速低于60 r/min、排量不足16 L/s，不能通過鉆壓、轉(zhuǎn)速、排量同步強(qiáng)化來提速。低排量導(dǎo)致動(dòng)力鉆具輸出扭矩降低，破巖能量不足導(dǎo)致黏滑振動(dòng)增加，長時(shí)間的黏滑振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致頻繁憋鉆、鉆頭失效等問題，嚴(yán)重制約了鉆井提速提效。同時(shí)由于排量較低導(dǎo)致攜砂不及時(shí)、大段巖屑床堆積，井下摩阻大、托壓嚴(yán)重，而且?guī)r屑沉積過多可能導(dǎo)致阻卡等井下復(fù)雜。通過對(duì)鉆井參數(shù)、水力參數(shù)進(jìn)行強(qiáng)化，可提高破巖效率，保障井眼穩(wěn)定，更有助于水平段的延伸。

為實(shí)現(xiàn)長水平段目標(biāo)，采用高鉆壓、高轉(zhuǎn)速、高泵壓、大排量、大扭矩“三高兩大”的鉆井參數(shù)[6]，配合高性能旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向配套PDC 鉆頭，可大幅提升機(jī)械鉆速。長水平段水平井推薦鉆井參數(shù)（見表7）。

表7 長水平段水平井推薦鉆井參數(shù)

2.3 鉆井液分段優(yōu)化

針對(duì)上部劉家溝、石千峰組等地層易漏特征以及目的層鉆遇砂泥巖地層保持井壁穩(wěn)定性的需要，對(duì)長水平段水平井二開、三開鉆井液性能進(jìn)行優(yōu)化。

二開劉家溝組以上地層繼續(xù)采用一開膨潤土漿鉆井液，自劉家溝組采用聚合物鉆井液體系。結(jié)合壓力預(yù)測(cè)結(jié)果，劉家溝組易漏，鉆井液密度不宜過高，維持在1.10 g/cm3。進(jìn)入石千峰組后，為防止雙石層泥巖的坍塌可根據(jù)實(shí)鉆情況適當(dāng)提高鉆井液密度，維持在1.10～1.15 g/cm3范圍內(nèi)。石盒子組鉆井液密度維持在1.15～1.20 g/cm3范圍內(nèi)。

三開推薦使用環(huán)境友好型高抑制鉆井液[7]，鉆井液密度維持在1.20～1.25 g/cm3范圍內(nèi)，鉆揭5#煤前，鉆井液密度應(yīng)達(dá)到1.25 g/cm3。由于水平段較長，動(dòng)塑比控制在0.5～0.7 較合適，做好井眼凈化工作；若出現(xiàn)托壓現(xiàn)象，可加大潤滑劑GH-2 和潤滑封堵劑GFD-2 的用量，井斜大于45°以后，保持潤滑劑GH-2 和潤滑封堵劑GFD-2 的含量在3%左右，使鉆井液的摩擦系數(shù)始終小于0.08，以保證鉆井施工的順利進(jìn)行。

此外，針對(duì)劉家溝組、石千峰組、石盒子組地層斷裂、裂縫發(fā)育，井漏問題突出，利用地震資料預(yù)測(cè)漏失層位，確定的漏失層位段軌跡設(shè)計(jì)為穩(wěn)斜鉆進(jìn)，為后續(xù)堵漏等作業(yè)創(chuàng)造條件[8]。在常規(guī)靜止堵漏工藝技術(shù)基礎(chǔ)上，嘗試新型加壓堵漏法，當(dāng)堵漏劑循環(huán)至漏失層后，將井筒環(huán)形空間進(jìn)行封閉，使井筒環(huán)形空間內(nèi)的高壓環(huán)境驅(qū)動(dòng)堵漏漿中的堵漏劑更好地填補(bǔ)到裂縫中，從而提高堵漏的速率和效率。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

2019-2020 年，鄂東致密氣小井眼水平井水平段平均進(jìn)尺1 063.12 m，平均鉆井周期由2018 年的114.7 d 縮減至75.22 d，減少34.42%；三開鉆頭平均使用數(shù)量由9 只/井次減少至7.2 只/井次，水平段平均機(jī)械鉆速由3.11 m/h 提高至4.12 m/h。

（1）制定合理的井身結(jié)構(gòu)是保證鉆井施工安全的前提，通過井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)了鉆井作業(yè)“降本、提質(zhì)、增效”的目標(biāo)。通過縮小井眼尺寸，減少鉆井液化工料用量40%以上，減少固井水泥漿用量45%以上，減少巖屑等固相廢棄物40%以上。

（2）基于地質(zhì)開發(fā)需求，井眼軌道、鉆具組合與鉆井參數(shù)、鉆井液優(yōu)化相結(jié)合，事故復(fù)雜率明顯降低，機(jī)械鉆速大幅提高。通過統(tǒng)計(jì)螺桿實(shí)鉆增斜規(guī)律發(fā)現(xiàn)，高彎角單穩(wěn)定器螺桿鉆具組合（1.25°～1.5°）復(fù)合鉆進(jìn)增斜率1°/30 m～2°/30 m，復(fù)合鉆進(jìn)比例75%～81%；中低彎角雙穩(wěn)定器鉆具組合（0.75°～1.0°）復(fù)合鉆進(jìn)增斜率0.6°/30 m～1.2°/30 m，復(fù)合鉆進(jìn)比例80%～89%。中低彎角雙穩(wěn)定器鉆具組合在長水平段穩(wěn)定井斜效果明顯，提速效果明顯。

（3）針對(duì)鉆遇地層特性，結(jié)合壓力預(yù)測(cè)結(jié)果，分井段優(yōu)化鉆井液性能，采取物理與化學(xué)防塌相結(jié)合、兼顧提高封堵性的方式，有效預(yù)防劉家溝組漏失和水平段泥頁巖夾層垮塌，已完鉆水平井未出現(xiàn)嚴(yán)重井壁失穩(wěn)現(xiàn)象。

4 結(jié)論與建議

（1）井眼軌道設(shè)計(jì)應(yīng)立足于鄂東區(qū)塊地層特點(diǎn)，劉家溝組地層易漏，不宜在該層長時(shí)間造斜，盡量穩(wěn)斜通過，降低復(fù)雜風(fēng)險(xiǎn)，以滿足井身結(jié)構(gòu)封固復(fù)雜層段要求；剖面類型力求簡(jiǎn)化，降低造斜率，利于滿足地質(zhì)導(dǎo)向進(jìn)行軌跡調(diào)整及延伸，便于現(xiàn)場(chǎng)軌道控制，有效降低施工難度。

（2）技術(shù)套管下至入窗點(diǎn)，主要是考慮封固上部復(fù)雜地層（山西組煤層及以上地層），為安全鉆進(jìn)儲(chǔ)層提供條件，不足之處，水平段軌跡調(diào)整余地受到限制。隨著水平井段不斷增長，由于三開采用Φ155.6 mm 鉆頭，與Φ114.3 mm 生產(chǎn)套管配合，環(huán)空間隙小，管柱下入難度增大。因此，為提高儲(chǔ)層鉆遇率、提升水平段延伸能力、滿足氣藏高效開發(fā)需求，對(duì)技術(shù)套管下深、井眼和套管尺寸組合及配套技術(shù)[1，8]有待進(jìn)一步優(yōu)化研究與實(shí)踐。