富县区块气层水平井二级井身结构应用可行性分析

牛似成

（中国石化华北油气分公司石油工程技术研究院，河南郑州 450006）

2009 年以来，华北油气分公司先后部署实施了8口直井和3 口水平井对富县区块天然气资源进行勘探评价，认为下石盒子组盒1 段地层具有开发价值。盒1 段气层垂深为2 700～2 900 m，孔隙度为5%～11%，渗透率为0.1×10-3～0.5×10-3μm2，地层压力系数为0.85，属于低孔低压特低渗储层。2014—2016 年，在盒1 段气层实施了富平探1 井、FP1 H 井和FP3H井三口评价水平井，平均钻井周期长达100.26 d。富平探1 井和FP1H 井均采用裸眼预置管柱完井+分段压裂改造，储层改造体积有限，试气后未达到工业开发要求；FP3H 井采用悬挂尾管固井及可钻桥塞分段大规模压裂改造，试气效果仍未达到工业开发要求。盒1 段气层水平井钻井周期偏长，裸眼预置管柱完井储层改造规模制约了富县盒1 段气层的有效开发。将三级井身结构改进为二级井身结构可缩短钻井周期，采用φ139.70 mm 全通径套管固井完井可为后期储层大规模改造压裂提供较好的井眼条件。

1 二级井身结构应用难点

分析富县区块前期实施的富平探1 井、FP1H 井和FP3H 井得出:①地表层第四系容易发生漏失；②刘家沟组、石千峰组及石盒子组泥岩井壁易掉块，水平段井壁掉块尤为明显；③石千峰组局部发育盐水层，影响钻井液抑制性及封堵性。基于此，结合二级井身结构水平井特点，得到富县区块气层实施水平井二级井身结构主要存在盐水层污染钻井液及长裸眼段井壁失稳等问题。

1.1 泥岩井壁易失稳掉块

富县区块气层水平井以下石盒子组盒1 段为目的层，水平井全井井深3 900 m 左右（水平段长1 000 m 左右），若采用二级井身结构，则二开裸眼段长度为3 500 m 左右，二开穿越发育硬脆性泥岩的刘家沟组、石千峰组及石盒子组，极易发生井壁失稳掉块。在FP1H 井及FP3H 井现场施工过程中，刘家沟组、石千峰组及石盒子组均发生了较为严重的泥岩掉块，导致井径变化剧烈、井径变化率偏大（图1 和图2）。

图1 FP1H 井导眼段井径变化曲线

图2 FP3H 井导眼段井径变化曲线

从FP1H 井和FP3H 井导眼段井径变化曲线可以看出，实钻井壁稳定效果较差，井壁掉块严重。FP1H 井应用类油基钻井液体系并未起到很好的稳定井壁效果，FP3H 井应用常规钾铵基聚磺钻井液体系井壁失稳掉块严重，现场应用钻井液体系存在密度及性能控制不足。FP1H 井和FP3H 井均采用三级井身结构，三开水平段为φ152.40 mm 井眼。若改为二级井身结构，在水平段井眼由φ152.40 mm 增大为φ215.90 mm，根据前期大牛地气田井壁稳定研究技术成果，井眼尺寸越大则井壁稳定性越差，若改为二级井身结构，将加大水平段井壁垮塌的风险。因此，需要针对当前采用的钻井液体系进行改进，提高抑制性及封堵性，同时确定各井段合适的钻井液密度以稳定井壁，降低井壁失稳掉块造成遇阻卡钻的风险。

1.2 长裸眼段套管固井完井

对富县区块气层水平井进行长裸眼段套管安全下入敏感性分析，设定一开采用J55 型φ244.50 mm×8.94 mm 套管，二开采用φ222.30 mm 与φ215.90 mm 的复合井眼，井径扩大率8%，套管内摩阻系数为0.10～0.20，裸眼段摩阻系数为0.10～0.30，安全下入敏感性分析结果见图3。

图3 二级井身结构套管下入敏感性分析

从套管下入敏感性分析结果来看，裸眼段摩阻系数0.20～0.30 内均能实现套管下入，只是随着摩阻系数增大，套管会出现一定的屈曲。采用一次双凝水泥浆体系固井完井，模拟二级井身结构水平井全井段3 903 m，环空间隙较大（38.1 mm），可以满足现场施工要求。杭锦旗区块已成功实施多口水平井二级井身结构且采用一次双凝水泥浆固井，如J58P9H 井垂深3 118 m、井深4 238 m，采用一次双凝水泥浆体系成功实施固井，固井质量优良。据此估算，富县区块气层的水平井垂深2 700～2 900 m 和井深3 900～4 200 m，可以全井段采用一次双凝水泥浆固井。

1.3 局部发育盐水层

富县区块局部区域石千峰组发育盐水层，钻遇后易造成钻井液性能下降，井壁稳定效果变差，井壁掉块严重。新富3 井钻至石千峰组发生盐水侵，钻井液失水增大，密度增加，气泡增多，pH 值上调比较困难，泥浆增稠；现场水分析Cl-含量为7 361.81 mg/L，钻井液受污染后井壁掉块明显增多，钻具上提下放困难，且蹩转盘严重。新富6 井钻至石千峰组也发生盐水侵，井壁失稳严重，造成长井段回填侧钻。FP1H 井现场采用类油基钻井液体系，现场钻进盐水层未发生钻井液性能下降等情况。因此，富县区块气层水平井应采用抗盐类钻井液体系，预防盐水侵。

1.4 储层保护及储层评价

统计富平探1 井、FP1H 井和FP3H 井斜井段最高钻井液密度发现，富平探1 井斜井段钻井液密度为1.23～1.26 g/cm3，FP1H 井斜井段钻井液密度为1.23～1.26 g/cm3，FP3H 井斜井段钻井液密度为1.20～1.25 g/cm3。若采用二级井身结构水平井，则水平段钻井过程中须提高钻井液密度至1.20 g/cm3以上，如此高的钻井液密度必然加重钻井液对储层的污染，不利于富县区块气层评价。

2 二级井身结构的可行性

某区块某储层是否适合水平井二级井身结构，首先必须明确地层压力（破裂压力、孔隙压力和坍塌压力）变化情况，有无异常压力地层，即地层压力是否适合水平井二级井身结构，其次应了解实钻地层中是否有易发生恶性漏失、井塌的地层，即是否有必封点[1-7]。针对富县区块前期实钻情况开展这两方面分析。

2.1 地层压力剖面分析

在富县区块实钻直井进行了声波、电阻率、自然伽马等多项测井，但尚未开展全井段地层压力测试，仅对目的层的下石盒子组及马家沟组等开展了DST测试，明确了地层孔隙压力。基于此确定富县区块地层压力的求取思路，依据测井资料并利用地层压力经验计算模型求取地层压力，并通过DST 校准地层压力剖面。利用测井资料求取地层压力剖面首先要确定全井段岩石力学参数剖面，如弹性模量、泊松比等。基于声波、自然伽马、密度等测井资料及全井段岩石力学参数剖面，利用等效深度法计算得到了富县区块全井段地层孔隙压力，再利用最大拉应力破坏准则计算地层破裂压力，最后利用库伦摩尔准则计算地层坍塌压力，得到的地层压力剖面见图4。

从图4 可明显看出，富县区块地层孔隙压力正常趋势分布，当量密度为0.78～1.02 g/cm3。地层坍塌压力当量密度自延长组至太原组从0.50 g/cm3逐步增加到1.20 g/cm3，地层破裂压力当量密度从1.70 g/cm3增加到2.20 g/cm3，马家沟组坍塌压力当量密度迅速减小到0.50 g/cm3以下，破裂压力当量密度迅速增大到2.50 g/cm3以上。

富县区块全井段地层压力呈正常分布趋势，未有异常低压或异常高压，且地层破裂压力当量密度均在1.70 g/cm3以上，根据同构造相邻区块实钻情况，钻井液密度最高为1.25 g/cm3，不会压漏上部地层，满足水平井二级井身结构应用条件。

图4 富县区块直井全井段地层压力剖面

2.2 必封点分析

分析富县区块二级井身结构水平井实施难点发现，刘家沟组-石盒子组泥岩井壁易失稳是制约水平井二级井身结构应用的关键，亦是实现储层保护的关键。刘家沟组-石盒子组恰好位于斜井段，地层坍塌压力相对较高，在现用钻井液体系条件下很难同时实现井壁稳定及储层保护；泥岩易分散，水化黏土矿物含量高且微裂缝发育，钻井液滤液通过微裂缝进入泥岩导致泥岩水化失稳。基于此，可优化钾铵基聚磺钻井体系液封堵性、抑制性，优选封堵类材料封堵泥岩微裂缝，减少钻井液滤液侵入，同时优选抗盐类抑制剂及降滤失剂，综合提高钾铵基聚磺钻井液体系泥岩井壁稳定性。研究无土相硅酸盐复合盐水钻井液，降低钻井液密度的同时，提高钻井液体系对泥岩的稳定性，实现稳定泥岩井壁与保护储层的目的。

3 二级井身结构

基于富县区块实施水平井二级井身结构难点，结合地层压力正常分布趋势，确定一开封固地层疏松地层，减少钻具输送测井对接次数，二开防塌保护储层钻至井底。结合当前分段压裂改造工具及大规模压裂改造需求，水平段采用φ139.70 mm 生产套管，反向递推得到一开和二开井眼尺寸及套管尺寸，二开A 靶点之前采用φ222.25 mm 井眼，保留更改三级井身结构预案[8-11]。

3.1 技术方案

针对斜井段刘家沟组、石千峰组和石盒子组泥岩易垮塌、盐水侵、储层保护差等问题，在钻至A靶点后下膨胀管封固整个斜井段，确保后期水平段钻进过程中斜井段不会发生垮塌，保证盐水不会对钻井液产生污染，为水平段低密度钻井液钻进打好基础，井身结构见表1。

表1 富县气层水平井二级井身结构方案

3.2 配套技术措施

3.2.1 强抑制抗盐钻井液体系

富县区块实施3 口气层水平井分别采用钾铵基聚磺钻井液体系及类油基钻井液体系，FP1H 井应用类油基钻井液体系具有较强的抗盐能力，但成本较高且稳定井壁效果一般。初步估算FP1H 井类油基钻井液成本约为200 万元，FP1H 井导眼斜井段井径变化剧烈且井径扩大率较大（图1），富平探1 井及FP3H 井应用钾铵基聚磺钻井液体系抗盐能力较差，且稳定井壁效果较差，FP3H 井导眼斜井段井径变化剧烈且井径扩大率较大（图2）。基于致密低渗气藏低成本开发的需要，类油基钻井液成本高，无法大规模推广应用，应对钾铵基聚磺钻井液体系抗盐能力及抑制性进行优化。优选CMC、SMP、聚阴离子纤维素、改性淀粉或FCLS 等抗盐处理剂对钾铵基聚磺钻井液体系进行抗盐能力优化，同时对钾铵基聚磺钻井液体系进行泥岩封堵性、抑制性优化评价，通过室内多组配方的复配实验，形成抗盐能力较强且稳定泥岩效果较好的钻井液体系。此外，开展硅酸盐复合盐水钻井液应用匹配性实验，硅酸盐复合盐水钻井液抗盐能力较强，且抑制性亦较强，可通过室内泥岩浸泡实验或其他抑制性实验逐步优化，形成与富县区块泥岩层相匹配的硅酸盐复合盐水钻井液体系。

3.2.2 波纹膨胀管封隔易垮塌地层

富县区块气层水平井采用二级井身结构，二开长裸眼段包含直井段、斜井段及水平段，斜井段石千峰组和上石盒子组硬脆性泥岩受钻井液浸泡时间较长，极易诱发井壁失稳掉块。水平段钻进过程中若斜井段发生掉块卡钻，极易造成埋钻具等复杂情况。波纹膨胀管施工受地下条件影响，存在一定的风险，若发生遇阻、遇卡或膨胀不到位等复杂情况，会影响后续施工。鉴于此，钻穿斜井段后，建议采用波纹膨胀管封隔大斜度井段，用物理封隔方式稳定斜井段硬脆性泥岩[10]。

3.3 应急预案

为确保富县区块气层水平井二级井身结构在现场应用过程中安全有效，制定二级井身结构转三级井身结构预案，以防二级井身结构无法实施后整口井报废。

若二开直井段及斜井段实钻过程中发生盐水侵、井壁掉块严重或其他复杂情况，则在二开采用φ 222.25 mm 钻至A 靶点后，下入φ177.8 mm 技术套管固井，固井采用一次注水泥双凝水泥浆体系全井封固固井工艺，尾浆返至气层顶界以上300 m，低密度水泥浆返至井口。完井完成后进行三开作业，三开水平段采用φ152.40 mm 钻头钻至设计B 靶点，井身结构与套管程序设计见表2。

表2 二级变更三级井身结构预案

4 结论及建议

（1）富县区块气层水平井实施二级井身结构存在盐水侵及井壁失稳等风险，应优化强抑制抗盐钻井液体系，应用波纹膨胀管可保证二级井身结构的有效实施。

（2）建议开展室内强抑制抗盐钻井液体系优化研究，在富县区块气层水平井推广应用二级井身结构。