临兴区块小井眼井钻井设计关键技术①

贾佳

(中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300000)

国内外研究和实践表明，小井眼钻井可以有效降低油气田开发成本和提高经济效益[1-5]。国内苏里格气田在小井眼钻井方面做了大量的探索工作，取得了很好的经济效益。目前，临兴致密气区块常规钻井采用的井身结构为Ф311.15 mm×Ф244.5 mm+Ф215.9 mm×Ф139.7 mm，存在钻井工期长、钻速慢、产生的岩屑量大等问题，尤其是随着环保要求的逐渐严格，导致废弃物处理成本剧增。为了降低钻井产生岩屑量，实现降本增效的目标，需对常规井身结构进行优化和改进，并开展钻井优化设计关键技术研究，主要包括小井眼钻头优化设计、小井眼钻具组合优选、小井眼钻井液和固井设计。

1 设计难点

1.1 常规井身结构钻速慢、周期长

目前，临兴区块致密气开发常用的井型有直井、定向井和水平井，其中直井和定向井采用二开井身结构：一开钻Ф311.15 mm井眼，下入Ф244.5 mm套管；二开钻Ф215.9 mm井眼，下入Ф139.7 mm套管。这种井身结构在钻井过程中存在岩屑量大、钻井液用量大、固井水泥浆量大等一系列问题，同时还存在机械钻速慢、钻井周期长的问题，2000 m左右定向井钻井周期约24天。在临兴大开发背景下，有必要对井身结构进行创新，以进一步降低作业成本、缩短钻井周期。

1.2 地层可钻性差异大

临兴区块构造属于鄂尔多斯盆地晋西挠褶带西缘[6]，自上而下钻遇的地层有刘家沟组、石千峰组、上石盒子组、下石盒子组、山西组、太原组、本溪组、马家沟组。根据地层可钻性分析，第四系黄土层可钻性较好，但刘家沟组以下地层可钻性较差[7,8]，可钻性级别均大于4，其中，石千峰组、石盒子组地层较硬，可钻性级别达到6；山西和太原组地层非常硬，可钻性级别达到7。对于这种可钻性较差的地层，需要对钻头开展针对性的研究，提高机械钻速。临兴区块地层可钻性分级如表1所示。

1.3 地层易漏失、易垮塌

临兴区块上部地层为新生界第四系沉积，土质疏松，钻井过程中容易发生漏失[9-11]，二开井段钻遇古生界地层井段长、层位多，层间容易漏失，同时，井壁剥落的掉块还容易造成卡钻事故。为了防止漏失、垮塌的发生，需要制定合理的钻井液密度，优选合适的钻井液体系，控制好钻井液的滤失和润滑性能。

1.4 井眼环空小，固井质量不合格风险高

表1 地层可钻性分析

临兴区块刘家沟组存在漏失和坍塌现象，易造成水泥浆低返，甚至导致气窜；低温下水泥浆体系调整困难；水泥石须具有高强的弹性、韧性以及耐久性，以满足后期压裂要求；部分层段地层岩性疏松，岩石机械强度低，稳定性差，易发生垮塌，顶替效率差，易发生窜槽，不利于水泥环第二界面的胶结[12]。为了降低固井质量不合格的风险，需要严格控制好固井水泥浆性能，设计合理的固井水泥浆密度和返高。

2 小井眼井优化设计

2.1 井身结构创新

井身结构设计需要考虑如下因素：

(1)满足测井、完井、压裂、采气等的要求；(2)满足压力平衡的基本原则；(3)选择的套管、作业工具应易于采办；(3)小井眼环空间隙小，考虑抽吸和激动压力过大的影响；(4)尽可能简化井身结构，降低作业成本。

通过大量的调研和对比研究[13-16]，并结合临兴区块的自身特点，研究优化小井眼井身结构如下：一开钻Φ215.9 mm井眼，下入Φ177.8 mm套管；二开钻Φ155.6 mm井眼，下入Φ114.3 mm套管(见图1)。

图1 常规井眼与小井眼井身结构对比

通过对套管强度进行校核，小井眼井一开套管选择20lb/ft、J55套管，二开套管选择11.6lb/ft、P110套管，可满足安全作业需求。按照一口2000 m小井眼计算，小井眼井一开和二开需用套管约41 t；2000 m常规井身结构井一开和二开共需要套管约62 t，管材费用可以节省34%左右，降本效果比较明显，见表2。

表2 小井眼井和常规井眼套管规格对比

2.2 钻头和钻具组合优化设计

起初设计小井眼井钻头为5刀翼19 mm齿固定水眼钻头，施工中水力参数无法进行有效调整，在石千峰层段钻进中连续出现泥包钻头现象[17,18]，后来经过大量研究，优化了钻头结构，将主切削齿数量由17个减少至15个，后倾角由20°调整至15°，侧倾角调整至10°以内；同时将复合片的出露高度提高至8 mm；将5刀翼调整至4刀翼水眼可调式钻头，结果显示钻头泥包现象得到有效控制。经过现场作业验证，石千峰以上地层适合使用4刀翼、19 mm齿钻头；石千峰及以下地层适合使用4刀翼、16 mm齿钻头，如表3所示。

表3 小井眼井单井钻头设计

小井眼井最初使用Φ88.9 mm钻杆，钻进过程中，一方面泵压存在偏大的情况，另一方面加压比较困难，为了解决这些问题，同时提高小井眼井携砂能力，通过对不同尺寸钻杆进行优选，选择Φ101.6 mm进行钻进时，效果比较好，如表4所示。

表4 不同尺寸钻杆数据对比

使用Φ101.6 mm钻杆时，相同排量下泵压明显降低，所以同井深下，能够使用更大排量钻进[19，20]。后续几口小井眼井使用Φ101.6 mm钻杆钻进时，泵压明显降低，携砂能力得到有效提高，如图2所示。

图2 使用不同钻杆钻进时泵压对比

2.3 钻井液优化设计

钻井液优化时，要能防漏、防塌，有效解决缩径、钻头泥包的问题，主要从强化封堵和抑制膨胀方面开展研究工作。临兴区块一开井段钻时快、井眼大，为防止重复破岩和沉砂卡钻，需要保证钻井液具备一定的携砂能力。同时，第四系黄土层和沙砾层，胶结性差，可钻性好，易漏易垮塌，需防止井漏、井塌，防止沉砂卡钻。一开井段采用膨润土浆，钻井液密度为1.03～1.07 g/cm3；钻井液配方为：清水+6%～8%膨润土+0.2%～0.3%Na2CO3+0.2%～0.3% HV-CMC。

二开井段，三叠系地层泥砂岩互层严重，胶结性差，需要防止钻头泥包；石千峰组以上含泥页岩地层存在井径扩大严重现象，需适当控制钻井液失水；石盒子地层存在硬脆性泥页岩，易发生井壁浸泡垮塌，需要提高钻井液抑制性能；山西组存在煤层，需要严格控制钻井液密度和失水，防止出现漏失，防止井塌。二开井段采用聚合物钻井液体系，密度为1.08～1.17 g/cm3；配方为：清水+2%～4%膨润土+0.1%～0.2% KPAM +1%～2%防塌剂+0.1%～0.2%Na2CO3+0.1%～0.2%XC +0.5%～0.7%PAC-LV+1%～2%CMS。膨润土加量对性能的影响如图3所示，XC加量对性能的影响如图4所示。

图3 膨润土加量对钻井液性能的影响 图4 XC加量对钻井液性能的影响

为了保证钻井的顺利进行，针对钻井液，对不同地层，提出了具体的钻井液维护措施：

(1)必须采用罐式循环，严禁采用清水钻进，防止清水长期浸泡地层引起井壁垮塌、埋钻等恶性事故的发生。(2)当钻至石千峰组地层时，应保证钻井液中降滤失剂和防塌剂的含量，同时保证钻井液性能稳定。主要是为了保证钻该地层时有较低的失水和较好的泥饼质量，防止地层水敏垮塌，并快速穿过。(3)钻至石盒子地层时，加足降滤失剂，保证滤失量不高于6 mL，同时补充PAC-LV和防塌剂稳固井壁，防止地层硬脆性垮塌。(4)钻至山西、太原组煤层时，应加大防塌剂和聚合物用量，维持煤层井壁稳定。(5)起钻前对全井钻井液进行调整，清除无用固相，加入降滤失剂和抑制剂，改善泥饼，增加钻井液的抑制性和防塌性。

现场使用结果表明，井漏和坍塌可得到有效控制，已钻小井眼井径扩大率均控制在合理范围内，大部分井段扩大率均在10%以下，部分井上部造斜段井段和下部石千峰和上石盒子组井眼扩大率稍大，但均在18%以内。

2.4 固井优化设计

小井眼井固井时管内外静液柱压差大、套管环空间隙小、流动摩阻高导致施工压力高，影响顶替效率，并且刘家沟地层承压能力低，顶替过程中易发生漏失，在进行小井眼固井优化设计时，考虑了以下几个方面问题：

(1)临兴区块刘家沟组地层承压能力低，破裂压力当量密度为(1.25～1.30)g/cm3，在保证水泥返高以及刘家沟组地层不漏失的情况下，要求低密度水泥浆有较高的强度，以满足后期压裂施工作业。(2)管内流动阻力大，固井作业时整体施工压力比较高，特别是后期顶替阶段有可能大于固井管线35 MPa的耐压值，可能导致水泥浆顶替效率低，影响环空水泥胶结质量。(3)高施工压力可能导致工具失效出现替空现象；高压蹩泵、水泥浆倒返等造成井底产生水泥塞；更严重的是套管内部分井段存在水泥塞导致无法压裂或灌肠致使整个井筒报废。为了解决好这些问题，对固井水泥浆、固井工艺、固井设计进行了相关研究，形成了如下具体措施：

(1)小井眼采用单级全封固井方式，针对裸眼段长易发生漏失问题，采用三段水泥浆密度体系降低井筒液柱压力：尾浆采用1.85 g/cm3常规密度水泥浆体系封固下部气层；中浆采用密度为1.35 g/cm3的低密高强水泥浆体系封固气层上部石千峰组和刘家沟组，领浆采用1.25 g/cm3的低密高强水泥浆体系封固和尚沟组以上至地面的上部地层。(2)为了保证固井结束浮箍以上套管内不留水泥塞，选用带胶塞碰压装置，确保在回压凡尔不起作用的情况下，胶塞碰压后也能完全起到封隔水泥浆的效果。(3)对裸眼井段有针对性地安放套管扶正器，结合固井模拟分析软件，根据井径、全角变化率、岩性、目的层段、通井情况等因素综合确定水泥浆封固井段套管扶正器的安放数量和间距，使套管居中度达到67%以上，从而提高顶替效率，确保固井质量的提高。

对2000 m小井眼井二开固井过程中的井底ECD值进行软件模拟计算，Φ114.3 mm套管固井过程中井底ECD值为1.46 g/cm3，不会压漏地层，满足安全作业要求。二开固井井底ECD模拟曲线如图5所示。

图5 小井眼井二开套管固井井底ECD值模拟曲线

3 现场应用效果

目前在临兴-神府区块已成功实施5口小井眼钻井作业，效果非常显著。2018年已完钻常规定向井平均钻井周期30天，已钻小井眼井平均钻井工期18天，缩短了40%。对比常规井眼，小井眼井良好的应用效果，主要表现在以下几个方面：

(1)小井眼钻井机械钻速提高50%以上，大大缩短了钻井周期；(2)小井眼所用钻具和套管尺寸小，节约了钢材，材料消耗降低50%；(3)小井眼井眼尺寸小，节约了钻井液和固井水泥浆用量，钻井液用量减少35%，固井水泥浆量减少50%以上；(4)小井眼产生的岩屑量减少50%，大大降低了岩屑处理费用；(5)小井眼钻井，对钻机配套设备要求降低，降低了钻井期间作业费；(6)小井眼钻井所用钻机和设备占地面积减小，降低了征地、修路等相关费用。

4 结论

针对小井眼井机械钻速慢、工期长、岩屑量大等问题，开展了小井眼井相关研究，包括对钻头和钻具组合优化设计，对钻井液体系重新优选、对小井眼固井优化设计，形成了临兴小井眼钻井设计关键技术。经过现场5口井的试验，取得了良好的应用效果，与常规井眼井身结构相比，工期缩短约40%，岩屑排放量减少约50%，套管消耗量减少约20%；固井水泥用量减少约50%；钻井液用量减少约30%，表明小井眼钻井设计关键技术可以有效地指导临兴区块小井眼现场钻井作业，能够实现优快钻井、降本增效的目标。