卡拉姆卡斯綜合鉆井技術的應用

段曉東

（中石油西部鉆探國際工程公司，新疆烏魯木齊830026）

卡拉姆卡斯油田位于哈薩克斯坦曼吉斯套州阿克套市以北約300km，油田部署水平井、開窗側鉆井、定向井和直井等井型，目前以直井為主。施工中存在白堊系上部地層軟泥巖水敏性強易縮徑；侏羅紀中部地層致密灰巖段和砂泥巖硬夾層機械鉆速低；450～750m淺層氣發育，固井易形成井口竄氣和套間壓等難題，嚴重制約鉆井速度，口井建井周期約30d。為提高鉆井速度，改善該油田鉆井經營情況，以縮短鉆井周期為目標，以提高機械鉆速、解決套間壓問題、降低事故復雜時率為手段，形成一套綜合鉆井配套技術，提升區塊鉆井經營能力。

1 技術難點分析

（1）易發生井口竄氣及“套間壓”難題。卡拉姆卡斯淺氣層主要分布在白堊系下部К1al地層，埋藏深度450～750m，膠結程度低，成巖性差，常規固井封堵難。由于水泥漿在凝固過程中的物理收縮、失重造成氣體上移，水泥石本身的微裂縫、套管與水泥之間的膠結失效或水泥與地層之間的膠結失效等因素都在對層間封隔進行逐步破壞，從而形成氣體擴散通道，當淺層氣運移到井口，就造成井口竄氣和套間壓。一旦出現井口竄氣和套間壓，補救會非常困難，且耗費周期長，成功率低。2011～2014年，卡拉姆卡斯油田共計發生井口竄氣12例，補救施工平均耗時36.96d，但成功率僅為33%，采用環空擠注水泥使套管變形導致油井報廢6例，報廢率高達50%。

（2）小角度定向井增加了工序。從2014年開始，卡拉姆卡斯油田布置的小角度定向井數量逐年增多，井斜一般為6°～9°，最大不超過20°，從一開295mm井眼的80m處開始定向直至三開完鉆，定向段長820～850m，機械鉆速低、鉆井周期長、作業成本攀升。

（3）鉆機負荷小，鉆井參數強化有限，機械鉆速不高。侏羅紀中部地層存在致密灰巖段和砂泥巖硬夾層，抗研磨性強、鉆頭配伍性差，使用常規鉆具不能獲得高機速，該段平均機械鉆速僅5.34m/h。

（4）表層軟泥巖地層易水化膨脹縮徑，經常出現起下鉆遇阻、劃眼與倒劃眼復雜。

（5）目的層承壓能力弱，鉆井和固井作業易發生井漏復雜。

2 技術措施

2.1 全井型、全井段復合鉆井技術

2.1.1 優選PDC鉆頭

該區塊地層以中軟泥巖為主，夾雜膏質泥巖和致密灰巖硬夾層，沒有礫石層。在鉆頭選型上采用鋼體單排齒大復合片4～5刀翼的ST915TU、M1955SS等抗沖擊性強的鉆頭，適合推進“一趟鉆”工程，提高機械鉆速。鉆頭選型依據如下：

（1）選用4～5刀翼19mm復合片鉆頭，較低的布齒密度使鉆頭在相同鉆壓下單顆切屑齒的比壓更高，更有利于吃入地層，提高機械鉆速。

（2）選用鋼體鉆頭，刀翼深度更深，排屑空間更加寬敞，有利于巖屑及時排放，避免重復切削，有利于提高機械鉆速和鉆頭壽命。

（3）螺旋刀翼設計，鉆頭工作平穩性增強，有利于提高鉆頭抗沖擊能力，符合“一趟鉆”需要。

2.1.2 全井段推行復合鉆井技術

一開?295.3mm井眼，二開?216mm井眼均使用“PDC+螺桿”復合鉆井技術，充分發揮螺桿鉆具優勢，減輕鉆機負荷，強化鉆井參數。

2.1.3 全井型采用PDC鉆頭定向

小角度定向井從80m定向，一開即下入“PDC+定向工具”鉆具組合，復合鉆至定向點后直接定向鉆進，中間不起鉆更換鉆具結構。

2.1.4 科學簡化鉆井工藝

積極推行復合鉆井技術和“一趟鉆”工程，?295.3mm井眼和?216mm井眼均使用“PDC+螺桿”復合鉆井技術，充分發揮螺桿鉆具優勢，強化鉆井參數，減少鉆機負荷。小角度定向井從80m定向，但是在二開就直接下入“PDC+定向工具”鉆具組合，復合鉆至定向點后直接定向鉆進，中間不起鉆更換鉆具結構。

2.2 水泥漿配方優化技術

2.2.1引起井口竄氣的原因分析

水泥漿膠凝失重。水泥漿本身是一種膠凝材料，注入環空后，隨著水泥水化反應的進行，靜膠凝強度不斷增加。由于靜膠凝強度的支撐，水泥柱靜液壓力下降，當靜膠凝強度隨水化增長到一定值時，水泥漿進入“過渡狀態”，即水泥漿既不像液體也不像固體，此時，水泥漿處于失重狀態。當環空靜膠凝強度低于地層壓力的時候，氣體就會進入環空形成氣竄通道。

水泥石體積收縮。水泥漿進入凝固階段后，水化作用加強，水泥水化造成基體的絕對體積減少，成為水泥化學收縮。天山G級水泥體積收縮率為5%～6%。根據能力最低原則，水泥石會朝著套管方向橫向收縮，結果會使水泥石與濾餅和地層脫開，出現微環隙，產生氣竄的通道。因此，保證水泥石體積不收縮或者微膨脹是防氣竄的重要措施。

井下條件變化導致水泥環密封失效。在后期鉆井作業的影響及天然氣的化學侵蝕作用下，水泥環本身的機械損壞、套管與水泥之間的膠結失效或水泥與地層之間的膠結失效都在對層間封隔進行逐步破壞。水泥環的機械失效導致裂縫出現，膠結失效導致內微環隙和外微環隙形成，為氣體運移和上竄提供了通道。

2.2.2 優選水泥漿配方

根據卡拉姆卡斯油田固井經驗，優選低溫降失水劑JLS和晶體膨脹劑KW-2對水泥漿進行改性，依靠KW-2晶體膨脹劑在水泥凝固失水過程中自身衍生的結晶膨脹壓和JLS低溫降失水劑吸附于水泥顆粒表面、堵塞水泥石內部框架結構空隙的能力。具體實驗見表1。

表1 水泥漿配方優選

2.2.3 水泥石膨脹性能評價

隨JLS和KW-2的加量增大，水泥石抗壓強度和線膨脹率明顯增大，有利于密封環空微間隙，從而提高水泥環防竄能力。具體評價見表2。

2.2.4 水泥漿性能和稠化時間

表2 水泥石抗壓強度和線膨脹率(30℃)

表3 水泥漿工程性能

通過進行不同配方的水泥漿性能實驗（具體數據見表3），可以計算出2#配方的SPN值（水泥漿性能系數）為0.94，水泥漿防竄性能優越，采用2#配方進行淺氣層固井，有利于固井水泥漿體系防竄性能提高，從而改善淺氣層固井質量。

2.3 優化聚合物鉆井液

2.3.1 優化鉆井液配方

通過優選天然高分子聚合物IND30，其利用植物膠分子加長形成線性長鏈大分子的結構，接枝了磺酸根基團，既不易形成線團型，又具備很好的抗鹽性，適合卡拉姆卡斯工業水質和地表含鹽的情況。優化大小分子聚合物的比例，控制大分子用量0.75%，配以1%NH4HPAN降失水調節流型，以及0.6%PAC-LV進行降失水護膠，適當加大燒堿用量至0.3%～0.4%；二開后期降低大分子濃度至0.4%～0.5%，保證鉆井液抑制性能的同時，適度分散，防止鉆屑粘結形成大泥塊而滯留粘附井壁，減少起下鉆遇阻復雜。

原鉆井液配方：3%土粉+0.3%NaOH+0.2%Na2CO3+1%FA-367+1%PAC-LV+0.8%XY-27+重晶石；

改進后鉆井液配方：3%土粉+0.4%NaOH+0.2%Na2CO3+0.75%～0.4%IND30+1%NH4HPAN+0.6%PAC-LV（或CMC-MV）+重晶石。

2.3.2 細化鉆井液維護措施

(1)導管采用土漿或回收老漿，后期用膠液維護；

(2）一開采用0.75%IND-30+0.6%PAC-LV+1%NH4HPAN+0.4%NaOH的復配膠液維護，強化包被性能，抑制泥巖水化；二開適當降低大分子濃度至0.4%～0.5%，防止大分子過量；以PAC-LV或CMC-MV護膠控制鉆井液失水小于5mL，有利于攜帶；以NH4HPAN調節鉆井液流變性，控制鉆井液具有良好的流變性能，對井壁進行沖刷清洗，確保井眼清潔；

(3)進入油層段前，加入隨鉆堵漏劑，加強鉆井液的封堵能力，保持適當正壓差，預防溢流或井漏復雜情況的發生。

3 現場應用效果

綜合鉆井技術的研究與應用，使得各項指標均得以提高，其中有8口井建井周期小于15d。全年完成35口井，平均建井周期17.02d，平均機械鉆速12.95m/h，固井質量優質率83%，復雜損失率0.9%，沒有發生井口竄氣和套間壓問題。相比以前完成井平均建井周期降低了14.66d，平均機械鉆速提高了4.62m/h。

4 認識與建議

(1)全面推廣全井段全井型復合井技術，強化“一趟鉆”理念，可以大幅提高機械鉆速和行程機速；

(2)通過研發套間壓密封裝置，優化固井配方，可將井口竄氣和套間壓問題減至最少；

(3)隨著卡拉姆卡斯鉆井綜合鉆井技術的成熟應用，可將該區塊直井定向井建井周期控制在15d以內。