杭锦旗区块锦58井区二级井身结构水平井优快钻井技术研究与应用

冯永超

（中国石化华北油气分公司石油工程技术研究院，河南郑州450000）

杭锦旗区块十里加汗区带锦58井区为中国石化华北油气分公司探明的重点区块，下石盒子组储层埋深约3100m，属致密砂岩气藏。该区块地质特征复杂，纵向发育中生界—古生界全套地层，地层非均质性强，易漏、易塌层多。其中上古生界刘家沟组—石盒子组以砂泥岩为主，地层疏松。刘家沟组与石千峰组为三叠系与二叠系交界面，也是中生界和古生界的交界面，裂缝发育，横向连通性强，地层整体承压能力低、易漏。石千峰组、石盒子泥岩呈硬脆性层理状分布，易发生剥落破碎。为实现储层有效动用，达到效益开发，满足储层二次改造的要求，在分析杭锦旗锦58井区地层特征的基础上，开展二级井身结构套管固井完井现场试验，采取了井壁稳定、防漏堵漏和长裸眼井段井眼轨迹控制等技术措施，并实验应用了钻井提速新技术，初步形成了杭锦旗区块复杂地层二级井身结构水平井钻井技术，2017年顺利完成了3口复杂地层二级井身结构水平井的钻井作业，完钻平均钻井周期47.94d，较2016年杭锦旗水平井平均钻井周期缩短32.56%。

1 钻井技术难点

1.1 刘家沟破碎性地层易漏

杭锦旗区块古生界刘家沟组地层埋深2400～2600m，厚度约200m，岩性以砂泥岩互层为主。地质构造运动分析与成像测井解释结构表明：刘家沟与石千峰交界面是三叠系和二叠系交界面，同时也是中生界和古生界的交界面，地质沉积环境和气候环境变化巨大，造成区域内裂缝发育，裂缝以水平界面缝和钻井诱导缝为主。

1.2 石千峰组、上石盒子组泥岩易垮塌

石千峰组、上盒子组泥岩破岩时表现为硬脆性，掉块明显，随着钻井液滤液的侵入，逐渐变软吸水膨胀，随着循环浆冲刷极易形成大肚子或键槽。利用伽马能谱测井及现场岩性返出情况研究表明：本区主要垮塌层位石千峰及上石盒子、下石盒子组泥岩，泥岩以层理状为主，垮塌地层含易膨胀的蒙脱石，上石盒子组含易剥落掉块的伊蒙混层和高岭石，泥岩水敏性强，宜吸水剥落掉块，井筒失稳风险较大。

1.3 裸眼段存在窄负安全密度窗口

易漏层与易塌层处于同一裸眼井段，井漏和井壁失稳相辅相成，漏塌处理难度大，造成钻井复杂处理时间大于裸眼段泥岩坍塌周期，进一步恶化井壁失稳情况。其中，锦58井区上部易漏地层漏失压力最低至1.10g/cm3，下部坍塌压力最高至1.25g/cm3,仅通过调节钻井液密度实现一体化防漏抑塌难度大。其中防漏堵漏技术措施实施过程中通过降低钻井液密度易引发井壁坍塌、处理漏失浸泡时间长易引发失稳、而钻井液体系高失水易造成泥岩破碎。而在井壁坍塌处理过程中大排量循环和划眼压力激动引发井漏，增加了复杂处理难度。杭锦旗锦58井区安全密度窗口分布见表1。

表1 杭锦旗锦58井区安全密度窗口分布表

1.4 二级井身结构井水平段摩阻大

杭锦旗锦58井区二级井身结构水平井裸眼段长3600～3800m，斜井段累计泥岩段长700～800m，井壁易失稳。且长裸眼水平段大于600m后摩阻系数和摩阻急剧增大，后期托压扭矩大，施工缓慢，延长泥岩的浸泡时间，造成泥岩段井漏井垮。杭锦旗锦58井区二级井身结构水平井水平段延伸模拟计算结果如表2所示。

2 优快钻井技术

表2 杭锦旗锦58井区二级井身结构水平井水平段延伸模拟计算

2.1 上部地层低承压防漏堵漏技术

基于成像测井数据，细化杭锦旗区块裂缝分布特征认识，引入二次正应力裂纹起裂及临界能量释放率裂缝延伸准则，采用有限元模拟岩石的三维复合裂缝起裂与扩展。建立刘家沟组裂缝扩展规律模型，明确刘家沟组裂缝延展特征：诱导缝延展规则，延展长度0.5～0.9m，延展裂缝方位70°～80°，裂缝宽度在0.001～1cm，横向连通性强。

同时由于锦58井区地质构造复杂，横向基于储集层三维地震剖面描述和该区域地层连续发育的认知，构建刘家沟组地质构造剖面，纵向基于区域单井成像测井裂缝识别和走向刻画，结合实际钻井区域漏失分布和区域特殊测井解释，精细描述锦58井区高、中、低漏失风险区域划分，为防漏堵漏技术的优选提供依据。杭锦旗锦58井区漏失区域划分如表3所示。

根据堵漏材料进入地层裂缝所表现的以“力链”为核心的多尺度特征，结合中、低漏失风险区易漏地层漏失特征，开展防漏堵漏配方研究。分别形成了以纤维布网、刚性充填、弹性承压，实现网格护壁的高承压防漏配方（纤维∶片状∶刚性∶弹性=2∶2∶4∶5）和以纤维布网、片状架桥、变形+弹性充填、刚性承压、延迟膨胀有效应对裂缝诱导开启强力链堵漏配方（纤维∶片状∶弹性∶刚性∶延迟膨胀=2∶2∶4∶5∶3）。

由于刘家沟组裂缝连通性强，一旦发生漏失，具有漏速快、漏失量大、堵漏困难的特征。针对高漏失风险区，在固井水泥堵漏的基础上，应用纤维架桥、膨胀填充和水泥固结的原理，形成纤维水泥KPD（G级水泥+降失水剂+缓凝剂+复合纤维增韧剂+晶格膨胀剂+分散剂+消泡剂）和高失水ZYSD专项堵漏技术，且根据钻井工况选择专项堵漏技术：其中KPD适用于钻遇刘家沟组发生漏失进行专项堵漏，ZYSD适用于钻穿刘家沟组进入下部泥岩段由于压差导致刘家沟组漏失的专项堵漏。杭锦旗锦58井区不同漏失特征承压防漏堵漏配方如表4所示。

表3 杭锦旗锦58井区漏失区域划分

表4 杭锦旗锦58井区承压防漏堵漏配方

2.2 下部泥岩井段防塌钻井液技术

基于矿物组分和理化性能分析测试，开展下部泥岩工程地质特征研究，明确地层井壁失稳机理和钻井液体系优化方向。

刘家沟组、石千峰组、石盒子组岩屑中粘土矿物（32.25%）含量较高，粘土矿物中伊蒙混层（69.87%）、伊利石（22.5%）含量最高，水化膨胀、分散性矿物较多，钻井液要求极强的抑制分散能力。泥岩微裂缝较为发育（长10～100μm，宽2～10μm），外力的作用下易沿微裂缝破裂，滤液侵入后，降低了泥岩强度，进一步失稳，为钻井液优先水化提供了天然通道，严控钻井液体系滤失量和封堵能力，封堵地层微裂缝，防止钻井液滤液侵入地层，延长坍塌周期。下盒子组红褐色泥岩易水化、分散，回收率低（52.45%）；灰色泥岩微裂缝发育易剥落，回收率高（90.75%），钻井液钻遇泥岩需较强的抑制泥岩水化分散能力。

基于古生界泥岩组构特征综合分析，结合“多元协同”井壁稳定理论，提出“物化封/固井壁阻缓压力传递和滤液侵入—加强抑制表面水化—合理密度有效应力支撑”防塌钻井液技术对策，兼顾钻井液高性能与成本问题。采用减少泥岩与钻井液滤液接触的方法，降低泥岩水化。通过室内实验对聚胺抑制剂SDJA、包被抑制剂BLZ-1、沥青类柔性封堵防塌剂SDFT等3种关键处理剂的性能进行了评价，并确定了其加量，形成了下部泥岩井段防塌钻井液配方：4%膨润土浆+0.2%NaOH+0.2%PAC-LV＋0.2%强力包被剂BLZ-1+1.0%NH4-HPAN+2%SD201＋4%SDFT＋2%SD⁃JF+2%细目钙+0.5%SDJA+1%GR（石灰石加重至1.13g/cm3）。室内实验结果表明，泥岩在该防塌钻井液中的线性膨胀率为4.37%，岩屑滚动回收率为96.49%，与常规钾铵基钻井液相比，线性膨胀率降低了2.99%，滚动回收率提高了13.57%。且优化体系老化后极压润滑系数（0.5010）和泥饼粘滞系数（0.2323），润滑性能进一步优化。聚铵体系对100μm裂缝承压能力大于6MPa，在砂床中的侵入深度仅为0.8cm。下部泥岩井段防塌钻井液的基本性能如表5所示。

表5 下部泥岩井段防塌钻井液的基本性能

2.3 钻井提速技术

2.3.1 井眼轨道优化

杭锦旗区块水平井的造斜段位于刘家沟组至石盒子组整个复杂地层，随着杭锦旗区块针对性的井眼稳定技术不断优化，钻完井井筒稳定性的不断提高，通过大斜度导眼井壁稳定性论证、全井筒井眼轨道设计和防漏防塌技术措施研究，明确了大斜度导眼最大井斜70°～75°，主井眼自70°井斜侧钻的轨道设计方法，有效减少导眼段报废进尺。主井眼采用双增式轨道，第一增斜段即导眼重复利用井段造斜率设计为5°/30m，导眼70°侧钻后稳斜钻进50～80m，主探目的层有效砂顶，进入目的层后全力增斜至A靶点，造斜率5.5°～6.0°/30m。

2.3.2 高效PDC钻头优化

常规PDC钻头是整体式钻头，随钻具震动横向位移偏移量大，方位不稳定，且下部泥岩地层适应性差，钻头易泥包，不适合在长裸眼水平井中应用。为此结合杭锦旗区块岩石可钻性极值，针对中生界强研磨性地层，优选JRDP1655J和S1655FGA2胎体结构、高切屑齿PDC钻头。针对古生界硬脆性泥岩，优选M1655GG型刚体结构PDC钻头，有效促进岩屑返排，预防泥包，该型钻头有独特的刚体结构——窄高的刀翼设计，能有效促进岩屑的返排，特殊的切削面接触——中突的刨面流线、平直的刀翼形状，能有效提升钻进效率、增强钻头的操控性。

2.3.3 短弯螺杆与随钻测量工具的优选

杭锦旗区块上部地层泥岩发育，钻井井壁失稳严重，工具面摆放较为困难，对定向仪器要求高。为此，造斜段钻井选用1.5°短弯螺杆，自带222.3mm稳定器的有效长度为160.0mm，弯点至底部的距离为975.0mm，定向复合钻井比例达6∶4，有效提高定向效率。

同时斜井段易发生漏失，优选EMMWD随钻测量工具，特殊的结构设计实现防堵漏条件下数据有效传输，有效传输距离为5000m。避免常规堵漏起下钻换钻具组合，实现边定向边堵漏，且表现出良好的稳定性。

2.3.4 减摩降阻技术

应用减摩降扭工具，实现长裸眼水平段有效延伸。选用钾基聚合物钻井液体系，利用该钻井液良好的润滑性降低摩阻。采用不带稳定器的柔性钻具组合，减少钻具与井壁的接触面积，以降低摩阻。

3 现场应用

杭锦旗区块锦58井区2017年完钻3口二级井身结构水平井——JPH-404、PH-405和JPH-423井。三口二级井身结构井平均钻井周期47.94d，较2016年杭锦旗水平井平均钻井周期缩短32.56%。

（1）防漏堵漏效果显著。3口二级井身结构水平井采用三元复合随钻防漏方式钻穿刘家沟破碎性地层。JPH-405、JPH-423井在钻井液中加入1%～2%纤维+2%DF-1，井底循环当量密度控制在1.25g/cm3左右，没有发生漏失。JPH-404井加入2%竹纤维+1%SRD+2%DF-1，井底循环最高当量密度控制在1.28g/cm3左右，无漏失情况发生，地层稳定。

（2）防塌效果显著。水平段钻遇大段泥岩是二级井身结构井保证井眼稳定最大的挑战。3口二级井身结构井现场实施过程中，二开水平段均采用优化后的密度1.20～1.25g/cm3的防塌钻井液体系，整体钻井过程中斜井段井壁稳定，平均井径扩大率8.3%。水平段JPH-405井钻遇98m泥岩后完钻，水平段长867m，JPH-404和JPH-423水平段分别钻遇89m、97m大段泥岩后地质回填侧钻，整体水平段井筒稳定，无严重掉块阻卡等井壁失稳现场发生。

（3）井眼轨迹控制效果良好。3口井均采用螺杆定向钻具组合，全部命中靶区，井眼轨迹与设计轨道符合率达85%以上。其中JPH-423作为JPH-404老井场后续施工的丛式井，最近距离0.21m（位于JPH-404实钻井深2721.43m），二者在一开直井段及二开井段轨道存在大段交叉及相邻情况，JPH-423施工过程中，二开从600m开始进行定向造斜绕障（造斜率2.9°/30m，方位345°），钻至751.65m进行降斜钻进（井斜变化率2.9°/30m，方位345°），钻至第1控制点903.31m（井斜0°）后进行直井段钻进，钻至造斜点2704.81m，采用造斜率5.56°/30m单增定向造斜入A靶点，稳斜钻达B点完钻。

4 结论与建议

（1）基于强力链网络的防漏堵漏技术，可在一定程度抑制刘家沟组裂缝开启，降低漏失风险，可有效提高刘家沟地层漏失压力当量密度由1.08g/cm3至1.12g/cm3。

（2）使用加入聚胺抑制剂SDJA的聚铵钻井液体系，可有效解决下部泥岩地层井壁失稳的问题。

（3）现场3口井的应用表明，杭锦旗区块锦58井区二级井身结构水平井钻井技术能够满足长裸眼水平井安全高效钻井的需求，能显著缩短钻井周期，提速提效。