鉆井高風險區域試用三級井身結構水平井的構想

任富鵬，李德紅

(1.中石化華北石油工程有限公司五普鉆井分公司，河南 新鄉 453700；2.中石化華北石油工程有限公司技術服務公司，河南 鄭州 450006)

0 引言

2017年錦58井區二期開發方案南擴區、三期開發方案中部處于鉆井高風險區域，井數14口，完鉆8口，平均鉆井周期91.31 d，是同期中低風險區完鉆水平井平均鉆井周期45.23 d的2.02倍；正鉆6口，4口井出現漏塌同發現象，截止2018年1月3日，平均單井損失時間10.54 d。完鉆井使用小井眼三級井身結構+裸眼預制管柱/懸掛尾管固井完井。前期氣田水平井多采用?114.3 mm裸眼預制管柱完井，井筒通徑小且存在臺階，后續綜合治理難度大，限制了水平井產能的高效釋放。本文針對以上問題，通過調研分析總結，旨在探索一種適用于錦58井區鉆井高風險區域鉆完井提速提效的井身結構及完井方式。

1 三級井身結構水平井構想

1.1 錦58井區鉆井高風險區域鉆井地質概況

錦58井區位于鄂爾多斯盆地北部、伊陜斜坡與伊盟北部隆起交接地帶(圖1)，區內斷裂發育、構造復雜[1]。根據已鉆井情況及三維地震相干切片顯示，平面上劃分了鉆井風險高中低區域，錦58井區二三期開發井14口(占53.8%)位于鉆井高風險區域(見圖2)。

圖1錦58井區區域位置
Fig.1Regional position of Jin-58

圖2錦58井區二三期開發井位置
Fig.2Well location of Phase I and II development

縱向上自上而下發育第四系志丹群、侏羅系、安定組、直羅組、延安組，三疊系延長組、二馬營組、和尚溝組、劉家溝組，二疊系石千峰組、上石盒子組、下石盒子組、山西組和石炭系太原組，目前鉆井高風險區域主要采用小井眼三級井身結構(見表1)，二開鉆進過程中，劉家溝組易發生失返性漏失、下部石盒子組易井壁失穩，且兩個地層組處于同一裸眼井段，鉆進過程中重復漏失和井壁垮塌出現頻率高。通過對鉆井高風險區域井J58P14H井非目的層進行工程成像測井、偶極聲波測井及三壓力剖面計算，發現易漏層位于劉家溝組下部-石千峰組上部，漏層存在不整合交界面，漏失壓力當量密度在1.05～1.25 g/cm3、沿最小主應力方向斜井段的石盒子組坍塌壓力當量密度在1.10～1.25 g/cm3，兩者之間存在窄負鉆井液密度安全密度窗口，且其為漏塌復雜嚴重的主要原因。

表1 錦58井區目前常用井身結構Table 1 Current well structure in JIN-58area

1.2 窄負鉆井液密度安全窗口下井身結構設計與實踐

1.2.1 大牛地氣田

大牛地氣田位于錦58井區東南部，同屬伊陜斜坡構造，但地理位置更偏向于鄂爾多斯盆地東中部，鉆遇地層與錦58井區相同。其西北角大98井區為最嚴重的漏失區域，但研究表明該區域劉家溝組的破裂壓力當量密度為1.3～1.4 g/cm3,當鉆井液密度>1.20 g/cm3時在“激動”壓力下才表現為失返性漏失，維護井壁穩定的鉆井液密度一般需1.25 g/cm3。由于成本問題與劉家溝組井漏為小范圍區域性問題，沒有必要修改井身結構，使用與錦58井區相同的井身結構，加強井內壓力系統控制和對漏失通道的控制，采用超前預防、控制漏速、迅速穿過漏層、打水泥塞徹底封固的技術思路，現場取得較好效果[2]。

1.2.2 東勝氣田錦58井區

東勝氣田錦58井區2015年評價初期借鑒大牛地氣田井身結構設計經驗及防漏措施，未取得有效進展，2015年完鉆14口評價井，7口井由于漏塌嚴重鉆井周期超過100 d，平均達129.58 d；2016年在JPH-304井借鑒蘇里格經驗，在二開設計了?228.6 mm×劉家溝組+?215.9 mm×A靶點復合井眼，實鉆過程中由于井壁裸露面積增大，發生惡性漏失，堵漏用時34.17 d，鉆井周期128.23 d，未達到預期目標，上述試驗進一步證明處于斷裂發育附近的錦58井區鉆井地質復雜程度遠超過大牛地和蘇里格氣田。同年在JPH-359井開展了變技術套管下深漏塌分治試驗，技術套管下至漏層以下50 m，與鄰井JPH-303相比，該井漏塌復雜程度明顯降低，各井段施工周期同比縮短7.23%～17.88%。斜井段與水平段施工過程中由于斜井段泥巖井壁失穩，摩阻扭矩較大，使用?101.6 mm鉆桿水平段延伸能力有限，實鉆水平段(長1170 m)提前30 m完鉆。

基于JPH-359井變技術套管下深漏塌分治試驗初見成效及其它氣田在大于?215.9 mm井眼條件下去除窄負鉆井液安全密度窗口順利施工的成功經驗，同時滿足標準規范[3]在破碎帶、不整合交界面型漏失地層需考慮必封點的要求，采用大井眼尺寸井眼實現漏塌分治，有望解決錦58井區鉆井高風險區漏塌嚴重及水平段延伸能力有限的問題。

1.3 致密砂巖氣藏水平井完井方式趨勢

為進一步提速提效及為后期儲層改造、生產提供較好的井筒條件，據相關文獻報道，在致密砂巖氣藏領域，國內外正在探索二級井身結構水平井下大通徑完井方式。其中加拿大白樺地地區采用?244.5 mm套管×560 m+?139.7 mm套管×5000 m套管固井的完井方式，并認為在此條件下使用速鉆橋塞+限流射孔多裂縫壓裂完井工藝比裸眼預制管柱分段壓裂更能實現致密氣的有效運用[4]；蘇里格氣田采用?273.0 mm套管×630 m+ ?139.7 mm套管×B靶點管外封隔器固井完井/裸眼封隔器完井方式完井[5-8]；川西中江區塊采用?244.5 mm套管×1500 m+ ?139.7 mm懸掛尾管×B靶點固井方式完井[9-10]。

1.4 錦58井區鉆井高風險區域地層物性特征、井身結構及完井方式方案

1.4.1 地層壓力

根據錦58井區已鉆井的地層三壓力預測剖面，獲取J58P14H井的不同層位三壓力變化范圍，見表2。

表2 J58P14H井地層壓力梯度 Table 2 FPG at Well-J58P14H

錦58井區孔隙壓力剖面的整體分布上來看，安全鉆井液密度窗口相對較大，但劉家溝組底，石千峰組上部常發生失返性漏失，嚴重影響正常鉆進過程。因此，安全鉆井液密度窗口的設計必須考慮漏失壓力，井身結構設計需要考慮封固漏層。

1.4.2 巖性特點

研究區內地層自上而下為新生界第四系全新統，中生界白堊系志丹群，侏羅系安定組、直羅組、延安組，三疊系延長組、二馬營組、和尚溝組、劉家溝組，二疊系石千峰組、上石盒子組、下石盒子組、山西組，石炭系太原組、局部發育奧陶系馬家溝組地層以及太古界，鉆井平均揭露地層厚度3300 m。主要的目的層為下石盒子組、山西組及石炭系太原組，下石盒子組普遍發育，山西組和太原組在研究區東北部缺失。

新生界第四系為淺灰黃色砂土層，厚度20 m左右；中生界白堊系志丹群為棕黃、淺灰色粗、中、細砂巖與灰色泥巖互層，底部雜色含礫粗砂巖，厚度690 m左右。

二疊系上石盒子組巖性上部為紅色泥巖及砂質泥巖互層，夾薄層砂巖及粉砂巖，厚度130 m左右。

二疊系下統下石盒子組主要為一套由北向南的沖積平原辮狀河沉積，厚度110～150 m。按照其旋回性可分為三段，由下往上分別稱之為盒1、盒2、盒3段，上、中部為淺灰色細砂巖、泥質粉砂巖等厚互層，淺灰色細砂巖、泥質粉砂巖，底部淺灰、灰白色中、細砂巖與棕褐色泥巖。下石盒子早期(盒1期)是辮狀河沉積作用鼎盛時期，砂礫巖、含礫粗砂巖厚度大，分布較廣泛。區內下石盒子中晚期(盒2、盒3期)，基本上繼承了下石盒子期早期的沉積面貌，但河流規模縮小、地層厚度逐步減小，橫向上仍可對比。

表層第四系黃土層和志丹群砂礫和泥巖互層易漏、易垮塌，表層套管需要封固此段。

劉家溝組底和石千峰組上部地質構造較復雜，局部發育著低承壓能力的破碎帶，地層為壓力敏感性地層，在較低密度即易漏失，屬于裂縫性漏失。在堵漏過程中，由于泥頁巖段長期受鉆井液浸泡，可能由此誘發卡鉆和泥頁巖剝落現象。若鉆進至上石盒子組后發生漏失，處理井漏周期長，地層浸泡易誘發垮塌，層位主要在石千峰組、上下石盒子組；井段主要為造斜段(45°～80°)。多口井在鉆井過程中循環返出層理狀剝落巖屑，剝落特征明顯。井深結構設計需考慮封堵漏層，減少處理井漏的時間；同時能夠提高密度滿足雙石界面的防塌需求。

1.4.3 井身結構

(1)一開：由于目前環保要求較高，居民在錦58井區水平井附近設置觀測井，井深在100 m以內，因此一開井深不能小于100 m，但也不宜太深使上部地層浸泡時間過長污染地層水；此外白堊系志丹群存在含礫粗砂巖，地層膠結差、滲透性較好，鉆井過程中存在漏失風險、固井后二開鉆進中套管鞋處水泥存在剝落卡鉆風險，如J55P2S井在一開400 m深度條件下發生失返性漏失、JPH-394井一開井深439 m，在二開鉆進初期套管鞋處水泥掉塊導致卡鉆，損失時間12.61 d。基于以上考慮在JPH-394井一開實鉆井深的基礎上增加50 m，設定為500 m。

(2)二開：為封固劉家溝組底、石千峰組上部漏層，JPH-359井技術套管下深至石千峰組頂界以深50 m有效遏制了下部井段的漏失，因此，二開技術套管下深至石千峰組頂界以深50 m左右。

(3)三開：側鉆段與水平段處于同一裸眼井段，根據目前完井方式的發展趨勢，進一步探索高效完井工藝及利于氣田后期綜合治理，水平段采用?215.9 mm井眼，下?139.7 mm套管。

1.4.4 完井方式

目前大尺寸全通徑條件下，致密砂巖氣藏的完井方式多為二開條件下套管懸掛至井口的固井完井，但蘇里格氣田在蘇5區塊的蘇5-13-15H井中試驗了裸眼封隔器完井方式，可見固井完井對于致密氣藏是否具有普適性尚未達成共識。

鄂爾多斯盆地致密氣的儲集空間主要為砂巖內顆粒間孔隙，有效孔隙尺寸主要是微米級、納米級，孔隙多被束縛水占據，裂縫不發育，在不同區域地層水含量有較大差異，原始含水飽和度介于30%～50%，地層水含量較高的區域存在可動水；而頁巖氣儲集空間主要為納米級孔隙，含水飽和度較低，且以束縛水形式存在，一般不存在可流動的地層水，含氣飽和度可超過80%[11]；蘇里格氣田中部物性由于西部和東部、西部優于東部[12]；川西中江區塊沙溪廟組為異常高壓層[13]。氣藏條件的不同，可能會導致完井方式的不同，因此，廣泛用于頁巖氣及其它氣田的固井完井方式，不一定適用于錦58井區鉆井高風險區域的儲層。

錦58井區所處的十里加汗區帶前期壓裂試氣效果顯示：?139.7 mm套管固井完井的水平井有 3/4無阻流量低于2萬m3/d，平均3.82萬m3/d，試氣效果不甚理想，表現出其與地層條件及工程工藝的不匹配性。而裸眼預置管柱完井的平均無阻流量為11.68萬m3/d。綜合考慮固井水泥漿對儲層的傷害及完井管柱的成本問題，在借鑒川西懸掛尾管的基礎上，采用具有華北特色的管外封隔器不固井完井。

表3 錦58井區井身結構及完井方式Table 3 Well structure and completion in the JIN-58area

2 優快鉆完井方案與應急預案

2.1 存在的技術難點

上述鉆完井方案與目前錦58井區中低風險區域實施的二級井身結構水平井相比，主要為一開、二開井眼尺寸的增大，完井方案與延長氣田、川西中江區塊的類似，有成熟經驗可以借鑒，具備復制條件，不存在難點；由錦58井區前期施工井經驗，快速鉆井的難點在于：(1)二開上部大井眼尺寸揭開劉家溝組后的惡性漏失風險；(2)?311.1 mm井眼小斜度造斜在錦58井區的適應性；(3)含泥巖段三開井段易井壁失穩條件下的快速鉆進。

2.2 快速鉆井技術方案

根據錦58井區及鄰區相似地層前期鉆井經驗，針對以上難點制定以下快速鉆井方案。

2.2.1 二開上部大井眼防漏堵漏方案

(1)在進入延長組后加入單封、超細碳酸鈣等隨鉆堵漏材料，在進入劉家溝組前100 m加入3%隨鉆、2%超鈣和2%瀝青粉/貝殼粉及其他纖維、變形材料，提前防漏。參考堵漏漿配方：井漿+5%隨鉆堵漏劑(膨潤土)+5%復合堵漏劑+10%超細碳酸鈣+5%核桃殼粉+5%棉籽皮+5%酸溶膨脹堵漏劑+5%延時膨脹堵漏劑。

(2)采用長壽命PDC鉆頭，減少起下鉆壓力波動誘發井漏，確保1～2趟鉆完成二開，進入和尚溝組后控速鉆進，機械鉆速≯12 m/h，使防漏材料及井筒其它固相顆粒緩慢有效封堵微裂縫，固化井壁。錦58井區二開上部井段?222.3 mm井眼，單鉆頭進尺>2100 m的主要有：GS1605TK(4口井)、JRDP5165J(3口井)。

(3)出現小型漏失后配制10%～20%濃度的常規堵漏漿(可含柔性堵漏材料如：石棉絨)進行隨鉆/靜止堵漏，強行鉆進，避免多次堵漏；若無法鉆進應第一時間采用KPD堵漏。

2.2.2 ?311.1 mm井眼小斜度造斜方案

錦58井區水平井靶前距一般在350～550 m，造斜點位于石千峰組上部。本設計方案中?311.1 mm鉆頭施工至井斜15°左右，對造斜能力要求不是很高。川西中江和涪陵區塊?311.1 mm井眼造斜段均采用六刀翼PDC鉆頭+1.5°單彎單扶螺桿，同時下部下入3～6根鉆鋌，增加下部鉆具質量，保證一定的剛性，從而提高造斜力[14-15]。由于井深和靶前距的差異，在借鑒的同時需根據錦58井區具體情況進行進一步優化。

2.2.3 ?215.9 mm側鉆、水平段快速鉆進方案

2.2.3.1 井眼軌道

目前錦58井區有導眼水平井需要進行側鉆，實際井眼軌道類型為直-增-增-穩-增-平，其中穩斜段長達200 m，不利于現場施工。涪陵、蘇里格及延長區塊采用直-增-增-平井眼軌道設計，造斜率上急下緩，以84°左右井斜穩斜探氣頂，同時通過伽馬、鉆時的預判提高側鉆段入靶準確性。利于快速鉆進、準確入靶的井眼軌道避免了側鉆段的軌跡調整，在快速鉆進的情況下，降低了泥巖因浸泡時間過長導致的井壁失穩。2017年導眼段鉆井、測井、回填所用的平均時間為19.88 d，若通過軌道設計配合鉆井施工、地質、錄井準確入靶技術成功應用，實現錦58井區鉆井高風險區域的水平井去導眼化，不計算鉆井、測井、回填固井等工程費用，鉆井周期在現有69.20 d的基礎上將縮短28.72%，配合漏塌分治減少的復雜情況時間，鉆井周期有望縮短30%以上，控制在45 d之內。

2.2.3.2 鉆頭、螺桿、鉆井液高效協同

控制側鉆段、水平段鉆井液密度在1.25 g/cm3之內；使用新的、高質量的螺桿，并注意螺桿壽命，防止因為螺桿故障起鉆而延長泥巖段作業時間；優選高效PDC鉆頭提高機械鉆速；使用抑制、封堵性強的鉆井液材料降低泥包及劈裂風險。

如JPH-381井使用天津立林7LZ127×7.0XSF型螺桿和S1653FG型鉆頭；

鉆井液配方為：清水+2%～4%鈉土+0.2%～0.3%Na2CO3+0.3%～0.5% K-PAM+0.5%～1%K-HPAN+0.5%～1%NH4-HPAN+0.5%～1%LV-CMC+2%～3%防塌劑+2%～3%超細碳酸鈣+3%～4%乳化石蠟+2%～3%潤滑劑。控制鉆井液性能：密度1.25～1.16 g/cm3,粘度55～60 s，塑性粘度20～23 mPa·s，切力10～12 Pa，動塑比0.4～0.5 Pa/ mPa·s，初終切4～6/10～12 Pa，API失水量≤4 mL，高溫高壓失水量≤12 mL。通過K+和NH4+的晶格固定作用來抑制泥頁巖水化膨脹，增強鉆井液的抑制能力；采用全酸溶暫堵劑和乳化石蠟充填來封堵泥巖地層，以產生良好固壁護壁作用。水平段單只鉆頭4.81 d完成1244 m，鉆遇泥巖70 m而未發生阻卡現象。

3 結論

(1)根據錦58井區試驗效果及其它類似地質條件氣田的施工情況，技術套管下深至穿過漏層后的漏塌分治井身結構，有望解決錦58井區鉆井高風險區域的漏塌嚴重問題，從而實現鉆井提速。

(2)通過分析該區域的物性特征及井身結構，對比大牛地及東勝氣田井身結構設計，同時借鑒川西懸掛尾管技術，提出了華北特色的管外封隔器不固井完井。

(3)提出優快鉆井的技術方案包括配套的鉆具結構及鉆井液配方，有望推進錦58井區水平井去導眼化進程，漏塌分治、快速入靶技術實施成功后可保障錦58井區鉆井周期在現有周期上縮短30%，控制在45 d之內。