臨興區塊淺部氣層大斜度定向井鉆井關鍵技術

范志坤，夏忠躍，馮 雷

（中海油能源發有限公司工程技術分公司，天津300452）

臨興區塊位于山西省臨縣、興縣境內，橫跨伊陜斜坡和鄂爾多斯盆地晉西繞褶帶，其內部紫金山構造帶北部偏西位置發育淺部小型氣藏。根據已鉆井、試氣及生產效果顯示，該井區鉆探的淺部氣層均為常規氣層，埋藏淺，鉆探成本低，投資見效快，具有良好的開發區前景。臨興區塊前期實施的探井目的層主要為下部致密砂巖儲層，上部壓力異常儲層的局部存在對井身結構設計和鉆井施工安全帶來一系列困難。為開發下部致密氣儲層，氣藏管理部門專門制定了淺部氣藏的開發方案，充分開采卸壓淺部氣層，為下部氣層的開發開采奠定基礎。為增加優質儲層段瀉流面積，提高氣井產量，新部署的淺部氣層開發井均為大斜度井。

1 鉆井難點分析

1.1 地質層系多，巖性復雜，井壁穩定性差

淺部氣層井區自上而下發育多套層系，鉆遇地層主要為第四系、延長組、紙坊組、和尚溝組、劉家溝組。第四系為黃土層及砂、礫石等未固結的松散堆積物，膠結性差，易漏易坍塌。局部夾火山碎屑巖和碳酸鹽巖沉積，膠結性差，石塊不易破碎，易從井壁脫落，造成卡鉆事故。延長組巖性由中厚層中細粒長石砂巖，夾砂質泥巖和頁巖組成。紙坊組巖性主要由長石細砂巖與砂質泥巖、頁巖組成。和尚溝組巖性以砂質泥巖、泥巖為主，夾有中厚層長石細砂巖、粉砂巖等。局部夾長石砂巖、薄層頁巖、砂質頁巖。劉家溝組巖性以薄層及中厚層長石砂巖為主，夾有粉砂巖、砂質頁巖、礫巖、灰白色石英砂巖及長石砂巖等組成[1]。

地層泥砂巖互層嚴重，膠結性差，可鉆性強。砂巖滲透性好，易形成較厚的砂質泥餅，易縮徑，造成起鉆困難。泥巖易吸水膨脹，剝落掉塊，造成卡鉆事故[2-3]。鉆井過程中使用高密度、高粘切鉆井液，鉆井液易受到有害固相的污染，保持性能穩定性是作業難點[4]。

1.2 井眼軌跡控制困難

由于地層埋深較淺，造斜點較淺，上部地層膠結性差，造斜率無法達到設計要求，且泥砂巖互層嚴重，地層非均質性強，造斜井段易發生井壁失穩掉塊、起下鉆遇阻等復雜工況，進一步增加了軌跡控制的難度。大井斜穿越泥砂巖互層嚴重井段時，由于地層傾角、地應力等因素的影響，使得井下情況更加復雜[5-6]。

1.3 井控風險高

淺部氣層井區地層壓力系數較高，主要目的層為紙坊組和和尚溝組，壓力系數分別為1.55和1.33。氣層埋藏較淺，鄰井鉆遇最淺部氣層垂深僅200m。出現溢流或井涌時，報警信號反應的時間短，天然氣可能在幾乎沒有報警的情況下到達地面，繼而發生井噴。表層一般是薄弱地層，若發生井噴，不能強行關井，易憋裂地層，使之失去控制，造成井噴、爆炸起火、燒毀鉆機等惡性事故[7]。由于上部地層膠結性較差，偶然的激動壓力和循環壓耗就可以將地層壓漏，出現噴、漏同時發生的現象。根據Landmark軟件井控模擬結果（見圖1），二開最大允許溢流量為1.90m3，溢流量控制在1.90m3以下時上層管鞋處環空壓力小于套管鞋處的地層破裂壓力。

圖1 最大允許溢流量模擬計算圖

1.4 固井質量難以保證

鉆井過程中，由于井眼鉆井斜角大（60°～70°），巖屑自身重力發生的沉降現象，使得井筒低邊非常容易形成巖屑床。完鉆后，井眼清潔度差，井壁光滑度較差，造成套管下入過程中摩阻較高，導致套管下入困難，且套管居中困難，頂替過程中頂替效率低，流速剖面非對稱分布，低邊鉆井液不易被替走，水泥漿中的游離液容易在環空高邊形成較長水帶，對固井質量造成較大影響[8]。

由于地層埋深較淺，地層溫度較低，低溫條件下水泥水化速度慢，早期強度發展慢，水泥漿在凝結過程失重大、凝結過渡時間較長，淺層氣發育井段容易竄槽，造成上層套管環空帶壓。從該井區前期鉆井來看，固井質量較差，部分井存在井口竄槽，環空帶壓，給后期作業帶來較高風險。

2 淺部氣層大斜度定向井鉆井關鍵技術

2.1 井身結構設計

井身結構設計主要根據地層孔隙壓力和地層破裂壓力剖面，并充分考慮地層復雜情況等因素。根據淺部氣層井區各地層壓力系統、地層巖性及復雜地層分布，在延長組上部地層設置必封點，距離氣層頂部約30m。一開主要封隔上部黃土層及砂礫層，為二開鉆井液循環建立循環通道，并安裝井控設備，為淺層氣地層鉆進提供井口控制條件[9]。

為滿足淺部氣層后效射孔開發需求，采用?139.7mm套管射孔完井，按照標準尺寸逐層確定各開次鉆頭和套管尺寸，并參考固井設計標準淺部氣層井各層次套管水泥漿上返至地面。以1D井為例，井身結構設計見表1，一開鉆進至170.5m中完，套管下入至170.0m；二開鉆進至1078.0m完鉆，套管下入至1076.0m。

2.2 軌跡控制技術

表1 1D井身結構數據表

根據區塊作業經驗，定向井軌跡按照“直—增—穩”的三段制進行設計，造斜點選擇在紙坊組上部相對穩定的地層，1D井最大造斜率按照4°/30m進行設計，最大井斜角65°。定向井施工過程中堅持“邊鉆進、邊測量、邊計算、邊預測”的原則，嚴格控制井眼軌跡，利用MWD隨鉆測量數據，及時修正井眼軌跡，為中靶留有一定的空間。為減少造斜井段鉆具剛性，鉆具組合設計時盡量減少鉆鋌數量，使用螺旋鉆鋌和加重鉆桿作為防卡鉆具組合并提供鉆壓。

針對地層上部以砂泥巖混合夾層為主，造斜率低特點，使用1.25°高造斜率馬達，并使用改進型適用于軟泥巖地層的長保徑5刀翼19mm齒PDC鉆頭，兼顧了造斜率和機械鉆速兩方面的考慮。19mm系列專利切削齒，可以提高鉆遇硬夾層的能力，且高度拋光的切削齒減少巖屑與切削齒的粘附力，明顯改善巖屑的運移狀況，提高鉆速和鉆進效率。與刀翼布局相結合，采用五噴嘴設計，噴嘴直徑9mm，見圖2。噴嘴均布置在刀翼與刀翼之間，三個噴嘴在外側，射流方向與軸向形成45°夾角，這樣做的目的是為了充分清洗和冷卻鉆頭周圍的巖屑，能夠充分發揮外齒的保徑和井眼合理擴大效果；另外兩個噴嘴在鉆頭底部，射流方向為軸向；對井底巖屑進行破壞、清洗和冷卻鉆頭。這樣的非等稱射流方向布局更利于進行定向鉆進[10]。

圖2 二開長保徑PDC鉆頭

在實際鉆進過程中，為保證后期大井斜井段穩斜效果，采用?213mm欠尺寸扶正器。實鉆二開鉆具組合為：?215.9mm PDC+172mmPDM+F/V+213mmSTB+定向接頭+165.1mmNMDC+165.1mmDC×7根+127mmHWDP×7根+127mmDP。

2.3 井眼清潔技術

大斜度定向井鉆井過程中，由于巖屑自身重力發生的沉降現象，使得井筒低邊非常容易形成巖屑床。而實際鉆遇的地層砂泥巖互層為主，鉆屑的水化分散性強，固相控制壓力大，進一步增加了井眼清潔的難度。因此，在具體施工過程中，為及時清除鉆井巖屑，降低鉆井液中有害固相，需要從巖屑攜帶和鉆井液固相控制兩方面著手。

為提高巖屑攜帶能力，環空返速須達到0.8m/s以上，二開井段保持25～30L/s鉆進排量，保持鉆井液低粘高切的流變性，使鉆井液具有足夠的結構力，增強巖屑懸浮能力，降低巖屑沉降速度。鉆井過程中適時短起下作業，修整井壁的同時破壞剛形成的巖屑床，并根據實鉆情況掃稠塞攜砂。

針對淺層大斜度定向井的特點，采用“固控機械—化學絮凝—置換稀釋”相結合方法，綜合控制鉆井液中有害固相，保持井眼清潔。

2.4 防氣竄固井技術

為提高淺部氣層井段固井質量，固井施工過程中采取如下技術措施：

（1）針對淺部氣層發育儲層固井氣竄風險，二開固井采用一次性全返工藝，水泥漿采用快凝防氣竄水泥漿體系，采取兩凝稠化，通過調整各段水泥漿的雙凝界面，來實現“壓穩防漏”。領漿采用鎖水防氣竄水泥漿體系，控制稠化時間，在尾漿失重情況下提高壓穩系數；尾漿采用鎖水防氣竄彈塑性短候凝水泥漿體系，提高尾漿段水泥環的抗韌性，實現即時稠化，稠化時間在90min以內。加入晶格膨脹劑，降低凝固期間失重造成的氣竄風險，加入纖維封堵地層的微小孔隙，降低固井期間地層漏失風險。

（2）為確保固井候凝期間井口安全，提高封固質量，二開固井選用TWF140型號套管封隔器，放置在表層套管與技術套管重疊段，封隔器上下各安放一個剛性扶正器，提高封隔器居中度。水泥漿頂替到位后緩慢憋壓，坐封封隔器，阻斷氣體上竄通道，保證表層套管與技術套管環空封固效果[11]。

（3）完鉆后通井保證井眼通暢、規則。起鉆前，利用稠塞清潔井眼，通過稠塞反推確定合理的井眼附加量。處理好鉆井液，降粘降切，降低鉆井液摩阻，通井過程中監控鉆井液性能變化，判斷是否存在氣侵情況，并取得氣體上竄速度。套管到位后固井前大排量循環2周，充分攜帶沉砂，在保證井下安全前提下盡量降粘降切，并保證井內氣全量小于3%。

（4）合理設置扶正器，保證套管良好的居中度，降低套管與井壁的接觸面。設計每3根套管安放1只扶正器，上層套管距離套管鞋內約10m位置及距離地面約10m位置各加放一只剛性扶正器。1D井全井共下入彈性雙弓扶正器18只，剛性扶正器3只。

（5）控制下套管速度，每根套管下放速度控制在1m/s。

（6）合理設計隔離液和水泥漿漿柱，控制循環和固井排量，采用塞流頂替模式減小漏失風險。隔離液與鉆井液有良好的相容性，密度高于鉆井液密度的0.24g/cm3，長度保證紊流接觸時間7～10min。

3 現場應用效果

1D井作為該井臺第一口完鉆的淺部氣層大斜度定向井，設計完鉆井深1078m，最大造斜率4°/30m，最大井斜角65°。鉆井過程中通過對鉆具組合優化、鉆井液性能優化、固井工藝優化等針對性措施，二開井段一只鉆頭、一套鉆具組合、一趟鉆完成鉆進作業，實際完鉆井深1080m，二開平均機械鉆速13.4m/h，比前期同井段鉆速提高近20%。該井鉆至210m即有氣測顯示，最上部氣層僅為310m。根據測斜結果，該井最大井斜角66°，中靶靶心距7.1m，達到了井身質量控制要求，見圖3。根據固井質量檢測結果，二開水泥返深地面，固井質量優質，為后續的完井作業提供了良好的井筒條件。

圖3 實鉆軌跡與設計軌跡圖

4 結束語

臨興區塊淺部氣層井區大斜度定向井鉆井存在地質層系多、巖性復雜、井壁穩定性差、井眼軌跡控制困難、井控風險高、固井質量難以保證等作業風險。鉆井施工前必須對整個施工過程進行針對性設計，通過軌跡優化、鉆具優選、實時跟蹤調整實現對井眼軌跡的精確控制；通過水泥漿體系優選以及管外封隔器的使用，保證固井質量與施工安全。本文通過對淺部氣層大斜度定向井設計與現場施工，形成了適合于淺部氣層大斜度定向井配套鉆井技術，對后續開發井的實施具有指導作用，對同類氣層的開發具有借鑒意義。