勝利油田頁(yè)巖油水平井樊頁(yè)平1 井鉆井技術(shù)

趙 波，陳二丁

（1.中石化勝利石油工程有限公司黃河鉆井總公司，山東東營(yíng) 257513；2.中石化勝利石油工程有限公司鉆井液技術(shù)服務(wù)中心，山東東營(yíng)

257078）

勝利油田的頁(yè)巖油大多位于渤海灣盆地濟(jì)陽(yáng)坳陷沙河街組。其中，博興洼陷是濟(jì)陽(yáng)坳陷東營(yíng)凹陷內(nèi)次一級(jí)構(gòu)造單元，該洼陷內(nèi)新近系—古近系地層沉積比較完整[1-3]。分析該洼陷已鉆井情況發(fā)現(xiàn)，沙三段、沙四段暗色泥巖發(fā)育，為成熟的烴源巖，特別沙三段的生油巖有機(jī)質(zhì)含量高，轉(zhuǎn)化程度高，油源豐富[4-5]。采用φ4.0 mm 油嘴對(duì)前期完鉆樊119 井的沙四上純上亞段試油，日產(chǎn)油15.9 t，顯示出夾層型頁(yè)巖油良好的勘探潛力。

為了進(jìn)一步研究博興洼陷頁(yè)巖油儲(chǔ)量、評(píng)價(jià)開(kāi)發(fā)方式的有效性，勝利油田在博興洼陷北部部署了頁(yè)巖油重點(diǎn)預(yù)探井——樊頁(yè)平1 井。根據(jù)樊頁(yè)平1 井的勘探目的，結(jié)合該井鉆遇地層的巖性，分析了鉆井技術(shù)難點(diǎn)，研究形成了井眼軌道優(yōu)化技術(shù)、合成基鉆井液技術(shù)，制定了安全鉆進(jìn)技術(shù)措施。應(yīng)用這些技術(shù)和采取相應(yīng)的技術(shù)措施，順利完成了該井的鉆井施工，鉆井過(guò)程中未發(fā)生井下故障，井徑擴(kuò)大率小，取得了很好的實(shí)鉆效果，為勝利油田的頁(yè)巖油鉆井積累了經(jīng)驗(yàn)。

1 工程設(shè)計(jì)

樊頁(yè)平1 井設(shè)計(jì)井深5 386.70 m，目的層與前期完鉆的樊119 井相同，均為沙四上。根據(jù)鉆遇地層的特點(diǎn)、壓力預(yù)測(cè)結(jié)果，并參考相鄰構(gòu)造已鉆井的井身結(jié)構(gòu)，依據(jù)有利于安全、優(yōu)質(zhì)、高效鉆井和油氣層保護(hù)的原則，將該井設(shè)計(jì)為三開(kāi)井身結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖1）。

圖1 樊頁(yè)平1 井的設(shè)計(jì)井身結(jié)構(gòu)Fig.1 The casing program design of Well Fan Yeping 1

設(shè)計(jì)井眼軌道時(shí)，充分考慮了導(dǎo)眼段和水平段施工的難點(diǎn)及完井管柱下入要求：一方面，考慮地層巖性特點(diǎn)，保證井眼穩(wěn)定，防止地層坍塌掉塊；另一方面，考慮導(dǎo)眼段打水泥塞的固井質(zhì)量，導(dǎo)眼完鉆并掃塞結(jié)束后，在套管內(nèi)替換合成基鉆井液進(jìn)行主井眼作業(yè)[6]。樊頁(yè)平1 井井眼軌道設(shè)計(jì)為“側(cè)—增—穩(wěn)—增—平—降—平”七段制剖面，井底垂深3 644.00 m，井底閉合距2 437.08 m，井底閉合方位角21.98°，造斜點(diǎn)位于井深3 230.00 m，最大井斜角81.64°。樊頁(yè)平1 井三開(kāi)主井眼軌道參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 樊頁(yè)平1 井三開(kāi)主井眼軌道參數(shù)Table 1 Parameters for the main wellbore trajectory at the third spud of Well Fan Yeping 1

2 鉆井技術(shù)難點(diǎn)

1）地層巖性復(fù)雜、井壁坍塌風(fēng)險(xiǎn)大。分析前期鄰井鉆井資料認(rèn)為，頁(yè)巖油儲(chǔ)層地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，頁(yè)巖層理、微裂隙較發(fā)育，鉆井時(shí)使用水基鉆井液易發(fā)生剝蝕、掉塊等問(wèn)題[7-9]。樊頁(yè)平1 井鉆遇博興洼陷沙三下、沙四上地層，巖石礦物成分包括脆性礦物和黏土礦物，其中脆性礦物（灰質(zhì)、長(zhǎng)石石英質(zhì)）含量約占70%；黏土礦物以伊利石和伊/蒙混層為主，含量約占20%～30%，屬于低膨脹性硬脆性礦物。巖石的非均質(zhì)性和黏土礦物的水化膨脹壓力易改變地應(yīng)力的分布，導(dǎo)致井壁失穩(wěn)坍塌，造成井下出現(xiàn)復(fù)雜情況[10]。

2）該井水平段長(zhǎng)，易形成巖屑床，要求鉆井液具有良好的防塌、攜巖和潤(rùn)滑等性能。同時(shí)，該井水平段長(zhǎng)度超過(guò)1 700.00 m，滑動(dòng)鉆進(jìn)鉆壓傳遞困難、鉆進(jìn)時(shí)效低，且井眼軌跡調(diào)整頻繁，井眼軌跡控制難度大[11]。

3）井底溫度高，對(duì)鉆井儀器、設(shè)備和鉆井液的耐溫性能要求高。參考鄰井地溫梯度3.8 ℃/100m，按井口溫度15 ℃計(jì)算，預(yù)計(jì)井底溫度大約為154 ℃，要求旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具和螺桿鉆具具有良好的抗溫性能，否則極易損壞，造成不必要的起下鉆，增加鉆井非生產(chǎn)時(shí)間。同時(shí)，要求合成基鉆井液能夠抗高溫，具有良好的流變性和電穩(wěn)定性[12-13]。

4）前期鉆井中出現(xiàn)油氣侵，存在井控風(fēng)險(xiǎn)。樊119 井在沙四上純上亞段出現(xiàn)了油氣侵，高峰期油花達(dá)到5%，呈斑塊狀分布，氣泡40%，并發(fā)生了井涌，涌出量為10.0 m3。將鉆井液密度由1.25 kg/L提高至1.59 kg/L，井涌得到控制；樊291 井在沙三段中見(jiàn)水侵，鉆井液密度由1.23 kg/L 提高至1.25 kg/L后，出口液量基本保持穩(wěn)定，水侵現(xiàn)象消失。

3 鉆井關(guān)鍵技術(shù)

為了提高樊頁(yè)平1 井長(zhǎng)水平段的井眼軌跡控制精度，保證易塌井段鉆井安全，必須將井斜角、方位角和全角變化率的變化控制在能保證套管安全、井口安全、套管順利下入和保證套管密封能力的范圍內(nèi)。鉆井過(guò)程中采用了旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具，以降低水平段摩阻，提高機(jī)械鉆速，減少井下復(fù)雜情況。針對(duì)沙三下、沙四上地層硬脆性礦物含量高，易發(fā)生剝蝕、掉塊等問(wèn)題，采用強(qiáng)抑制合成基鉆井液，合理選擇鉆井液密度，提高鉆井液的封堵能力。鉆井中還針對(duì)油氣侵問(wèn)題，根據(jù)油層保護(hù)需要，制定了相應(yīng)的技術(shù)措施。

3.1 井眼軌道優(yōu)化技術(shù)

參考東營(yíng)凹陷已鉆井的井身結(jié)構(gòu)，以有利于安全、優(yōu)質(zhì)、高效鉆井和油氣層保護(hù)為原則，優(yōu)化井眼軌道。目的層靶框?yàn)閵A層型箱體，中間為厚約2.00 m的灰質(zhì)泥巖，上下兩邊為純泥巖，地層傾角變化大，井眼軌跡調(diào)整比較頻繁。為此，樊頁(yè)平1 井使用1.50°偏心穩(wěn)定器動(dòng)力鉆具，以保證造斜率達(dá)到實(shí)際需求；三開(kāi)主井眼3 327.00～4 616.00 m 井段采用φ215.9 mmPDC 鉆頭+AutoTrak Curve 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具+φ210.0 mm 無(wú)磁穩(wěn)定器+φ127.0 mm 無(wú)磁承壓鉆桿+止回閥+震擊器+φ127.0 mm 加重鉆桿+φ127.0 mm鉆桿+轉(zhuǎn)換接頭+φ139.7 mm 鉆桿的鉆具組合，以實(shí)現(xiàn)連續(xù)旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，保障機(jī)械鉆速。

同時(shí)，針對(duì)鄰井樊167 井在沙四上純上亞段槽面（井深3 247.04 m）出現(xiàn)油氣侵導(dǎo)致儀器出現(xiàn)雜波、伽馬出現(xiàn)錯(cuò)誤值，鉆井過(guò)程中有地層氣體返出、全烴值高達(dá)100%等問(wèn)題，采取降排量循環(huán)排氣措施，將全烴值降至10%以下后再正常鉆進(jìn)，以保證儀器正常運(yùn)行。

3.2 合成基鉆井液技術(shù)

為保證樊頁(yè)平1 井頁(yè)巖層中井眼的穩(wěn)定，確定了以下鉆井液對(duì)策：1）提高合成基鉆井液的抑制性，以降低黏土礦物的水化分散作用，解決剝蝕、掉塊等問(wèn)題；2）合理選擇鉆井液密度，使其既能對(duì)井壁形成足夠的支撐力，又能避免液柱壓力過(guò)高導(dǎo)致裂縫擴(kuò)張而發(fā)生井漏；3）加入微納米封堵劑、可變性封堵劑等封堵材料，提高鉆井液的封堵能力，防止微裂縫、層理擴(kuò)張，封堵微細(xì)裂縫；4）提高鉆井液的抗溫能力，使其能抗150 ℃以上高溫；5）保證鉆井液的潤(rùn)滑性，以降低水平段鉆進(jìn)中的摩阻、扭矩[12-13]。

基于上述設(shè)計(jì)，分別配制了密度為1.20，1.50 和1.80 kg/L 的合成基鉆井液，測(cè)試其在150 ℃溫度下老化16 h 前后的基本性能，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同密度合成基鉆井液的基本性能Table 2 Basic properties of synthetic base drilling fluids with different densities

從表2 可以看出，不同密度合成基鉆井液的流變性均較好，破乳電壓大于800 V，抗溫達(dá)150 ℃，說(shuō)明該鉆井液具有良好的電穩(wěn)定性、剪切稀釋性和抗溫能力，能滿足鉆井需求。

通過(guò)測(cè)試頁(yè)巖巖屑滾動(dòng)回收率和頁(yè)巖8 h 線性膨脹高度，評(píng)價(jià)合成基鉆井液的抑制性能[14]，結(jié)果見(jiàn)表3。

從表3 可以看出，頁(yè)巖在合成基鉆井液中的8 h線性膨脹高度和巖屑在其中的一次和二次回收率與在油基鉆井液中的相近，說(shuō)明合成基鉆井液具有優(yōu)異的抑制頁(yè)巖膨脹分散的能力。

表3 巖屑回收率和頁(yè)巖8 h 線性膨脹高度測(cè)試結(jié)果Table 3 Test results of cuttings recovery and 8 h linear expansion height of shale

采用滲透率降低率表征濾液侵入地層的效果，滲透率降低率越高，濾液越不容易侵入地層。為此，測(cè)試并計(jì)算了合成基鉆井液加入封堵劑前后的濾餅滲透率和滲透率降低率，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 合成基鉆井液封堵性能評(píng)價(jià)結(jié)果Table 4 Evaluation of the plugging performance of synthetic base drilling fluid

由表4 可知，合成基鉆井液加入微納米封堵劑、可變形堵劑后，可以有效封堵地層微裂縫，合成基鉆井液的高溫高壓濾失量降低，濾餅滲透率降低82.48%，鉆井液濾液侵入地層的量降低，阻緩了壓力傳遞，降低了井壁坍塌風(fēng)險(xiǎn)。

3.3 安全鉆進(jìn)技術(shù)措施

針對(duì)東營(yíng)凹陷鉆井過(guò)程中的油氣水侵問(wèn)題，制定了以下技術(shù)措施：1）技術(shù)套管固井至完井階段均安裝帶剪切功能的全封閘板；2）鉆開(kāi)油氣層前，儲(chǔ)備足夠的加重合成基鉆井液，以平衡油氣層壓力；3）控制起鉆速度，防止抽汲誘噴，向井筒內(nèi)注入鉆井液，及時(shí)校核注入量，直至注滿，同時(shí)避免在空井條件下檢修設(shè)備[15]；4）鉆開(kāi)油氣層時(shí)，應(yīng)提前向鉆井液中加入足量除硫劑，并保證pH 值不小于9.5。

4 實(shí)鉆效果

樊頁(yè)平1 井應(yīng)用井眼軌道優(yōu)化技術(shù)后，井底循環(huán)溫度以3.85 ℃/100m 的幅度升高，井底實(shí)測(cè)最高溫度151 ℃，ATC 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向儀器工作正常。該井三開(kāi)主井眼3 239.19～5 364.00 m 井段最大井斜角87.08°，位于井深3 753.16 m 處；平均機(jī)械鉆速5.85 m/h，ATC 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向一趟鉆進(jìn)尺1 283.00 m。三開(kāi)主井眼軌道優(yōu)化結(jié)果見(jiàn)表5，實(shí)鉆中靶情況如圖2 所示。

表5 樊頁(yè)平1 井三開(kāi)主井眼的井眼軌道優(yōu)化結(jié)果Table 5 Optimized wellbore trajectory at the third spud of the main wellbore of Well Fan Yeping 1

圖2 樊頁(yè)平1 井井眼垂直投影Fig.2 Vertical projection of the wellbore of Well Fan Yeping 1

樊頁(yè)平 1 井三開(kāi)主井眼使用合成基鉆井液鉆進(jìn)，三開(kāi)主井眼不同井深處合成基鉆井液的基本性能見(jiàn)表6。從表6 可以看出，合成基鉆井液密度在1.45～1.66 kg/L，破乳電壓大于600 V，高溫高壓濾失量低于5 mL（最低為1.6 mL），很好地滿足了樊頁(yè)平1 井頁(yè)巖油儲(chǔ)層對(duì)鉆井液性能的需求。

表6 樊頁(yè)平1 井三開(kāi)井段合成基鉆井液的性能Table 6 Performance of synthetic base drilling fluid at the third spud of Well Fan Yeping 1

除此之外，針對(duì)油氣水侵問(wèn)題制定的安全鉆進(jìn)技術(shù)措施也起到了預(yù)期效果，樊頁(yè)平 1 井鉆井過(guò)程中未發(fā)生井下故障。

樊頁(yè)平1 井完鉆井深5 364.00 m，垂深3 564.57 m，水平位移2 437.28 m，水平段長(zhǎng)1 716.00 m。其中，整個(gè)三開(kāi)鉆進(jìn)過(guò)程中未發(fā)生壓差卡鉆，平均井徑擴(kuò)大率僅2.19%，套管下入順利。樊頁(yè)平 1 井首次實(shí)現(xiàn)了濟(jì)陽(yáng)坳陷頁(yè)巖油水平井千米一趟鉆，且創(chuàng)造了勝利油田頁(yè)巖油勘探開(kāi)發(fā)水平段最長(zhǎng)、單趟旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆進(jìn)進(jìn)尺最長(zhǎng)2 項(xiàng)紀(jì)錄。合成基鉆井液保護(hù)油氣層效果明顯，起下鉆后效顯示全烴值100%。樊頁(yè)平 1 井完鉆后已累計(jì)產(chǎn)油超過(guò)千噸，顯示了良好的開(kāi)發(fā)前景。

5 結(jié)論與建議

1）樊頁(yè)平1 井鉆遇儲(chǔ)層，特別是古近系沙三下、沙四上地層巖性復(fù)雜、井壁坍塌風(fēng)險(xiǎn)大。同時(shí)，該井水平段長(zhǎng)，易形成巖屑床，要求鉆井液具有較強(qiáng)的抑制防塌、攜巖和潤(rùn)滑性能；井底溫度高，對(duì)鉆井儀器、設(shè)備和鉆井液的耐溫性能要求高；沙四段上純上亞段還可能出現(xiàn)油氣侵現(xiàn)象。

2）樊頁(yè)平1 井順利完鉆，充分驗(yàn)證了井眼軌道優(yōu)化技術(shù)、合成基鉆井液技術(shù)、安全鉆進(jìn)技術(shù)措施在博興洼陷頁(yè)巖油鉆井的可行性，有效解決了頁(yè)巖地層坍塌問(wèn)題和油氣侵問(wèn)題，提高了機(jī)械鉆速，為頁(yè)巖油水平井鉆井積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

3）樊頁(yè)平1 井三開(kāi)下部地層硬質(zhì)夾層可鉆性差，鉆頭吃入困難、磨損快，破巖效率低，建議優(yōu)化鉆頭設(shè)計(jì)和選型，以進(jìn)一步提速提效。另外，合成基鉆井液在井壁形成的濾餅具有親油性，造成第二界面水泥石膠結(jié)強(qiáng)度有較大幅度降低，應(yīng)進(jìn)一步研究解決三開(kāi)井段固井質(zhì)量不高的問(wèn)題。