大慶深層XS3-平2井施工方案優(yōu)化及鉆井實(shí)踐

蓋兆賀

（大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院，黑龍江 大慶 163000）

根據(jù)大慶油田十三五規(guī)劃，到2020 年天然氣產(chǎn)量將達(dá)到50×108m3，其中深層天然氣產(chǎn)量預(yù)計達(dá)到31×108m3，是大慶油田天然氣勘探開發(fā)的重點(diǎn)領(lǐng)域。大慶深層巖性主要為火山巖、礫巖，地層研磨性強(qiáng)、可鉆性差，機(jī)械鉆速較慢，同時裂縫/破碎帶發(fā)育，容易發(fā)生井漏、井塌等復(fù)雜事故。

為了保證深井安全施工，同時實(shí)現(xiàn)提速降本，應(yīng)用物探、測井、錄井技術(shù)開展了以裂縫/破碎帶位置、巖性、巖石可鉆性和地層三壓力為主的多學(xué)科綜合研究，在鉆前準(zhǔn)確預(yù)測井下風(fēng)險和難點(diǎn)，做到提前準(zhǔn)備、提前預(yù)防、及時應(yīng)對、及時處理，提高生產(chǎn)效率。在XS3-平2 井施工前，綜合分析預(yù)測了破碎帶發(fā)育位置、巖石可鉆性，通過優(yōu)化井眼軌道、鉆頭選型，成功規(guī)避破碎地層，避免了井下復(fù)雜，并且實(shí)現(xiàn)了二開兩只PDC完鉆，縮短二開鉆進(jìn)周期14d。實(shí)踐表明，結(jié)合物探、鉆測錄井資料對待鉆井進(jìn)行鉆前地質(zhì)預(yù)測，可使鉆井工程方案更加具有針對性，為今后大慶深層優(yōu)快鉆井探索了新的思路。

1 XS3-平2井基本情況及難點(diǎn)分析

XS3-平2井是松遼盆地東南斷陷區(qū)徐家圍子斷陷興城鼻狀構(gòu)造XS9 井區(qū)的一口天然氣開發(fā)水平井，設(shè)計井深5779m，垂深3912m，目的層為營一段火山巖。設(shè)計采用三層井身結(jié)構(gòu)，如圖1：一開?339.7mm 套管下至四方臺組穩(wěn)定泥巖處，封固保護(hù)水層及上部易漏易塌地層；二開?244.5mm技套下至登三段3250m，在造斜點(diǎn)以上80m，封固易坍塌掉塊的青山口組及上部不同壓力層系地層，同時考慮提速需求，大井眼不造斜；三開?215.9mm 井眼鉆至設(shè)計井深，下入?139.7mm生產(chǎn)套管+裸眼封隔器+壓裂滑套完井。

通過統(tǒng)計鄰井資料，分析本井存在以下2個主要難點(diǎn)：

（1）三開定向段長，共計2449m，其中水平段長1751m，且破碎帶發(fā)育，可能存在多處局部小斷層或破碎帶，易導(dǎo)致井漏，同時井漏后易誘發(fā)井噴。鄰井XS3-平1、XS9-平3、XS903-平1均發(fā)生過井漏，其中XS9-平3共漏失785m3；

（2）目的層巖性為火山巖，研磨性強(qiáng)、可鉆性差，機(jī)械鉆速慢、施工周期長。鄰井XS3-平1井水平段進(jìn)尺1062m，共用鉆頭20只，平均機(jī)械鉆速1.04m/h。

2 XS3-平2井施工方案優(yōu)化

2.1 井眼軌道優(yōu)化

本井常規(guī)設(shè)計采用“直—增—穩(wěn)—增—探—平”二維六段制三增圓弧剖面，造斜點(diǎn)為3330m，最大造斜率為5°/30m。在鉆前通過運(yùn)用物探相干體分析技術(shù)，對該井眼軌道鉆遇破碎地層情況進(jìn)行預(yù)測。根據(jù)相干體剖面分析，設(shè)計井眼軌道在造斜段距離破碎帶較近；在距A靶點(diǎn)右側(cè)260m處有可能鉆遇破碎帶Ⅰ，破碎帶寬80m；在距A靶點(diǎn)左側(cè)600m處，該軌道之下3m可能鉆遇發(fā)育破碎帶Ⅱ；在距A靶點(diǎn)左側(cè)1100m處，設(shè)計軌道之上發(fā)育破碎帶Ⅲ，破碎帶寬度100m。

針對破碎帶發(fā)育分析結(jié)果對設(shè)計軌道進(jìn)行優(yōu)化：為了避開造斜段破碎帶，增加軌道控制點(diǎn)K1，將造斜點(diǎn)上移50m至3280m（出技套30m，避免磁干擾），采用5°/30m 造斜率使軌跡上偏，同時為了避開水平段下方破碎帶，增加控制點(diǎn)K2，要求入靶時走靶窗上限（本井設(shè)計中對于水平段井眼軌道質(zhì)量的要求見表1），即A靶點(diǎn)以上2m，優(yōu)化后的井眼軌道見表2。

表1 XS3-平2井水平段井眼軌道質(zhì)量要求

表2 XS3-平2井優(yōu)化后軌道

通過軌道優(yōu)化，破碎帶Ⅰ處軌道上移67m，且由造斜段移到穩(wěn)斜段；破碎帶Ⅱ處軌道上移1.2m，破碎帶Ⅲ處軌道上移0.6m。實(shí)際操作中可以在軌跡穿過破碎帶Ⅱ以后，控制軌跡井眼適當(dāng)下偏。

進(jìn)入水平段后，以復(fù)合鉆進(jìn)為主，實(shí)際鉆進(jìn)過程中井斜、方位都存在變化，需要采取定向措施維持軌跡在靶盒內(nèi)運(yùn)行，本井水平段長，定向過程中鉆具不旋轉(zhuǎn)，隨著摩阻增加，會存在托壓現(xiàn)象，增加了潛在的刮卡風(fēng)險。建議結(jié)合儲層厚度及走向，適當(dāng)放開靶盒，可以增加復(fù)合鉆進(jìn)比例，降低施工風(fēng)險。圖2為破碎帶預(yù)測結(jié)果和軌道優(yōu)化前后的垂直剖面示意圖。

同時細(xì)化現(xiàn)場施工時防漏堵漏工藝流程，建立應(yīng)急預(yù)案。一旦發(fā)生井漏復(fù)雜，根據(jù)實(shí)際情況確定堵漏材料加量。最終，XS3-平2 井實(shí)鉆過程中安全鉆穿破碎帶發(fā)育地層，未發(fā)生井漏復(fù)雜。

2.2 鉆頭序列優(yōu)選

鉆頭的選型，應(yīng)能適應(yīng)不同的鉆井方式，實(shí)現(xiàn)有效的鉆進(jìn)。主要的參考依據(jù)為待鉆地層的巖性和可鉆性級值。本井地質(zhì)設(shè)計提示目的層巖性為火山巖，以酸性流紋巖、火山角礫巖、凝灰?guī)r等為主，而巖石可鉆性則需要進(jìn)一步開展研究。

巖石可鉆性是描述地層巖石抗鉆特性的一個指標(biāo)，它在鉆頭選型、優(yōu)化鉆井施工參數(shù)和實(shí)現(xiàn)安全高效鉆井等方面都是重要的考慮因素。由于地層可鉆性是受多因素影響的一個工程參量，因此鉆前地層可鉆性預(yù)測對鉆井工程具有重要的指導(dǎo)意義。為使預(yù)測方法具有實(shí)用性和便于推廣，以室內(nèi)實(shí)驗結(jié)果為依據(jù)，以測井?dāng)?shù)據(jù)為支撐，建立牙輪、PDC 鉆頭巖石可鉆性、硬度及塑性系數(shù)等巖石力學(xué)特性的預(yù)測模型，形成了大慶深層巖石可鉆性分析預(yù)測技術(shù)。

2.2.1 結(jié)合實(shí)鉆測井?dāng)?shù)據(jù)，建立可鉆性計算模型

巖石可鉆性常用巖石可鉆性級值（Kd）來表示。首先在實(shí)驗室內(nèi)對 XS22、鶯深 1、朝深 5 等 14 口井 47 塊巖芯進(jìn)行微鉆測定后得出實(shí)測巖石可鉆性級值，再將可鉆性級值與巖石機(jī)械破碎特性實(shí)驗參數(shù)、測井曲線進(jìn)行數(shù)值模擬，建立計算可鉆性級值的模型。

由圖3可見，可鉆性級值、硬度、塑性系數(shù)三者具有較好的相關(guān)性，研磨性與其他機(jī)械破碎特性實(shí)驗參數(shù)間相關(guān)性較差。同時，可鉆性級值、硬度、塑性系數(shù)與聲波時差、有效應(yīng)力曲線相關(guān)性較好。其中巖石可鉆性與硬度、塑性系數(shù)、有效應(yīng)力相關(guān)性較好。因此應(yīng)用硬度、塑性系數(shù)、有效應(yīng)力，分別建立了砂泥巖、砂礫巖、火山巖三種深層主要巖性的巖石可鉆性級值計算模型。

Ⅰ.牙輪鉆頭可鉆性極值Kd：

砂泥巖模型：Kd=0.0828·σ+0.0011·P+1.3049

砂礫巖模型：Kd=0.1800·σ-0.2215·DT+7.042·RHOB-6.5197

火成巖模型：Kd=0.1132·σ+0.0014·P-0.3675

Ⅱ.PDC鉆頭可鉆性級值Kd：

砂泥巖模型：Kd=0.1138·σ+0.00042P+1.3520

砂礫巖模型：Kd=0.2535·σ-0.2877·DT+11.3551·RHOB-16.8843

火成巖模型：Kd=0.1786·σ+0.0009·P-1.6842

式中：P——硬度；

σ——有效應(yīng)力；

Kd——可鉆性級值；

DT——聲波時差；

RHOB——巖石密度。

有效應(yīng)力（MPa）：σ=P0-Pp（孔隙壓力）

上覆地層壓力（MPa）：PO=overDen·DEPTH·1.422

2.2.2 根據(jù)可鉆性預(yù)測結(jié)果，優(yōu)化鉆頭序列

依據(jù)巖石可鉆性研究成果，預(yù)測XS3-平2井地層巖石可鉆性、硬度、塑性系數(shù)。根據(jù)預(yù)測結(jié)果，參考各類地層條件下適用的鉆頭、提速工具類型，優(yōu)化XS3-平2井鉆頭使用序列：

泉二段以上：主要為砂泥巖互層，通過優(yōu)選高性能PDC預(yù)計1只鉆頭可鉆至2200m；

泉二段—登婁庫組：主要為砂泥巖，夾少量砂質(zhì)礫巖，上部可鉆性級值4～5，適用5 刀翼PDC+液動旋沖工具提速，下部可鉆性級值5～7，使用6 刀翼PDC+液動旋沖工具提速；

營城組：主要為酸性火山巖，可鉆性級值大于8，可鉆性差、研磨性強(qiáng)，PDC 極易先期磨損崩齒，故優(yōu)選牙輪鉆頭提高施工效率。

最終形成了XS3-平2推薦鉆頭使用序列，在實(shí)鉆過程中，XS3 平2 井使用2 只鉆頭即完成二開進(jìn)尺，其中第二只鉆頭配合液動旋沖工具提速取得了非常好的效果，進(jìn)尺965m，平均機(jī)械鉆速達(dá)到了5m/h，相比鄰井節(jié)省了5只鉆頭，鉆速提高了3倍以上。三開共使用38只鉆頭，其中水平段平均機(jī)械鉆速1.72m/h，相比鄰井提高了56.4%。

3 現(xiàn)場施工效果

XS3-平2 井鉆前開展了破碎帶預(yù)測、地層可鉆性預(yù)測等地質(zhì)研究，獲取了鉆井施工所需要的地質(zhì)參數(shù)，并根據(jù)預(yù)測結(jié)果優(yōu)化了工程施工方案，通過在靶窗范圍內(nèi)調(diào)整井眼軌道、制定防漏堵漏預(yù)案、優(yōu)選鉆頭使用序列等手段，保障了現(xiàn)場高效安全鉆進(jìn)，全井未發(fā)生井漏等復(fù)雜情況，平均機(jī)械鉆速3.48m/h，相比鄰井XS3-平1 井，在井深增加340m 的前提下，機(jī)械鉆速提高54.7%，實(shí)現(xiàn)了鉆井施工提速提效。

4 結(jié)論

（1）大慶深層徐家圍子斷陷營城組火山巖破碎帶發(fā)育，鉆井施工過程中易發(fā)生井漏，同時酸性火山巖可鉆性差、研磨性強(qiáng)導(dǎo)致機(jī)械鉆速慢，是制約該區(qū)塊鉆井提速提效的主要難點(diǎn)；

（2）通過開展鉆前破碎帶預(yù)測、地層可鉆性預(yù)測等地質(zhì)研究，并根據(jù)預(yù)測結(jié)果制定井下復(fù)雜預(yù)防措施、優(yōu)選鉆頭使用序列，有針對性地進(jìn)行施工方案優(yōu)化，可有效降低施工風(fēng)險，實(shí)現(xiàn)高效安全鉆進(jìn)；

（3）由于待鉆井工程地質(zhì)分析預(yù)測需要一定的工作時間，建議在今后的工作中根據(jù)油田公司井位部署計劃，提前與物探、錄井、測井等單位結(jié)合，對新井所在的區(qū)塊提前進(jìn)行物探三維地震反演，實(shí)現(xiàn)井震結(jié)合的點(diǎn)、線、面、體的深層巖性、巖石可鉆性及三項壓力分析研究，建立數(shù)據(jù)庫，待井位部署后可快速提取相關(guān)工程地質(zhì)資料，形成一套地質(zhì)資料準(zhǔn)確預(yù)測和工程技術(shù)合理應(yīng)用相結(jié)合的綜合提效技術(shù)，最終達(dá)到鉆井施工安全高效的目的。