苏里格气田区小井眼二开水平井优化设计

2022-11-25王萍樊佳勇韩成福王亮屈展黄海顾甜利

科学技术与工程 2022年28期

王萍，樊佳勇*，韩成福，王亮，屈展，黄海，顾甜利

(1.西安石油大学石油工程学院，西安 710065； 2.陕西省油气井及储层渗流与岩石力学重点实验室，西安 710065； 3.中国石油集团川庆钻探工程有限公司长庆钻井分公司，西安 710018； 4.西安石油大学学生处，西安 710065)

随着长庆油田的勘探不断发展，苏里格气田区的水平井数量也不断增加，但该地区气井自然产能低，因此，实现气井的高效开发至关重要。将小井眼钻井技术节约成本的优点与水平井技术高产的优点相结合，以达到高效开采的目的，这项技术已成为钻井行业的技术研究热点[1]。小井眼钻井适应范围广，如开窗侧钻、老油区再开发等，应用前景广阔。

苏里格气田区小井眼水平井自上而下钻遇地层包括白垩系环河组、华池组和洛河组，侏罗系安定组、直罗组、延安组和富县组，中生界三叠系延长组、纸坊组、和尚沟组和刘家沟组，二叠系石千峰组、石盒子组和山西组[2]。该地区小井眼水平井井身结构一般为三开结构，但三开井身结构存在机械钻速低、套管层次多、中完作业周期长和钻井成本高等问题，难以满足安全快速经济钻井的要求。史配铭等[3]认为，二开井段技术套管能够有效封隔漏层、泥岩易垮塌层，提高储层钻进效率。但是二开结构井的钻遇裸眼段长，塌漏同层，容易出现复杂井下情况；杨静等[4]认为苏里格气田区钻遇地层岩石的硬度和研磨性较强，对钻具组合优选进行了优选，但所选钻具组合与井眼轨迹控制措施不同导致钻速缓慢；王仕水[5]研究发现，该地区大斜度井段的石千峰组以及石盒子组地层坍塌压力高，需要降低钻井液密度以及排量，但降低钻井液密度和排量后易发生井塌和砂堵卡钻。

针对上述问题，根据钻遇地层优化设计小井眼二开井身结构，缩短钻井周期，设计五段制中的“直-增-稳-增-水平”方式进行井眼轨迹设计，同时，为提高机械钻速优选配套钻具组合，为保证井壁的稳定性配置防塌钻井液，通过现场应用验证小井眼二开水平井的优化设计方案的可靠性。

1 小井眼水平钻井技术难点

(1)井壁稳定。由于和尚沟组、刘家沟组、山西组均属易漏地层，因此发生井漏的概率增大，所以需要更高当量密度的钻井液；根据地质分析得知陕28-22-46XH1井所在地区岩性主要为泥岩，钻井液的配制还需要克服泥岩水化的问题，在钻井过程中容易出现井壁不稳定的情况。

(2)井眼尺寸小。由于井眼尺寸小，钻头需要配合井眼尺寸，使得钻进效率大幅度降低；井眼尺寸小也导致了环空间隙减小，在环空中产生偏心螺旋流，流道增加使得环空压耗增加，环空返速低会导致形成岩屑床导致卡钻等情况。

(3)井控难度大。小井眼井在上提钻杆时产生的激动压力较常规钻井大，导致钻柱对井壁的作用力较大，包括碰撞、挤压，特别是稳定器和弯螺杆对井壁的作用力大，因此井底压力控制难度增加。

2 钻井设计

2.1 井身结构设计

(1)小井眼水平井井身结构设计时要考虑以下问题：①井身结构的设计能有效保护储层，避免漏、喷、塌、卡等复杂情况产生，缩短建井周期，使全井钻井费用最低；②钻下部高压地层时，所用的较高密度钻井液产生的液柱压力不得压裂上一层套管鞋处薄弱的裸露地层；③在下套管过程中，井内钻井液液柱压力和地层压力之间的压差不至于产生压差卡阻套管事故；④当实际地层压力超过预测值发生溢流时，在一定范围内，具有处理溢流问题的能力[6]。

(2)小井眼二开水平井井身结构和套管程序。由于该区块地表是未固结松散黄土、沙土层，为了建立循环通道，用346 mm钻头钻至130 m，下入273.1 mm的导管封固疏松层。一开：选用222.2 mm直径钻头钻至2 890 m，下入177.8 mm表层套管以封固上部易垮塌层、刘家沟漏层，分隔水层，进入石千峰50 m。二开：选用152.4 mm直径钻头钻至目的层，下入144.3 mm生产套管至目的层，为固井做准备。图1为井身结构设计剖面图。

图1 小井眼二开水平井井身结构Fig.1 Well structure of a second spud horizontal well

2.2 井眼轨道优化设计

小井眼水平井钻井施工中的井眼轨道设计为了使轨迹平滑、提高钻速、提高入靶准确度，在设计过程中需要及时调整以达到设计要求。该井靶窗范围在纵向±2 m以内、横向±20 m以内，靶窗要求范围小，准确入靶难度大，为了快速安全地钻至目的层，根据井眼轨道确定原则并结合该地区的实际情况选定五段制中的“直-增-稳-增-水平”方式为主，设置一个稳斜段是为了弥补造斜工具造斜率不足。

据实钻情况，为避开区域水层和适应地层情况，在设计造斜点之前采取斜井段施工，这样也可以减少定向施工的工作次数；设计造斜点在延安组上部地层，因为该段地层相对稳定，出现复杂情况概率低；稳斜段地层存在易塌、易漏风险，减小井斜角降低施工难度，确保钻进安全；水平段的井斜角相对增大，以满足采油工艺需求[7]。

图2为井眼轨道垂直剖面图，直观地反映了陕28-22-46XH1井的井眼轨迹，可以看出，该井的直井段、稳斜段以及水平段的长度。

图3为井眼轨道方位图，井眼轨道方位图的水平投影反映了轨道的方位变化，该井的方位变化为西北方向。

结合表1、图2与图3分析可以看出，原点为井口；0～800 m测深为直井段，测深800 m处为造斜点，开始第一段造斜施工；在井斜角为18.02°时，测深980.2 m处停止造斜，开始稳斜段施工；在测深3 168.53 m处开始第二段造斜施工，于测深3 577.46 m处达到设计井斜角要求，开始近乎水平段施工。

2.3 钻具组合优选

2.3.1 钻头的选择

小井眼允许施加的钻压减小，会导致机械钻速低。且该地区岩石研磨性强，所以选择小尺寸耐磨且硬度高的PDC钻头，不但可以提升钻速，还逐渐解决了钻头容易泥包和地层适应性差的缺陷，其使用寿命长、减少起下钻作业次数的优势越来越明显[8]。

表2为不通开次钻头根据岩屑描述分析，地层岩性以泥岩为主，其硬度较硬，选用的聚晶金刚石复合片(polycrystalline diamond compact，PDC)钻头与地层岩性相适应。施工过程以复合钻进为主，其机械钻速相对较高。本次施工平均机械钻速为12.28 m/h。

2.3.2 水平段钻具组合优选

小井眼水平井钻井具有井径小、循环压耗大、泵压高、排量受限井眼净化困难等问题；在钻进过程中由于小钻具柔性大，会出现定向钻进反扭矩较大、工具面稳定性较差、钻头加压困难的问题，这些问题都会导致轨迹控制难度增加。

小井眼水平井轨迹控制关键和难点在于水平段轨迹控制，钻具组合优选必须遵循以下两个基本原则：①在水平段旋转钻进时具有较强的稳斜能力；②在水平段滑动钻进时具有合适的造斜能力[9]。

(1)水平段钻具组合优选。在施工中选择18°斜台肩钻杆，这种钻杆可以降低摩擦阻力，还可以消除对钻具的应力集中。针对水平段钻进的托压、井眼轨道控制等问题，钻进中下入钻具组合为：152.4 mm直径PDC*长度0.27 m+127 mm直径LZ*1.25°*长度5.39 m+124回压阀*0.505 m+148STAB*长度1.209 m+MWD*长度0.895 m+NMDC*长度9.245 m+311扣*HLST39B*长度0.418 m+4＂HWDP*4柱+4＂DP65柱+4＂HWDP*6柱+4＂DP，其中，LZ为螺杆，STAB为钻杆扶正器，MWD为随钻测量系统，NMDC为无磁钻铤，HLST39B为钻具接头海伦母扣型，HWDP为加重钻杆，DP为钻杆，＂为单位in(1 in=2.54 cm)。使用1.25°单弯螺杆在较短井段就可实现定向或扭方位施工，定向或扭方位施工速度较快，施工效率高；采取两段加重钻杆组合，在滑动钻井过程中起稳定器作用，缓解水平段井眼轨迹控制的工作压力，它还可以更好地控制井斜角和方位角，减少造斜工作次数，从而缩短施工周期。

(2)增斜段钻具组合优选。在该井段的施工过程中，根据设计的最大造斜率5.0°/30 m，按照比这个设计最大造斜率高20%来优选造斜工具，选用1.5°单弯螺杆钻具进行造斜施工即可。综合考虑下入钻具组合为：228.6 mm直径PDC*长度0.34 m+185 mm直径LZ*1.5°*长度8.64 m+回压阀*长度0.49 m+172SDC*长度2.071 m+224 mm直径STAB*长度1.514 m+MWD*长度0.88 m+NMDC*长度8.254 m+7"DC*54.13 m+5"HWDP*10柱+5"加厚DP+5"DP。

2.3.3 优选结果

综合考虑各种影响因素，得到具体优选结果，如表3所示。

2.4 小井眼钻井液技术

在小井眼水平井钻井中，相适应的钻井液配方选择对钻井液性能要求具有较好的流变性、润滑性、抑制性，以达到安全、高效施工的目的。

2.4.1 钻井液技术难点

(1)井壁稳定：该区石盒子组地层岩性以泥岩为主，由于是小井眼施工，机械钻速相对较慢，施工周期相对较长，泥岩经钻井液滤液长时间浸泡，极易水化、膨胀分散，其强度大幅度降低，产生剥落、坍塌现象。由于小井眼井环空间隙小，泥岩一旦剥落掉块对安全施工是极大的威胁。

(2)岩屑的悬浮、携带：小井眼钻井较常规钻井环空压耗大，所需泥浆泵泵压高，排量减小，进而环空返速减小，二开井裸眼段较长，环空小。如果钻井液体系悬浮携带能力差，在斜井段和水平段施工过程中，产生的钻屑在重力作用下沉降积累在井壁表面，形成岩屑床会引起卡钻等钻井事故的发生，另外一些非正常破碎的岩屑还会产生堵塞。

(3)地层易漏：小井眼井径小，抽提钻柱产生的激动压力较常规钻井大，所以需要更高当量密度的钻井液。而和尚沟组、刘家沟组、山西组均属易漏地层，因此发生井漏的概率增大。

(4)增斜段润滑防卡：由于钻具尺寸小、柔性强，造斜施工中钻具紧贴井壁一边钻进，使得钻具和井壁更大部分的接触，引起钻进中摩阻和扭矩增大，影响钻压传递效率，产生托压现象。而且钻屑层的形成，也导致摩阻和扭矩增大，钻井液配方润滑钻具防止卡钻的难度相应加大。

(5)储层保护：钻井液固相含量高易堵塞地层孔隙通道；砂岩储层致密，孔道狭窄，所以毛细管效应比较明显，若施工不当则会引起喉道堵塞，从而降低油相、气相渗透率，影响油气开采[10-11]。

2.4.2 技术思路

(1)水化问题：提高钻井液的抑制性，使用具有包被作用的高分子聚合物。处理剂吸附性强具有一定憎水性能，可除去有害固相形成高质量泥饼。使用无机盐，降低钻井液的活性，增强钻井液滤液的抑制能力。

(2)增强钻井液的悬浮、携带能力：优选排量得到合适的上返速度，保证岩屑上返效率，降低岩屑井壁沉降程度。

(3)提高地层承压能力：①将近井筒的漏失通道进行人工封堵，阻止钻井液进入漏失地层，以此提高地层承压能力；②其主要措施是在进入漏失层段前，增加了钻井液中的黏土含量或者添加增黏剂；③进入易漏失层段前，在泥浆中加入堵漏材料，漏失发生时由于压差的产生，堵漏材料会进入漏失通道。

(4)提高钻井液润滑性：调节泥饼的润滑性能和钻井液流体自身的润滑性能，控制钻井液固相，加入可以改变泥饼质量和提高润滑性的有机高分子处理剂。

2.4.3 优选结果分析

该地区地层情况较为复杂，选择水基钻井液更好的调控钻井液性能以满足钻井施工需求，保证安全施工。另外，水基钻井液的润滑性处于空气和油的润滑性之间；还可以达到保护油气层的要求，表4为根据地质特征所选钻井液[12]。

根据岩屑描述分析得知地层岩性以泥岩为主，存在易塌风险，因此施工中在配方里加入KCl，使钻井液的抑制性增强，抑制泥岩水化，防止井壁坍塌的发生；还能抑制地层造浆，流动性好，性能较稳定。二开斜井段主要存在防塌的问题，施工时使用聚合物钻井液，其中的高分子聚合物的分子链能够吸附并包被在钻屑和井壁上，防止钻屑在钻井液中分散，最大限度地控制了钻井液的固相含量，维护了钻井液性能的稳定，并且还可以抑制泥岩层水化膨胀，有效地解决了该段易塌问题。通过流变参数的测定可知该钻井液体系流变性良好，悬浮携带钻屑能力强。还加入了聚阴离子纤维素(poly anionic cellulose,PAC)增强了钻井液体系抗污染性能。水平段涉及钻开储层，同样选用聚合物钻井液体系，利用它良好的抑制性能防止储集层黏土矿物的水化膨胀、运移，避免堵塞喉道，降低油气渗透率。再者水平段需要降低摩阻，可以随钻加入固体润滑剂或液体润滑剂。