鄂爾多斯臨興區塊地質工程一體化技術創新與實踐

賈 佳，夏忠躍，馮 雷，謝英剛

（中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津 300452）

地質工程一體化能夠最大限度地解決復雜地質條件導致的一系列工程難題，可將地質研究和工程施工有機連接起來，不斷地技術更新和經驗積累，系統性地優化技術組合方案，提高工程作業效率和單井產量[1-6]。由于獨特的系統優勢，一體化技術在美國、加拿大得到廣泛的應用，國內蘇里格氣田也投入了試驗研究。隨著能源行業“七年行動計劃”的發布，中海油積極響應，實施了致密氣“大開發”戰略，加快了非常規致密氣的開發進程。臨興區塊為中海油致密氣的主戰場之一，存在的諸多問題影響了致密氣開發的整體效益。針對這些問題，開展了地質工程一體化技術研究，搭建了地質工程一體化協同平臺，建立了一體化作業流程，實現了致密氣藏的高效開發。

1 地質工程一體化技術

1.1 逆向設計和正向施工

傳統模式下，地質、鉆井、完井和采氣工程等專業各自為戰，按照地質、鉆井、完井、采氣的先后順序開展工作，無形中將各專業之間的聯系隔斷，影響了整體開發效益。在臨興區塊進行致密氣開發時，調整思維，以產能建設為目標，采取逆向設計，正向施工的思路（圖1），將地質專業和工程專業充分連接起來，形成一體化的研究合力，實現了產能效益的最大化。

圖1 一體化模式下設計思路

1.2 地質與工程形成滾動調整

臨興致密氣區塊的地表條件差，地層巖性復雜，砂體不連續，目的層厚度薄[7-8]，地層甜點預測難度大。為了充分實現地質工程一體化理念，根據工程施工效果，不斷調整后續井部署策略，優化甜點預測，工程施工也隨地質方案的調整進行變更。經過不斷的技術迭代和更新，形成了黃土塬致密氣“兩寬一高”的三維地震采集處理技術和煤系地層薄層砂巖儲層預測技術。這些技術可以對高差600 多米的黃土塬進行精準地震采集處理，對2～5 m 厚的儲層進行有效預測，使水平井砂巖鉆遇率提高85%以上，氣層鉆遇率提高70%以上。

1.3 產能導向助推工程技術創新

致密氣開發成功與否最終要靠產量來衡量。完成甜點精確預測后，工程施工必須建立良好的井筒條件，做好儲層的有效保護，為后期采氣奠定良好基礎。圍繞提高產量和儲層保護，需要對鉆井和壓裂工程進行提效提質的技術創新。

1.3.1 致密氣高效鉆井技術

1.3.1.1 鉆井工藝的改進

臨興區塊傳統作業井機械鉆速慢，影響了井壁穩定性，導致井壁坍塌、卡鉆頻發，影響了鉆井效率。

（1）優化鉆頭設計

臨興區塊致密氣傳統鉆頭鉆井時，對不同地層，基本使用同樣型號的鉆頭，機械鉆速較慢。為此，開展了鉆頭攻擊性實驗，分析鉆頭切削齒對不同地層攻擊性的差別，用切削齒深度表示鉆頭的攻擊性，可鉆性級別為6 和8 的攻擊性結果如圖2 所示。

圖2 切削齒直徑對切削效率的影響

實驗結果表明，當巖石可鉆性級別超過6 以后，使用16 mm 齒鉆頭，攻擊性更強，優勢明顯。結合現場實際情況，對石千峰組以上地層使用5 刀翼16 mm 齒鉆頭，平均機械鉆速13 m/h，19 mm 齒鉆頭，平均機械鉆速15 m/h；可見19 mm 齒鉆頭優勢明顯（圖3）。對石千峰組以下地層使用5 刀翼19 mm 齒鉆頭，平均機械鉆速8 m/h，16 mm 齒鉆頭平均機械鉆速13 m/h；可見16 mm 齒提速明顯（圖4）。

圖3 19 mm 齒機械鉆速統計

圖4 16 mm 齒機械鉆速統計

（2）長裸眼段水平井一趟鉆鉆井技術

長裸眼段水平井鉆井過程中，一般使用三開井身結構，鉆井周期過長，一口3 000 m 的井，工期約為60 d，嚴重影響了開發效率。根據臨興區塊地層特點，實施二開一趟鉆鉆井技術（井身結構為φ311.15 mm×φ244.50 mm+φ215.90 mm×φ139.70 mm）。現場作業表明，鉆井周期可以縮短30%。

（3）鉆井參數和防托壓鉆具組合改進

在水平井鉆井過程中，部分井發生了托壓和螺旋彎曲，為了防止托壓，對鉆井過程中的鉆壓進行研究。當鉆壓加至120 kN 以上時，很容易發生螺旋彎曲（表1），現場鉆進時，需要將鉆壓控制在120 kN 以內。

表1 水平段鉆進不同鉆壓時的鉆具彎曲情況 kN

除嚴格控制好鉆井參數外，還對馬達的造斜能力進行了研究。現場使用0.75°彎角馬達時，滿足不了造斜要求，必須使用造斜能力強的馬達，才能更有效地提高鉆速。為此，研制了高扭矩馬達，現場應用表明，鉆速可以達到25 m/h，較傳統馬達提速1 倍以上[9]。分析三維振動沖擊器[10-11]，通過減緩井下鉆具的扭振，實現提速防托壓的目的。現場應用顯示，鉆速可以達到30 m/h，提速1 倍以上。

1.3.1.2 三段式固井工藝技術

臨興區塊致密氣常采用兩段水泥漿固井，對破裂壓力當量密度僅有1.25 g/cm3的劉家溝組，存在一定的固井漏失風險。為確保井筒的安全，將兩段水泥漿調整為三段水泥漿，尾漿采用密度為1.90 g/cm3水泥漿封固下部氣層，中漿采用密度為1.35 g/cm3的水泥漿封固石千峰組和劉家溝組地層，領漿采用密度為1.25 g/cm3的低密高強水泥漿封固和尚溝組以上地層[12-13]，改進前后漿柱結構對比如表2 所示。

表2 固井改進前后漿柱結構對比

1.3.2 全過程儲層保護技術

臨興區塊致密砂巖儲層具有低孔、低滲、低壓、低溫的特點，黏土礦物含量高，敏感性強。常規鉆完井過程中工作液會造成儲層污染，全過程儲層保護技術兼顧鉆井、壓裂、完井全過程，采用低傷害工作液體系，可有效解決鉆完井全過程儲層保護問題。

1.3.2.1 鉆井液精準控制技術

對臨興區塊地層開展了堿敏、水敏、速敏、酸敏、鹽敏、潤滑性及儲層傷害評價[14-15]，在此基礎上，對鉆井液進行了改進。經過研究，將超雙疏理論及材料引進到鉆井液體系中[16-17]，超雙疏劑可以有效降低表面張力，對其加量進行實驗評價。結果表明，隨著加量增加，巖心表面張力急劇下降，當質量分數達到3% 時，表面張力由61.10 mN/m 降至0.82 mN/m。如圖5 所示，質量分數繼續增加時，表面張力基本不再變化。由此可知，添加質量分數為3%的雙疏劑可以實現最優的雙疏效果。改進后的鉆井液現場應用顯示，可以改善儲層保護，托壓問題明顯緩解，鉆井效率由平均62 m/d 提高到平均85 m/d，提高了37%。

圖5 巖心表面張力隨超雙疏處理劑質量分數的變化

1.3.2.2 高性能低濃度胍膠壓裂液體系

臨興區塊地層壓裂液破膠難度大，常用的破膠劑過硫酸銨，在溫度低于50 ℃時會停止氧化反應，失去破膠作用[18]。研究顯示，在壓裂液中添加低溫破膠催化劑及生物酶破膠劑，可提高壓裂液在低溫下的破膠性能，減少了殘渣含量。破膠劑質量分數分別為0.012%、0.014%、0.016%、0.018%、0.020%時，壓裂液分別在10.0，6.5，4.0，3.5，2.0 h 內達到破膠，破膠液黏度小于5 mPa·s，如圖6 所示。

圖6 破膠劑質量分數優化

改進后的壓裂液體系成功地解決了臨興區塊低溫破膠難、儲層易受傷害等問題。現場應用表明，壓裂施工成功率達到90%以上，單井最快12.0 h 見氣，最高測試無阻流量達到13.4 104m3/d。

1.3.2.3 防水鎖完井液體系

臨興區塊儲層巖樣黏度礦物含量達到8%～22%，成分主要以伊利石為主，其次為高嶺石、伊蒙間層及綠泥石，儲層表現為水敏、速敏特征，孔隙度和滲透率較低，水鎖情況嚴重。通過降低表面張力及改善潤濕性，配制了防水鎖完井液體系（1.5%KCl+0.5%防水鎖劑+0.1%黏土穩定劑），該體系與地層配伍性好，表面張力低，室內評價實驗滲透率恢復值可達到90%以上。

1.3.3 完井生產一體化技術

1.3.3.1 高性能裸眼水平井壓裂完井一體化管柱工藝

裸眼水平井分段壓裂工藝采用尾管懸掛器+裸眼封隔器+投球滑套，實現裸眼井段的選擇性分段隔離，一次坐封所有封隔器。從水平井趾部到跟部逐級打開滑套，分段壓裂一次完成，具有不固井、不射孔，壓裂生產一趟管柱，各段壓裂連續進行，工藝簡單易行，效率高，成本低等特點[19]。臨興區塊共計應用10 口水平井，投球開啟滑套成功率100%，壓裂完井成功率100%。水平井測試期間均獲得高產氣流，預計投產后合計配產可達20.0×104m3/d。

1.3.3.2 連續油管拖動壓裂技術

采用裸眼封隔器+投球滑套分段壓裂方式，生產過程產水、積液現象嚴重，導致產氣量下降嚴重甚至關井。針對這些問題，在易出水層位，采用連續油管帶底封拖動水力噴砂射孔環空加砂壓裂工藝。該工藝具有裂縫起裂位置明確，改造針對性強，壓裂級數不受限制，壓后井筒全通徑等優勢。臨興區塊共計應用4 口水平井，壓裂完井成功率100%。水平井測試期間均獲得高產氣流，預計投產后合計配產可達10×104m/d。

1.3.3.3 壓裂完井配套工藝技術體系

在壓裂作業過程中，先配液后施工的方式無法保證壓裂液即配即用，造成施工效率低下，尤其是大規模連續壓裂時，無法按時完成壓裂施工。針對這個問題，開展了連續混配技術研究，形成了連續混配工藝技術體系，該技術可以減少占地面積，有效提高施工效率[20-22]。

連續混配裝置混配能力為2～6 m3/min、配液質量分數為0.2%～0.7%、干粉容量為5 m3，混合罐有效容積為21 m3。配液過程首先使用潛水泵將清水池的清水泵入兩個儲液罐進行配液，再將配制完成的基液泵入另外兩套儲液罐備用（圖7）。與常規配液300 m3/d 相比，連續混配可達4 800 m3/d，提高了16倍，保證了施工的連續性，作業時間縮短了9 d，單井返排時間加快了5 d，減少了對儲層的傷害。

圖7 連續混配流程及現場設備

2 現場應用

2.1 應用效果

地質工程一體化技術體系在臨興區塊進行了廣泛應用，在砂巖鉆遇率、鉆井時效、儲層保護、增產改造及完井施工等方面效果顯著。臨興區塊近3 年的應用結果表明，總體效果良好，水平井段平均砂巖鉆遇率提高10%以上，平均機械鉆速由8.00 m/h提高至12.56 m/h，提高了57%，平均單井鉆井周期節約10 d，儲層傷害降低20%，壓裂完井時效提升20%，高效返排時效提高15%以上。

2.2 經驗和教訓

采取逆向設計和正向施工的思路，提高了甜點預測精確率，縮短了鉆井周期，提升了機械鉆速，整體開發效益得到提升。在應用過程中，仍有改進的空間：①在后續井開發過程中，整體開發方案編制期間，鉆井、完井、采氣、地面工程等專業應提前介入，以形成整體開發效益最大化的地質開發方案；②后續井作業時，需要和地質人員充分溝通，提前進行數值模擬和預判，做好各項施工準備；③需要繼續改進各項作業過程中的工藝技術，進一步縮短作業周期，提高反饋的時效性。

3 結論

（1）地質工程一體化技術打破了地質工程之間的隔閡，以開放效益為導向，進行方案的逆向設計，正向施工，實現了產能效益的最大化。

（2）根據臨興區塊特點，地質方案和工程施工形成了滾動調整格局，在此基礎上，形成了黃土塬致密氣 “兩寬一高”的三維地震采集處理技術和煤系地層薄層砂巖儲層預測技術，使水平井砂巖鉆遇率提高至85%以上，氣層鉆遇率提高至70%以上。

（3）形成了臨興區塊鉆頭高效設計技術、長裸眼段水平井一趟鉆鉆井技術、防托壓鉆具組合設計技術、三段式水泥漿固井工藝、全過程儲層保護技術、完井生產一體化技術等。

（4）水平井段平均砂巖鉆遇率提高10%以上，平均機械鉆速提高了57%，平均單井鉆井周期節約10 d；儲層傷害降低20%；壓裂完井時效提升20%，高效返排時效提高15%以上。