蘇里格氣田區小井眼二開水平井優化設計

王萍， 樊佳勇*， 韓成福， 王亮， 屈展， 黃海， 顧甜利

(1.西安石油大學石油工程學院， 西安 710065； 2.陜西省油氣井及儲層滲流與巖石力學重點實驗室， 西安 710065； 3.中國石油集團川慶鉆探工程有限公司長慶鉆井分公司， 西安 710018； 4.西安石油大學學生處， 西安 710065)

隨著長慶油田的勘探不斷發展，蘇里格氣田區的水平井數量也不斷增加，但該地區氣井自然產能低，因此，實現氣井的高效開發至關重要。將小井眼鉆井技術節約成本的優點與水平井技術高產的優點相結合，以達到高效開采的目的，這項技術已成為鉆井行業的技術研究熱點[1]。小井眼鉆井適應范圍廣，如開窗側鉆、老油區再開發等，應用前景廣闊。

蘇里格氣田區小井眼水平井自上而下鉆遇地層包括白堊系環河組、華池組和洛河組，侏羅系安定組、直羅組、延安組和富縣組，中生界三疊系延長組、紙坊組、和尚溝組和劉家溝組，二疊系石千峰組、石盒子組和山西組[2]。該地區小井眼水平井井身結構一般為三開結構，但三開井身結構存在機械鉆速低、套管層次多、中完作業周期長和鉆井成本高等問題，難以滿足安全快速經濟鉆井的要求。史配銘等[3]認為，二開井段技術套管能夠有效封隔漏層、泥巖易垮塌層，提高儲層鉆進效率。但是二開結構井的鉆遇裸眼段長，塌漏同層，容易出現復雜井下情況；楊靜等[4]認為蘇里格氣田區鉆遇地層巖石的硬度和研磨性較強，對鉆具組合優選進行了優選，但所選鉆具組合與井眼軌跡控制措施不同導致鉆速緩慢；王仕水[5]研究發現，該地區大斜度井段的石千峰組以及石盒子組地層坍塌壓力高，需要降低鉆井液密度以及排量，但降低鉆井液密度和排量后易發生井塌和砂堵卡鉆。

針對上述問題，根據鉆遇地層優化設計小井眼二開井身結構，縮短鉆井周期，設計五段制中的“直-增-穩-增-水平”方式進行井眼軌跡設計，同時，為提高機械鉆速優選配套鉆具組合，為保證井壁的穩定性配置防塌鉆井液，通過現場應用驗證小井眼二開水平井的優化設計方案的可靠性。

1 小井眼水平鉆井技術難點

(1)井壁穩定。由于和尚溝組、劉家溝組、山西組均屬易漏地層，因此發生井漏的概率增大，所以需要更高當量密度的鉆井液；根據地質分析得知陜28-22-46XH1井所在地區巖性主要為泥巖，鉆井液的配制還需要克服泥巖水化的問題，在鉆井過程中容易出現井壁不穩定的情況。

(2)井眼尺寸小。由于井眼尺寸小，鉆頭需要配合井眼尺寸，使得鉆進效率大幅度降低；井眼尺寸小也導致了環空間隙減小，在環空中產生偏心螺旋流，流道增加使得環空壓耗增加，環空返速低會導致形成巖屑床導致卡鉆等情況。

(3)井控難度大。小井眼井在上提鉆桿時產生的激動壓力較常規鉆井大，導致鉆柱對井壁的作用力較大，包括碰撞、擠壓，特別是穩定器和彎螺桿對井壁的作用力大，因此井底壓力控制難度增加。

2 鉆井設計

2.1 井身結構設計

(1)小井眼水平井井身結構設計時要考慮以下問題：①井身結構的設計能有效保護儲層，避免漏、噴、塌、卡等復雜情況產生，縮短建井周期，使全井鉆井費用最低；②鉆下部高壓地層時，所用的較高密度鉆井液產生的液柱壓力不得壓裂上一層套管鞋處薄弱的裸露地層；③在下套管過程中，井內鉆井液液柱壓力和地層壓力之間的壓差不至于產生壓差卡阻套管事故；④當實際地層壓力超過預測值發生溢流時，在一定范圍內，具有處理溢流問題的能力[6]。

(2)小井眼二開水平井井身結構和套管程序。由于該區塊地表是未固結松散黃土、沙土層，為了建立循環通道，用346 mm鉆頭鉆至130 m，下入273.1 mm的導管封固疏松層。一開：選用222.2 mm直徑鉆頭鉆至2 890 m，下入177.8 mm表層套管以封固上部易垮塌層、劉家溝漏層，分隔水層，進入石千峰50 m。二開：選用152.4 mm直徑鉆頭鉆至目的層，下入144.3 mm生產套管至目的層，為固井做準備。圖1為井身結構設計剖面圖。

圖1 小井眼二開水平井井身結構Fig.1 Well structure of a second spud horizontal well

2.2 井眼軌道優化設計

小井眼水平井鉆井施工中的井眼軌道設計為了使軌跡平滑、提高鉆速、提高入靶準確度，在設計過程中需要及時調整以達到設計要求。該井靶窗范圍在縱向±2 m以內、橫向±20 m以內，靶窗要求范圍小，準確入靶難度大，為了快速安全地鉆至目的層，根據井眼軌道確定原則并結合該地區的實際情況選定五段制中的“直-增-穩-增-水平”方式為主，設置一個穩斜段是為了彌補造斜工具造斜率不足。

據實鉆情況，為避開區域水層和適應地層情況，在設計造斜點之前采取斜井段施工，這樣也可以減少定向施工的工作次數；設計造斜點在延安組上部地層，因為該段地層相對穩定，出現復雜情況概率低；穩斜段地層存在易塌、易漏風險，減小井斜角降低施工難度，確保鉆進安全；水平段的井斜角相對增大，以滿足采油工藝需求[7]。

圖2為井眼軌道垂直剖面圖，直觀地反映了陜28-22-46XH1井的井眼軌跡，可以看出，該井的直井段、穩斜段以及水平段的長度。

圖3為井眼軌道方位圖，井眼軌道方位圖的水平投影反映了軌道的方位變化，該井的方位變化為西北方向。

結合表1、圖2與圖3分析可以看出，原點為井口；0～800 m測深為直井段，測深800 m處為造斜點，開始第一段造斜施工；在井斜角為18.02°時，測深980.2 m處停止造斜，開始穩斜段施工；在測深3 168.53 m處開始第二段造斜施工，于測深3 577.46 m處達到設計井斜角要求，開始近乎水平段施工。

2.3 鉆具組合優選

2.3.1 鉆頭的選擇

小井眼允許施加的鉆壓減小，會導致機械鉆速低。且該地區巖石研磨性強，所以選擇小尺寸耐磨且硬度高的PDC鉆頭，不但可以提升鉆速，還逐漸解決了鉆頭容易泥包和地層適應性差的缺陷，其使用壽命長、減少起下鉆作業次數的優勢越來越明顯[8]。

表2為不通開次鉆頭根據巖屑描述分析，地層巖性以泥巖為主，其硬度較硬，選用的聚晶金剛石復合片(polycrystalline diamond compact，PDC)鉆頭與地層巖性相適應。施工過程以復合鉆進為主，其機械鉆速相對較高。本次施工平均機械鉆速為12.28 m/h。

2.3.2 水平段鉆具組合優選

小井眼水平井鉆井具有井徑小、循環壓耗大、泵壓高、排量受限井眼凈化困難等問題；在鉆進過程中由于小鉆具柔性大，會出現定向鉆進反扭矩較大、工具面穩定性較差、鉆頭加壓困難的問題，這些問題都會導致軌跡控制難度增加。

小井眼水平井軌跡控制關鍵和難點在于水平段軌跡控制，鉆具組合優選必須遵循以下兩個基本原則：①在水平段旋轉鉆進時具有較強的穩斜能力；②在水平段滑動鉆進時具有合適的造斜能力[9]。

(1)水平段鉆具組合優選。在施工中選擇18°斜臺肩鉆桿，這種鉆桿可以降低摩擦阻力，還可以消除對鉆具的應力集中。針對水平段鉆進的托壓、井眼軌道控制等問題，鉆進中下入鉆具組合為：152.4 mm直徑PDC*長度0.27 m+127 mm直徑LZ*1.25°*長度5.39 m+124回壓閥*0.505 m+148STAB*長度1.209 m+MWD*長度0.895 m+NMDC*長度9.245 m+311扣*HLST39B*長度0.418 m+4＂HWDP*4柱+4＂DP65柱+4＂HWDP*6柱+4＂DP，其中，LZ為螺桿，STAB為鉆桿扶正器，MWD為隨鉆測量系統，NMDC為無磁鉆鋌，HLST39B為鉆具接頭海倫母扣型，HWDP為加重鉆桿，DP為鉆桿，＂為單位in(1 in=2.54 cm)。使用1.25°單彎螺桿在較短井段就可實現定向或扭方位施工，定向或扭方位施工速度較快，施工效率高；采取兩段加重鉆桿組合，在滑動鉆井過程中起穩定器作用，緩解水平段井眼軌跡控制的工作壓力，它還可以更好地控制井斜角和方位角，減少造斜工作次數，從而縮短施工周期。

(2)增斜段鉆具組合優選。在該井段的施工過程中，根據設計的最大造斜率5.0°/30 m，按照比這個設計最大造斜率高20%來優選造斜工具，選用1.5°單彎螺桿鉆具進行造斜施工即可。綜合考慮下入鉆具組合為：228.6 mm直徑PDC*長度0.34 m+185 mm直徑LZ*1.5°*長度8.64 m+回壓閥*長度0.49 m+172SDC*長度2.071 m+224 mm直徑STAB*長度1.514 m+MWD*長度0.88 m+NMDC*長度8.254 m+7"DC*54.13 m+5"HWDP*10柱+5"加厚DP+5"DP。

2.3.3 優選結果

綜合考慮各種影響因素，得到具體優選結果，如表3所示。

2.4 小井眼鉆井液技術

在小井眼水平井鉆井中，相適應的鉆井液配方選擇對鉆井液性能要求具有較好的流變性、潤滑性、抑制性，以達到安全、高效施工的目的。

2.4.1 鉆井液技術難點

(1)井壁穩定：該區石盒子組地層巖性以泥巖為主，由于是小井眼施工，機械鉆速相對較慢，施工周期相對較長，泥巖經鉆井液濾液長時間浸泡，極易水化、膨脹分散，其強度大幅度降低，產生剝落、坍塌現象。由于小井眼井環空間隙小，泥巖一旦剝落掉塊對安全施工是極大的威脅。

(2)巖屑的懸浮、攜帶：小井眼鉆井較常規鉆井環空壓耗大，所需泥漿泵泵壓高，排量減小，進而環空返速減小，二開井裸眼段較長，環空小。如果鉆井液體系懸浮攜帶能力差，在斜井段和水平段施工過程中，產生的鉆屑在重力作用下沉降積累在井壁表面，形成巖屑床會引起卡鉆等鉆井事故的發生，另外一些非正常破碎的巖屑還會產生堵塞。

(3)地層易漏：小井眼井徑小，抽提鉆柱產生的激動壓力較常規鉆井大，所以需要更高當量密度的鉆井液。而和尚溝組、劉家溝組、山西組均屬易漏地層，因此發生井漏的概率增大。

(4)增斜段潤滑防卡：由于鉆具尺寸小、柔性強，造斜施工中鉆具緊貼井壁一邊鉆進，使得鉆具和井壁更大部分的接觸，引起鉆進中摩阻和扭矩增大，影響鉆壓傳遞效率，產生托壓現象。而且鉆屑層的形成，也導致摩阻和扭矩增大，鉆井液配方潤滑鉆具防止卡鉆的難度相應加大。

(5)儲層保護：鉆井液固相含量高易堵塞地層孔隙通道；砂巖儲層致密，孔道狹窄，所以毛細管效應比較明顯，若施工不當則會引起喉道堵塞，從而降低油相、氣相滲透率，影響油氣開采[10-11]。

2.4.2 技術思路

(1)水化問題：提高鉆井液的抑制性，使用具有包被作用的高分子聚合物。處理劑吸附性強具有一定憎水性能，可除去有害固相形成高質量泥餅。使用無機鹽，降低鉆井液的活性，增強鉆井液濾液的抑制能力。

(2)增強鉆井液的懸浮、攜帶能力：優選排量得到合適的上返速度，保證巖屑上返效率，降低巖屑井壁沉降程度。

(3)提高地層承壓能力：①將近井筒的漏失通道進行人工封堵，阻止鉆井液進入漏失地層，以此提高地層承壓能力；②其主要措施是在進入漏失層段前，增加了鉆井液中的黏土含量或者添加增黏劑；③進入易漏失層段前，在泥漿中加入堵漏材料，漏失發生時由于壓差的產生，堵漏材料會進入漏失通道。

(4)提高鉆井液潤滑性：調節泥餅的潤滑性能和鉆井液流體自身的潤滑性能，控制鉆井液固相，加入可以改變泥餅質量和提高潤滑性的有機高分子處理劑。

2.4.3 優選結果分析

該地區地層情況較為復雜，選擇水基鉆井液更好的調控鉆井液性能以滿足鉆井施工需求，保證安全施工。另外，水基鉆井液的潤滑性處于空氣和油的潤滑性之間；還可以達到保護油氣層的要求，表4為根據地質特征所選鉆井液[12]。

根據巖屑描述分析得知地層巖性以泥巖為主，存在易塌風險，因此施工中在配方里加入KCl，使鉆井液的抑制性增強，抑制泥巖水化，防止井壁坍塌的發生；還能抑制地層造漿，流動性好，性能較穩定。二開斜井段主要存在防塌的問題，施工時使用聚合物鉆井液，其中的高分子聚合物的分子鏈能夠吸附并包被在鉆屑和井壁上，防止鉆屑在鉆井液中分散，最大限度地控制了鉆井液的固相含量，維護了鉆井液性能的穩定，并且還可以抑制泥巖層水化膨脹，有效地解決了該段易塌問題。通過流變參數的測定可知該鉆井液體系流變性良好，懸浮攜帶鉆屑能力強。還加入了聚陰離子纖維素(poly anionic cellulose,PAC)增強了鉆井液體系抗污染性能。水平段涉及鉆開儲層，同樣選用聚合物鉆井液體系，利用它良好的抑制性能防止儲集層黏土礦物的水化膨脹、運移，避免堵塞喉道，降低油氣滲透率。再者水平段需要降低摩阻，可以隨鉆加入固體潤滑劑或液體潤滑劑。

3 應用情況

該井采用小井眼二開水平鉆井技術順利完鉆，施工過程中沒有井下事故、井下復雜情況的發生，并且井身質量、固井質量都是符合設計要求的。結果表明該區塊小井眼二開水平鉆井技術應用是成功的，可以完善配套技術，在該區塊推廣運用，表5為項目設計與實際技術指標對比。

該井計劃建井周期為46 d，最終實際工期為34.625 d，相比之下工期縮短了11.375 d，節省了約25%的時間，相應的費用也就減少，進而也就降低了施工成本。

4 結論

(1)針對鄂爾多斯地區油藏埋藏深，鉆遇地層塌漏嚴重、鉆井周期長效率低、鉆井成本高等問題，通過減少開次、提高機械鉆速的井身結構優化思路，優化了必封點位置和井眼尺寸，形成了小井眼二開井身結構。

(2)為了提高入靶精度，需要合理控制井斜角，為了彌補造斜率不足的問題，井眼軌道設計為五段式，加入一個穩斜段保證井斜角。

(3)優選鉆具組合提高機械鉆速，水平段采用旋轉鉆井方式，造斜段采用1.5°單彎螺桿鉆具，提高了鉆井速度；實際工期比預計工期縮短25%。

(4)鉆井液的優選保證了井壁的穩定性，水平段的聚合物鉆井液良好的性能提升了鉆井的效率的同時也實現了安全鉆井。