多壓力層系區塊鉆完井技術研究與應用

姚 斌

（大慶鉆探鉆井二公司，黑龍江大慶163413）

1 概述

***采油區塊開發目的層為A、B、C三個油層，屬于多層位分段開發。區塊內斷層較為發育，共發育15條斷層，均為正斷層，斷層附近受注水開發的影響，采出井點較少，形成油層局部憋壓，油層壓力相對較高，最低地層破裂壓力18MPa，預計壓力系數1.40～1.50；深部C油層未注水開發，仍處于原始壓力狀態，平均地層壓力為17.5MPa，壓力系數平均為1.13。該區塊標準層和下部Q地層發育大段泥巖，泥巖吸水水化膨脹易剝落，造漿性能強易泥包鉆具，鉆井過程中易井塌卡鉆，而且易發生井漏。因此，有必要對該區塊的特殊情況進行針對性的研究和試驗，形成一套適用于該區塊的鉆井完井技術，來保證鉆井施工的順利進行和提高完井固井質量。

2 技術研究

2.1 油層防漏鉆井液密度設計方法研究

針對***區塊地層破裂壓力低、孔隙壓力高的特點，采取近平衡鉆井液密度設計方法。

2.1.1 上部A、B油層地質壓力預測

根據油水井動、靜態資料、區塊構造位置、以往已鉆井的資料綜合分析，預測設計鉆井區塊油層壓力系數分為：

（1）注水井斷層遮擋較高壓力區∶預計壓力系數1.40～1.50。

（2）注采不平衡較高壓區∶預計地層壓力系數在1.35～1.55。

（3）正常注采區∶預計地層壓力系數在1.35～1.45。

2.1.2 深部C油層地層壓力預測

注水開發區：油層試驗區有2口水井測壓，地層壓力分別為23.6MPa和23.8MPa，壓力系數1.48和1.52。

原始壓力區：取得3口井實測壓力，最高地層壓力18.3，最低地層壓力17.0MPa。

2.1.3 鉆井液密度設計方法

在鉆前地層壓力調整充分的前提下，依據待鉆井鉆前預測的孔隙壓力結果，按公式計算鉆井液密度：

式中：Pp——地層孔隙壓力，MPa；

ΔP——壓力附加值，MPa，一般取2；

H——井深，m。

設計密度的關鍵是壓力附加值ΔP的確定。根據近平衡鉆井的原則：

A、當預測最高壓力系數大于或等于1.5時，設計為近平衡鉆井，ΔP取1MPa;同時采取梯級密度設計方式，鉆進時保持近平衡，有利于防止井漏和泄壓，完井鉆井液密度保持平衡，以保證完井施工安全。對于斷層遮擋高壓區及注采不平衡區采取這種密度設計方式。

B、預測最高壓力系數小于1.5時，設計為欠平衡鉆井，一般ΔP控制在-0.5～1.0MPa之間。對于淺氣層區的井計算值附加0.05作為設計密度下限，附加0.10g/cm3作為設計密度上限；非淺氣層區的井計算值作為設計密度下限，附加0.05g/cm3作為設計密度上限。

2.1.4 鉆井施工過程中鉆井液密度調整原則

2017年施工中應用滾動預測原則對復雜區進行設計密度調整，采取分級加重的措施預防井漏，區塊油氣水浸和井漏復雜情況得到有效控制。具體設計情況如表1所示。

表1 鉆井液密度滾動設計原則

2.2 鉆頭選型與鉆井參數優化研究

2.2.1 鉆頭優化選型

PDC鉆頭主要用于泥巖、砂巖、以泥質膠結為主且膠結松散的小粒徑礫巖、膏巖和灰巖等地層。試驗統計及現場應用情況表明：砂、泥巖互層，當地層抗壓強度低于10000psi，泥巖成份占巖石總量的40%以上時，PDC鉆頭的使用效果最好。實驗區塊地層，以紫紅色泥巖與綠灰色粉砂質泥巖呈不等厚互層,目的層黑色泥巖，粉砂質泥巖互層為主。

不同冠形PDC鉆頭的攻擊性依次為：長拋物線型＞中等拋物線型＞短拋物線型；按照巖石硬度分類，推薦的鉆頭冠型如表2所示。

表2 不同冠型PDC鉆頭對巖石攻擊性

根據巖石抗壓強度，選擇合理的切削齒尺寸。抗壓強度與切削齒尺寸關系如表3所示。

***區塊地層以灰色泥巖、粉砂質泥巖、泥質粉砂巖、含油粉砂巖為主，油層巖性以巖屑質長石粉砂巖為主，該區塊巖石硬度為很低硬度或中等硬度為主，抗壓強度一般不超過16000psi，冠部形狀選擇為中等拋物線形，主切削齒尺寸選擇為19mm復合片。結合區塊地質情況，巖石硬度不高;鄰井間距小，便于井眼軌道控制；提速效果好，鉆井時間長；綜合成本低，穩斜段長，穩斜性能好等因素，優選使用大慶鉆頭廠生產的R4624型號PDC鉆頭。通過現場實鉆應用，效果較好，區塊平均井深1894m，平均機械鉆速可達29.41m/h，最高機械鉆速可達35.56m/h。

表3 不同切削齒尺寸與巖石硬度關系

2.2.2 鉆井參數優化

試驗區塊直井施工中在1050～1200m夾層多、鉆進易斜，采用優選的3根鉆鋌鐘擺鉆具組合。?215.9mm(PDC)+?178mm鉆鋌（16～20m）+?165mm鉆鋌（8～10m）+?210mm方接頭+?165mm鉆鋌（64～80m）+?127mm鉆桿。

隨著鉆具組合的改變，對相應的鉆井參數進行優化。該區塊上部地層即標準層前100m，不易產生井斜，所以上部地層鉆壓選擇在40～80kN，有利于提高機械鉆速；以下的地層鉆壓控制在10～40kN，井斜角可控范圍大時可適當增加鉆壓,轉盤轉速240～270r/min，排量28～32L/s；定向井優選復合鉆方式，提高破巖效率15.97%。增加泵排量，提高返砂效率，保障井眼清潔暢通，提高了機械鉆速。

2.3 定向井軌道控制技術研究

2.3.1 鉆具組合優選

（1）常規鉆具組合。鉆具組合是我們控制井眼軌跡的主要手段，它能使井眼朝著我們預期的方向前進。我公司在外圍施工中，根據每個區塊的不同地下情況和地層特點，也都制定了不同的鉆具組合來滿足施工要求。微增斜鉆具組合∶?215mmPDC+?210mm螺扶+?165mm無磁鉆鋌+?210mm螺扶+?165mm鉆鋌+?198mm螺扶+?165mm鉆鋌（50～60m）+?127mm鉆桿。

該鉆具組合施工應用中上部地層呈增斜趨勢，每100m增斜0.5°～2.5°左右，下部地層1000～1100m左右開始降斜2°～6°/100m左右。通過分析第一輪井的實鉆數據，對鉆具組合的力學性能、受力情況以及所能達到的效果進行了分析，在小于25°井斜的定向井施工中，微增鉆具組合可以滿足井眼軌跡控制的要求。

（2）復合鉆進鉆具組合。選用1°雙螺扶螺桿進行復合鉆井施工，鉆具組合：?215.9mm鉆頭+?172.0mm螺桿（1.0°）+?165.1mm無磁鉆鋌×（8.5～9.0m)+?165.1mm鉆鋌×(17.0～18.0m)+?198mm穩定器+?165.1mm鉆鋌×(17.0～18.0m)+?127.0mm鉆桿。

雙螺扶螺桿在上部地層呈微增趨勢，增斜率達0.5°～1°/100m，下部地層呈降斜趨勢降斜率在1°～2°/100m，實際應用中，平均每口井在定向結束后，穩斜鉆進時需調整4～5次左右，滑動鉆進比例占比為7.4%，軌跡中途減少了調整頻次，增加了復合鉆進比例，縮短了鉆井時間，提高了機械鉆速。定向井平均機械鉆速較首輪井提高18.9%，達到29.75m/h。

2.3.2 軌跡控制方法優選

（1）造斜點與井斜優化。為了提高生產效率，在綜合各方面因素后對井眼軌跡的造斜點和最大井斜進行了優化設計。一是井眼曲率設計優化，針對水平位移大，軌跡控制段長，摩阻大的實際，軌跡優化設計上注重降低設計的狗腿度（3°～4.5°/30m）。二是井斜優化，考慮到井斜對完井電測垂測的影響，最大井斜控制在43°以內。三是鉆具組合設計優化，充分考慮到軌跡的平滑性（降摩阻、防復雜）及施工的連續性（減少倒換鉆具，縮短鉆進周期），采用MWD隨鉆導向施工。四是造斜點選擇優化，結合上部直井段位移情況、井間防碰情況、最大井斜情況通盤考慮調整造斜點。

（2）復合鉆進鉆具軌跡設計。軌跡控制效率的提升主要是通過施工的連續性和最大限度地提高復合鉆的比例，進而提高機械鉆速。因此在實鉆軌跡控制過程中，綜合分析地層造斜規律及鉆具組合的穩平效果進行優化。一是優選?172mm 1°雙螺扶螺桿進行隨鉆施工。相比單螺扶螺桿雙螺扶螺桿穩平能力好，減少了軌跡中途調整次數，增加了復合鉆進比例，提高了機械鉆速。二是在鉆進過程中始終保持軌跡位移超前15～25m控制（如圖1所示），保證在儀器出現異常時可以換常規穩斜鉆具一趟鉆完鉆或不進行倒換鉆具盲打，確保中靶。完成164口定向井，中靶率為100%。軌跡控制措施優化后，定向井平均鉆進周期由優化前的7.06d減少到6.32d，同比優化前縮短了10.48%。

2.4 防漏、堵漏技術研究

2.4.1 梯次鉆井液防漏技術

針對該區塊油層壓力高、縱向上多壓力系統的特點，優選不同粒徑封堵劑，采用梯次封堵技術，從上到下逐級封堵漏失地層，通過提高各個地層承壓能力，增大鉆井液進入漏失層的阻力達到防止井漏的目的。

圖1 軌跡控制示意圖

（1）淺層A、B油層應用聚合物成膜技術。該技術主要是利用特殊聚合物處理劑在高滲砂巖孔隙及微裂縫端口處濃集成膠束，聚合物膠束或膠粒界面吸力及其可變形性，協同惰性固體顆粒、纖維，并在聚合物顆粒逐步溶脹作用下，在井壁表面形成致密超低滲透封堵膜。

（2）深部Q地層微裂縫優選復合封堵材料進行有效封堵。優選復合封堵材料對深部微裂縫進行有效封堵，同時鞏固對淺層油層的封堵效果。復合封堵材料包括II型封堵劑和改性瀝青。Ⅱ型封堵劑較Ⅰ封堵劑粒徑范圍更大，選擇封堵性更強，能夠對孔隙和裂縫進行有效封堵。在室內進行了堵漏承壓30min實驗，實驗表明，對于10～15目砂床（模擬裂縫1～2mm），當壓力加到2.0MPa時，含量3%防漏劑漏失量為零。

2.4.2 堵漏技術研究

該區縱向上多壓力系統矛盾突出，深部地層泥頁巖微裂縫普遍發育，高比重下裂縫被打開，形成漏失通道。現場證明絕大部分的井漏都是發生在深部地層，其主要原因就是高比重誘導地層裂縫開啟，導致井漏的發生。

（1）堵漏材料研究。經過反復實驗，配成了3種復合型堵漏劑（見表4）。Ⅰ型復合堵漏劑：核桃殼等細顆粒材料組成；Ⅱ型復合堵漏劑：膠粒等中等顆粒+增強材料；Ⅲ型堵漏劑：大膠粒、核桃殼、增強材料組成。用模擬堵漏裝置實驗，堵漏強度可達到60kg以上。

（2）堵漏劑現場應用。現場根據漏失程度選擇堵漏配方，一般性井漏選擇非滲透性封堵劑和Ⅰ型復合堵漏劑或Ⅱ型復合堵漏劑，嚴重井漏選擇非滲透性封堵劑和Ⅱ型、Ⅲ型復合堵漏劑。對非常嚴重的井漏，需要現場組織多種材料復配堵漏劑。在循環池內組織20～30m3高于井漏密度0.1～0.15g/cm3的泥漿，加8～10t堵漏劑，混配均勻，然后打入漏層。10口井漏，采用疏通井眼及擴眼方法提高成功率，一次堵漏成功率80%。

表4 堵漏劑配方試驗

2.5 完井技術研究

針對區塊影響固井質量因素開展了一系列技術研究與現場實驗，研究應用了包括油層多級劃眼技術、異常壓力層封隔技術、界面增強優化技術、雙密度固井等一系列針對性技術措施，形成了窄泥漿密度窗口條件下的完井施工技術。

2.5.1 油層多級劃眼技術

區塊設計開發多個油層，且封固井段長達800多米，井眼清潔是影響固井質量的重要因素。因此應用了多級劃眼技術，電測后對油層進行三段式劃眼作業。多級劃眼鉆具組合：?215mm牙輪+?198mm螺扶+?127mm鉆桿×1+?210mm螺扶+?127mm鉆桿×1+?210mm（3#）螺扶+?127mm鉆桿。

劃眼操作：下鉆至薩零頂位置開始處理鉆井液，將鉆井液粘度處理到50～55s之間，按要求加入界面增強劑，開始接單根劃眼；劃眼參數：轉盤轉速200r/min，鉆井泵排量2.2～2.4m3/min，劃眼方鉆桿下放速度3min/根，劃至井底后循環鉆井液2周，充分返砂后起鉆下套管，最大程度地保證了下套管前井眼清潔，同時提高井徑平滑度，提高固井頂替效率。

2.5.2 異常壓力層封隔技術

針對該區塊地層壓力高、封固井段長、地層破裂壓力低、易侵易漏、層間矛盾突出問題，在調整鉆井液密度平衡地層壓力的同時，應用了異常壓力層封隔技術，根據地層壓力監測情況有針對性下入套管外封隔器，封隔異常壓力層，防止高壓層流體上竄，防止固井候凝過程中發生混竄，提高了固井質量。

2.5.3 界面增強優化技術

應用了界面增強技術一方面可以通過清除表面浮泥餅，降低泥餅厚度，改善界面的結構，提高界面強度；另一方面泥餅硬化劑和晶體誘導劑使形成的泥餅通過物理和化學作用發生固化，將固井界面的物理性結合轉變為化學性親和，提高泥餅的強度同時提高泥餅與水泥環的膠結強度，從而提高固井質量。

2.5.4 雙密度固井技術

針對封固井段長、地層破裂壓力低的特點，為保證固井質量，對該區塊應用了雙密度固井技術，針對A、B油層應用密度為1.65g/cm3的高強低密度水泥固井，針對C油層應用1.90 g/cm3的水泥漿固井，在保證固井施工安全順暢的同時，保證固井質量。

3 現場應用效果

該研究項目2017年現場應用200口井，平均井深1894m，鉆井成功率達到100%，平均建井周期縮短了2.88d，由首輪施工的的13.22d減少到10.34d，縮短了21.78%。通過應用梯次鉆井液防漏、堵漏技術，減少井漏發生2口，井漏發生率由前期的8.43%，降低到2.56%；聲變檢測200口井，優質率80.5%，高出質量目標（75%）5.5個百分點。

4 結論

（1）梯次鉆井液防漏技術，能夠強化多層段地層微裂縫和孔隙的封堵效果，減少鉆進過程中環空憋壓現象，有效預防井漏的發生。

（2）通過完井技術研究，應用異常壓力層封隔技術、分級隨鉆封堵技術和雙密度固井技術，固井質量優質率得到大幅度提升。

（3）通過鉆頭選型、定向井軌跡優化控制達到了提高機械鉆速，縮短建井周期的目標。