鄂爾多斯盆地超低滲氣藏鉆井技術(shù)難點(diǎn)與對策

  鉆井技術(shù)的合理實(shí)施是天然氣勘探開(kāi)發(fā)過(guò)程中的一項重要工作，直接關(guān)系到一個(gè)油田勘探開(kāi)發(fā)的綜合經(jīng)濟效益。超低滲氣藏由于巖性致密，導致滲流阻力大、壓力傳導能力差，影響到鉆井技術(shù)的實(shí)施效果［1］。近年來(lái)，隨著(zhù)油氣勘探和評價(jià)的不斷深入，鄂爾多斯盆地晚三疊統開(kāi)發(fā)井氣藏儲層顯示出較大的資源潛力和開(kāi)發(fā)前景。鄂爾多斯盆地鉆井區地處山區，地表溝壑縱橫交錯，地形復雜，平均完鉆井深3 000~3 500 m，平均機械鉆速小于 6 m/h。該區氣藏儲層致密、物性差、豐度低，具有地層可鉆性差、漏失嚴重、地層研磨性強和鉆具失效頻繁等特性，這些特性是制約鉆井速度的技術(shù)“瓶頸”，導致鉆井難度較大［2］。為此，針對該區氣藏的綜合開(kāi)發(fā)能力，結合儲層地質(zhì)特征，有針對性地提出了應對各種難題的技術(shù)對策，現場(chǎng)應用效果較好，鉆具失效得到有效遏制，機械鉆速得到大幅度地提高。

 

  1 儲層地質(zhì)特征根據新一輪油氣資源評價(jià)結果，鄂爾多斯盆地油氣資源十分豐富［3-4］。鄂爾多斯盆地開(kāi)發(fā)井氣藏1# 井和 2# 井，主要目的層為二疊系鄂 1-1 層和 1-2層，埋深為 3 670~3 755 m。其中鄂 1-2 為重點(diǎn)目的層段。

 

  儲層巖性以巖屑石英砂巖與巖屑砂巖為主，成熟度中等 ~ 高（石英含量 46.0%~98.8%），填隙物含量平均 12.6%，以硅質(zhì)、高嶺石和含鐵方解石為主，雜基平均5.3%（含水云母等）。膠結物含量平均7.3%，主要以自生黏土礦物與碳酸鹽礦物為主，其次為硅質(zhì)。儲層平均孔隙度 7.2%，平均滲透率 0.43 mD，屬于特低孔、超低滲致密儲層。儲層敏感性屬弱酸敏（0.275）、弱堿敏（0.212）、中等鹽敏（59 405 mg/L）、水敏（0.029）及速敏（無(wú) ~ 強均有）。儲層流體物性較好，氣體體積系數 4.204×10–3m3/（標）m3，壓縮系數2.305×10–21，黏度 2.1928×10–2mPa·s。儲層砂巖最小水平主應力 50.43 MPa，最大水平主應力 71.52MPa；泥巖最小水平主應力 56.62 MPa，最大水平主應力 72.56 MPa［5-6］。

 

  2 鉆井技術(shù)難點(diǎn)分析2.1 地質(zhì)因素根據鄂爾多斯盆地開(kāi)發(fā)井儲層地質(zhì)特征，結合試驗井井下復雜情況（表 1），分析斷定出該氣藏鉆井地質(zhì)情況較為復雜，主要鉆井技術(shù)難點(diǎn)如下：

 

  （1）地層時(shí)代古老。區塊自上而下鉆遇新生界（第四系）、中生界（白堊系、侏羅系和三疊系）、上古生界（二疊系和石炭系）、下古生界（奧陶系）等多套地層。

 

  （2）可鉆性較差，研磨性強。鄂爾多斯盆地 1# 井和 2# 井地層巖石從三疊系到奧陶系隨著(zhù)地層的加深可鉆性均值逐漸增大，采用 PDC 鉆頭和牙輪鉆頭鉆進(jìn)巖石可鉆性相差較大。結合地層巖性特點(diǎn)，對該地區地層的軟硬程度進(jìn)行劃分：三疊系、石炭系和奧陶系整體屬于中硬地層；二疊系屬于軟到中硬地層。該區探井地層均為砂泥巖互層，抗壓強度低和可鉆性差異較大，與巖石可鉆性試驗測定結果相符。此外，隨著(zhù)層段不同、巖石力學(xué)性質(zhì)各不相同，三疊系各層段地層泥巖有一定的塑性，所以要采用不同的破巖方式提高效率。

 

  （3）非均質(zhì)性強。中生界和上古生界均含有礫巖地層、煤系地層，特別是侏羅系底部和三疊系上部地層含有不同直徑的泥巖，在石炭系地層含鐵鋁礦等硬夾層，下古生界為碳酸鹽、云巖等脆性地層和鹽膏層。但隨著(zhù)區塊的差異，上述特征變化較大。

 

  （4）地層破裂壓力與孔隙壓力相近。三疊系和上古生界部分層段存在低破裂壓力層，導致固井過(guò)程中動(dòng)態(tài)壓力難以控制，固井質(zhì)量不易保證［7-8］。

 

  （5）地層易受傷害。區塊氣藏儲層屬致密性砂巖儲層，具有低地層孔隙壓力、超低滲透率和毛孔壓力高、有效應力高的特點(diǎn)，鉆井過(guò)程中極易傷害地層，應采取保護措施以減輕鉆井液對地層的傷害［9-10］。

 

  （6）鉆具失效地層。鉆具失效集中發(fā)生在三疊系及二疊系等地層厚約 1 100 m 井段，發(fā)生鉆具失效最淺的地層為侏羅系，井深 1 530 m；鉆具失效最深的地層為二疊系，井深 3 690 m。

 

  （7）鉆井事故。鉆井過(guò)程中還存在井斜、井漏、掉塊、井塌、井噴、擴徑、卡鉆等風(fēng)險。

 

  表 1 試驗井井下主要復雜情況復雜類(lèi)型 復雜情況提示井漏三疊系下部層段底部為區域漏失層（一般為滲漏層）。預計可能漏失段在 2 950~3 000 m，注意在鉆開(kāi)該層之后進(jìn)行工藝堵漏井塌二疊系鄂 1-2 層段以下及石炭系層段煤層發(fā)育，單層厚 1~2 m，易坍塌，注意在鉆開(kāi)該層之后防塌地層受害上古氣層段，鉆井液處理時(shí)還應考慮保護氣層。

 

  鉆達二疊系鄂 1-2 層段氣層前轉化為保護氣層完井液，在氣層鉆井過(guò)程中及固井前均要維護好該保護氣層的性能卡鉆侏羅系整個(gè)層段及三疊系上部層段主要以泥巖為主，夾煤層，易發(fā)生坍塌卡鉆，注意在鉆開(kāi)該層之后防井斜第四系及白堊系整個(gè)層段主要為黏土、流沙、砂巖，夾泥巖，斜層理十分發(fā)育，易發(fā)生井斜，注意在鉆開(kāi)該層之后防斜井噴二疊系鄂 1-2 層段以下及石炭系整體泥巖與砂巖互層，夾煤層，易發(fā)生井噴，注意在鉆開(kāi)該層之后防噴2.2 工程因素實(shí)際鉆井過(guò)程中，由于區塊存在著(zhù)可鉆性差、非均質(zhì)性強等固有特性，易造成鉆具失效頻繁發(fā)生，預測主要失效形式為鉆桿接頭刺漏、管體刺穿、斷裂；鉆鋌黏扣、內外螺紋根部黏裂、螺紋刺裂、連接密封失效、竄漿等。

 

  2.2.1 斷扣分析 公扣和母扣螺紋斷裂，是鉆具失岳艷芳等：鄂爾多斯盆地超低滲氣藏鉆井技術(shù)難點(diǎn)與對策35效的主要類(lèi)型。其主要原因是在公扣最末完全扣處和母扣段，容易形成應力集中，最終導致疲勞失效。

 

  由于地層年代老、巖性硬、夾層多，跳鉆和蹩鉆嚴重，預計鉆具失效井段巖性主要為含礫砂巖和泥巖，礫間充填主要以鈣膠結為主，地層可鉆性級值為 5~7，為中 - 中硬地層，鉆井過(guò)程中會(huì )頻繁發(fā)生跳鉆和蹩鉆，引起鉆具縱向、橫向和扭轉振動(dòng)及其耦合振動(dòng)，最終導致鉆具公扣和母扣斷裂。

 

  不合理的鉆井參數引發(fā)下部鉆具共振，如用三牙輪鉆頭鉆井過(guò)程中容易產(chǎn)生 3 波狀井底，引起 3倍頻出現，導致鉆具失效；鉆具受力特性及其自身結構引起周期性彎曲應力，是其失效的內在原因；此外，鉆鋌螺紋連接部分為薄弱環(huán)節，在鉆壓作用下，易彎曲，加速鉆具失效，預計鉆鋌失效多數發(fā)生在下部鉆具組合中，以疲勞斷裂為主。

 

  2.2.2 鉆具刺扣和黏扣分析 鉆具刺扣和黏扣在該區塊主要發(fā)生在二疊系鄂 1-1 層段以上地層，預計其主要失效原因為上扣扭矩不足，螺紋密封脂性能差，使用不規范。

 

  2.2.3 鉆桿接頭偏磨和管體刺裂分析 鉆桿接頭偏磨失效最普遍，其主要失效原因為地層研磨性強（以含礫石砂泥巖為主）；鉆柱渦動(dòng)，鉆柱在井眼內順時(shí)針轉動(dòng)與井壁接觸產(chǎn)生摩擦力，使其以一定的速度按逆時(shí)針?lè )较蚶@井眼軸線(xiàn)轉動(dòng)，形成渦動(dòng)，使鉆具偏磨，承受高頻應力而導致鉆具破壞；管體刺裂發(fā)生在加厚過(guò)渡帶，由于不光滑，易引起應力集中。為此，結合保護油氣層的原則，需要合理選擇安全、優(yōu)質(zhì)、高效鉆井參數，有效防止鉆井事故的發(fā)生，減少地層傷害。

 

  3 技術(shù)對策3.1 優(yōu)化鉆具組合二開(kāi)三疊系下部層段優(yōu)選鉆具結構：?215.9mm（3A）鉆頭 +?165 mm 底部減震器 +?177.8 mm鉆鋌 ×18 m+?215 mm 扶正器 +×177.8 mm 鉆鋌×9 m+?215 mm 扶正器 +?177.8 mm 鉆鋌 ×81 m+?127 mm 鉆桿。根據不同情況及時(shí)調整鉆進(jìn)參數；選用防斜、糾斜、穩斜鉆具，用 PDC 鉆頭或 PDC 鉆頭加螺桿輕壓吊打鉆進(jìn)，加強防斜效果。

 

  3.2 優(yōu)選鉆頭類(lèi)型，強化鉆井參數二開(kāi)-白堊系整個(gè)層段：選用?215.9 mm GA114鉆頭，力爭1只鉆頭穿過(guò)白堊系；侏羅系—三疊系層段：選用?215.9 mm SKH447G牙輪鉆頭或其他5刀翼 PDC 鉆頭；三疊系—二疊系層段：選用 ?215.9mm MD9535ZCPDC 鉆頭或其他 6 刀翼 PDC 鉆頭；二疊系 - 石炭系層段：選用 ?215.9 mm HJT537G鉆頭或 SKH517G 牙輪鉆頭；鉆井參數選用鉆壓180 kN，排量 35 L/s，轉速 50~70 r/min?！半p石層”：

 

  以選用 ?215.9 mm S537GK 型牙輪鉆頭鉆進(jìn)為主，鉆壓 180 kN，加大排量和泵壓（不漏失時(shí)），可選用MD517J 復合齒鉆頭 + 直螺桿 + 轉盤(pán)復合鉆進(jìn)。換用新鉆頭時(shí)，不一次下鉆到底。在接近井底時(shí)，小排量開(kāi)泵，啟動(dòng)轉盤(pán)，慢慢下到井底，再用 20~30 kN 的鉆壓磨合鉆頭約半小時(shí)后，逐漸加至正常鉆壓鉆進(jìn)。

 

  3.3 優(yōu)選鉆井液類(lèi)型及配方二開(kāi)二疊系鄂 1-1 和 1-2 層段優(yōu)選聚合物鉆井液，其基本配方：淡水+（4~5）%膨潤土+（0.2~0.3）%包被劑 +（0.3~0.5）%NH4-HPAN+（0.3~0.5）%COP-HFL/LFL+（0.2~0.5）% ZSC201+（0.1~0.3）%NaOH［11-12］。

 

  聚合物鉆井液主要性能要求見(jiàn)表 2。另外，根據井下摩阻情況，加入潤滑劑（、1~2）% 聚醚防塌潤滑劑JHF-2、白油等材料，改善鉆井液的潤滑性；如遇井涌、井噴、H2S 含量高等異常情況，現場(chǎng)可根據實(shí)測地層壓力按井控要求調整鉆井液密度。

 

  表 2 聚合物鉆井液主要性能參數密度 /g·cm–3黏度 /s濾失量 /mL濾餅厚度 /mm含砂量 /%pH 值靜切力 /Pa塑性黏度 /mPa·s動(dòng)切力 /Pakf膨潤土含量 /g·L–110 s 10 min1.15~1.25 35~45 ≤ 10 ≤ 1.0 ≤ 0.5 7~8 0~1 1~2 7~15 5~8 ≤ 0.12 30~503.4 優(yōu)化氣層保護完井液體系由于地區氣藏屬特低孔、超低滲致密儲集層，結合儲層敏感性分析結果，針對二開(kāi)二疊系鄂 1-1 和1-2 層段，優(yōu)化設計了儲層屏蔽暫堵完井液體系配方，其基本配方：基漿（4~5）% 膨潤土 +（5~6）%復合暫堵劑 FH+（1~2）% 屏蔽暫堵劑（PD-1 ）+（2~3）%油溶性暫堵劑 WZD-2+ 稀膠液［13］。在裂縫較發(fā)育的層段適當增加復合暫堵劑的用量。

 

  屏蔽暫堵實(shí)施的技術(shù)參數：井底最小正壓差3.5 MPa，環(huán)空上返速度小于 1.6 m/s，暫堵劑粒子粒度與鉆井液粒度達到相應的技術(shù)指標。

 

  3.5 預防鉆具失效的工藝措施（1）提高鉆桿抗彎曲疲勞強度。

 

  （2）檢查螺紋密封脂是否符合標準。推薦采用API 標準螺紋密封脂，檢查壓膜強度和摩擦因數 2項性能指標。36石油鉆采工藝 2014 年 9 月（第 36 卷）第 5 期（3）檢查上扣扭矩。上扣扭矩過(guò)緊和過(guò)松均不允許，舊鉆具上扣扭矩選用低限值。?127 mm 加重鉆桿上扣扭矩為 30 kN·m，?127 mm 鉆桿上扣扭矩為26 kN·m，?158.75 mm 鉆鋌上扣扭矩為 24 kN·m［2］。

 

  （4）建立鉆具鉆桿使用管理規范。該規范應對鉆具的質(zhì)量要求、送井鉆具的驗收、井場(chǎng)鉆具存放的管理、入井鉆具的管理、鉆具現場(chǎng)無(wú)損探傷、鉆具使用過(guò)程中的非正常磨損、鉆具回收、鉆具故障的調查等問(wèn)題做出明確的要求和規定。同時(shí)鉆柱下部鉆鋌的數量必須加足，以保證鉆具“中和點(diǎn)”中性截面在鉆鋌上。

 

  （5）根據現場(chǎng)鉆具使用情況，做出“改進(jìn)鉆具結構”的應急預案。比如，跳鉆井段的底部鉆具中加入減震器和懸浮器，減少鉆具的振動(dòng)。扶正器有利于鉆具工作狀態(tài)的穩定，盡可能增加扶正器的使用井段。同時(shí)合理設計鉆井參數，避免鉆具共振。

 

  （6）改進(jìn)鉆具的螺紋結構。使用根部圓角較大的數字型高疲勞壽命螺紋，同時(shí)在公扣最末安全扣處和母扣消失段，設應力減輕槽；此外，對有應力減輕槽的接頭，修扣時(shí)截斷長(cháng)度要長(cháng)。

 

  （7）加強鉆井液的維護和處理，有效地控制井徑擴大率，減少鉆具在井內的彎曲度，降低鉆具疲勞損壞的程度和速度。

 

  （8）使用 PDC 鉆頭、井下動(dòng)力鉆具、液力加壓器等工具改變鉆具的工作狀態(tài)，減輕鉆具的彎曲和彎曲應力。

 

  （9）鉆具選材。鉆桿選用德國進(jìn)口管體、內涂層的鉆桿，提高鉆井液的 pH 值，以控制鉆桿的腐蝕。

 

  3.6 其他鉆井控制對策（1）上部井段嚴格控制井斜，為下部井段的鉆進(jìn)爭取主動(dòng)。在表層鉆進(jìn)中，輕壓吊打，嚴格控制井斜。

 

  開(kāi)鉆采用低參數吊打工藝（鉆井參數鉆壓 0~50 kN，轉速 50 r/min），防止起步井斜。在鉆入 1 根鉆鋌后隨鉆鋌增加逐漸增大鉆壓。隨井深增加，鉆鋌增多，逐漸加大鉆壓，但必須保證所加鉆壓不得超過(guò)鉆鋌浮重的 70%。根據鉆遇巖性變化適時(shí)調整鉆壓，防止井斜。

 

  （2）使用塔式鐘擺防斜鉆具組合保證開(kāi)鉆打直，為下開(kāi)鉆進(jìn)創(chuàng )造良好的井身條件。

 

  （3）防止井口竄漏和防淺層井漏，禁止在導管鞋處定點(diǎn)循環(huán)，操作要求平穩，排量由小到大，以防止井壁垮塌，滿(mǎn)足攜帶巖屑，及時(shí)沖刷井壁，避免重復破碎［14］。

 

  （4）鉆進(jìn)中密切注意泵壓、轉盤(pán)扭矩的變化，以及返出巖屑形狀和數量，加強井內復雜情況的分析判斷，防止掉塊卡鉆事故的發(fā)生；液面實(shí)行坐崗監測，及時(shí)發(fā)現井漏。

 

  （5）使用 PDC 鉆頭鉆進(jìn)時(shí)，采用低鉆壓、高轉速控制井斜；用牙輪鉆頭時(shí)，采用高鉆壓、低轉速控制井斜。

 

  （6）采用有效地井斜監測措施；堅持定進(jìn)尺測斜，井斜變化嚴重時(shí)加密測量，并利用微機處理數據，做好井身質(zhì)量預測。

 

  （7）起鉆時(shí)觀(guān)察下部鉆鋌的彎曲度、磨損情況，如發(fā)現彎曲或鉆鋌直徑磨細應及時(shí)甩掉。

 

  （8）根據鉆時(shí)的快慢及時(shí)調整鉆壓，處理好軟硬交界面處的鉆進(jìn)；地層交界面、軟硬交錯地層至少吊打鉆進(jìn) 30~50 m。

 

  （9）鉆遇裂縫地層時(shí)如有跳鉆、放空、蹩鉆等現象，降低鉆壓，并對裂縫井段反復劃眼，消除可能出現的狗腿或臺階。

 

  （10）施工過(guò)程中特別注意加強對 H2S 氣體的錄井檢測及防范。氣測一旦發(fā)現 H2S 氣體，立即書(shū)面通知鉆井隊長(cháng)及甲方監督，現場(chǎng)人員嚴格按照上級有關(guān)規定和鉆井安全操作規范果斷處理，確保人身及鉆井設備的安全［15］。

 

  4 現場(chǎng)應用以鄂爾多斯盆地北部上古生界山西組山 2 和山 1 為目的層段的 1 口開(kāi)發(fā)井 MX 為例，該井井深3 800 m，目的層埋深 3 670~3 755 m，上古生界壓力梯度 0.008 4~0.009 2 MPa/m，井身質(zhì)量控制井斜小于 6°，目的層段井徑擴大率小于等于 10%，采用優(yōu)化井身結構 ?311.2 mm 鉆頭 ×?244.5 mm 套管 ×600m+?215.9 mm 鉆頭 ×?139.7 mm 套管 ×3 797 m，水泥返深到地面，上古生界為常壓層，與下古生界低壓層分屬不同壓力系統，整個(gè)上古生界巖性為砂泥巖加礫石互層，夾煤層，受構造應力影響，泥頁(yè)巖性脆，微裂縫發(fā)育，鉆井過(guò)程中地層壓力系統復雜，儲層需壓裂改造，易發(fā)生掉塊、井壁坍塌、起下鉆遇阻、長(cháng)時(shí)間劃眼、井斜、井噴、地層受害等復雜情況。

 

  針對此鉆井難點(diǎn)，在二開(kāi)三疊系下部層段優(yōu)選鉆具組合，并采用 ?215.9 mm MD9535ZCPDC 鉆頭加螺桿輕壓吊打鉆進(jìn)，實(shí)現快速鉆進(jìn)防斜；在鉆頭和鉆鋌之間加減震器，保證 600~3 800 m 井段加重鉆桿抗拉安全系數小于 2.8，鉆鋌抗拉安全系數小于22.8，有效減少鉆具振動(dòng)失效；按照氣密封和腐蝕環(huán)境設計加重鉆桿上扣扭矩 35 kN·m，鉆鋌上扣扭矩 30 kN·m，有效地提高了鉆具的連接強度。同時(shí)，為提高鉆井液的懸浮、攜帶巖屑能力，采用低固相岳艷芳等：鄂爾多斯盆地超低滲氣藏鉆井技術(shù)難點(diǎn)與對策37鉀氨基聚合物鉆井液體系，密度 1.15~1.25 g/cm3，鉆進(jìn)時(shí)出現水侵，將鉆井液密度調高至 1.45 g/cm3，有效控制出水，在進(jìn)入保護層 20~40 m 前將鉆井液轉換為屏蔽暫堵完井液體系，優(yōu)化配方設計：基漿 +（4~5）% 膨潤土 +（4~5）% 復合暫堵劑 FH+（0~1）%屏蔽暫堵劑 PD-1+（2~3）% 油溶性暫堵劑 WZD-2+稀膠液，將原漿性能調至密度低于設計 0.03~0.04 g/cm3，嚴格控制失水小于 5 mL，pH 值為 8~10，保證井底最小正壓差 3.5 MPa，環(huán)空上返速度 1.6 m/s，控制暫堵劑粒度與鉆井液粒度，其酸溶液含量小于 5%，既有效減輕對地層的傷害，又利于井眼穩定、井徑規則。應用上述技術(shù)解決了鄂爾多斯盆地山西組開(kāi)發(fā)井的鉆井難題，達到了 MX 井井身質(zhì)量控制要求，使該井實(shí)際鉆井周期縮短 30%，鉆井速度提高 10%。

 

  5 結論及認識（1）鄂爾多斯盆地超低滲氣藏地質(zhì)構造特征表明，超低滲氣藏鉆井過(guò)程中易發(fā)生地層漏失嚴重、溢流井涌、井壁失穩、卡鉆多、井斜、井噴、跳鉆等井下事故。

 

  （2）防斜、穩斜鉆具對鄂爾多斯盆地超低滲氣藏上部易斜井段有著(zhù)較好的防斜效果。

 

  （3）鄂爾多斯盆地超低滲氣藏鉆井過(guò)程中易遇到礫石砂巖地層、泥巖層、夾煤層、H2S 和 CO2氣侵層等風(fēng)險，需根據各風(fēng)險因素特點(diǎn)制定相應的風(fēng)險對策。

 

  （4）優(yōu)選屏蔽暫堵完井液體系，可以有效地達到保護氣層的要求。

 

  （5）對石炭系和奧陶系硬地層進(jìn)行鉆頭優(yōu)選及性能研究，建議分井段優(yōu)選 PDC 鉆頭，以實(shí)現優(yōu)質(zhì)、快速、高效的鉆進(jìn)。

 

  （6）開(kāi)展鄂爾多斯盆地超低滲氣藏開(kāi)發(fā)井地層巖石可鉆性研究，建立各層段巖石可鉆性數據，以期提高鉆頭機械鉆速、縮短鉆井周期及優(yōu)化鉆頭參數與結構。