臨興區塊第一口二開水平井設計和現場應用

賈佳，夏忠躍，馮雷，范志坤，解健程

中海油能源發展股份有限公司 工程技術分公司（天津300457）

目前，致密氣開發多采用定向井和水平井的方式，其中，水平井由于其獨特的開發效果，逐漸得到推廣應用[1]。山西臨興區塊水平井常用的是三開井身結構：一開采用Φ311.15 mm 井眼，下Φ244.5 mm套管；二開采用Φ222.25 mm 井眼，下Φ177.8 mm 套管；三開采用Φ152.4 mm 井眼，裸眼完井。在三開水平井實施初期，為了精細認識儲層，在實施三開井眼之前，先打領眼，以保證儲層鉆遇率，已鉆三開水平井存在機械鉆速慢、鉆井周期長、鉆井費用高的難點，平均單井鉆井周期達到66 d。為了提高鉆速、縮短工期、減少費用，有必要對目前三開井身結構進行改進設計，開展二開水平井井身結構試驗，以提高開發效益。以臨興區塊第一口二開井身結構水平井1H 井為例，對1H 井進行了重點設計，對現場應用效果進行了闡述，對存在的摩阻高問題進行了針對性的分析，提出了具體的改進措施。

1 工程設計

1.1 設計難點

1H井位于山西省興縣，構造位于臨興中區塊蔡家會區沈家里構造西部，主要目的層為太原組太2段，完鉆層位為太原組，水平段長850 m，采用套管固井完井。該區塊的壓力系數為0.83～0.98，溫度梯度約3.0 ℃∕100 m，屬于常溫常壓儲層。該區塊的表層為新生界第四系沉積，土質疏松，鉆井過程中容易漏失；二開鉆遇古生界地層井段長、層位多，部分井段存在膠結疏松及層間漏失，同時井壁剝落掉塊易造成卡鉆事故。

1.2 軌跡設計

在進行軌跡設計時，需盡量減少鉆井進尺，降低作業難度。考慮與其他井的防碰問題，造斜點一般錯開20 m 以上；考慮現場實施難度，造斜率盡量控制在4.0°∕30 m 以內；靶前距盡量控制350～450 m以降低作業難度；井口間距按照5 m進行設計，設計參數見表1。

表1 軌跡設計參數表

1.3 井身結構設計

根據地層壓力數據、地質設計、鄰井鉆井井史資料、結合完井要求，對井身結構進行設計，一開套管下入基巖不少于20 m，設計本井一開鉆311.15 mm 井眼至502 m，下入244.5 mm 套管至500 m；二開鉆215.9 mm 井眼至3 294 m，下入139.7 mm 套管至3 292 m，如圖1所示。

1.4 鉆頭設計

根據地層可鉆性分析，劉家溝組以下的地層可鉆性較差，可鉆性級別均大于4；第四系黃土層可鉆性較好，可選擇PDC鉆頭或者牙輪鉆頭，石千峰組、石盒子組地層較硬，可選擇PDC鉆頭[2-3]。結合已鉆井的實鉆結果，該井設計采用雙排齒PDC 鉆頭，二開井段推薦石千峰以上地層使用5 刀翼、19 mm 齒鉆頭；石千峰及以下地層使用5刀翼、16 mm齒鉆頭。

1.5 鉆具組合設計

一開井段使用塔式鉆具組合：Φ311.15 mm 鉆頭+變扣+Φ203.2 mm 鉆鋌×3+變扣+Φ165.1 mm 鉆鋌×(3+9)+Φ127 mm鉆桿，二開進入造斜段后使用倒裝鉆具組合，加重鉆桿建議倒裝在井斜30°以上位置，另加放不少于30 根，以防止發生鉆具托壓現象。設計鉆具組合為：Φ215.9 mm鉆頭+Φ171.5 mm馬達+浮閥+扶正器+Φ165.1 mm 無磁鉆鋌+隨鉆測井工具+隨鉆測量工具+Φ165.1 mm 無磁鉆鋌+Φ165.1 mm鉆鋌×(3～9)+Φ127 mm鉆桿+Φ127 mm加重鉆桿×30+Φ127 mm鉆桿。

圖1 井身結構示意圖

1.6 鉆井液設計

一開使用膨潤土漿，其密度范圍為1.03～1.07 g∕cm3，二開使用低固相強封堵鉆井液，劉家溝以上地層密度范圍為1.05～1.15 g∕cm3，劉家溝以下地層密度范圍為1.15～1.25 g∕cm3。儲層段在滿足安全作業的前提下，鉆井液密度盡量執行設計下限[4-5]，設計參數見表2。

1.7 固井設計

一開固井設計采用密度為1.85 g∕cm3的水泥漿，水泥返至地面；二開領漿密度為1.40～1.45 g∕cm3，尾漿密度為1.80～1.85 g∕cm3，領漿返至地面，尾漿返至最上部氣層以上200 m。如果生產套管水泥未返至地面，要求進行井口回擠水泥作業；考慮到二開造斜和水平段在同一井段，建議使用微膨脹水泥或韌性水泥以確保固井質量。

2 應用效果

1H 井設計井深3 294 m，完鉆井深3 163 m，一開鉆至504 m，二開采用一只215.9 mm 鉆頭和馬達鉆至3 163 m，實際鉆井周期為42.63 d，比設計周期37.5 d 晚了5.13 d。 一開井段采用311.15 mmPDC鉆頭鉆進，使用膨潤土漿鉆進至504 m，鉆井參數：鉆壓4～8 t，轉速72 r∕min，排量3 000 L∕min，泵壓7 MPa。二開采用PDC 鉆頭，平均機械鉆速8.61 m∕h；單只鉆頭最高進尺870 m，最高日進尺246 m。

表2 鉆井液設計參數表

3 經驗教訓

3.1 摩阻高

設計水平段長729 m，實際鉆成水平段長598 m，未完成水平段長131 m。現場實際鉆至3 163 m，下鉆困難，申請提前完鉆。

根據現場實際作業參數，對1H 井的摩阻系數進行軟件反演，鉆進過程中裸眼段摩阻系數為0.35～0.45（圖2），下套管過程中裸眼段摩阻系數為0.40～0.50（圖3），與一作業鄰井摩阻系數0.30 相比，摩阻系數偏大。后續作業時，需進一步加強水平井鉆井液的性能要求，尤其注意潤滑性能的控制，確保摩阻系數控制在0.30～0.35，最高不能超過0.40。

圖2 鉆進時裸眼摩阻系數反演圖

3.2 發生螺旋屈曲

施工設計中，要求加重鉆桿倒裝不少于30 根，倒裝位置在30°左右，而現場實際作業時，加重鉆桿的倒裝13根、倒裝位置在20°左右位置，導致鉆進至3 163 m時，鉆具下發異常困難，加壓困難，摩阻非常大，無法繼續進行鉆進，所以提前完鉆。后續通過軟件對實際鉆進過程中的工況進行模擬計算，發現倒裝13根加重鉆桿時，無論倒裝至什么位置均會發生螺旋屈曲的情況，見表3。

圖3 下套管時裸眼摩阻系數反演圖

表3 不同數量倒裝鉆具對鉆進和下套管的影響

同時對倒裝鉆具位置進行敏感性分析，伴隨作業井深逐漸加深，未進行短起倒換加重位置，將直接影響倒裝鉆具效果，以倒裝30根加重鉆桿為例進行敏感性分析，當加重鉆桿倒裝至30°以外的位置時，會發生螺旋彎曲[6]，見表4。

表4 不同倒裝位置時鉆具對鉆進和下套管的影響

4 結論

臨興致密氣進入了大開發階段，降本增效尤為重要。通過技術創新，對臨興第一口二開井身結構水平井1H井進行了設計，現場作業表明，提速降本效果明顯，可以在臨興區塊進行推廣應用，該二開水平井設計方法可以為后續水平井作業提供經驗參考。

1）軌跡設計時，全角變化率盡量控制在4°∕30m以內，井深控制在3 000 m以內。

2）進一步加強水平井鉆井液的性能要求，注意潤滑性能的控制，確保摩阻系數控制在0.3～0.35，最高不能超過0.40。

3）為滿足長水平段的鉆進需求，現場作業時至少配備30根加重鉆桿以滿足倒裝鉆具的使用要求。

4）加重鉆桿倒裝位置建議執行設計推薦值，在水平段鉆進，短起下過程中按計劃倒鉆桿來滿足作業需求。

5）為了防止托壓現象，可考慮使用旋轉導向工具和水力振蕩器。