关于延安致密砂岩气田水平井钻井先导试验的几个问题

洪千里, 杨全枝，马 彬，王红娟，杨 富

(1.陕西延长石油(集团)有限责任公司研究院，陕西西安 710075；2.中石油长庆油田公司苏里格气田开发分公司，陕西西安 710018)

鄂尔多斯盆地油气资源丰富，经过长期的勘探已形成“南油北气”的开发格局。自2007年以来，通过不断探索，打破了鄂尔多斯盆地东南部为“贫气区”的传统认识，发现了储量超千亿方的大型致密砂岩气田即延安大气田[1-4]。

延安气田属于典型的“三低”(低压、低渗、低丰度)气田，采收率低、自然产能低，有效开发难度大[5]。为了经济有效地开发延安气田，避免天然气开发走上石油开发“钻新井、多打井”的老路，从2011年开始，延安气田逐步开展了水平井开发的研究与攻关，为天然气上产打好基础。

由于延安气田上古生界地层地质条件复杂，先导试验水平井在钻井过程中遇到了很大的挑战，普遍表现为井下复杂事故多、机械钻速低、钻井周期长等问题，直接导致综合经济效益低，严重制约了天然气高效、规模开发目标的实现。因此，有必要对先导试验水平井整体钻井情况进行统计分析，确定目前制约水平井高效建井的关键因素，为下一步水平井开展高效提速研究提供有效的借鉴。

1 先导试验水平井整体钻井时效分析

延安气田先导试验水平井共完钻11口，包括8口常规水平井和3口侧钻水平井。常规水平井主要采用三开井身结构，见表1。试验水平井的平均井深为3766.5 m，平均水平段长度为929.17 m，平均钻井周期高达187.5 d，平均机械钻速低至2.48 m/h；而目前鄂尔多斯盆地北部苏里格气田水平井规模应用阶段的钻井周期仅为62 d[6-8]。延安气田先导试验水平井钻井时效分析如图1所示。

表1 延安气田水平井井身结构Table 1 Horizontal well structure of Yan＇an gas field

由图1可见，延安气田先导试验水平井的生产时间约占整个钻井周期的70%，其中纯钻进时间仅占27%，由于频繁换钻头，起下钻时间约占15%，测井、固井以及辅助工作时间高达23%(43 d)；非生产时间约占整个钻井周期的30%，其中，组织停工高达15%(28 d)，复杂情况和事故占10%(主要是处理井漏、井塌、起下钻遇阻)。测井、固井、辅助工作以及组织停工时间受多单位协同施工的组织水平及井队劳动生产效率的影响，而复杂情况和事故则与地质条件和工程施工相关，需要进一步分析。

图1 延安气田水平井钻井时效分析Fig.1 Time-dependent analysis of horizontal well in Yan＇an gas field

对延安气田收集到的已钻的8口水平井的钻头使用情况进行统计，以延页平1为例绘制了全井钻头使用图，如图2所示。同时对已钻的8口水平井的钻头在不同井眼尺寸的使用情况分别进行统计，斜井段钻头的使用如图3所示，水平段钻头的使用如图4所示。

图2 延页平1钻头使用情况分析Fig.2 The drill bit usage of horizontal well Yanping-1

图3 斜井段钻头使用情况分析Fig.3 The drill bit usage of slant hole interval

图4 水平段段钻头使用情况分析Fig.4 The drill bit usage of horizontal hole interval

从图2可以看出，延页平1井从1800 m造斜段开始到水平段，特别是2500 m之后的大斜度井段，单只钻头进尺和单只钻头的机械钻速远远低于直井段钻进的情况，单只钻头的平均机械钻速不足2 m/h，延安气田水平井在大斜度井段深部地层破岩效率直接制约着钻井周期。

从图3和图4可以看出，二开斜井段井眼尺寸采用215.9 mm，相较于311.2 mm井眼，钻头单只平均进尺基本相当，但平均机械钻速提高了32.57%；水平段井眼尺寸采用152.4 mm，相较于215.9 mm井眼，钻头平均机械钻速略有增加，平均进尺增加了72.36%；开窗侧钻的118 mm井眼平均机械钻速最低，采用合理的井身结构有利于提高机械钻速或增加单只钻头进尺，从而降低钻井周期。

2 复杂情况分析

2.1 单井复杂情况统计

为了解延安气田水平井钻井过程中的主要复杂情况、发生的地层及原因，对延安气田延平1井、延平2井……延平9井等11 口试验井在钻井过程中的各类复杂情况和钻井事故进行了统计，根据统计结果绘制出了延安气田井眼复杂情况频数分布图和各类型复杂情况发生频率图，如图5、图6所示。

由图5和图6可以看出，延安气田11口井钻井过程中发生钻井复杂情况共计47起，其中井漏22起，占总复杂情况的46.81%，阻、卡12起，占总复杂情况的25.53%；憋泵、憋扭矩3起，占总复杂情况的6.38%；其他事故10起，占总复杂情况的21.28%。这说明井漏和阻、卡是延安气田钻井面临的最突出的问题，井漏情况统计见表2。

图5 延安气田各类复杂情况发生频数分布Fig.5 Frequency distribution of downhole complications in Yan＇an gas field

图6 延安气田各类复杂情况发生频率统计Fig.6 Frequency statistics of downhole complications in Yan＇an gas field

表2 延安气田钻井漏失情况统计Table 2 Well loss statistics in Yan＇an gas field

从表2可以看出延安气田井漏大多为中等—诱导性裂缝漏失，一旦发生井眼漏失，往往引起井壁失稳，坍塌掉块，发生阻、卡。

2.2 各层位复杂情况统计分析

为进一步分析，对延安气田各层位复杂情况的分布进行了统计，图7、图8所示是其统计结果。由图7可以看出延安气田第四系到山西组各层位在钻井过程中均有复杂情况发生，其中石千峰组、石盒子组和山西组是该区块复杂情况发生较多的层位。由图8可以看出石千峰组、石盒子组发生的主要复杂情况均为井漏，而山西组发生的主要复杂情况为阻、卡。

图7 延安气田各层位复杂情况分布频数统计Fig.7 Downhole complications frequency distribution in Yan＇an gas field

图8 延安气田各层位复杂情况发生频率统计Fig.8 Downhole complications frequency statistics of in Yan＇an gas field

3 地层岩石理化、力学性能分析

3.1 地层矿物组分分析

复杂层位石千峰组、石盒子组泥页岩地层属于典型的硬脆性地层，地层微裂隙发育，岩心如图9所示。对石千峰组、石盒子组岩屑进行X衍射分析得到全岩矿物分析和黏土矿物分析，结果见表3、表4，发现石千峰组、石盒子组地层主要以黏土矿物、石英和长石为主，石盒子组黏土矿物总含量高达41%，具有较高的敏感性损害可能。石千峰组的黏土矿物主要以伊利石和伊/蒙间层为主，相对含量分别为62%和14%；绿泥石含量也较高，达19%，不含蒙脱石。伊/蒙混层泥页岩遇水产生不均匀膨胀，引起井壁坍塌掉块，导致井壁失稳。因此，在该层段为了防止在地应力作用下地层内部微裂缝扩展，形成大的贯通裂缝，除了低于地层坍塌压力当量密度，必须通过高黏切、提高其封堵性，使钻井液在液柱压力作用下尽可能少地侵入、浸泡地层，减少对井壁发生冲蚀[9-10]。

图9 石千峰组岩心(左)和石盒子组岩心(右)Fig.9 Core of Shiqianfeng formation (left) and Shihezi formation (right)

表3 “双石层”全岩矿物分析结果Table 3 Rock mineral analysis of ‘Shuangshi’ formation

表4 “双石层”黏土矿物分析结果Table 4 Clay mineral analysis of ‘Shuangshi’ formation

3.2 井周岩石破坏规律分析

井壁坍塌通常是由于井内钻井液密度较低、井筒内压力过小造成的。依据Mohr-Coulomb准则建立极限平衡条件，则岩石发生剪切破坏时，剪切面上的剪力必须克服黏聚力σV≥σH≥σh和作用于剪切面上的内摩擦力[11-12]。

τ≥c+σntanφ

(1)

式中σV≥σH≥σh——剪切面上的剪应力，MPa；

σV≥σH≥σh——剪切面上的正应力，MPa；

σV≥σH≥σh——岩石的黏聚力，MPa；

σV≥σH≥σh——岩石的内摩擦角，(°)。

岩石强度与主应力方向存在一定的相关性，由此开展了不同层理倾角下的岩石强度试验，研究强度随主应力方向变化而变化的规律。按照岩样轴线与层理面一定夹角的方式获取岩心，如图10所示。延安气田山西组致密砂岩气储层岩石力学强度特征如图11所示。

图10 定向取心示意Fig.10 Schematic diagram of oriented coring

从图11可以看出，随着最大主应力与层理面法线夹角的增大，岩石抗压强度先减小后增大。当层理面法线与最大主应力夹角为60°时，岩石强度最小。最大主应力与层理面垂直(夹角为0°)时的强度较最大主应力与层理面平行(夹角为90°)时的强度大，强度特征与单弱面岩石力学强度模型具有较高的相似性。试验说明山西组岩石具有明显的由层理控制的强度各向异性，层理发育是岩石强度随主应力方向变化而变化，且不同方向的岩石强度差异较大，层理面的存在改变了井周围岩的力学性质，影响井周应力的分布，进而影响井壁稳定性。

图11 山西组岩石力学强度特征Fig.11 Lithological characteristics of Shanxi formation

3.3 上古生界岩石强度可钻性分析

延安气田通过对上古生界的岩心进行抗压强度试验总结了该地区同类地层岩石的抗压强度，岩石力学参数分析见表5。

表5 延安气田上古生界地层岩石力学分析Table 5 Rock mechanics analysis of the upper Paleozoic formation in Yan＇an gas field

由表5可以看出，2500 m以下的山西组井段平均抗压强度低于36.65 MPa，相对具备较好的可钻性；2500 m以上的井段抗压强度增加较快，地层可钻性相对较差，地层内摩擦角度达到了43°，地层的研磨性也变大。造成造斜段常用的牙轮钻头平均机械钻速要低于PDC钻头的平均机械钻速。刘家沟组到石盒子组地层整体平均抗压强度和内摩擦角变化较大，在地层倾角内摩擦角和抗压强度不超载的地层中，PDC钻头可以和牙轮钻头相互用，达到更好的综合价值。

4 结论与认识

(1)通过对延安气田先导试验水平井钻井时效进行分析，影响钻井周期长的主要因素包括生产时间中的起下钻时间，以及辅助工作时间和非生产时间的组织停工和复杂情况时间较长，有必要加强水平井施工管理，合理组织协调各施工单位，并加强地质条件认识和工程施工技术措施，减少复杂情况发生。

(2)延安气田在钻进过程中主要的复杂情况是阻卡和井漏，其层位主要在石千峰组、石盒子组和山西组等较深井段，井漏大多为中等—诱导性裂缝漏失。

(3)“双石”层段微裂隙发育，且该层段伊/蒙混层泥页岩遇水产生不均匀膨胀，引起井壁坍塌掉块，导致频繁井漏、阻卡等复杂情况产生。在该层段钻井液密度除了低于地层坍塌压力当量密度之外，必须通过高黏切、提高其封堵性，使钻井液在液柱压力作用下尽可能少地侵入、浸泡地层，减少对井壁发生冲蚀。

(4)山西组致密砂岩气储层具有明显的由层理控制的强度各向异性，岩石强度随主应力方向变化而变化，且不同方向的岩石强度差异较大，不利于井壁稳定。

(5)延安气田深部地层岩石抗压强度增加较快，地层石英含量高，研磨性大，可钻性相对较差，导致机械钻速低，深部层段PDC钻头可以和牙轮钻头相互用，从而能够达到更好的综合价值。