神木氣田水平井優快鉆井配套技術

孫曉日

（長城西部鉆井有限公司，遼寧 盤錦 124010）

神木氣田位于鄂爾多斯盆地東部，勘探面積約2.0×l04km2，發育上古生界二疊系石盒子組、山西組、太原組和石炭系本溪組等多套含氣層系。儲層巖性為巖屑石英砂巖，充填程度較高（＞90%），儲層平均孔隙度為3.9%，平均滲透率為0.41 mD，為典型的致密氣藏。該氣田地質結構復雜，儲層非均質性強，初探時被認為是沒有開采價值的“邊角料”區塊而擱置。隨著對致密氣藏認識的進一步深化以及勘探思維的轉變，創新建立了致密氣藏“多層系兼顧、大井組部署、工廠化作業”的立體化開發模式。神木氣田接連建成了國內規模最大的叢式井組整體開發區，高效建產，已成為長慶油田“二次加快發展”和增儲上產的主力區塊。

1 水平井施工周期分析

叢式井組中水平井是提高產量及采收率的重要手段，一般井身結構如表1 所示。神木氣田水平井平均井深4 113.1 m，平均水平段長1 455.4 m，平均鉆井周期61.82 天。

表1 神木氣田水平井井身結構

與其他區塊同井型相比，鉆井周期較長[1-3]，分析發現影響該氣田水平井施工周期因素如下。

1.1 機械鉆速低

主力氣層為山西組和太原組，山西組主要巖性為深灰、灰色泥巖、煤、灰白色砂巖，太原組為深灰色泥巖、灰巖、煤、灰白色砂巖。地層變化大，巖性復雜，區塊局部石英含量高達50%，最低機械鉆速僅3.48 m·h-1，鉆頭易崩齒掉齒，偏磨嚴重，鉆頭壽命低。

地層軟硬交替，井眼曲率變化大的現象，大大增加了鉆具的摩阻和扭矩，導致定向時擺工具面困難、鉆具拖壓，鉆壓不能及時傳遞到鉆頭，降低了機械鉆速。

1.2 井下工具、儀器壽命不一致

井下工具、儀器壽命不匹配，常因某個工具或儀器原因被迫起鉆，延長了施工周期。

1.3 井漏頻繁

劉家溝組裂縫發育且分布復雜，承壓能力低，存在區域性漏失。據統計，近年來有49%的井發生不同程度的漏失，速度一般為6～15 m3·h-1，也有個別井甚至發生失返性漏失。

1.4 易發生井壁失穩

石千峰組、石盒子組存在大段泥巖，水平段煤層、碳質泥巖發育，最長鉆遇碳質泥巖和煤層688 m，占水平段長度57%。泥巖水敏性強，易發生井壁失穩。據統計，神木氣田31%的井出現井壁失穩，甚至引起卡鉆、斷鉆具事故。

工程復雜大大延長了鉆井周期，一方面增加了鉆井成本，另一方面也影響了產能建設進度，有必要對水平井優快鉆井技術進行研究。

2 水平井優快鉆井技術

2.1 鉆頭、螺桿“等壽命”優化

2.1.1 高性能長壽命PDC 鉆頭優選

PDC 鉆頭作為水平井鉆井提速的主要利器，鉆頭的合理選型對提高鉆進速度、降低鉆井綜合成本起著十分重要的作用。筆者對鉆頭使用情況分層段統計，從PDC 鉆頭的結構、布齒、復合片數目及材料、水眼等方面進行優選[4-7]，提高平均機械鉆速和單只進尺，增強PDC 鉆頭的可鉆性及使用壽命。

二開劉家溝組上部泥巖含石英，中下部部分含礫石，部分三維井還涉及增井斜與扭方位，肩部及保徑部分要避免鉆頭崩齒后環磨、縮徑等現象，因此選用6 刀翼、19 mm 斧形齒、大齒間距、雙排齒、長保徑、強攻擊性輪廓鉆頭，達到提速提效目的。石千峰組至石盒子組泥砂巖互層變換較頻繁，鉆進時主要扭方位、增井斜，工程要求狗腿度每30 m 5～6°，滑動進尺比例高，肩部磨損大，另在小參數下鉆頭長時間破碎地層，復合片磨損較嚴重，因此選用5 刀翼、16 mm 復合片、雙排齒、雙圓弧輪廓鉆頭。

三開水平段鉆遇地層巖性主要為灰白色砂巖夾泥巖，鉆遇泥巖時會調整井斜，需考慮鉆頭定向能力，選用5 刀翼、16 mm 復合片、肩部雙排齒、短保徑鉆頭，優化后傾角，提升鉆頭吃入能力。

2.1.2 螺桿優選

螺桿馬達由定子和轉子組成，是最關鍵最敏感的部位，目前常用的定子結構有常規定子和等壁厚定子，常規定子受熱膨脹變形不均勻且極易老化，使得螺桿鉆具的輸出效率大大降低；等壁厚螺桿馬達受內壓作用的影響小，具有很好的抗壓能力和密封性能，且隨著壓力增加，定子內輪廓線各點法向位移增加較均勻，可提高螺桿的鉆進效率和使用壽命[8]。

為最大限度實現“一趟鉆”，螺桿優選等壁厚螺桿。二開選用低轉速、大扭矩、7/8 頭大導程、高硬度橡膠的Φ172/165 mm 等壁厚單彎螺桿；三開結合地層巖性，優化彎點和軸頭距離，Φ127 mm 等壁厚單彎螺桿。

2.1.3 儀器要求

為防止因定向儀器壽命不足而起鉆，每趟鉆選用新電池、新探管和新脈沖等儀器配件，確保入井使用時間不低于200 h，達到鉆頭、螺桿、儀器“等壽命”要求[9]。

2.2 振動減阻工具優選

振動減阻工具可通過鉆井液的驅動產生高頻、低幅振動并傳遞至相鄰鉆具，進而將定向鉆進過程中的靜摩擦轉換為動摩擦，從而降低摩阻，提高鉆壓傳遞效果，同時降低滑動鉆進時粘卡風險。

為達到“等壽命”要求，完善了工具的規格、強度，優選了工具的振動參數，確定偏心距定位12 mm，馬達級數為1.5 級，并對轉子表面進行了鍍鉻處理，提高表面硬度、抗沖蝕能力，硬度可達到HV800 以上，在非油基泥漿環境中，壽命可到300 h以上。通過優化馬達定子橡膠配方，并按照特定方式與轉子組裝，使工具抗溫能力達150 ℃以上。其規格參數如表2 所示。

表2 振動減阻工具規格參數

2.3 堵漏配方優化

為穩定石千峰組及以下地層，一般需將密度提至1.20～1.25 g·cm-3，而劉家溝組底裂縫發育，承壓能力低，易發生漏失。因此進入石千峰組50～100 m需做承壓工藝堵漏，以提高地層承壓能力。

橋塞堵漏因其成本低廉而成為首選的堵漏方法，但常依賴于現場經驗，成功率較低。通過合理選取橋接堵漏材料的種類、濃度與粒度級配[10-11]，形成不同漏失情況的堵漏配方，所需堵漏材料如表3 所示。

表3 堵漏材料

漏失速度1～2 m3·h-1時，一般用DFC、ZDX-40等進行隨鉆堵漏；漏失速度3～10 m3·h-1時，承壓堵漏配方一般為：3%DFB+6% DFC+3% ZDX-40 +3%ZDX-60 + 0.5% DRQ-7 + 雷特纖維（0.5 kg·m-3）；漏失速度10～30 m3·h-1時，承壓堵漏配方一般為：1%DFA+1%DFM+6%DFB+8%DFC+2%ZDX-40+2%ZDX-60+1%DRQ-7+雷特纖維（0.5 kg·m-3）；漏失速度≥30 m3·h-1時，應堵漏漿墊底，下光鉆桿承壓堵漏：2%DFA+2%DFM+6%DFB+8%DFC+2%ZDX-40 +2%ZDX-60+2%DRQ-7+雷特纖維（0.7 kg·m-3）。如橋塞堵漏效果不佳，可用水泥堵漏。

承壓堵漏過程中，可觀察套壓，適時小排量蹩入堵漏漿，以達到提高承壓能力的目的。承壓堵漏結束時注意緩慢泄壓，讓地層緩慢閉合，以免堵漏劑在突然泄壓時再次回吐至井眼中。后續施工中工程上予以配合，注意開泵程序，減小壓力激動，控制鉆時、增加循環時間，防止因環空鉆井液巖屑含量高而增加環空壓耗導致井漏。

2.4 鉆井液性能優化

石千峰組、石盒子組、山西組和太原組存在大段的煤層和碳質泥巖，層理和微裂縫發育，在液柱壓力和毛細管力持續作用下，微裂縫容易開裂、延伸和擴展，使硬脆泥巖易剝落掉塊，引起井壁失穩，導致劃眼、憋漏及卡鉆等復雜事故頻發。復合鹽高性能水基鉆井液[12-15]是在復合鹽鉆井液基礎上復配聚胺抑制劑而形成的新型高性能水基鉆井液，具有抑制效果好、抑制作用平緩而長效的特點。

通過對聚胺抑制劑、納米封堵劑、高效潤滑劑等核心處理劑的優選，形成了一套復合鹽高性能水基鉆井液體系。其配方為：2%～3%膨潤土+0.1%～0.2%純堿+0.1%～0.2%燒堿+1.5%～2%YLJ-1+ 0.2%～0.4%LV-PAC+2%～3%納米乳液+0.1%～0.2%XC+2%～5%極壓潤滑劑+0.5%～1%聚胺抑制劑+ 25%NaCl+3%～5%甲酸鈉+加重劑。該體系在不同密度時性能如表4 所示。

表4 復合鹽高性能水基鉆井液性能評價

復合鹽高性能水基鉆井液熱滾前后黏切適中，濾失量低，能夠滿足施工中對鉆井液流變性的要求。室內評價試驗表明該體系可抗130 ℃高溫，抑制性能與油基鉆井液相當，封堵性強，磨阻系數0.11 左右，潤滑性強，滿足現場施工要求。

3 現場試驗

神木氣田水平井優快鉆井技術已在3 口井進行了現場試驗，試驗井使用優選后的鉆頭、低轉速大扭矩螺桿、使用時間不低于200 h 的定向儀器、造斜段使用φ172 mm 振動減阻工具，有效地降低了鉆進摩阻和扭矩。3 口井在劉家溝底有滲漏現象，漏速為3～5 m3·h-1，使用優化后的堵漏配方均一次承壓堵漏成功，承壓當量密度達到1.25 g·cm-3。復合鹽高性能水基鉆井液體系在施工中表現出了優異的抑制性和潤滑性，施工很順利，未出現井壁失穩。施工中優化了鉆進水力參數如表5 所示。

表5 鉆井水力參數

摸清每趟鉆的井身軌跡控制規律，精細化操作，多復合鉆進；根據地質導向預測巖性變化，優化待鉆設計，提前調整軌跡，取得了較好的提速效果，如表6 所示。

表6 優快鉆井技術應用效果

從表6 可以看出，3 口井平均鉆井周期45.2 天，縮短了26.88%；平均機械鉆速為10.355 m·h-1，提速32%；水平段平均鉆速8.94 m·h-1，提速35.4%。其中雙55-XXH3 井水平段1 500 m 用2 趟鉆完成，螺桿、儀器、鉆頭“等壽命”配套優選初步得到驗證，其中一趟鉆165 h 鉆進1 018 m，水平段平均鉆速為10.8 m·h-1，施工中沒有劃眼遇阻現象，氣層鉆遇率100%，刷新了該區塊歷史記錄。

4 結 論

1）通過分析神木氣田鉆頭使用情況，針對鉆遇地層巖性，各開次優選了高性能長壽命的PDC 鉆頭、等壁厚的低轉速、大扭矩螺桿；同時對定向儀器的使用做了要求，達到鉆頭、螺桿、儀器“等壽命”目的。

2）優選的振動減阻工具有效降低了摩阻和扭矩，提高了鉆壓傳遞效果，提升了鉆進速度。

3）針對不同漏失情況，優化了不同尺寸堵漏劑配比，進一步優化了堵漏配方，提高了堵漏一次成功率。

4）優化后的復合鹽高性能水基鉆井液具有良好的流變性、觸變性、抑制性和潤滑性，現場試驗井施工順利，未出現井壁失穩。水平井優快鉆井配套技術大幅度提高了機械鉆速，縮短了鉆井、建井周期，應用前景廣闊。