臨興區塊小井眼井鉆井設計關鍵技術①

賈佳

(中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津 300000)

國內外研究和實踐表明，小井眼鉆井可以有效降低油氣田開發成本和提高經濟效益[1-5]。國內蘇里格氣田在小井眼鉆井方面做了大量的探索工作，取得了很好的經濟效益。目前，臨興致密氣區塊常規鉆井采用的井身結構為Ф311.15 mm×Ф244.5 mm+Ф215.9 mm×Ф139.7 mm，存在鉆井工期長、鉆速慢、產生的巖屑量大等問題，尤其是隨著環保要求的逐漸嚴格，導致廢棄物處理成本劇增。為了降低鉆井產生巖屑量，實現降本增效的目標，需對常規井身結構進行優化和改進，并開展鉆井優化設計關鍵技術研究，主要包括小井眼鉆頭優化設計、小井眼鉆具組合優選、小井眼鉆井液和固井設計。

1 設計難點

1.1 常規井身結構鉆速慢、周期長

目前，臨興區塊致密氣開發常用的井型有直井、定向井和水平井，其中直井和定向井采用二開井身結構：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。這種井身結構在鉆井過程中存在巖屑量大、鉆井液用量大、固井水泥漿量大等一系列問題，同時還存在機械鉆速慢、鉆井周期長的問題，2000 m左右定向井鉆井周期約24天。在臨興大開發背景下，有必要對井身結構進行創新，以進一步降低作業成本、縮短鉆井周期。

1.2 地層可鉆性差異大

臨興區塊構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]，可鉆性級別均大于4，其中，石千峰組、石盒子組地層較硬，可鉆性級別達到6；山西和太原組地層非常硬，可鉆性級別達到7。對于這種可鉆性較差的地層，需要對鉆頭開展針對性的研究，提高機械鉆速。臨興區塊地層可鉆性分級如表1所示。

1.3 地層易漏失、易垮塌

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

1.4 井眼環空小，固井質量不合格風險高

表1 地層可鉆性分析

臨興區塊劉家溝組存在漏失和坍塌現象，易造成水泥漿低返，甚至導致氣竄；低溫下水泥漿體系調整困難；水泥石須具有高強的彈性、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，巖石機械強度低，穩定性差，易發生垮塌，頂替效率差，易發生竄槽，不利于水泥環第二界面的膠結[12]。為了降低固井質量不合格的風險，需要嚴格控制好固井水泥漿性能，設計合理的固井水泥漿密度和返高。

2 小井眼井優化設計

2.1 井身結構創新

井身結構設計需要考慮如下因素：

(1)滿足測井、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、作業工具應易于采辦；(3)小井眼環空間隙小，考慮抽吸和激動壓力過大的影響；(4)盡可能簡化井身結構，降低作業成本。

通過大量的調研和對比研究[13-16]，并結合臨興區塊的自身特點，研究優化小井眼井身結構如下：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 常規井眼與小井眼井身結構對比

通過對套管強度進行校核，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，可滿足安全作業需求。按照一口2000 m小井眼計算，小井眼井一開和二開需用套管約41 t；2000 m常規井身結構井一開和二開共需要套管約62 t，管材費用可以節省34%左右，降本效果比較明顯，見表2。

表2 小井眼井和常規井眼套管規格對比

2.2 鉆頭和鉆具組合優化設計

起初設計小井眼井鉆頭為5刀翼19 mm齒固定水眼鉆頭，施工中水力參數無法進行有效調整，在石千峰層段鉆進中連續出現泥包鉆頭現象[17,18]，后來經過大量研究，優化了鉆頭結構，將主切削齒數量由17個減少至15個，后傾角由20°調整至15°，側傾角調整至10°以內；同時將復合片的出露高度提高至8 mm；將5刀翼調整至4刀翼水眼可調式鉆頭，結果顯示鉆頭泥包現象得到有效控制。經過現場作業驗證，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計

小井眼井最初使用Φ88.9 mm鉆桿，鉆進過程中，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，同時提高小井眼井攜砂能力，通過對不同尺寸鉆桿進行優選，選擇Φ101.6 mm進行鉆進時，效果比較好，如表4所示。

表4 不同尺寸鉆桿數據對比

使用Φ101.6 mm鉆桿時，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[19，20]。后續幾口小井眼井使用Φ101.6 mm鉆桿鉆進時，泵壓明顯降低，攜砂能力得到有效提高，如圖2所示。

圖2 使用不同鉆桿鉆進時泵壓對比

2.3 鉆井液優化設計

鉆井液優化時，要能防漏、防塌，有效解決縮徑、鉆頭泥包的問題，主要從強化封堵和抑制膨脹方面開展研究工作。臨興區塊一開井段鉆時快、井眼大，為防止重復破巖和沉砂卡鉆，需要保證鉆井液具備一定的攜砂能力。同時，第四系黃土層和沙礫層，膠結性差，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重，膠結性差，需要防止鉆頭泥包；石千峰組以上含泥頁巖地層存在井徑擴大嚴重現象，需適當控制鉆井液失水；石盒子地層存在硬脆性泥頁巖，易發生井壁浸泡垮塌，需要提高鉆井液抑制性能；山西組存在煤層，需要嚴格控制鉆井液密度和失水，防止出現漏失，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。膨潤土加量對性能的影響如圖3所示，XC加量對性能的影響如圖4所示。

圖3 膨潤土加量對鉆井液性能的影響 圖4 XC加量對鉆井液性能的影響

為了保證鉆井的順利進行，針對鉆井液，對不同地層，提出了具體的鉆井液維護措施：

(1)必須采用罐式循環，嚴禁采用清水鉆進，防止清水長期浸泡地層引起井壁垮塌、埋鉆等惡性事故的發生。(2)當鉆至石千峰組地層時，應保證鉆井液中降濾失劑和防塌劑的含量，同時保證鉆井液性能穩定。主要是為了保證鉆該地層時有較低的失水和較好的泥餅質量，防止地層水敏垮塌，并快速穿過。(3)鉆至石盒子地層時，加足降濾失劑，保證濾失量不高于6 mL，同時補充PAC-LV和防塌劑穩固井壁，防止地層硬脆性垮塌。(4)鉆至山西、太原組煤層時，應加大防塌劑和聚合物用量，維持煤層井壁穩定。(5)起鉆前對全井鉆井液進行調整，清除無用固相，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。

現場使用結果表明，井漏和坍塌可得到有效控制，已鉆小井眼井徑擴大率均控制在合理范圍內，大部分井段擴大率均在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大率稍大，但均在18%以內。

2.4 固井優化設計

小井眼井固井時管內外靜液柱壓差大、套管環空間隙小、流動摩阻高導致施工壓力高，影響頂替效率，并且劉家溝地層承壓能力低，頂替過程中易發生漏失，在進行小井眼固井優化設計時，考慮了以下幾個方面問題：

(1)臨興區塊劉家溝組地層承壓能力低，破裂壓力當量密度為(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度，以滿足后期壓裂施工作業。(2)管內流動阻力大，固井作業時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，可能導致水泥漿頂替效率低，影響環空水泥膠結質量。(3)高施工壓力可能導致工具失效出現替空現象；高壓蹩泵、水泥漿倒返等造成井底產生水泥塞；更嚴重的是套管內部分井段存在水泥塞導致無法壓裂或灌腸致使整個井筒報廢。為了解決好這些問題，對固井水泥漿、固井工藝、固井設計進行了相關研究，形成了如下具體措施：

(1)小井眼采用單級全封固井方式，針對裸眼段長易發生漏失問題，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的低密高強水泥漿體系封固氣層上部石千峰組和劉家溝組，領漿采用1.25 g/cm3的低密高強水泥漿體系封固和尚溝組以上至地面的上部地層。(2)為了保證固井結束浮箍以上套管內不留水泥塞，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)對裸眼井段有針對性地安放套管扶正器，結合固井模擬分析軟件，根據井徑、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量和間距，使套管居中度達到67%以上，從而提高頂替效率，確保固井質量的提高。

對2000 m小井眼井二開固井過程中的井底ECD值進行軟件模擬計算，Φ114.3 mm套管固井過程中井底ECD值為1.46 g/cm3，不會壓漏地層，滿足安全作業要求。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 現場應用效果

目前在臨興-神府區塊已成功實施5口小井眼鉆井作業，效果非常顯著。2018年已完鉆常規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%。對比常規井眼，小井眼井良好的應用效果，主要表現在以下幾個方面：

(1)小井眼鉆井機械鉆速提高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，節約了鋼材，材料消耗降低50%；(3)小井眼井眼尺寸小，節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)小井眼產生的巖屑量減少50%，大大降低了巖屑處理費用；(5)小井眼鉆井，對鉆機配套設備要求降低，降低了鉆井期間作業費；(6)小井眼鉆井所用鉆機和設備占地面積減小，降低了征地、修路等相關費用。

4 結論

針對小井眼井機械鉆速慢、工期長、巖屑量大等問題，開展了小井眼井相關研究，包括對鉆頭和鉆具組合優化設計，對鉆井液體系重新優選、對小井眼固井優化設計，形成了臨興小井眼鉆井設計關鍵技術。經過現場5口井的試驗，取得了良好的應用效果，與常規井眼井身結構相比，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%，表明小井眼鉆井設計關鍵技術可以有效地指導臨興區塊小井眼現場鉆井作業，能夠實現優快鉆井、降本增效的目標。