紅河油田水平井井身結構優化與實踐

閆吉曾

(中石化華北油氣分公司石油工程技術研究院，河南 鄭州 450006)

紅河油田位于鄂爾多斯盆地西緣天環向斜南段，主力含油層系為三疊系延長組長8、長9油層組，埋深一般在2000～2400m[1～4]，從2010年實施水平井以來，共完鉆水平井458口，平均實鉆井深3289.79m，平均水平段長927.88m。水平井平均機械鉆速9.29m/h，平均鉆井周期32.33d，較初期機械鉆速提高54.83%，鉆井周期縮短47.00%。水平井鉆井提速是伴隨著井身結構不斷優化而實現的，水平井開發初期采用三級井身結構，之后隨著壓裂工具的逐步配套完善，水平段?215.9mm井眼,采用?152.4mm井眼；為了進一步實現提速降本，水平井井身結構優化為二級井身結構，下入套管固井完井。通過井身結構的不斷優化，實現了水平井安全、經濟和有效開發。

1 工程地質特征

紅河油田地層平緩西傾，構造南東高、北西低，為辮狀河三角洲沉積體系，自上而下主要發育第四系、白堊系、侏羅系和三疊系。地層非均質性較強，具有較大的差異性，其中泥巖以非膨脹性黏土礦物為主，部分井段地層蒙脫石含量較高，表現為易水化膨脹、剝落掉塊、井徑易擴大。延安組含有較厚煤層，穩定性差，易發生掉塊卡鉆，對鉆井液性能要求較高。通過“五敏”試驗，總體傷害程度較弱[5]，存在一定水鎖傷害，傷害率為10.8%～16.2%；儲層孔隙度主要分布在4.4%～14%，平均為10.8%；滲透率主要分布在0.1～0.64mD，平均為0.40mD；平均壓力因數為0.91；平均地層破裂壓力因數為1.65；平均地溫梯度為2.65℃/100m。紅河油田屬于常溫、低壓系統。

2 施工難點分析

2.1 泥頁巖和煤層穩定性差

侏羅系延安組上部是炭質泥巖與淺灰色細砂巖、泥質粉砂巖，泥巖地層易水化膨脹、剝落掉塊，井徑易擴大。下部發育煤層，厚度幾米至幾十米不等，煤層存在垂直割理,在外力的作用下易造成開裂掉塊,對鉆頭等機械作用力特別敏感，具有彈性模量小、微裂縫發育、脆性大等特點。在延安組煤層上部是炭質泥巖，對水有很強的敏感性，極不穩定，導致煤層沿層理呈片狀剝落掉塊、垮塌。

2.2 上部地層井漏嚴重

洛河-宜君組及延長組存在滲漏，部分井區存在裂縫性漏失。主要為硬質中砂巖，砂巖直徑>0.1mm的占80%左右，孔喉直徑主要分布在0.2～735μm的范圍內，大部分分布在20～40μm和100～130μm，主要為滲透性漏失。從巖心觀察來看，部分井區發育裂隙，易產生失返性漏失。

3 井身結構優化設計

井身結構優化的總體目標是實現安全鉆井、提速降本以及配合后期壓裂建產。紅河油田井身結構優化經歷了一個不斷認識、探索優化的歷程，從三級井身結構優化到復合井眼結構，再優化到二級井眼結構，從裸眼管外多級封隔器完井到水平段固井完井。每種井身結構基本達到了優化目標。

3.1 三級井身結構

紅河油田屬于低滲致密油藏，平均滲透率僅0.4mD，為了實現有效開發，一般進行儲層壓裂改造。2010年在紅河油田進行水平井開發時，考慮到后期壓裂工具尺寸要求，水平段采用?215.9mm井眼。HH37P1井是該油田第一口水平井，采用三級井身結構：一開?444.5mm鉆頭鉆穿第四系進入白堊系30～50m，下入?339.7mm表層套管固井；二開?311.2mm鉆頭鉆進至A靶點，下入?244.5mm技術套管固井；三開水平段采用?215.9mm鉆頭鉆進至B靶點。該井于2010年11月1日完鉆，完鉆井深2680.00m，水平段長451.00m，平均機械鉆速5.90m/h。完鉆電測后下入?139.7mm壓裂管柱分五段壓裂改造，試油初期平均日產油10t，最高日產油達到33t，較直井產量大幅提高，取得了較好的地質效果。

隨著壓裂工具不斷完善，?114.3mm壓裂管柱逐漸配套，為了降低鉆井和壓裂成本，對井身結構進行了第一次優化。因一開鉆遇第四系黃土層，鉆井及固井過程中漏失非常嚴重，為降低鉆進過程中大排量循環造成的摩阻增大，必須增大環空間隙。因此根據現行標準和鉆頭及套管配合系列，一開采用?374.7mm鉆頭鉆進，下入?273.1mm技術套管；二開采用?241.3mm鉆頭鉆進，下入?177.8mm技術套管[6]，環空間隙31.75mm，這樣能降低鉆井過程中的摩阻，有效防止井漏發生，固井過程中可增大變排量壓力節點控制的窗口，提高固井質量；三開水平段采用?152.4mm井眼，下入?114.3mm壓裂管柱。井身結構優化見表1。

表1 第1次井身結構優化

一開鉆穿第四系黃土層進入白堊系羅漢洞組，下入表層套管固井，水泥漿返至地面；二開鉆進至A靶點后再鉆進30m，可確保中途測井測準A靶點地質情況，為水平段軌跡調整控制提供參考，技術套管下至A靶點，水泥漿返至地面；三開鉆進至地質要求的B靶點，測井后下入多級管外封隔器壓裂投產。

優化后，共實施水平井210口，完井壓裂費用較優化前降低了32.17%，達到了降低成本的預期。平均機械鉆速6.50m/h，比優化前有所提高，主要原因是井眼尺寸縮小一級，鉆頭破巖面積減少；平均鉆井周期60.12d，與優化前基本持平，主要原因是井下復雜情況多，時間利用率偏低，復雜情況集中在井漏和造斜段延安組煤層失穩。因此有必要對井身結構進行再優化，以達到安全鉆井、降低成本的目的。

3.2 復合井眼設計

為了增強造斜段井壁穩定性，實現安全鉆井，提高定向斜井段機械鉆速，縮短二開施工時間，加快下技術套管固井進度，有必要對井身結構再次優化，為此筆者提出了一種復合井眼井身結構設計。

通過對已完鉆210口水平井進行統計分析，上部地層井漏發生的比例是75.27%，其中有12.71%的井漏是因為提高排量導致環空摩阻增大引起的。因此，二開直井段仍采用?241.3mm井眼，以降低井漏發生的概率。定向斜井段采用?222.3mm井眼，下入?177.8mm技術套管固井。定向斜井段沒有選擇?215.9mm井眼，主要是下入?177.8mm技術套管，其技術套管固井屬于窄間隙固井，影響固井質量。而在鉆進和固井過程中，同等條件下，?222.3mm井眼較?215.9mm井眼環空摩阻小，可用環空摩阻計算公式進行定量分析，公式如下：

(1)

式中：Δp為環空壓耗，Pa；ρ為流體密度，kg/m3；v為流體流速，m/s；f為摩阻系數，1；L為井段長度，m；dh為井徑，m；do為環空內徑，m。

表2 第2次井身結構優化

通常情況下，鉆桿采用?177.8mm尺寸，鉆鋌采用?203.2mm尺寸，在鉆井液性能及其他條件不變的情形下，?222.3mm井眼與?215.9mm井眼相比，鉆桿處環空壓耗降低6.72%，鉆鋌處環空壓耗降低33.51%，固井環空壓耗降低14.38%。井身結構優化結果見表2。

復合井眼設計首先在紅河12井區HH12P103水平井進行探索試驗。該井實鉆井深3460.00m，水平段長1200.69m，其中定向斜井段段長622.00m，施工時間僅7d，較平均水平縮短50.17%，機械鉆速4.54m/h，較平均水平提高27.18%，純鉆時間138h，時間利用率高達82.14%，技術套管固井聲幅均在15%以內，固井質量良好。

該種井身結構共推廣應用205井次，斜井段平均機械鉆速4.81m/h，平均施工時間10.18d，鉆井周期縮短至51.27d，達到了鉆井提速的預期目的。

3.3 二級井身結構

但隨著水平井開發的進展，鉆井周期依然偏長，下入技術套管、固井等特種作業時間所占比例偏大，也隨著認識的不斷深入，多級裸眼封隔器壓裂完井方式不足之處也顯現出來，主要是后期再次壓裂增產作業非常困難。提速降本的壓力和后期壓裂改造的不足，促使對井身結構進行了第3次優化設計，主要是在安全的前提下實現快速鉆井，減少特種、輔助作業時，完井方式優化為水平段固井完井[7～13]。因此，將原三級井身結構優化為二級井身結構，水平段采用套管固井完井。井身結構優化結果見表3。

表3 第3次井身結構優化

二級井身結構水平井首先在HH12P142井進行探索試驗，該井實鉆井深2778.00m，水平段長600.02m，鉆井周期24.66d，機械鉆速11.25m/h，水平段固井質量合格，采用泵送橋塞分段壓裂方式，壓后一個月日產油14.64t，由于節約了中途測井費用、套管費用及鉆井日費，鉆井成本降低了19.50%，達到了鉆井提速、降本和壓裂增產的目的。二級井身結構后來推廣應用65口水平井，提速降本顯著，取得了較好的應用效果。

4 現場應用

通過對井身結構的不斷持續優化，紅河油田水平井鉆井提速、降本顯著。第1次井身結構優化，共實施水平井210口，平均機械鉆速6.50m/h，平均鉆井周期60.12d。第2次井身結構優化，二開采用復合井眼設計，共實施水平井205口，平均機械鉆速8.01m/h，平均鉆井周期49.55d。第3次井身結構優化，采用二級井身結構，共實施水平井65口，平均機械鉆速9.29m/h，平均鉆井周期32.33d。優化前后鉆井指標見圖1和圖2。最終機械鉆速較優化前提高了54.83%，鉆井周期縮短了47.00%。

圖1 優化后的機械鉆速對比 圖2 優化后的鉆井周期對比

5 結論

1)通過對井身結構的不斷持續優化，滿足了不同階段的鉆井預期目標，實現了安全、經濟和快速鉆井，保證了水平井的有效建產。

2)提出的復合井眼井身結構設計，二開直井段采用?241.3mm井眼，定向斜井段采用?222.3mm井眼，既增強了造斜段井壁穩定性，實現安全鉆井，同時提高定向斜井段機械鉆速，縮短二開施工時間，又降低了技術套管固井時的摩阻，保證了固井質量。

3)通過對井身結構的不斷持續優化，紅河油田水平井鉆井提速、降本顯著。最終機械鉆速較優化前提高了54.83%，鉆井周期縮短了47.00%，實現了水平井安全鉆井、提速增效降本。