临兴区块致密气钻井提效技术

贾佳 夏忠跃 冯雷

（中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津塘沽300457）

0 引言

临兴区块位于鄂尔多斯盆地晋西挠褶带西北缘，沉积条件复杂，储层非均质性强、连续性差、具有低孔、低温、低渗，低压、自然产能低或基本无产能的特点，需要实施后期压裂改造或者其他增产改造措施才能产出工业气流［1-2］。致密气的这种特性，注定了必须要走低成本高效开发模式，然而，临兴区块目前的致密气钻井机械钻速慢、钻井周期长、钻井成本高，因此，急需要开展提效技术研究，以提高开发效益，实现非常规油气的快速发展。

1 钻井提效技术研究

1.1 小井眼井身结构钻井技术

临兴区块直井和定向井采用的常规井身结构为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，同时随着环保要求的逐渐严格，废弃物处理成本剧增［3］。为了缩短工期，提高钻速，实现降本增效的目标，有必要对常规井身结构进行优化和改进。从岩屑量、钻井液、套管、固井水泥、钻机负荷、作业成本等方面对井身结构改进研究，改进后的小井眼井身结构（Ф215.9 mm×Ф177.8 mm＋Ф155.6 mm×Ф114.3 mm）与常规井身结构相比，具有明显的优势。以2 000 m井深的井为例，两种井身结构对比分析的结果如表1所示。

根据研究结果，使用改进后的小井眼井身结构钻进时，钻井液用量减少33%，岩屑量减少52%，套管减少21%，固井水泥减少52%，钻机负荷减少14%，综合作业成本减少30%以上。

1.2 长裸眼段水平井钻井技术

水平井钻井过程中，存在裸眼段长、摩阻较大，托压严重、钻井周期长的特点［4-6］，应对井身结构进行优化研究。临兴区块目前的主要目的层为太原组和石盒子组［7-8］，地层基本属于较为稳定的地层，可以将早期的三开水平井调整成二开水平井，一趟钻完成长裸眼井段直井段、造斜段和水平段的钻进。同时借鉴邻近区块的作业经验，二开井身结构水平井可以一趟钻钻至完钻井深。调整为二开井身结构后，裸眼段较长，摩阻增加，给下套管、钻进、固井都造成了一定的压力。

表1小井眼井身结构与常规井眼井身结构对比分析表

图1常规井眼与小井眼井身结构对比示意图

结合水平井固井水泥浆性能实验及套管居中工具研制研究、长裸眼段水平井钻井液性能及储层保护实验技术研究，形成了适合工区的长裸眼段水平井钻井技术，改进后的井身结构为Ф311.15 mm×Ф 244.5 mm＋Ф215.9 mm×Ф139.7 mm（图2）。现场作业表明，通过该技术使单井节约钻井用水10%，钻井周期缩短了30%。

图2水平井身结构优化前后对比示意图

1.3 钻井液改进研究

临兴中区块地层发育比较齐全，第四系黄土层和砂砾层胶结性差［9-10］，易漏易垮塌，需防止井漏、井塌、沉砂卡钻；三叠系地层泥砂岩互层严重，胶结性差，需防止钻头泥包；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；石盒子组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；山西组夹煤层，含炭质泥岩，井壁稳定问题比较突出，需严格控制钻井液密度和失水，防止出现漏失和井塌［11-12］（表2）。因此对临兴区块地层开展了碱敏、水敏、速敏、酸敏、盐敏评价（表3），在此基础上，对钻井液进行了改进。

表2临兴地区地层情况统计表

表3临兴地区储层敏感性研究分析表

经过研究发现超双疏理论及材料引进到钻井液体系中，可形成适合临兴区块的强封堵和KCl双疏封堵钻井液体系。在解决井壁失稳的同时通过表面双疏改性［13-15］，提高了钻井液的润滑性能，键合润滑剂的引入很大程度上缓解了钻井施工长水平段的托压问题，同时实现了钻井过程的储层保护。

评价超双疏剂加量对表面张力的影响规律发现，随着超双疏剂加量的增加，岩心表面张力急剧下降，当浓度达到3%时，表面张力由61.1 mN／m降至0.82 mN／m（图3），继续增加，表面张力基本不再变化。由此可知，添加3%的双疏剂以实现最优的双疏效果。将改进后的钻井液投入现场应用，不仅可以有效改善储层保护，而且托压问题得到明显缓解，钻井日效率由平均62 m／d提高到平均85 m／d，提高了37%。

图3岩心表面张力随超双疏处理剂加量的变化图

1.4 钻头优选

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，除了地层本身特征、钻井液影响外，钻头结构不合理也是主要的原因之一［16-18］。所以，需要对钻头结构进行改进研究。布齿密度对钻头机械钻速影响较大，布齿密度越大，每颗齿分担的钻压减小，破岩效率降低，而钻头寿命提高。因此，对于硬、研磨性地层需要增加提高布齿密度，对于软地层则应减少布齿密度，综合考虑机械钻速和钻头寿命，将主切削齿数量由17个减少至15个。

后倾角是切削齿切削面和地层平面法线之间的夹角，对钻头切削性能影响显著，其大小一般表征了钻头对地层攻击性的强弱。相同的条件下，后倾角越小，切削齿受力越小，钻压和扭矩越小。综合考虑钻头钻进速度、钻头的稳定性和钻头的寿命，后倾角由20°调整至15°左右。

侧转角对钻头切削下的岩屑产生侧向推力，使其向侧方运动，利于将岩屑推向钻头外侧，提高清洗效率，防止钻头泥包。统筹考虑，侧倾角调整至10°以内；同时，将5刀翼调整至4刀翼水眼可调式钻头。

改进后的钻头应用于现场，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（表4）。

表4小井眼井单井钻头设计表

1.5 钻具组合改进

对钻具组合进行了针对性的改进，研制了高扭矩马达和配套钻头（图4），首次在螺杆钻具中应用金刚石复合片推力轴承，大大提高了轴向承载能力，延长了轴承使用寿命；采用等壁厚定子橡胶注胶工艺提高了马达单级密封压力和效率，橡胶与定子预轮廓接触面积增大，提高了散热性，延长了寿命；通过对马达短幅内摆线线型优化增大了截流面积，减小了偏心距，提高了马达综合性能。致密气储层致密坚硬，可钻性差，钻机性能低，导致钻速低，使用螺杆马达钻速为11.5 m／h，使用高扭矩马达提高钻速达25 m／h以上，提速高达1倍以上。

图4马达结构示意图

同时研发了三维振动钻井冲击器，利用钻井液为动力，驱动钻井器的旋冲锤、重锤，产生一定频率的横向、纵向冲击力（图5），为PDC钻头提供一种三维动作冲击的功效，辅助钻头破岩，提高钻头破岩能力，解决PDC钻头的托压和卡钻问题，减缓井下钻具的扭振，提高在中硬地层的钻井速度［19-20］。各层段机械钻速提高40.0%以上，最高达317.8%，3H井首次使用该技术机械钻速最高达31.9 m／h，提速114.8%。

图5三维震动钻井冲击器原理示意图

2 应用

2.1 水平井应用情况

经过对水平井钻井技术进行改进，后续水平井钻井作业时，摩阻有效降低，托压现象得到了有效控制，目前水平井最大钻深已经超过3 500 m，水平段长度超过1 200 m，超过12口水平井已经正常完钻（表5），有效实现了地质油藏的钻井目的。

表5改进后水平井钻井数据情况表

改进前，水平井作业时，使用三开进行作业，折算3 000 m当量工期约52 d；改进后，使用二开井身结构进行作业，折算3 000 m当量工期约36 d（如图6），工期缩短30%。

图6改进前后水平井钻井周期对比图

2.2 定向井应用情况

定向井优化后，使用小井眼进行钻井作业，平均2 000 m钻井工期缩短至18 d以内（图7），与常规井身结构井相比，钻井周期缩短20%；钻屑平均减少50%。对比常规井眼，小井眼井具有良好的应用效果。

图7小井眼钻井工期数据图

3 结论

临兴区块致密气钻井提效技术有效提高了机械钻速、缩短了钻井周期，降低了作业成本，为中海油陆上致密气的勘探开发提供了有力保障，也为高效开发临兴区块致密气提供了经验和借鉴。主要的提效技术内容如下：

1）创新井身结构设计，直井和定向井使用小井眼井身结构，可以缩短钻井周期18%，单井节约成本约20万元；水平井采用二开固井井身结构，可以减少钻井用水10%，缩短钻井周期24%。

2）对临兴区块进行了储层敏感性分析，将超双疏理论及材料引入到钻井液体系中，形成了适合工区的KCl双疏封堵钻井液体体系。可有效提高润滑性，缓解水平井托压问题。

3）针对性优化钻井设计，调整钻头结构，减少主切削齿数量，减少刀翼数量，使用4刀翼19mm齿和16mm齿钻头钻进，有效解决了钻头泥包问题。

4）改进了钻具组合设计，研制了高扭矩马达和配套钻头，提高了马达综合性能，提速达到1倍以上；研发了三维振动钻井冲击器，有效解决了PDC钻头的托压、卡钻问题，提高了中、硬地层的钻井速度。