倪維軍，楊國昊，翟喜桐，馬龍飛

西安石油大學石油工程學院（陜西西安 710065）

2022 年，富縣工區(qū)首口二級結構水平井N101-1 井完鉆，根據(jù)電測油氣顯示，砂巖鉆遇率達88.3%，含氣顯示61.78%，是鄂爾多斯盆地區(qū)塊油氣增產(chǎn)的重要探區(qū)[1-3]。2009—2011 年中石油華北油田分公司在富縣古生界開鉆6 口探井，平均單井完鉆井深3 117 m，平均鉆井周期為81 d，僅因地層井壁失穩(wěn)導致卡鉆平均次數(shù)11 次，嚴重降低了鉆進效率，延長了鉆井周期[4-8]。頻繁的鉆井事故對富縣下古生界天然氣開發(fā)的步伐產(chǎn)生了制約，增加了鉆井成本，并對項目進展造成了負面影響。針對這些難題，在現(xiàn)場施工資料的基礎上，結合富縣區(qū)塊的鉆井施工難點，通過了解鉆進過程中地層鉆遇難點，分層位優(yōu)選鉆頭并優(yōu)化鉆井液[9-10]，探索出一套能夠有效提高富縣下古生界水平井的優(yōu)快鉆井技術，對富縣下古生界水平井提速發(fā)展具有重要的意義。

1 鉆井施工技術難點及地層分布特征

1.1 鉆井施工難點

富縣區(qū)域下古生界水平井綜合提速難點與事故如下：

1）延安富縣區(qū)域氣井井深在3 000 m左右，地層可鉆性極值4.5～7，孔隙度為5%～11%。在鉆進過程中極易發(fā)生跳鉆等鉆井事故，增加鉆井施工時間，降低鉆井效率[11-12]。2003年，富古1井在側鉆中，地層可鉆性極差，導致大部分鉆頭牙齒跳鉆而折斷，鉆進損失9 h；2009年，延262井發(fā)生斷鉆具事故7次，掉牙輪事故1次，共損失時間183.5 h；富古1井僅因鉆井事故所損失的時間長達3 303 h[13-15]。

2）下古生界多為泥巖層段，膠結松散，欠壓實，水敏性較強，泥巖易水化膨脹，儲層物性差，存在微裂縫滲流通道，極易出現(xiàn)漏失問題。2006—2011年，某氣田劉家溝組有8口井出現(xiàn)漏失；井漏發(fā)生頻率從2006年的18%增加至2011年的24.35%，造成的時間損失非常嚴重；2012年，延705井發(fā)生漏失現(xiàn)象6次，處理故障損失的時間共412 h，延長了鉆井周期，嚴重制約了下古生界區(qū)塊水平井的勘探開發(fā)[16-18]。

3）由于泥頁巖及煤層結構脆弱，鉆井過程中鉆頭的轉動和鉆井液的沖刷會導致井壁坍塌、掉塊等，尤其是在斜井段和近水平段，這些因素都會增加井壁失穩(wěn)風險。為確保鉆井安全的順利進行，需要采取相應的措施，如調(diào)整鉆井液性質等[19]。2016年，靖平61-10井等水平井在本溪層發(fā)生井壁失穩(wěn)，處理此次故障損失的時間共792 h[20]。

4）位垂比大，水平段具有大的摩阻和扭矩，導致鉆進過程緩慢，鉆壓傳遞低效，鉆進速度下降，延長了鉆井周期。2013 年，F(xiàn)ZF47P1 井在下鉆600 m之后出現(xiàn)“豎旗桿”現(xiàn)象，水平6段摩阻過大，鉆具出現(xiàn)屈曲現(xiàn)象，機械鉆速明顯下降，施工周期延長[13-16]。

1.2 地層分布特征

馬五1+2氣藏：下古儲層展布受古風化殼地層殘余厚度控制，馬五1+2儲層主要分布于東部延873 區(qū)塊、延969區(qū)塊，西部延929區(qū)塊東部，南部延439井區(qū)東側、延694 井區(qū)，有效儲層分布于侵蝕溝槽兩側，巖溶殘丘為有效儲層發(fā)育有利位置，有效儲層平面分布零散、規(guī)模小，厚度4.0～10.0 m。

馬五41氣藏：儲層主要分布于西部延929區(qū)塊-延439區(qū)塊，延694井區(qū)西南部，儲層沿西部剝蝕帶分布。巖溶殘丘為有效儲層發(fā)育有利位置，平面分布較零散、規(guī)模小，有效厚度2.0～6.0 m。

馬五5氣藏：儲層主要分布于延929 區(qū)塊西部，吳起區(qū)域、志丹延439井區(qū)西側，延儲層沿西部剝蝕帶分布，規(guī)模較大，連片性相對較好。巖溶殘丘為有效儲層發(fā)育有利位置，有效厚度4.0～10.0 m。

2 水平井鉆井提速技術

優(yōu)選鉆頭和優(yōu)化防塌鉆井液性能，為縮短鉆機、鉆井泵等設備的調(diào)試搬遷時間，提高鉆完井各階段的施工效率，縮短建井周期，采用“井工廠”開發(fā)技術，形成延安氣田富縣區(qū)域下古生界水平井優(yōu)快鉆井技術。

2.1 井身結構優(yōu)化

由于該區(qū)塊延262井鉆至井深2 451 m，發(fā)生井滲漏失嚴重，只進不出，因此優(yōu)選二開井身結構將漏失井段封堵。鉆進過程中，為確保不會出現(xiàn)加壓失效現(xiàn)象，采用大井眼井深結構。通過選擇合適的井眼剖面和優(yōu)化鉆具組合，進行摩阻扭矩分析計算，可以確定鉆進中鉆具所能承受的最大扭矩，從而得到臨界井深。這是保證鉆井作業(yè)安全和高效進行的重要措施之一。結合水平井段的機械鉆速和地質條件等多個因素，經(jīng)過優(yōu)化計算，確定了水平段的最佳長度為850 m。這一優(yōu)化決策可以提高鉆井作業(yè)的效率和安全性，并最大限度地滿足開發(fā)需求，井身結構優(yōu)化設計結果見表1。

表1 井身結構優(yōu)化設計結果

一開采用Φ159 mm 鉆鋌、Φ127 mm 鉆桿，在鉆進時采用低鉆壓、高轉速、大排量快速鉆井，采用塔式鉆具組合，每50～60 m 測一次井斜，控制井斜在2°以內(nèi)，鉆至膠結較好的基巖層，循環(huán)充分后起鉆，采用鉆頭直徑Φ311.1 mm，鉆至直羅組。

二開中，Φ215.9 mm鉆頭二開，下Φ244.5 mm技術套管至石千峰組。鉆進采用中鉆壓、高轉速，在控制井斜、防止井內(nèi)掉塊的基礎上盡量提高機械鉆速，勤活動轉盤和鉆具，以免井內(nèi)出現(xiàn)復雜情況。

2.2 鉆頭優(yōu)選

通過比較牙輪鉆頭與PDC 鉆頭的可鉆性極值均值（表2），結合鉆井參數(shù)與機械鉆速的現(xiàn)場試驗，優(yōu)選確定出高效鉆頭。一開直井段選用Φ40 mm單排切削齒Φ311 mm PDC鉆頭；二開直井段選用Φ35 mm 單排切削齒Φ215.9 mm PDC 鉆頭；穩(wěn)斜段選用Φ35 mm 雙排切削齒、長保徑、深內(nèi)錐的Φ215.9 mm PDC鉆頭，提高鉆進面的穩(wěn)定性和機械鉆速，“一趟鉆”完成二開穩(wěn)斜段（表3）。

表2 牙輪鉆頭與PDC鉆頭的可鉆性極值均值對比表

表3 鉆頭優(yōu)選結果

2.3 鉆井液分段優(yōu)化

由于富縣區(qū)塊探井所鉆遇地層易塌、易漏，地層成巖性差且容易分散垮塌，在鉆井過程中，延262井共發(fā)生了6次遇卡和遇阻事件。這些地質特點增加了鉆井的復雜度和風險，需要采取相應的措施，如加強井壁穩(wěn)定、調(diào)整鉆井液性質等，以確保鉆井作業(yè)的順利進行。鑒于該地層特點，為保證鉆井作業(yè)的安全和高效進行，需要優(yōu)化鉆井液體系，其中鉆井液技術難點主要包括井壁穩(wěn)定性、防止膏鹽層鹽侵以及儲層保護等方面[19-21]。

為了優(yōu)化富縣下古生界水平井的鉆井液體系，借鑒了華北油氣分公司在古生界氣探井中成功應用的鉀銨基聚磺鉆井液體系，并進行了相關研究工作。這一研究旨在提高鉆井液的性能和適應性，以滿足富縣下古生界水平井鉆井的特殊需求。為確保鉆進過程的順利進行，通過室內(nèi)實驗，采用低傷害、低成本、高效率的原則，對鉆井液進行處理劑的篩選、配方的優(yōu)化以及巖心傷害實驗等工作，以此調(diào)整鉆井液配方，取得了良好的效果，形成一套低成本、優(yōu)質快速的分段鉆井液體系[22-25]。

1）第四系地層穩(wěn)定性差，易垮塌和壓差性漏失，入窗密度窗口窄。綜合考慮優(yōu)選斑土CMC鉆井液，因為足夠的斑土含量、黏度切力和排量可以處理大井眼的漏失與巖屑攜帶。鉆井液配方：水+（4%～5%）土粉（國標土）+（0.1%～0.2%）燒堿+（0.2%～0.3%）純堿+（0.1%～0.3%）HV-PAC，可以預防斜井段泥巖垮塌。

2）鉆至延長組直井段，直羅組坍塌造成起下鉆柱阻卡嚴重。綜合考慮選用無固相聚合物鉆井液，通過利用聚合物的強絮凝和包被作用，在鉆井液中抑制延安組和延長組縮徑，同時改善地層造漿情況，以解決起下鉆阻卡問題，并提高機械鉆速。鉆井液配方：水+（0.1%～0.2%）燒堿+（0.2%～0.3%）純堿+（0.1%～0.2%）KPAM（或FA-367）+（0.1%～0.3%）HV-PAC。

3）延長組鉆至紙坊組，該斜井段易坍塌、掉塊，主要是防塌、防漏，大斜度井段的防黏卡，綜合考慮選用無固相聚合物鉆井液，目的層防噴。鉆井液配方：水+（3%～5%）土粉（國標土）+（0.1%～0.2%）燒堿+（0.2%～0.3%）純堿+（0.5%～1%）GWSSL-Ⅱ+（1%～2%）SMP-Ⅱ+（1%～2%）低軟瀝青+（0.1%～0.2%）HV-PAC+（0.5%～1%）固體潤滑劑+（0.2%～0.5%）液體潤滑劑+（0.2%～0.4%）超低滲透劑+0.2%單項壓力封閉劑。有利于確保鉆具的潤滑性和較低的失水，泥餅堅韌致密光滑，較好的高溫流變性。

4）紙坊組鉆至劉家溝組，該段井眼小、泵壓高、排量受限。該層位中間夾有泥巖，容易剝落和垮塌，綜合考慮選用三磺防塌鉆井液。鉆井液配方：（2.5%～3%）土粉+（0.1%～0.2%）NaOH+（5%～8%）KCl+2%GWSSL-Ⅱ+1%SMP-Ⅱ+（0.1%～0.3%）LVPAC+（0.1%～0.3%）HV-PAC+（0.1%～0.3%）XC+（1%～2%）乳化瀝青+（1%～2%）白瀝青+（1%～2%）固體潤滑劑+（2%～5%）液體潤滑劑+（1%～2%）RT9051+（0.2%～0.4%）超低滲透劑。

分段鉆井液優(yōu)化后的性能優(yōu)化結果與性能指標分別見表4、表5。在優(yōu)化鉆井液后，濾失量顯著降低，抑制性提高。通過對優(yōu)化后的鉆井液進行儲層傷害性評價，結果顯示鉆井液巖芯傷害恢復率高于90%，表明其對儲層的損害程度較低。

表4 鉆井液性能優(yōu)化結果

表5 鉆井液性能優(yōu)化指標

3 現(xiàn)場應用效果

在富縣區(qū)域下古生界8口井進行優(yōu)快鉆井技術應用，優(yōu)化后的各項數(shù)據(jù)指標見表6。優(yōu)化后鉆井速度明顯提升。

表6 優(yōu)化后8口井的數(shù)據(jù)指標

1）井身結構優(yōu)化設計采用二開井身結構，鉆井液分段分層優(yōu)化。由表6可知，通過優(yōu)化鉆井液，平均鉆井周期從76.42 d 縮短至52.36 d，縮短了31.48%；同時，平均機械鉆速從3.26 m/h提高至6.47 m/h，提高了88.43%。這些結果表明優(yōu)化后的鉆井液在提高鉆井效率方面取得了顯著成果，并且對于鉆井周期和機械鉆速的改善具有重要意義。尤其是延564井，鉆井周期、完井周期和建井周期明顯縮短，平均機械鉆速達到9.94 m/h，大大降低了綜合開發(fā)成本。

2）延625 井在進行二開作業(yè)時選用PDC 鉆頭，單只鉆頭的進尺達到1 458 m，機械鉆速為11 m/h，純鉆率為33.23%，最高日進尺達到424.61 m，達到了富縣下古生界區(qū)塊的最高標準。這些數(shù)據(jù)表明該井在鉆井效率方面取得了顯著成果，并且達到了預期目標。

3）在對富縣區(qū)域下古生界水平井進行優(yōu)化后，井徑規(guī)則得到改善，井壁穩(wěn)定性得到提高，卡鉆事故明顯減少。

延625井在山西組以上地層的平均井徑擴大率為5.37%，低于15%的考核標準；而目的層的平均井徑擴大率為3.72%，低于10%的考核標準；全井的井徑擴大率為5.21%，達到了鉆進高效的目標。

4 結論

1）通過采用富縣下古生界水平井優(yōu)快鉆井技術，該區(qū)塊的鉆井效率得到有效提升，包括機械鉆速、鉆井周期、建井周期和完井周期顯著縮短。平均鉆井周期縮短了31.48%，機械鉆速提高了88.43%。特別是延625 井，該井機械鉆速達到11 m/h，純鉆率為33.23%，最高日進尺達到424.61 m。這些數(shù)據(jù)表明，優(yōu)快鉆井技術在提高鉆井效率方面效果顯著，并且延625井的表現(xiàn)尤為突出。

2）分段優(yōu)化鉆井液體系降低了濾失量，儲層傷害小，有效減少鉆井事故，確保井下安全，降低了復雜情況發(fā)生率，保持井壁穩(wěn)定和規(guī)則井徑。

3）富縣下古生界水平井優(yōu)快鉆井技術為該區(qū)塊油氣井的經(jīng)濟高效開發(fā)提供了有力支持，實現(xiàn)了高產(chǎn)、低成本的鉆井操作。