J45 断块盐下水平井钻井关键技术

宋武强 张彦瑞 李瑾 陈立震 王成实 訾锦春

渤海钻探工程有限公司定向井技术服务分公司

J45 断块位于冀中束鹿凹陷东翼，中、南洼槽之间，是受近东西走向的荆丘断层控制的鼻状构造油藏，自上至下钻遇地层为第四系平原组，新近系明化镇组、馆陶组，古近系东营组和沙河街组沙一段(Es1)、沙二段(Es2)、沙三段(Es3)，石炭—二叠系，奥陶系，主要含油层系为Es2、Es3段，其中Es3段已处于高含水开发后期，而Es2段处于未动用状态，亟待规模开发。Es1段作为区域盖层，下部发育一套以盐膏岩、盐岩、含膏泥岩、泥质和盐泥质白云岩为主的特殊岩性地层，埋深2 750～3 000 m，厚度30～165 m，平均厚度118 m。下部Es2段距离盐膏层底40～130 m处，发育一套中孔低渗储层，该储层纵向上可分为2 个油组，每个油组内划分为2 个砂组，4 个砂组均具有独立的油水界面，油层主要发育在Ⅰ、Ⅳ砂组，而Ⅰ、Ⅲ砂组物性差，Ⅰ、Ⅱ砂组含油面积小，因此Ⅳ砂组为目前主要生产层。Ⅳ砂组平均厚度8 m，内部含有9 号和10 号两个小层，两层之间发育一套1.5～2 m 厚的泥岩夹层，因此有效储层厚度只有约6 m。综上可知，Es2段Ⅳ砂组具有整体分布稳定、范围广，但有效油层厚度较小，产状横纵向变化快，自然产能低需压裂等特点，因此也具备了水平井开发条件。经过研究，决定优先在储量落实程度高的南部Es2段Ⅳ砂组部署水平井开发。

Es2段Ⅳ砂组作为目的层，紧邻上部大段盐膏层，且产状分布不稳定，造成了在井眼轨道设计、储层轨迹控制、套损套变预防和固井质量保证等方面的难度增大。通过对J45 断块盐下水平井钻完井难点进行梳理分析，提出了一系列针对性技术对策，经过现场应用，基本实现了盐膏层安全快速钻进，保证了水平井长封固段固井质量，预防了盐膏层套损套变，建立了区域地层变化规律，为后期水平井开发提供了参考。

1 钻井难点分析

1.1 油层与盐膏层距离近，井眼轨道设计难度高

由于盐膏层的蠕变特性，井壁易失稳，易造成缩径、卡钻等井下复杂情况，另有研究表明［1］，当钻井液密度一定时，盐膏层蠕变速率随井斜增大而变大，这就决定了盐膏层定向造斜风险大，且井斜不宜过大。而根据已钻井资料显示，下部储层距离上部盐膏层距离仅40～130 m，而作为设计目的层的Es2段Ⅳ砂组储层，其顶部距离盐膏层仅120 m，这些既导致定向造斜率增大，还缩小了入靶前调整余量，因此井眼轨道设计难度加大。

1.2 目的层地质特征复杂，井眼轨迹控制难度大

J45 区块Es2段地层向东、南、西三个方向倾没，顶部较平缓，倾角4°～6°，翼部较陡，其中东翼倾角约18°，西翼倾角约7°～8°，产状呈现出不稳定、变化快的特点，同时Es2段Ⅳ砂组储层有效厚度相对较薄，这些都将加大井眼轨迹调整的频率。另外测录井资料显示油层顶、底及层内夹层均有泥岩发育，但泥岩自然伽马特征显示不明显，且颜色不稳定，加之水平井中含荧光材料润滑剂的使用，都将增加现场储层识别和着陆点卡取的难度，进而压缩了现场井眼轨迹调整空间。

1.3 盐膏层蠕变应力大，套管设计难度大

受Es1段底部盐膏层蠕动所引起的非均匀载荷影响，目前该区块套变井、报废井不断增多，井网遭受严重损坏。根据资料统计显示，该区块前期共钻井141 口，发生套损套变井97 口，其中71 口为严重套变，出现窜槽、卡管柱等问题，甚至部分井已报废。而从套变时间角度看，41%套变发生在6 个月内，说明该区块盐膏层塑性蠕动速度快、能量大的特点，套管抗外挤强度设计需要继续攻关。

1.4 水泥浆易被污染，固井质量难以保证

地层中盐膏岩溶解后，不仅污染水泥浆，引起絮凝，还腐蚀水泥石，影响水泥石强度。若夹层中盐溶解后，还易引起砂泥岩井壁垮塌，造成井眼环容增大，降低水泥浆顶替效率，影响固井质量。同时盐膏层还具有强吸水性，存在水泥浆闪凝和水泥石收缩等风险，造成灌香肠和胶结质量差等问题。另外该区块水平井开发时，一是井斜大，套管居中度无法保证；二是水泥封固段长，最长近3 000 m；三是应用随钻测井技术，可代替完井电测，因此固井前缺少实际井径数据，导致真实环空容积无法预测。

2 钻井关键技术及对策

2.1 井眼轨道优化设计

由于受地面井口位置限制，该区块水平井井口与靶箱不在同一方位，存在偏移距，轨道设计时需要小幅扭方位5°～10°，严格意义上属于三维水平井轨道设计，结合上文所述难点，优先选用双增剖面进行轨道设计。目前常用双增剖面有3 种，即“直-增-稳-增(扭)-平”五段制、“直-增-稳-增(扭)-增-平”六段制和“直-增-稳-扭-稳-增-平”七段制。鉴于目的层倾角预测在75°～85°之间变化，入靶时地层倾角相对较陡，下部增斜压力相对较小，因此采用“直-增-稳-增(扭)-增-平”六段制即可(见图1)。

图1 J45-P2 井井眼轨道垂直剖面示意图Fig. 1 Schematic vertical profile of the hole trajectory of Well J45-P2

以J45-P2 井为例(见表1)，首先考虑到防止生产井杆管偏磨，延长检泵周期，造斜点要在下泵深度(平均1 703 m)以下，同时还要保证在盐膏层以上50 m，以≤4 (°)/30 m 的造斜率完成增斜至20°～30°的目标，以避免在盐膏层造斜的风险，然后稳斜穿过盐膏层50 m 后，再以高造斜率(≤8 (°)/30 m)二次增斜至产层倾角中靶，最后稳斜至井底。其中二次增斜可分为2 个阶段，即边增边扭阶段和单增斜阶段，前者先高造斜率快速将井斜增至60°～70°，同时方位角扭至最终设计方位，可避免当油层垂深提前较多，而方位角未扭到位，导致牺牲造斜率来获取方位，造成造斜率不足、轨迹失控的情况；后者则小幅降低造斜率准备入层，该阶段还会提前下入地质导向工具，采用适度的造斜率可为提前入层和新工具造斜率不确定提供调整空间。整体上，该轨道设计方案将三维轨迹剖面分解为双二维轨道剖面，可实现“三维轨道两维打”，大幅提高偏移距带来的水平井钻井工程难度。

表1 J45-P2 井井眼轨道设计剖面Table 1 Design profile of the hole trajectory of Well J45-P2

2.2 地质工程一体化导向

2.2.1 精确储层预测

目的层着陆前，结合三维地震及邻井测井资料，选取上部特殊岩性段、Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ砂组等标志层作为地层对比依据，当钻穿标志层Ⅲ砂组底部之后，采用等厚法推算目的层垂深及产状，预测着陆点位置，实际证明设计符合率较高。

2.2.2 实时地层识别

在水平段应用地质导向技术，可采用随钻伽马测井或近钻头导向(NWD)技术进行储层识别［2］。由于NWD 导向技术测量盲区小、测量参数多，能够第一时间识别地层，有利于轨迹及时调整，因此后期地质导向成为首选技术。着陆后，利用实钻的上下伽马曲线判断轨迹与地层切割关系，将井眼轨迹控制在设计靶箱范围内，同时结合钻遇地层特征及录井、地震等资料提前判断钻遇地层的倾角变化，有效提高储层钻遇率［3］。

2.2.3 精准岩屑分析

钻进过程中，对井筒中随钻返出的岩屑进行X 射线衍射全岩矿物分析(XRD)及岩屑元素矿物地层评价(RoqScan)，可从微观角度获得地层矿物的变化规律。运用RoqScan 技术同步扫描随钻岩屑，可对地层矿物成分、含量及孔隙结构进行定量分析。该技术在进入目的层前50 m 开始进行，取样间隔每2 m 一次。同时选取有代表性的随钻岩屑，应用三维定量荧光技术，可有效解决钻井液污染条件下的油气精准识别问题。通过以上技术的应用，可辅助进行地层位置判断，并对后期射孔、压裂井段提供指导。

2.2.4 高效轨迹控制

该区块设计水平段平均600 m，最长767 m。随着水平段延长，钻进过程中摩阻扭矩增大，容易托压，当储层产状突然变化时，轨迹控制困难，难以实现快速追层，造成储层钻遇率降低。因此在优选地质导向工具，缩短储层响应时间同时，还应加强降摩减扭工具优选，提高轨迹控制效率。

水力振荡器作为一款经济型降摩减扭工具，应用广泛，效果显著。这里要重点考虑水力振荡器的激振能力和井下作用范围，优选工具型号及最佳安放位置，确保使用时振动传递范围不小于工具距井底距离。根据钻具组合、井斜和排量等参数，计算得出水力振荡器在该区块水平井的安装位置为距钻头150～200 m。另外在储层中钻进要注意尽量保持造斜率小于4(°)/30 m，以求井眼轨迹平滑，并尽可能利用地层造斜趋势，减少滑动钻进，提高机械钻速。

2.3 抗盐水泥浆体系

为解决盐膏层污染水泥浆问题，优选抗盐降滤失剂、减阻剂、缓凝剂等添加剂，合理调节配浆水的盐浓度，形成一套抗盐水泥浆体系。这里选择含水溶性AMPS 分子的水泥浆添加剂，该分子含有磺酸根、酰胺基团和碳碳双键等活性官能团，其中磺酸根对盐显惰性，使其具有抗盐、抗高温性能，酰胺基团使其具有较好的水解稳定性、抗酸碱及热稳定性，而碳碳双键使其易于与其他分子发生共聚。另外加入膨胀剂，提高水泥石变形能力，保持不同阶段水泥石体积稳定。

为保证长封固段整体固井质量，提高下部储层段固井优质率，满足有效封隔油水层和体积压裂的需要，通过室内实验优化出双密双凝韧性水泥浆体系，并采用一次上返工艺。该水泥浆体系领浆配方：D 级水泥+15%玻璃微珠Y12000+2%降滤失剂TW-100S+1%分散剂TW-401+1.2%缓凝剂ZH-2+10%NaCl；尾浆配方：G 级水泥+2.5%降滤失剂TW-100S+0.8%分散剂TW-401+3%微硅+3.5%分散剂G401+5%堵漏剂+9%NaCl。从表2 实验结果可看出，该体系具有滤失量小、流变性好、自由水接近0、稠化时间可调和水泥石早期强度高等特点。

图2 J45 断块盐膏层套变预防技术进化历程Fig. 2 Development history of the casing deformation prevention technology used for salt gypsum layers of Fault Block J45

表2 抗盐水泥浆体系常规性能Table 2 Conventional properties of salt-resisting slurry system

2.4 双层套管抗挤

J45 断块在预防盐膏层套变方面，先后采用了标准套管、标准厚壁套管、高钢级厚壁套管、双层组合套管注水泥或机油及分段不固井等措施，其中后三者比较有代表性。如图2 所示，J45 区块开发前期由于对盐膏层蠕变应力速率和大小认识不足，使用过N80 和P110 钢级的Ø139.7 mm×7.72 mm、Ø139.7 mm×9.17 mm 和Ø139.7 mm×10.54 mm 多种标准套管，均未能阻止套变发生。随后选取3 口井尝试采用NKT140 钢级Ø139.7 mm×20.62 mm 高钢级厚壁套管，其中2 口井仍发生套变。在进入20 世纪90 年代后，通过与高校合作，开发出Ø139.7 mm+Ø193.7 mm 双层组合套管注水泥或机油技术，该阶段前期双层组合套管环空采用注水泥，取得一定效果，但应用过程中发现仍有部分套管变形，后期改为环空注机油，截止目前该技术应用井还未发现有套变情况，有效解决了盐膏层套变问题。

通过多年应用，双层套管注机油技术已较为成熟，该技术理论抗外挤达到200 MPa 以上，但由于完井时需下入Ø139.7 mm+Ø193.7 mm 双层组合套管，井眼尺寸由之前Ø215.9 mm 变为Ø241.3 mm，理论上增加了1/4 的破岩体积，这也一定程度上影响了钻井周期和建产效益。

近年来，在预防盐膏层套变方面又提出了新思路，由过去“以硬碰硬”转为“以柔克刚”，即应用分级固井技术，尝试在盐膏层段不固井，为盐膏层预留蠕变空间。目前该技术现场试验1 口井，并在完井后第13 个月进行40 臂井径成像测井，显示套管状态良好，说明该技术取得了初步成效，有待于后期进一步持续跟踪。另外由于相比常规一次上返工艺，双级固井工艺的固井质量还不稳定，也是制约该技术推广应用的重要原因。

综合以上考虑，在该区块水平井套管设计中，可采用双层组合套管注机油+复合井眼的方法，兼顾套变预防与钻井提速。该方法是在二开先使用Ø241.3 mm 钻头钻穿盐层50 m，再改换Ø215.9 mm钻头钻至井底，这样在一定程度上减少了井眼破岩体积，提高了机械钻速，降低了钻井周期。完钻后，在盐膏层段使用Ø193.7 mm+Ø139.7 mm 双层套管注机油技术，其余井段下入Ø139.7 mm 套管完井。

3 现场应用

针对J45 断块沙二段Ⅳ砂组油层开发，前期共设计完钻水平井4 口，平均完钻井深3 883 m，平均水平段长541.3 m，最长水平段858 m，储层钻遇率94.5%，平均机速11.1 m/h，平均钻井周期33.9 d，事故复杂时效为0。

3.1 地质工程一体化导向技术应用

3.1.1 地质导向应用

以J45-P2 为例，着陆前比照邻井选取3 个主要标志层，并提前下入近钻头地质导向工具，获取地层实时曲线，结合岩屑录井，开展精细地层对比，按等厚法持续校正目的层深度，保证着陆角度合理。如图3 所示，该井预测将在斜深3 176 m 处，即垂深3 066.40 m 着陆，着陆角70.05°，实际着陆点在斜深3 169 m，即垂深3 063.44 m 进入目的层，着陆角为68.14°，表明垂深预测符合率高达99.9%。入层后，根据地质要求继续向下探泥岩夹层及底板位置，出层后迅速向上增斜追层，入层后稳斜钻进，至第2 次钻穿夹层后，降斜至82°～83°顺层稳斜钻进。由于地层倾角变缓，第3 次钻遇夹层，决定降斜钻穿夹层，而后从80°增斜钻进至87.3°第4 次钻遇夹层，继续增斜至夹层顶部4 027 m 完钻，完钻井斜90.0°。

图3 J45-P2 井储层地质导向轨迹Fig. 3 Geosteering track of Well J45-P2 in the reservoir

进入储层前开始应用岩屑、XRD 和三维定量荧光等录井技术，找出区域储层、夹层及顶底界面中的岩性、物性及含油气性变化特征，同时运用RoqScan扫描技术，既对地层成分及物性参数定量分析，还对岩石力学参数计算反演，最后多项技术之间相互对比、印证，形成了该区域的地层变化规律。这些新技术的应用，不仅对导向过程中顶底界及夹层的判断起到重要的辅助作用，还对后期射孔、压裂选层具有重要的指导作用。

3.1.2 工程导向应用

在定向增斜井段，上部Ø241 mm 井眼采用1.25°弯螺杆，下部Ø215.9 mm 井眼为提高造斜能力，采用1.5°弯螺杆；大井斜至水平段，应用水力振荡器和井眼清洁器，减小摩阻扭矩，破坏岩屑床，提高钻进效率，降低卡钻风险；水平段着陆前，根据储层预测深度、倾角等数据，采用“低角度入窗+缓增斜+稳斜”的轨迹控制方术，将着陆角稳定在70°左右，提高应对储层垂深变化能力；水平段着陆后，在储层中进行轨迹调整时，造斜率在4 (°)/30 m 以内，充分利用地层造斜趋势，提高复合钻进比例，避免扭摆方位，最终保持了实钻井眼轨迹平滑。

3.2 套变预防技术应用

J45 区块4 口水平井平均钻遇盐膏层151.5 m，最长达220 m。为预防盐膏层套管变形，固井下套管前，先根据测录井资料确定盐膏层段位置，然后固井下套管时，将常规套管串中盐膏段上下30 m(2 700～2 980 m)换成双层组合套管串，并在内外套管环空中注满机油后密封，最后采用常规注水泥固井方式封固地层。根据设计，盐膏层双层套管外层为P110 钢级Ø193.7 mm×12.7 mm 套管，内层为P110钢级Ø139.7 mm×10.54 mm 套管，其余井段套管为Ø139.7 mm×9.17 mm 套管。有限元软件模拟该双层组合套管抗外挤强度大于250 MPa，而预测该断块盐膏层最大异常高压为189 MPa［4］，因此满足抗外挤要求。

相比常规套管串，双层组合套管串关键工具是一对注油专用阀门，负责连接上下套管与中间双层组合套管，并达到密封套管内机油的作用［5］。目前该技术的应用井均未发现套损套变现象。

3.3 盐膏层固井技术应用

J45 区块水平井平均封固段长2 855 m，通过对固井工艺、套管居中度、井眼清洁、水泥浆体系、冲洗隔离液不断优化，实现了固井质量的全面提高，为后期压裂投产提供了保障。

J45-P1 井采用双级固井工艺，一级固井采用常规密度抗盐水泥浆，封固盐膏层以下，二级固井采用低密高强双凝水泥浆，封固膏岩层以上，下入刚性扶正器保持居中度。最终测井显示盐膏层以上固井质量较好，盐膏层以下则固井质量较差，亟需工艺提升。

为提高固井分级箍处固井质量和保证体积压裂套管密封性，J45-P2 井固井工艺改为一次上返，上部采用低密度水泥浆，下部用常规抗盐韧性水泥浆。刚性扶正器尺寸由Ø205 mm 增加到Ø216 mm，固井时将井斜60°以上套管内替为清水，增加水泥浆对套管的浮力，提高套管居中度。最终测井显示储层段封固质量有了大幅提高，但上部填充段固井质量较差，仍需持续优化。

J45-P3 井，固井前注入含纤维稠浆20 m3，携裹不规则井眼泥砂，加强井眼清洁。固井时注入高温高黏悬浮隔离液，改善界面亲水性，提高水泥石胶结质量。同时精确计算环空静压差，上部填充段水泥浆密度提高到1.70 g/cm3。最终测井显示膏盐层上部填充段固井质量优质，膏盐层下部储层段优质率达到79%，整体固井质量大幅提升，初步形成了该断块水平井固井配套技术。

4 结论

(1) J45 断块Es1段底发育大段盐膏岩，该盐膏层蠕变速率快、应力大，且紧邻下部产状不稳定、横纵向变化快的Es2段储层。有针对性地提出双增六段制剖面设计、地质工程一体化导向、双层套管注机油及抗盐水泥浆体系等J45 断块盐下水平井钻井关键技术，实现了该断块水平井的有效开发。

(2)针对J45 断块地层特性复杂、储层预测和识别难度大、轨迹控制困难等问题，综合应用地层对比、构造分析、地质录井和随钻测井等多项技术，辅助应用三维定量荧光录井、XRD 录井及RoqScan 扫描等新技术，精准预测储层深度及产状，合理控制储层着陆角度，形成了一套精细型地质导向分析系统。同时优选水力振荡器和井眼清洁器等专用工具，提高定向效率，降低井下风险，形成了一套经济型井眼轨迹控制技术。

(3) Ø193.7 mm+Ø139.7 mm 双层组合套管注机油技术，是目前J45 断块预防盐膏层套管变形的最有效措施，但仍面临上部Ø241.3 mm 井眼尺寸大，不利于钻井提速，Ø241.3 mm+Ø215.9 mm 复合井眼易产生台阶，不利于钻井安全的问题。因此建议下一步研发高抗挤Ø139.7 mm 套管，满足抵抗盐膏层非均匀蠕变应力的需要。