臨興區(qū)塊小井眼井鉆井設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)①

賈佳

(中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300000)

國(guó)內(nèi)外研究和實(shí)踐表明，小井眼鉆井可以有效降低油氣田開發(fā)成本和提高經(jīng)濟(jì)效益[1-5]。國(guó)內(nèi)蘇里格氣田在小井眼鉆井方面做了大量的探索工作，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益。目前，臨興致密氣區(qū)塊常規(guī)鉆井采用的井身結(jié)構(gòu)為Ф311.15 mm×Ф244.5 mm+Ф215.9 mm×Ф139.7 mm，存在鉆井工期長(zhǎng)、鉆速慢、產(chǎn)生的巖屑量大等問題，尤其是隨著環(huán)保要求的逐漸嚴(yán)格，導(dǎo)致廢棄物處理成本劇增。為了降低鉆井產(chǎn)生巖屑量，實(shí)現(xiàn)降本增效的目標(biāo)，需對(duì)常規(guī)井身結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，并開展鉆井優(yōu)化設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究，主要包括小井眼鉆頭優(yōu)化設(shè)計(jì)、小井眼鉆具組合優(yōu)選、小井眼鉆井液和固井設(shè)計(jì)。

1 設(shè)計(jì)難點(diǎn)

1.1 常規(guī)井身結(jié)構(gòu)鉆速慢、周期長(zhǎng)

目前，臨興區(qū)塊致密氣開發(fā)常用的井型有直井、定向井和水平井，其中直井和定向井采用二開井身結(jié)構(gòu)：一開鉆Ф311.15 mm井眼，下入Ф244.5 mm套管；二開鉆Ф215.9 mm井眼，下入Ф139.7 mm套管。這種井身結(jié)構(gòu)在鉆井過(guò)程中存在巖屑量大、鉆井液用量大、固井水泥漿量大等一系列問題，同時(shí)還存在機(jī)械鉆速慢、鉆井周期長(zhǎng)的問題，2000 m左右定向井鉆井周期約24天。在臨興大開發(fā)背景下，有必要對(duì)井身結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新，以進(jìn)一步降低作業(yè)成本、縮短鉆井周期。

1.2 地層可鉆性差異大

臨興區(qū)塊構(gòu)造屬于鄂爾多斯盆地晉西撓褶帶西緣[6]，自上而下鉆遇的地層有劉家溝組、石千峰組、上石盒子組、下石盒子組、山西組、太原組、本溪組、馬家溝組。根據(jù)地層可鉆性分析，第四系黃土層可鉆性較好，但劉家溝組以下地層可鉆性較差[7,8]，可鉆性級(jí)別均大于4，其中，石千峰組、石盒子組地層較硬，可鉆性級(jí)別達(dá)到6；山西和太原組地層非常硬，可鉆性級(jí)別達(dá)到7。對(duì)于這種可鉆性較差的地層，需要對(duì)鉆頭開展針對(duì)性的研究，提高機(jī)械鉆速。臨興區(qū)塊地層可鉆性分級(jí)如表1所示。

1.3 地層易漏失、易垮塌

臨興區(qū)塊上部地層為新生界第四系沉積，土質(zhì)疏松，鉆井過(guò)程中容易發(fā)生漏失[9-11]，二開井段鉆遇古生界地層井段長(zhǎng)、層位多，層間容易漏失，同時(shí)，井壁剝落的掉塊還容易造成卡鉆事故。為了防止漏失、垮塌的發(fā)生，需要制定合理的鉆井液密度，優(yōu)選合適的鉆井液體系，控制好鉆井液的濾失和潤(rùn)滑性能。

1.4 井眼環(huán)空小，固井質(zhì)量不合格風(fēng)險(xiǎn)高

表1 地層可鉆性分析

臨興區(qū)塊劉家溝組存在漏失和坍塌現(xiàn)象，易造成水泥漿低返，甚至導(dǎo)致氣竄；低溫下水泥漿體系調(diào)整困難；水泥石須具有高強(qiáng)的彈性、韌性以及耐久性，以滿足后期壓裂要求；部分層段地層巖性疏松，巖石機(jī)械強(qiáng)度低，穩(wěn)定性差，易發(fā)生垮塌，頂替效率差，易發(fā)生竄槽，不利于水泥環(huán)第二界面的膠結(jié)[12]。為了降低固井質(zhì)量不合格的風(fēng)險(xiǎn)，需要嚴(yán)格控制好固井水泥漿性能，設(shè)計(jì)合理的固井水泥漿密度和返高。

2 小井眼井優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 井身結(jié)構(gòu)創(chuàng)新

井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要考慮如下因素：

(1)滿足測(cè)井、完井、壓裂、采氣等的要求；(2)滿足壓力平衡的基本原則；(3)選擇的套管、作業(yè)工具應(yīng)易于采辦；(3)小井眼環(huán)空間隙小，考慮抽吸和激動(dòng)壓力過(guò)大的影響；(4)盡可能簡(jiǎn)化井身結(jié)構(gòu)，降低作業(yè)成本。

通過(guò)大量的調(diào)研和對(duì)比研究[13-16]，并結(jié)合臨興區(qū)塊的自身特點(diǎn)，研究?jī)?yōu)化小井眼井身結(jié)構(gòu)如下：一開鉆Φ215.9 mm井眼，下入Φ177.8 mm套管；二開鉆Φ155.6 mm井眼，下入Φ114.3 mm套管(見圖1)。

圖1 常規(guī)井眼與小井眼井身結(jié)構(gòu)對(duì)比

通過(guò)對(duì)套管強(qiáng)度進(jìn)行校核，小井眼井一開套管選擇20lb/ft、J55套管，二開套管選擇11.6lb/ft、P110套管，可滿足安全作業(yè)需求。按照一口2000 m小井眼計(jì)算，小井眼井一開和二開需用套管約41 t；2000 m常規(guī)井身結(jié)構(gòu)井一開和二開共需要套管約62 t，管材費(fèi)用可以節(jié)省34%左右，降本效果比較明顯，見表2。

表2 小井眼井和常規(guī)井眼套管規(guī)格對(duì)比

2.2 鉆頭和鉆具組合優(yōu)化設(shè)計(jì)

起初設(shè)計(jì)小井眼井鉆頭為5刀翼19 mm齒固定水眼鉆頭，施工中水力參數(shù)無(wú)法進(jìn)行有效調(diào)整，在石千峰層段鉆進(jìn)中連續(xù)出現(xiàn)泥包鉆頭現(xiàn)象[17,18]，后來(lái)經(jīng)過(guò)大量研究，優(yōu)化了鉆頭結(jié)構(gòu)，將主切削齒數(shù)量由17個(gè)減少至15個(gè)，后傾角由20°調(diào)整至15°，側(cè)傾角調(diào)整至10°以內(nèi)；同時(shí)將復(fù)合片的出露高度提高至8 mm；將5刀翼調(diào)整至4刀翼水眼可調(diào)式鉆頭，結(jié)果顯示鉆頭泥包現(xiàn)象得到有效控制。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)驗(yàn)證，石千峰以上地層適合使用4刀翼、19 mm齒鉆頭；石千峰及以下地層適合使用4刀翼、16 mm齒鉆頭，如表3所示。

表3 小井眼井單井鉆頭設(shè)計(jì)

小井眼井最初使用Φ88.9 mm鉆桿，鉆進(jìn)過(guò)程中，一方面泵壓存在偏大的情況，另一方面加壓比較困難，為了解決這些問題，同時(shí)提高小井眼井?dāng)y砂能力，通過(guò)對(duì)不同尺寸鉆桿進(jìn)行優(yōu)選，選擇Φ101.6 mm進(jìn)行鉆進(jìn)時(shí)，效果比較好，如表4所示。

表4 不同尺寸鉆桿數(shù)據(jù)對(duì)比

使用Φ101.6 mm鉆桿時(shí)，相同排量下泵壓明顯降低，所以同井深下，能夠使用更大排量鉆進(jìn)[19，20]。后續(xù)幾口小井眼井使用Φ101.6 mm鉆桿鉆進(jìn)時(shí)，泵壓明顯降低，攜砂能力得到有效提高，如圖2所示。

圖2 使用不同鉆桿鉆進(jìn)時(shí)泵壓對(duì)比

2.3 鉆井液優(yōu)化設(shè)計(jì)

鉆井液優(yōu)化時(shí)，要能防漏、防塌，有效解決縮徑、鉆頭泥包的問題，主要從強(qiáng)化封堵和抑制膨脹方面開展研究工作。臨興區(qū)塊一開井段鉆時(shí)快、井眼大，為防止重復(fù)破巖和沉砂卡鉆，需要保證鉆井液具備一定的攜砂能力。同時(shí)，第四系黃土層和沙礫層，膠結(jié)性差，可鉆性好，易漏易垮塌，需防止井漏、井塌，防止沉砂卡鉆。一開井段采用膨潤(rùn)土漿，鉆井液密度為1.03～1.07 g/cm3；鉆井液配方為：清水+6%～8%膨潤(rùn)土+0.2%～0.3%Na2CO3+0.2%～0.3% HV-CMC。

二開井段，三疊系地層泥砂巖互層嚴(yán)重，膠結(jié)性差，需要防止鉆頭泥包；石千峰組以上含泥頁(yè)巖地層存在井徑擴(kuò)大嚴(yán)重現(xiàn)象，需適當(dāng)控制鉆井液失水；石盒子地層存在硬脆性泥頁(yè)巖，易發(fā)生井壁浸泡垮塌，需要提高鉆井液抑制性能；山西組存在煤層，需要嚴(yán)格控制鉆井液密度和失水，防止出現(xiàn)漏失，防止井塌。二開井段采用聚合物鉆井液體系，密度為1.08～1.17 g/cm3；配方為：清水+2%～4%膨潤(rùn)土+0.1%～0.2% KPAM +1%～2%防塌劑+0.1%～0.2%Na2CO3+0.1%～0.2%XC +0.5%～0.7%PAC-LV+1%～2%CMS。膨潤(rùn)土加量對(duì)性能的影響如圖3所示，XC加量對(duì)性能的影響如圖4所示。

圖3 膨潤(rùn)土加量對(duì)鉆井液性能的影響 圖4 XC加量對(duì)鉆井液性能的影響

為了保證鉆井的順利進(jìn)行，針對(duì)鉆井液，對(duì)不同地層，提出了具體的鉆井液維護(hù)措施：

(1)必須采用罐式循環(huán)，嚴(yán)禁采用清水鉆進(jìn)，防止清水長(zhǎng)期浸泡地層引起井壁垮塌、埋鉆等惡性事故的發(fā)生。(2)當(dāng)鉆至石千峰組地層時(shí)，應(yīng)保證鉆井液中降濾失劑和防塌劑的含量，同時(shí)保證鉆井液性能穩(wěn)定。主要是為了保證鉆該地層時(shí)有較低的失水和較好的泥餅質(zhì)量，防止地層水敏垮塌，并快速穿過(guò)。(3)鉆至石盒子地層時(shí)，加足降濾失劑，保證濾失量不高于6 mL，同時(shí)補(bǔ)充PAC-LV和防塌劑穩(wěn)固井壁，防止地層硬脆性垮塌。(4)鉆至山西、太原組煤層時(shí)，應(yīng)加大防塌劑和聚合物用量，維持煤層井壁穩(wěn)定。(5)起鉆前對(duì)全井鉆井液進(jìn)行調(diào)整，清除無(wú)用固相，加入降濾失劑和抑制劑，改善泥餅，增加鉆井液的抑制性和防塌性。

現(xiàn)場(chǎng)使用結(jié)果表明，井漏和坍塌可得到有效控制，已鉆小井眼井徑擴(kuò)大率均控制在合理范圍內(nèi)，大部分井段擴(kuò)大率均在10%以下，部分井上部造斜段井段和下部石千峰和上石盒子組井眼擴(kuò)大率稍大，但均在18%以內(nèi)。

2.4 固井優(yōu)化設(shè)計(jì)

小井眼井固井時(shí)管內(nèi)外靜液柱壓差大、套管環(huán)空間隙小、流動(dòng)摩阻高導(dǎo)致施工壓力高，影響頂替效率，并且劉家溝地層承壓能力低，頂替過(guò)程中易發(fā)生漏失，在進(jìn)行小井眼固井優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，考慮了以下幾個(gè)方面問題：

(1)臨興區(qū)塊劉家溝組地層承壓能力低，破裂壓力當(dāng)量密度為(1.25～1.30)g/cm3，在保證水泥返高以及劉家溝組地層不漏失的情況下，要求低密度水泥漿有較高的強(qiáng)度，以滿足后期壓裂施工作業(yè)。(2)管內(nèi)流動(dòng)阻力大，固井作業(yè)時(shí)整體施工壓力比較高，特別是后期頂替階段有可能大于固井管線35 MPa的耐壓值，可能導(dǎo)致水泥漿頂替效率低，影響環(huán)空水泥膠結(jié)質(zhì)量。(3)高施工壓力可能導(dǎo)致工具失效出現(xiàn)替空現(xiàn)象；高壓蹩泵、水泥漿倒返等造成井底產(chǎn)生水泥塞；更嚴(yán)重的是套管內(nèi)部分井段存在水泥塞導(dǎo)致無(wú)法壓裂或灌腸致使整個(gè)井筒報(bào)廢。為了解決好這些問題，對(duì)固井水泥漿、固井工藝、固井設(shè)計(jì)進(jìn)行了相關(guān)研究，形成了如下具體措施：

(1)小井眼采用單級(jí)全封固井方式，針對(duì)裸眼段長(zhǎng)易發(fā)生漏失問題，采用三段水泥漿密度體系降低井筒液柱壓力：尾漿采用1.85 g/cm3常規(guī)密度水泥漿體系封固下部氣層；中漿采用密度為1.35 g/cm3的低密高強(qiáng)水泥漿體系封固氣層上部石千峰組和劉家溝組，領(lǐng)漿采用1.25 g/cm3的低密高強(qiáng)水泥漿體系封固和尚溝組以上至地面的上部地層。(2)為了保證固井結(jié)束浮箍以上套管內(nèi)不留水泥塞，選用帶膠塞碰壓裝置，確保在回壓凡爾不起作用的情況下，膠塞碰壓后也能完全起到封隔水泥漿的效果。(3)對(duì)裸眼井段有針對(duì)性地安放套管扶正器，結(jié)合固井模擬分析軟件，根據(jù)井徑、全角變化率、巖性、目的層段、通井情況等因素綜合確定水泥漿封固井段套管扶正器的安放數(shù)量和間距，使套管居中度達(dá)到67%以上，從而提高頂替效率，確保固井質(zhì)量的提高。

對(duì)2000 m小井眼井二開固井過(guò)程中的井底ECD值進(jìn)行軟件模擬計(jì)算，Φ114.3 mm套管固井過(guò)程中井底ECD值為1.46 g/cm3，不會(huì)壓漏地層，滿足安全作業(yè)要求。二開固井井底ECD模擬曲線如圖5所示。

圖5 小井眼井二開套管固井井底ECD值模擬曲線

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

目前在臨興-神府區(qū)塊已成功實(shí)施5口小井眼鉆井作業(yè)，效果非常顯著。2018年已完鉆常規(guī)定向井平均鉆井周期30天，已鉆小井眼井平均鉆井工期18天，縮短了40%。對(duì)比常規(guī)井眼，小井眼井良好的應(yīng)用效果，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1)小井眼鉆井機(jī)械鉆速提高50%以上，大大縮短了鉆井周期；(2)小井眼所用鉆具和套管尺寸小，節(jié)約了鋼材，材料消耗降低50%；(3)小井眼井眼尺寸小，節(jié)約了鉆井液和固井水泥漿用量，鉆井液用量減少35%，固井水泥漿量減少50%以上；(4)小井眼產(chǎn)生的巖屑量減少50%，大大降低了巖屑處理費(fèi)用；(5)小井眼鉆井，對(duì)鉆機(jī)配套設(shè)備要求降低，降低了鉆井期間作業(yè)費(fèi)；(6)小井眼鉆井所用鉆機(jī)和設(shè)備占地面積減小，降低了征地、修路等相關(guān)費(fèi)用。

4 結(jié)論

針對(duì)小井眼井機(jī)械鉆速慢、工期長(zhǎng)、巖屑量大等問題，開展了小井眼井相關(guān)研究，包括對(duì)鉆頭和鉆具組合優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)鉆井液體系重新優(yōu)選、對(duì)小井眼固井優(yōu)化設(shè)計(jì)，形成了臨興小井眼鉆井設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)5口井的試驗(yàn)，取得了良好的應(yīng)用效果，與常規(guī)井眼井身結(jié)構(gòu)相比，工期縮短約40%，巖屑排放量減少約50%，套管消耗量減少約20%；固井水泥用量減少約50%；鉆井液用量減少約30%，表明小井眼鉆井設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)可以有效地指導(dǎo)臨興區(qū)塊小井眼現(xiàn)場(chǎng)鉆井作業(yè)，能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)快鉆井、降本增效的目標(biāo)。