LX致密砂巖氣區塊小井眼鉆井技術優化

饒 曉

(廣東煤炭地質局，廣東 510440)

我國致密砂巖氣資源豐富，致密砂巖氣藏不僅有陸相隨碎屑巖儲層的一般特點，而且還表現為低孔低滲、裂縫性、局部含水飽和度、高毛管壓力，地層壓力異常、高損害潛力等工程地質特征。致密砂巖氣作為重要的非常規天然氣資源，是我們實現“能源的飯碗必須端在自己手里”的重要補充，但因致密砂巖氣存在資源豐度低、產量遞減快、經濟開發難度大的特點，在大規模開發過程中，需要提高時效、降低投入。

LX區塊位于山西省部臨縣、興境內，隸屬呂梁市。構造位置位于鄂爾多斯盆地東緣晉西撓褶帶，具有低平寬緩的構造背景和廣覆式砂泥巖垂向間互分布的特征。井身結構設計主要依據為地層條件、鉆井技術水平、增產措施和采氣的技術要求，能有效的保護儲層，降低鉆井液對不同壓力梯度儲層的傷害，避免漏、噴、塌、卡等復雜情況發生，為安全鉆進創造條件。

1 地質概況

1.1 工作區地層

工作區地層發育齊全，依據區內地質以及實鉆資料，自上而下鉆遇地層的巖性主要有：

(1)二疊系上統石千峰組：巖性為褐紅色、紫紅色泥巖夾灰褐色細砂巖、中砂巖，與下伏上石盒子組呈平行不整合接觸。

(2)二疊系中統上石盒子組：上部灰褐色泥巖與淺灰色細砂巖、中砂巖、粗砂巖互層；下部為厚層灰褐色泥巖夾薄層細砂巖。

(3)二疊系中統下石盒子組：上部與中部為灰褐色、灰綠色泥巖夾淺灰色細砂巖、粉砂巖、下部為淺灰色細砂巖、中砂巖夾灰色泥巖。與下伏山西組呈不整合接觸。

(4)二疊系下統山西組：灰色、深灰色泥巖，淺灰色細砂巖，灰色泥質粉砂巖夾薄層黑色煤層；與下伏太原組呈整合接觸。

(5)二疊系下統太原組：黑灰色、深灰色泥巖，灰黑色炭質泥巖，黑色煤層，淺灰色細砂巖，黑灰色、灰色泥灰巖，呈略等厚互層，與下伏本溪組呈整合接觸。

(6)石炭系上統本溪組：中下部深灰色泥巖中發育灰色鋁土質泥巖、灰色泥質石灰巖和薄煤層，上部的深灰色泥巖與薄煤層呈互層發育。

1.2 地層可鉆性

根據地層可鉆性分析，第四系黃土層可鉆性較好，但劉家溝組以下地層可鉆性較差，可鉆性級別均大于4，其中，石千峰組、石盒子組地層較硬，可鉆性級別達到6；山西和太原組地層非常硬，可鉆性級別達到7。對于這種可鉆性較差的地層，需要對鉆頭開展針對性的研究，提高機械鉆速，LX區塊地層可鉆性分級見表1。

表1 LX區塊地層可鉆性分析

2 小井眼鉆井技術優化

2.1 井身結構優化

(1)作業風險分析及安全提示

一開鉆遇主要為新生界第四系耕植土壤、砂質粘土、細粉砂、砂土等河湖相碎屑巖、局部夾火山碎屑巖和碳酸鹽巖沉積，需要防漏、防垮塌、防卡鉆、防斜。

二開古生界地層井段長，鉆遇層位多，注意膠結疏松井段及層間漏失，以及井壁剝落的掉塊造成卡鉆事故。需要防漏、防卡、防斜打直、防止井壁垮塌。

尤其是本溪組、太原組及山西組煤層發育，單層厚1～15m，煤層段防止井壁坍塌和井漏。施工過程中應特別注意加強對H2S及CO2氣體的錄井檢測及防范，還需特別注意加強對目的層氣層高壓的防范。

(2)井身結構優化

圖1 常規井和小井眼井身結構示意

目前區塊內常規采用的井身機構為一開采用φ311.1mm鉆頭，下入φ244.5mm表層套管，二開采用φ215.9mm鉆頭，下入φ139.7mm生產套管(圖1(a))。常規井眼井身結構鉆井存在機械鉆速慢、工期長、巖屑量大等問題，對大規模開發階段的降本增效、加快增儲上產方面不利。

在目前區內取水困難、環保要求高、工期緊張的情況下，提出了采用小井眼技術，即一開采用φ215.9mm鉆頭，下入φ177.8mm表層套管，二開采用φ150mm鉆頭，下入φ114.3mm生產套管(圖1(b))。小井眼技術可滿足規模開發、降本增效與環保要求，主要原因在于小井眼鉆井的初期投資較小，包括應用較小的鉆機、較小的井場、較低修井成本、較細的管材、較少的鉆井液、水泥等。在技術方面，小井眼鉆井裝備、工具和整套小井眼鉆井技術均取得了重大發展，使安全經濟進行小井眼鉆井成為現實。在推廣應用方面，小井眼鉆井技術能滿足不同勘探開發的需要，減少勘探費用。

2019年開始采用小井眼鉆井技術施工，實踐中發現，要面臨鉆井過程中泵壓大、容易形成抽汲井壁不穩定、井眼軌跡控制難度大、套管居中難度大、窄間隙固井頂替效率低、固井質量差等技術難題。針對此種情況提出采用一開φ241.3mm鉆頭開孔，下入φ193.7mm表層套管，二開采用φ165.1mm鉆頭，下入φ114.3mm生產套管的小井眼鉆井技術(圖1(c))。適當擴大環空間隙，既保障了鉆井安全，提高鉆速，減少套管用量的降本增效目的，又達到了節省鉆井液、減少巖屑產生的環保要求。

(3)鉆頭選擇

根據地層可鉆性分析，劉家溝組以下的地層可鉆性較差，可鉆性級別均大于4；第四系黃土層可鉆性較好，可選擇PDC鉆頭或者牙輪鉆頭，石千峰組、石盒子組地層較硬，可選擇PDC鉆頭。結合已鉆井的實鉆結果，推薦二開井段推薦石千峰以上地層使用5刀翼、19mm齒鉆頭；石千峰及以下地層使用4刀翼、16mm齒鉆頭。

2.2 套管強度校核

抗拉校核工況：考慮解卡過提拉力40t、下套管速度0.3m/s、固井碰壓；抗外擠校核工況：全掏空狀態(生產)、循環漏失、固井；抗內壓校核工況：套管試壓、固井碰壓、壓裂工況(壓裂壓力60MPa)。套管強度校核以LX1-20-3D為例計算(表2)，根據計算結果可知：

表2 套管強度校核計算表

(1)φ193.7mm套管，選用26.4lb/ft、J55、LTC扣，可以滿足設計要求。

(2)φ114.3mm套管，選用11.6lb/ft、P110、LTC扣，可以滿足設計要求。

對于φ114.3mm生產套管，根據SY/T 6268—2017《油井管選用推薦做法》，推薦采用LTC扣，需要使用特殊螺紋密封脂。

2.3 鉆具組合優化

依據能有效地控制全角變化率及井斜角、保證井身質量、鉆頭工作的穩定性能高、施加較大的鉆壓、提高鉆速、起下鉆順利并降低費用、盡量簡化鉆具組合、預防鉆具的頻繁失效等原則。根據地層情況和施工井型需要，優選鉆具組合見表3，鉆頭計劃見表4。

表3 鉆具組合

表4 單井鉆頭計劃

2.4 鉆井液優化

鉆井液密度盡量使用低限，以保護儲層并防止井漏。鉆井過程中加強隨鉆壓力監測，根據實際需要及時調整鉆井液性能。鉆井過程中參考SY/T 6831—2011《油氣井錄井系列規范》執行，在鉆井工程中按照甲方要求，每班至少做一次鉆井液多性能測試(密度、粘度、含砂、API失水、泥餅、PH值等)；每2h進行一次一般性能測試(密度、粘度)。要求鉆井日報標明鉆井液相關信息(井深、時間、鉆井液添加劑、數量、性能變化等)。各井段鉆井液體系和主要性能見表5。

表5 各井段鉆井液性能

單井儲備超細碳酸鈣22t(粒徑：0.01～0.08μm)。鉆井及其它施工過程中，在保證井下安全的前提下，盡量不超過1.10g/cm3，在加入鉆井液添加劑前后，必須通知現場地質人員，特殊材料必須循環均勻后方可鉆進，不得加入影響氣測的有機添加劑，以免影響氣層的識別和發現，為保護儲層，儲層段禁止使用重晶石；區塊內石千峰-上石盒子組井段存在坍塌現象，鉆至石千峰組地層時需提前調整鉆井液性能，使鉆井液具有良好的抑制性，補充降濾失劑和防塌劑的含量，保持較低的失水和較好的泥餅質量，防止地層垮塌。在滿足井眼清潔、井壁穩定及設備能力的條件下，為了提高機械鉆速，保證一定的水力破巖效果，推薦φ165.1mm井段鉆進排量為900～1200L/min，可滿足井眼清潔要求。

3 應用效果分析

3.1 現場應用

工區內近兩年施工的部分井型和鉆進用時統計見表6。

表6 各井井型和鉆進用時

現場應用表明，與常規井型相比，小井眼結構套管用量減少18%，固井水泥用量減少50%，鉆井液用量減少32%，巖屑產生量減少50%，固井質量明顯改善，尤其是機械鉆速提升了一倍以上，對“增儲上產”、“降本增效”作用顯著。

3.2 對儲層改造影響

我國非常規天然氣資源總量大，但儲層物性差，存在低滲透性、低飽和度的特點，開發過程中多需要進行壓裂改造，強化儲層滲流條件，達到有效開采的目的。射孔壓裂改造是非常規天然氣行業目前最主要的完井方法，實際施工過程中發現存在水泥環未射穿、破裂、與套管脫開、套管產生裂縫等問題。采用小井眼施工技術，縮小了套管外壁和井壁環空，有效降低了水泥環厚度，不僅可以減少水泥凝固時的收縮量提高固井質量，還可以在射孔時針對性降低射孔能量，保護套管和水泥環，增加施工安全性。