江蘇油田花頁(yè)3HF井高效開(kāi)發(fā)技術(shù)集成*

謝鑫 竇正道 付成林 王媛媛 楊小敏

（中石化江蘇油田分公司石油工程技術(shù)研究院）

江蘇油田經(jīng)過(guò)多年開(kāi)發(fā)，常規(guī)油氣資源開(kāi)發(fā)越來(lái)越難，資源接替已成為首要問(wèn)題。2021年在首口頁(yè)巖油重點(diǎn)探井花頁(yè)1HF井施工投產(chǎn)后，取得很好的經(jīng)濟(jì)效益。2022年油田在花莊區(qū)塊開(kāi)展頁(yè)巖油示范區(qū)的建設(shè)，部署花頁(yè)3HF井，在總結(jié)花頁(yè)1HF井施工經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)，推廣優(yōu)快鉆井技術(shù)、長(zhǎng)水平段固井技術(shù)，研發(fā)75∶25油基鉆井液體系等，保障該井順利實(shí)施。形成了頁(yè)巖油高效鉆井集成技術(shù)，對(duì)示范區(qū)的建設(shè)具有重要意義。

1 存在問(wèn)題

1）井壁穩(wěn)定性差，鉆井施工風(fēng)險(xiǎn)高。蘇北盆地阜寧組“七尖峰”、“四尖峰”地層破碎，裂縫發(fā)育，極易垮塌。鄰井巖心和巖屑的礦物組分分析可知，阜二段黏土礦物約25.5%，脆性型礦物在76.8%左右，巖心水化作用明顯，自然存放24 h后，巖心即散成小破碎。

2）施工周期長(zhǎng)，頁(yè)巖周期性垮塌風(fēng)險(xiǎn)高。在已鉆鉆井中，鹽城1側(cè)井鉆井工藝不配套，增加鉆井周期20余天，導(dǎo)致頁(yè)巖周期性垮塌。花頁(yè)1井因取芯周期過(guò)長(zhǎng)（32 d），導(dǎo)致井眼垮塌掉塊。機(jī)械鉆速在5 m/h左右，鉆井周期在40 d左右，增加那讀組垮塌風(fēng)險(xiǎn)。

3）軌跡調(diào)整頻繁，頁(yè)巖垮塌風(fēng)險(xiǎn)高。為滿足尋找地質(zhì)和工程“甜點(diǎn)”的需要，軌跡調(diào)整困難，導(dǎo)致頁(yè)巖地層更易垮塌。其中鹽城1側(cè)井由于水平段軌跡多次調(diào)整，引起鉆具托壓嚴(yán)重、摩阻增大等因素，造成鉆具疲勞損壞而斷裂，在長(zhǎng)時(shí)間處理復(fù)雜時(shí)，井眼嚴(yán)重垮塌。

2 高效開(kāi)發(fā)集成技術(shù)

針對(duì)江蘇油田頁(yè)巖油鉆井目前存在問(wèn)題，采用井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)，高效鉆頭+LWD地質(zhì)導(dǎo)向鉆井技術(shù)+高壓噴射、井眼軌跡設(shè)計(jì)和控制技術(shù)、75∶25油基鉆井液體系及長(zhǎng)水平段固井技術(shù)等系列技術(shù)，形成了頁(yè)巖油高效鉆井的優(yōu)化集成技術(shù)。

2.1 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)

頁(yè)巖油已鉆井花頁(yè)1HF井的鉆井結(jié)構(gòu)為：一開(kāi)406 mm鉆頭鉆至400 m左右，下入339.7 mm套管；二開(kāi)311.1 mm鉆頭在導(dǎo)眼井中鉆至3 120 m，采用裸眼側(cè)鉆的方式，鉆至3 780 m左右，下入244.5 mm套管；三開(kāi)215.9 mm鉆頭，下入139.7 mm套管。雖然采用技術(shù)套管封住了“七尖封”和“四尖峰”易垮塌地層，但是311.1 mm井眼需大井眼定向，鉆速慢，實(shí)鉆中平均鉆速僅2.03 m/h[1-3]。

花頁(yè)3HF井采用導(dǎo)眼井+側(cè)鉆水平井的施工方式。在前期鉆井施工經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，技術(shù)套管下至直井段，減少大井眼井段，減少套管使用和泥漿材料的消耗。導(dǎo)眼井：一開(kāi)采用406 mm鉆頭鉆至400 m左右，下入339.7 mm套管；二開(kāi)采用311.1 mm鉆頭鉆至3 550 m左右，下244.5 mm套管；三開(kāi)采用215.9 mm鉆頭鉆至4 025 m，裸眼完井。側(cè)鉆水平井：采用215.9 mm鉆頭在井深3 450 m處開(kāi)窗側(cè)鉆，鉆至井深5 890 m完井，下入139.7 mm套管。采用在技術(shù)套管內(nèi)下斜向器的側(cè)鉆方式，相比打水泥塞后側(cè)鉆，承壓能力強(qiáng)，可提高套管開(kāi)窗成功率。同時(shí)采用油基鉆井液，避免不穩(wěn)定地層的垮塌。花頁(yè)1HF井身結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，花頁(yè)3HF井身結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖1 花頁(yè)1HF井身結(jié)構(gòu)Fig.1 Huaye 1HF well structure

圖2 花頁(yè)3HF井身結(jié)構(gòu)Fig.2 Huaye 3HF well structure

2.2 244.5 mm大套管開(kāi)窗技術(shù)

施工前對(duì)導(dǎo)眼井開(kāi)展井筒試壓，試壓參數(shù)為：壓力10 MPa，穩(wěn)壓10 min，壓降不超過(guò)0.5 MPa。采用刮管器鉆具組合，在井深3 450 m的開(kāi)窗點(diǎn)附近，多次重復(fù)刮管，大排量循環(huán)井筒干凈。采用陀螺儀確定斜向器方位，座封后，采用銑錐加鉆柱銑的組合鉆具，實(shí)現(xiàn)一體化的開(kāi)窗和修窗，節(jié)約施工時(shí)間，僅0.3 d即實(shí)現(xiàn)成功開(kāi)窗。開(kāi)窗后采用1.5°大彎度螺桿，提高造斜率，保障井眼快速偏離老井，防止鉆頭在環(huán)空水泥環(huán)穿行。開(kāi)窗鉆具組合見(jiàn)表1，開(kāi)窗參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 開(kāi)窗鉆具組合Tab.1 Combination of window drilling tools

表2 開(kāi)窗參數(shù)Tab.2 Window parameter

2.3 優(yōu)化高效鉆頭+LWD地質(zhì)導(dǎo)向+高壓噴射鉆井技術(shù)

在定向段使用215.9 mm的混合鉆頭KMD1652ADGR，配合高效螺桿，采用127 mm和139.7mm的組合鉆桿，降低泵壓。鉆井參數(shù)：排量為35 L/s，鉆壓為120 kN，泵壓為22 MPa，平均機(jī)械鉆速達(dá)3.22 m/h，比花頁(yè)1HF井大井眼定向段鉆速提高57.8%。在水平段鉆進(jìn)中，使用FL1653JH尖峰PDC鉆頭，配合高效螺桿，采用127 mm和139.7 mm的組合鉆桿，排量為32 L/s，鉆壓為100 kN，泵壓為24 MPa，平均機(jī)械鉆速達(dá)8.65 m/h，比花頁(yè)1HF井水平段平均鉆速5.45 m，提高77.1%，單只鉆頭最大進(jìn)尺達(dá)1 550 m。其中在5 512～5 890 m平均鉆速達(dá)到11.46 m/h。花頁(yè)3HF井側(cè)鉆采用3個(gè)鉆頭鉆完進(jìn)尺2 440 m，相比花頁(yè)1HF井使用鉆頭4個(gè)鉆完井進(jìn)尺2 005 m，減少鉆頭使用25%。鉆頭使用情況見(jiàn)表3。

表3 花頁(yè)1HF井三開(kāi)、3HF井側(cè)鉆PDC鉆頭使用情況Tab.3 Use of PDC bits for triple-opening and lateral drilling of Huaye 1HF well and 3HF well

2.4 井眼軌跡設(shè)計(jì)和控制技術(shù)

采用“直-增-穩(wěn)-增-穩(wěn)”的五段制剖面，第一段設(shè)計(jì)12°/100 m～15°/100 m低造斜率，增加軌跡調(diào)整余量，降低因?qū)嶃@中地質(zhì)復(fù)雜，導(dǎo)致靶點(diǎn)垂深突然調(diào)整，而帶來(lái)的井眼軌跡調(diào)整難度。第二段設(shè)計(jì)18°/100 m～20°/100 m高造斜率，滿足在實(shí)鉆靶點(diǎn)調(diào)整后，快速增斜的中靶需要。設(shè)計(jì)采用1.5°大彎度高效螺桿，配合使用有電阻率+GR短節(jié)的LWD地質(zhì)導(dǎo)向鉆具組合，增加水平段軌跡調(diào)整的能力，保證儲(chǔ)層鉆遇率[4-5]。

2.5 油基鉆井液技術(shù)

為解決蘇北盆地頁(yè)巖微裂縫發(fā)育、井壁失穩(wěn)突出、頁(yè)巖油氣儲(chǔ)層深、地層存在異常高壓等問(wèn)題，滿足現(xiàn)場(chǎng)水平井施工要求，通過(guò)室內(nèi)研究，最終形成一套高密度75∶25油基鉆井液體系[6-7]。配方：白油+2.5%主乳化劑+1%輔乳化劑+0.8%潤(rùn)濕劑+1.5%有機(jī)土+3%CaO+1.5%封堵劑+1.5%降濾失劑+CaCl2鹽水（CaCl2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%）+重晶石（加重至1.5 g/cm3）。添加劑：微納米封堵劑、QS等。

從高溫高壓濾失以及PPT濾失結(jié)果來(lái)看，該油基鉆井液體系的濾失量?jī)H為水基泥漿的50%，切力僅為水基泥漿的70%，封堵性能極強(qiáng)，且性能穩(wěn)定，對(duì)井壁穩(wěn)定以及儲(chǔ)層有很好保護(hù)效果。沙盤(pán)試驗(yàn)曲線見(jiàn)圖3，高溫高壓濾失試驗(yàn)見(jiàn)圖4。沉降穩(wěn)定性試驗(yàn)見(jiàn)圖5可知，在120℃下分別靜置24 h至96 h后，其靜態(tài)沉降因子均小于0.6，說(shuō)明該體系在120℃下具有良好的沉降穩(wěn)定性體系。抗水侵試驗(yàn)見(jiàn)圖6可知，隨著含水率的增加，破乳電壓下降，當(dāng)含水率在9%以內(nèi)時(shí)，其破乳電壓在600 V，故其抗水侵能力最大為8%～9%。

圖3 沙盤(pán)試驗(yàn)曲線Fig.3 Sandtable test chart

圖4 高溫高壓濾失試驗(yàn)Fig.4 High temperature and high pressure filtration test

圖5 120℃沉降穩(wěn)定性試驗(yàn)Fig.5 120℃sedimentation stability test

圖6 抗水侵試驗(yàn)Fig.6 Water invasion resistance test

在花頁(yè)3HF井應(yīng)用后，高溫高壓濾失量在小于3 mL，三開(kāi)裸眼浸泡達(dá)35 d，井眼狀態(tài)穩(wěn)定，在鉆進(jìn)、起下鉆、下套管作業(yè)中均正常。在性能調(diào)整中，加入適量微納米處理劑，對(duì)頁(yè)巖井壁穩(wěn)定起著至關(guān)重要的作用；通過(guò)膠液和油水比控制，可解決體系高密度帶來(lái)的沉降以及頁(yè)巖水平段攜巖問(wèn)題；通過(guò)對(duì)乳化劑以及GaO加量控制，體系乳化穩(wěn)定和高溫穩(wěn)定性良好；保持體系中高濃度CaCl2鹽水，更有利用井壁穩(wěn)定。油基鉆井液實(shí)測(cè)性能見(jiàn)表4。

表4 油基鉆井液實(shí)測(cè)性能Tab.4 Measured performance of oil-based drilling fluid

2.6 長(zhǎng)水平段固井技術(shù)

花頁(yè)3HF井需多級(jí)大型高壓壓裂，易使水泥石完整性遭到破壞，導(dǎo)致環(huán)空密封失效，對(duì)水泥環(huán)物理性能要求較高。頁(yè)巖油水平井施工，固井工藝流程復(fù)雜，注入水泥漿量和替漿量均較大，施工壓力高，對(duì)施工配合、施工質(zhì)量和施工安全的要求高。設(shè)計(jì)采用雙凝雙密度水泥漿柱結(jié)構(gòu)，領(lǐng)漿采用高強(qiáng)度中空玻璃微珠低密度彈韌性防氣竄水泥漿體系，密度1.50 g/cm3；尾漿采用彈韌性防氣竄水泥漿體系，密度1.90 g/cm3，確保壓穩(wěn)油氣層，防竄防漏。針對(duì)油基沖洗效率低的問(wèn)題，采用“洗油沖洗液+加重洗油隔離液（密度1.43 g/cm3）”的前置液體系，保證井眼清洗效果和潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)，以增強(qiáng)油基鉆井液頂替效率以及水泥石與一、二界面的膠結(jié)強(qiáng)度，同時(shí)兼具壓穩(wěn)油氣層功能[8-10]。沖洗液配方為15%～20%的洗油沖洗液+8%～10%的懸浮劑+加重隔離液，水泥漿配方見(jiàn)表5。

表5 水泥漿配方Tab.5 Cement slurry formulation

3 經(jīng)濟(jì)效果分析

1）花頁(yè)3HF在應(yīng)用集成優(yōu)快技術(shù)后，實(shí)鉆全井平均機(jī)械鉆速為6.22 m/h，比花頁(yè)1HF井的平均機(jī)械鉆速3.23 m/h，提速達(dá)100%。相比花頁(yè)1HF井，節(jié)約鉆井周期30 d，按70鉆機(jī)計(jì)算，鉆機(jī)日費(fèi)12萬(wàn)元計(jì)算，節(jié)約投資360萬(wàn)元。

2）按照70鉆機(jī)每天消耗5 t柴油計(jì)算，累計(jì)節(jié)約柴油150 t，減小了氮氧化物排放9.3 t，減少SO2排放0.6 t。

4 結(jié)論與建議

花頁(yè)3HF井的實(shí)施后，形成一系列頁(yè)巖油鉆井設(shè)計(jì)和施工的方法。

1）設(shè)計(jì)優(yōu)化方面：技術(shù)套管下至造斜點(diǎn)以上，三開(kāi)定向和水平段采用215.9 mm井眼，即可以減少大井眼井段，減少泥漿材料和套管的使用，又可以提高鉆速，降低周期。井眼軌跡采用先低造斜率，后高造斜率設(shè)計(jì)，可降低鉆進(jìn)摩阻，增加軌跡調(diào)整余量[11]。

2）提速方面：側(cè)鉆施工采用開(kāi)窗和修窗一體化鉆井工藝，可節(jié)約開(kāi)窗時(shí)間。定向段采用定向混合PDC鉆頭+高效螺桿+MWD鉆井工藝，水平段采用尖峰PDC鉆頭+LWD地質(zhì)導(dǎo)向+高壓噴射鉆井技術(shù)，配合油基泥漿，保障井眼穩(wěn)定，降低摩阻，提高機(jī)械鉆速，縮短鉆井周期。

3）固井技術(shù)方面：采用雙凝雙密度膠乳防竄水泥漿體系，領(lǐng)漿采用高強(qiáng)度中空玻璃微珠低密度彈韌性防氣竄水泥漿體系，尾漿采用高密度彈韌性防氣竄水泥漿體系，配合高效驅(qū)油前置液，提高固井質(zhì)量，滿足壓裂需要。