鄂爾多斯盆地超低滲氣藏鉆井技術難點與對策

岳艷芳仝少凱王小東王 亞李善維鄭宏婧

（1.華北油田公司采油工程研究院，河北任丘 062552；2.川慶鉆探工程有限公司長慶井下技術作業公司，陜西咸陽 712000；3.渤海鉆探工程有限公司長慶石油工程事業部，陜西西安 710016）

鄂爾多斯盆地超低滲氣藏鉆井技術難點與對策

岳艷芳1仝少凱2王小東1王 亞3李善維1鄭宏婧1

（1.華北油田公司采油工程研究院，河北任丘 062552；2.川慶鉆探工程有限公司長慶井下技術作業公司，陜西咸陽 712000；3.渤海鉆探工程有限公司長慶石油工程事業部，陜西西安 710016）

針對鄂爾多斯盆地超低滲氣藏開發井地層古老、砂礫巖及石英砂巖可鉆性差、研磨性強、夾層多、非均質性強、有效應力高、井斜、井漏、井壁失穩、井噴、卡鉆、跳鉆等地層特性與井下復雜情況，從地質和工程2個因素分析了鉆井過程中面臨的技術難點，提出了優化鉆具組合、優選鉆頭類型、優選鉆井液、優化氣層保護完井液、鉆具失效預防等技術對策與措施。現場應用結果表明，有效地解決了鄂爾多斯盆地山西組開發井的鉆井難題，使該井實際鉆井周期縮短30%，機械鉆速提高10%，為鄂爾多斯盆地超低滲氣藏開發井的有效鉆進和儲層保護提供了技術參考。

鄂爾多斯盆地；超低滲氣藏；開發井；鉆井；鉆具；技術對策

鉆井技術的合理實施是天然氣勘探開發過程中的一項重要工作，直接關系到一個油田勘探開發的綜合經濟效益。超低滲氣藏由于巖性致密，導致滲流阻力大、壓力傳導能力差，影響到鉆井技術的實施效果［1］。近年來，隨著油氣勘探和評價的不斷深入，鄂爾多斯盆地晚三疊統開發井氣藏儲層顯示出較大的資源潛力和開發前景。鄂爾多斯盆地鉆井區地處山區，地表溝壑縱橫交錯，地形復雜，平均完鉆井深3 000~3 500 m，平均機械鉆速小于6 m/h。該區氣藏儲層致密、物性差、豐度低，具有地層可鉆性差、漏失嚴重、地層研磨性強和鉆具失效頻繁等特性，這些特性是制約鉆井速度的技術“瓶頸”，導致鉆井難度較大［2］。為此，針對該區氣藏的綜合開發能力，結合儲層地質特征，有針對性地提出了應對各種難題的技術對策，現場應用效果較好，鉆具失效得到有效遏制，機械鉆速得到大幅度地提高。

1 儲層地質特征

根據新一輪油氣資源評價結果，鄂爾多斯盆地油氣資源十分豐富［3-4］。鄂爾多斯盆地開發井氣藏1#井和2#井，主要目的層為二疊系鄂1-1層和1-2層，埋深為3 670~3 755 m。其中鄂1-2為重點目的層段。

儲層巖性以巖屑石英砂巖與巖屑砂巖為主，成熟度中等~高（石英含量46.0%~98.8%），填隙物含量平均12.6%，以硅質、高嶺石和含鐵方解石為主，雜基平均5.3%（含水云母等）。膠結物含量平均7.3%，主要以自生黏土礦物與碳酸鹽礦物為主，其次為硅質。儲層平均孔隙度7.2%，平均滲透率0.43 mD，屬于特低孔、超低滲致密儲層。儲層敏感性屬弱酸敏（0.275）、弱堿敏（0.212）、中等鹽敏（59 405 mg/L）、水敏（0.029）及速敏（無~強均有）。儲層流體物性較好，氣體體積系數4.204×10–3m3/（標）m3，壓縮系數2.305×10–21，黏度2.1928×10–2mPa·s。儲層砂巖最小水平主應力50.43 MPa，最大水平主應力71.52 MPa；泥巖最小水平主應力56.62 MPa，最大水平主應力72.56 MPa［5-6］。

2 鉆井技術難點分析

2.1 地質因素

根據鄂爾多斯盆地開發井儲層地質特征，結合試驗井井下復雜情況（表1），分析斷定出該氣藏鉆井地質情況較為復雜，主要鉆井技術難點如下：

（1）地層時代古老。區塊自上而下鉆遇新生界（第四系）、中生界（白堊系、侏羅系和三疊系）、上古生界（二疊系和石炭系）、下古生界（奧陶系）等多套地層。

（2）可鉆性較差，研磨性強。鄂爾多斯盆地1#井和2#井地層巖石從三疊系到奧陶系隨著地層的加深可鉆性均值逐漸增大，采用PDC鉆頭和牙輪鉆頭鉆進巖石可鉆性相差較大。結合地層巖性特點，對該地區地層的軟硬程度進行劃分：三疊系、石炭系和奧陶系整體屬于中硬地層；二疊系屬于軟到中硬地層。該區探井地層均為砂泥巖互層，抗壓強度低和可鉆性差異較大，與巖石可鉆性試驗測定結果相符。此外，隨著層段不同、巖石力學性質各不相同，三疊系各層段地層泥巖有一定的塑性，所以要采用不同的破巖方式提高效率。

（3）非均質性強。中生界和上古生界均含有礫巖地層、煤系地層，特別是侏羅系底部和三疊系上部地層含有不同直徑的泥巖，在石炭系地層含鐵鋁礦等硬夾層，下古生界為碳酸鹽、云巖等脆性地層和鹽膏層。但隨著區塊的差異，上述特征變化較大。

（4）地層破裂壓力與孔隙壓力相近。三疊系和上古生界部分層段存在低破裂壓力層，導致固井過程中動態壓力難以控制，固井質量不易保證［7-8］。

（5）地層易受傷害。區塊氣藏儲層屬致密性砂巖儲層，具有低地層孔隙壓力、超低滲透率和毛孔壓力高、有效應力高的特點，鉆井過程中極易傷害地層，應采取保護措施以減輕鉆井液對地層的傷害［9-10］。

（6）鉆具失效地層。鉆具失效集中發生在三疊系及二疊系等地層厚約1 100 m井段，發生鉆具失效最淺的地層為侏羅系，井深1 530 m；鉆具失效最深的地層為二疊系，井深3 690 m。

（7）鉆井事故。鉆井過程中還存在井斜、井漏、掉塊、井塌、井噴、擴徑、卡鉆等風險。

表1 試驗井井下主要復雜情況

2.2 工程因素

實際鉆井過程中，由于區塊存在著可鉆性差、非均質性強等固有特性，易造成鉆具失效頻繁發生，預測主要失效形式為鉆桿接頭刺漏、管體刺穿、斷裂；鉆鋌黏扣、內外螺紋根部黏裂、螺紋刺裂、連接密封失效、竄漿等。

2.2.1 斷扣分析 公扣和母扣螺紋斷裂，是鉆具失效的主要類型。其主要原因是在公扣最末完全扣處和母扣段，容易形成應力集中，最終導致疲勞失效。由于地層年代老、巖性硬、夾層多，跳鉆和蹩鉆嚴重，預計鉆具失效井段巖性主要為含礫砂巖和泥巖，礫間充填主要以鈣膠結為主，地層可鉆性級值為5~7，為中-中硬地層，鉆井過程中會頻繁發生跳鉆和蹩鉆，引起鉆具縱向、橫向和扭轉振動及其耦合振動，最終導致鉆具公扣和母扣斷裂。

不合理的鉆井參數引發下部鉆具共振，如用三牙輪鉆頭鉆井過程中容易產生3波狀井底，引起3倍頻出現，導致鉆具失效；鉆具受力特性及其自身結構引起周期性彎曲應力，是其失效的內在原因；此外，鉆鋌螺紋連接部分為薄弱環節，在鉆壓作用下，易彎曲，加速鉆具失效，預計鉆鋌失效多數發生在下部鉆具組合中，以疲勞斷裂為主。

2.2.2 鉆具刺扣和黏扣分析 鉆具刺扣和黏扣在該區塊主要發生在二疊系鄂1-1層段以上地層，預計其主要失效原因為上扣扭矩不足，螺紋密封脂性能差，使用不規范。

2.2.3 鉆桿接頭偏磨和管體刺裂分析 鉆桿接頭偏磨失效最普遍，其主要失效原因為地層研磨性強（以含礫石砂泥巖為主）；鉆柱渦動，鉆柱在井眼內順時針轉動與井壁接觸產生摩擦力，使其以一定的速度按逆時針方向繞井眼軸線轉動，形成渦動，使鉆具偏磨，承受高頻應力而導致鉆具破壞；管體刺裂發生在加厚過渡帶，由于不光滑，易引起應力集中。為此，結合保護油氣層的原則，需要合理選擇安全、優質、高效鉆井參數，有效防止鉆井事故的發生，減少地層傷害。

3 技術對策

3.1 優化鉆具組合

二開三疊系下部層段優選鉆具結構：?215.9 mm（3A）鉆頭+?165 mm底部減震器+?177.8 mm鉆鋌×18 m+?215 mm扶正器+×177.8 mm鉆鋌×9 m+?215 mm扶正器+?177.8 mm鉆鋌×81 m +?127 mm鉆桿。根據不同情況及時調整鉆進參數；選用防斜、糾斜、穩斜鉆具，用PDC鉆頭或PDC鉆頭加螺桿輕壓吊打鉆進，加強防斜效果。

3.2 優選鉆頭類型，強化鉆井參數

二開-白堊系整個層段：選用?215.9 mm GA114鉆頭，力爭1只鉆頭穿過白堊系；侏羅系—三疊系層段：選用?215.9 mm SKH447G牙輪鉆頭或其他5刀翼PDC鉆頭；三疊系—二疊系層段：選用?215.9 mm MD9535ZCPDC鉆頭或其他6刀翼PDC鉆頭；二疊系-石炭系層段：選用?215.9 mm HJT537G鉆頭或SKH517G牙輪鉆頭；鉆井參數選用鉆壓180 kN，排量35 L/s，轉速50~70 r/min。“雙石層”：以選用?215.9 mm S537GK型牙輪鉆頭鉆進為主，鉆壓180 kN，加大排量和泵壓（不漏失時），可選用MD517J復合齒鉆頭+直螺桿+轉盤復合鉆進。換用新鉆頭時，不一次下鉆到底。在接近井底時，小排量開泵，啟動轉盤，慢慢下到井底，再用20~30 kN的鉆壓磨合鉆頭約半小時后，逐漸加至正常鉆壓鉆進。

3.3 優選鉆井液類型及配方

二開二疊系鄂1-1和1-2層段優選聚合物鉆井液，其基本配方：淡水+（4~5）%膨潤土+（0.2~0.3）%包被劑+（0.3~0.5）%NH4-HPAN+（0.3~0.5）%COP-HFL/ LFL+（0.2~0.5）% ZSC201+（0.1~0.3）%NaOH［11-12］。聚合物鉆井液主要性能要求見表2。另外，根據井下摩阻情況，加入潤滑劑、（1~2）%聚醚防塌潤滑劑JHF-2、白油等材料，改善鉆井液的潤滑性；如遇井涌、井噴、H2S含量高等異常情況，現場可根據實測地層壓力按井控要求調整鉆井液密度。

表2 聚合物鉆井液主要性能參數

3.4 優化氣層保護完井液體系

由于地區氣藏屬特低孔、超低滲致密儲集層，結合儲層敏感性分析結果，針對二開二疊系鄂1-1和1-2層段，優化設計了儲層屏蔽暫堵完井液體系配方，其基本配方：基漿（4~5）%膨潤土+（5~6）%復合暫堵劑FH+（1~2）%屏蔽暫堵劑（PD-1 ）+（2~3）%油溶性暫堵劑WZD-2+稀膠液［13］。在裂縫較發育的層段適當增加復合暫堵劑的用量。

屏蔽暫堵實施的技術參數：井底最小正壓差3.5 MPa，環空上返速度小于1.6 m/s，暫堵劑粒子粒度與鉆井液粒度達到相應的技術指標。

3.5 預防鉆具失效的工藝措施

（1）提高鉆桿抗彎曲疲勞強度。

（2）檢查螺紋密封脂是否符合標準。推薦采用API標準螺紋密封脂，檢查壓膜強度和摩擦因數2項性能指標。

（3）檢查上扣扭矩。上扣扭矩過緊和過松均不允許，舊鉆具上扣扭矩選用低限值。?127 mm加重鉆桿上扣扭矩為30 kN·m，?127 mm鉆桿上扣扭矩為26 kN·m，?158.75 mm鉆鋌上扣扭矩為24 kN·m［2］。

（4）建立鉆具鉆桿使用管理規范。該規范應對鉆具的質量要求、送井鉆具的驗收、井場鉆具存放的管理、入井鉆具的管理、鉆具現場無損探傷、鉆具使用過程中的非正常磨損、鉆具回收、鉆具故障的調查等問題做出明確的要求和規定。同時鉆柱下部鉆鋌的數量必須加足，以保證鉆具“中和點”中性截面在鉆鋌上。

（5）根據現場鉆具使用情況，做出“改進鉆具結構”的應急預案。比如，跳鉆井段的底部鉆具中加入減震器和懸浮器，減少鉆具的振動。扶正器有利于鉆具工作狀態的穩定，盡可能增加扶正器的使用井段。同時合理設計鉆井參數，避免鉆具共振。

（6）改進鉆具的螺紋結構。使用根部圓角較大的數字型高疲勞壽命螺紋，同時在公扣最末安全扣處和母扣消失段，設應力減輕槽；此外，對有應力減輕槽的接頭，修扣時截斷長度要長。

（7）加強鉆井液的維護和處理，有效地控制井徑擴大率，減少鉆具在井內的彎曲度，降低鉆具疲勞損壞的程度和速度。

（8）使用PDC鉆頭、井下動力鉆具、液力加壓器等工具改變鉆具的工作狀態，減輕鉆具的彎曲和彎曲應力。

（9）鉆具選材。鉆桿選用德國進口管體、內涂層的鉆桿，提高鉆井液的pH值，以控制鉆桿的腐蝕。

3.6 其他鉆井控制對策

（1）上部井段嚴格控制井斜，為下部井段的鉆進爭取主動。在表層鉆進中，輕壓吊打，嚴格控制井斜。開鉆采用低參數吊打工藝（鉆井參數鉆壓0~50 kN，轉速50 r/min），防止起步井斜。在鉆入1根鉆鋌后隨鉆鋌增加逐漸增大鉆壓。隨井深增加，鉆鋌增多，逐漸加大鉆壓，但必須保證所加鉆壓不得超過鉆鋌浮重的70%。根據鉆遇巖性變化適時調整鉆壓，防止井斜。

（2）使用塔式鐘擺防斜鉆具組合保證開鉆打直，為下開鉆進創造良好的井身條件。

（3）防止井口竄漏和防淺層井漏，禁止在導管鞋處定點循環，操作要求平穩，排量由小到大，以防止井壁垮塌，滿足攜帶巖屑，及時沖刷井壁，避免重復破碎［14］。

（4）鉆進中密切注意泵壓、轉盤扭矩的變化，以及返出巖屑形狀和數量，加強井內復雜情況的分析判斷，防止掉塊卡鉆事故的發生；液面實行坐崗監測，及時發現井漏。

（5）使用PDC 鉆頭鉆進時，采用低鉆壓、高轉速控制井斜；用牙輪鉆頭時，采用高鉆壓、低轉速控制井斜。

（6）采用有效地井斜監測措施；堅持定進尺測斜，井斜變化嚴重時加密測量，并利用微機處理數據，做好井身質量預測。

（7）起鉆時觀察下部鉆鋌的彎曲度、磨損情況，如發現彎曲或鉆鋌直徑磨細應及時甩掉。

（8）根據鉆時的快慢及時調整鉆壓，處理好軟硬交界面處的鉆進；地層交界面、軟硬交錯地層至少吊打鉆進30~50 m。

（9）鉆遇裂縫地層時如有跳鉆、放空、蹩鉆等現象，降低鉆壓，并對裂縫井段反復劃眼，消除可能出現的狗腿或臺階。

（10）施工過程中特別注意加強對H2S氣體的錄井檢測及防范。氣測一旦發現H2S氣體，立即書面通知鉆井隊長及甲方監督，現場人員嚴格按照上級有關規定和鉆井安全操作規范果斷處理，確保人身及鉆井設備的安全［15］。

4 現場應用

以鄂爾多斯盆地北部上古生界山西組山2和山1為目的層段的1口開發井MX為例，該井井深3 800 m，目的層埋深3 670~3 755 m，上古生界壓力梯度0.008 4~0.009 2 MPa/m，井身質量控制井斜小于6°，目的層段井徑擴大率小于等于10%，采用優化井身結構?311.2 mm鉆頭×?244.5 mm套管×600 m+?215.9 mm鉆頭×?139.7 mm套管×3 797 m，水泥返深到地面，上古生界為常壓層，與下古生界低壓層分屬不同壓力系統，整個上古生界巖性為砂泥巖加礫石互層，夾煤層，受構造應力影響，泥頁巖性脆，微裂縫發育，鉆井過程中地層壓力系統復雜，儲層需壓裂改造，易發生掉塊、井壁坍塌、起下鉆遇阻、長時間劃眼、井斜、井噴、地層受害等復雜情況。

針對此鉆井難點，在二開三疊系下部層段優選鉆具組合，并采用?215.9 mm MD9535ZCPDC鉆頭加螺桿輕壓吊打鉆進，實現快速鉆進防斜；在鉆頭和鉆鋌之間加減震器，保證600~3 800 m井段加重鉆桿抗拉安全系數小于2.8，鉆鋌抗拉安全系數小于22.8，有效減少鉆具振動失效；按照氣密封和腐蝕環境設計加重鉆桿上扣扭矩35 kN·m，鉆鋌上扣扭矩30 kN·m，有效地提高了鉆具的連接強度。同時，為提高鉆井液的懸浮、攜帶巖屑能力，采用低固相鉀氨基聚合物鉆井液體系，密度1.15~1.25 g/cm3，鉆進時出現水侵，將鉆井液密度調高至1.45 g/cm3，有效控制出水，在進入保護層20~40 m前將鉆井液轉換為屏蔽暫堵完井液體系，優化配方設計：基漿+（4~5）%膨潤土+（4~5）%復合暫堵劑FH+（0~1）%屏蔽暫堵劑PD-1+（2~3）%油溶性暫堵劑WZD-2+稀膠液，將原漿性能調至密度低于設計0.03~0.04 g/ cm3，嚴格控制失水小于5 mL，pH值為8~10，保證井底最小正壓差3.5 MPa，環空上返速度1.6 m/s，控制暫堵劑粒度與鉆井液粒度，其酸溶液含量小于5%，既有效減輕對地層的傷害，又利于井眼穩定、井徑規則。應用上述技術解決了鄂爾多斯盆地山西組開發井的鉆井難題，達到了MX井井身質量控制要求，使該井實際鉆井周期縮短30%，鉆井速度提高10%。

5 結論及認識

（1）鄂爾多斯盆地超低滲氣藏地質構造特征表明，超低滲氣藏鉆井過程中易發生地層漏失嚴重、溢流井涌、井壁失穩、卡鉆多、井斜、井噴、跳鉆等井下事故。

（2）防斜、穩斜鉆具對鄂爾多斯盆地超低滲氣藏上部易斜井段有著較好的防斜效果。

（3）鄂爾多斯盆地超低滲氣藏鉆井過程中易遇到礫石砂巖地層、泥巖層、夾煤層、H2S和CO2氣侵層等風險，需根據各風險因素特點制定相應的風險對策。

（4）優選屏蔽暫堵完井液體系，可以有效地達到保護氣層的要求。

（5）對石炭系和奧陶系硬地層進行鉆頭優選及性能研究，建議分井段優選PDC鉆頭，以實現優質、快速、高效的鉆進。

（6）開展鄂爾多斯盆地超低滲氣藏開發井地層巖石可鉆性研究，建立各層段巖石可鉆性數據，以期提高鉆頭機械鉆速、縮短鉆井周期及優化鉆頭參數與結構。藏滲流規律研究［J］.斷塊油氣田，2013，20（2）：191-195.

［2］王衛忠，李敬忠，向勝利，等.延長氣田優快鉆井技術難點分析及對策［J］.化學工程與裝備，2011，26（2）：96-97.

［3］付金華，魏新善，任軍峰，等.鄂爾多斯盆地天然氣勘探形勢與發展前景［J］.石油學報，2006，27（6）：1-4.

［4］王道富，付金華，雷啟鴻，等.鄂爾多斯盆地低滲透油氣田勘探開發技術與展望［J］.巖性油氣藏，2007，19（3）：126-130.

［5］王瑞飛.特低滲透砂巖油藏儲層微觀特征——以鄂爾多斯盆地延長組為例［M］.北京：石油工業出版社，2008：1-70.

［6］楊華，付金華，魏新善.鄂爾多斯盆地天然氣成藏特征［J］.天然氣工業，2005，25（4）：5-8.

［7］郭元恒，何世明，劉忠飛，等.長水平段水平井鉆井技術難點及對策［J］.石油鉆采工藝，2013，35（1）：15-18.

［8］余淑明，劉艷俠，武力超，等.低滲透氣藏水平井開發技術難點與攻關建議［J］.天然氣工業，2013，33（1）：55-60.

［9］沈建中.宣頁1井鉆井技術難點及對策［J］.石油鉆探技術，2011，39（3）：42-44.

［10］梁文龍.鄂爾多斯盆地北部天然氣鉆井技術研究［J］.山西科技，2005，32（4）：83-84.

［11］孫金聲，唐繼平，張斌，等.超低滲透鉆井液完井液技術研究［J］.鉆井液與完井液，2005，22（1）：1-4.

［12］孫金聲.超低滲透鉆井液完井液技術研究與應用［C］//鉆井液技術文集.北京：石油工業出版社，2006.

［13］黎金明，楊斌，陳在君，等.鄂爾多斯盆地長北氣田儲層保護技術［J］.天然氣工業，2009，29（3）：68-70.

［14］康雪林，王延東.延長氣田易漏失井固井前準備技術［J］.鉆采工藝，2009，32（5）：119-120.

［15］竇同偉，孫景濤，周寶義，等.海古101高含硫井鉆井工程設計難點與對策［J］.石油機械，2011，39（11）：47-50.

（修改稿收到日期 2014-08-26）

〔編輯 薛改珍〕

［1］陳明強，任龍，李明，等.鄂爾多斯盆地長7超低滲油

Drilling technology difficulties and countermeasures for ultra-low permeability gas pools in Ordos Basin

YUE Yanfang1,TONG Shaokai2,WANG Xiaodong1,WANG Ya3,LI Shanwei1,ZHENG Hongjing1
（1.Research Institute of Oil Production Engineering,Huabei Oilfield Company,Renqiu062552,China;2.Changqing Downhole Service Company of Chuanqing Drilling Engineering Co.,Ltd.,CNPC,Xianyang712000,China;3.Changqing Petroleum Engineering Division,Bohai Drilling Engineering Co.,Ltd.,Xi’an710016,China）

In line with formation characteristics and downhole complicated conditions like old age of formations in development wells for ultra-low permeability gas pools in Ordos,poor drill ability of sandy conglomerate and quartz sandstone,strong abrasion,too many interbeds,high heterogeneity,high effective stress,hole deviation,lost circulation,unstable wellbore,blowout,stuck pipe,bit bouncing,etc.,analysis of technical difficulties during drilling was conducted in terms of geology and engineering,and technical countermeasures and measures were proposed regarding optimized BHA,optimized bit types,optimized drilling fluid,optimized completion fluid for gas reservoir protection and prevention of drill string failure.The field application shows that these measures have effectively solved the drilling difficulties in development well of Shanxi well group in Ordos Basin,and the drilling cycle of this well was reduced by 30% and drilling rate up by 10%,providing technical reference for effective drilling of ultra-low permeability gas pool by development wells and reservoir protection in Ordos Basin.

Ordos Basin;ultra-low permeability gas pool;development wells;drilling;drilling tools;technical countermeasures

岳艷芳，仝少凱，王小東，等.鄂爾多斯盆地超低滲氣藏鉆井技術難點與對策［J］.石油鉆采工藝，2014，36（5）：33-37.

TE242.6

：B

1000–7393（2014） 05–0033–05

10.13639/j.odpt.2014.05.009

岳艷芳，1984年生。2013年畢業于西安石油大學油氣田開發工程專業，現主要從事鉆井、采油工程方案設計研究工作，助理工程師。電話：0317-2785146。E-mail： yueyanfang@live.com。