贾佳，夏忠跃，冯雷，范志坤，解健程

中海油能源发展股份有限公司 工程技术分公司（天津300457）

目前，致密气开发多采用定向井和水平井的方式，其中，水平井由于其独特的开发效果，逐渐得到推广应用[1]。山西临兴区块水平井常用的是三开井身结构：一开采用Φ311.15 mm 井眼，下Φ244.5 mm套管；二开采用Φ222.25 mm 井眼，下Φ177.8 mm 套管；三开采用Φ152.4 mm 井眼，裸眼完井。在三开水平井实施初期，为了精细认识储层，在实施三开井眼之前，先打领眼，以保证储层钻遇率，已钻三开水平井存在机械钻速慢、钻井周期长、钻井费用高的难点，平均单井钻井周期达到66 d。为了提高钻速、缩短工期、减少费用，有必要对目前三开井身结构进行改进设计，开展二开水平井井身结构试验，以提高开发效益。以临兴区块第一口二开井身结构水平井1H 井为例，对1H 井进行了重点设计，对现场应用效果进行了阐述，对存在的摩阻高问题进行了针对性的分析，提出了具体的改进措施。

1 工程设计

1.1 设计难点

1H井位于山西省兴县，构造位于临兴中区块蔡家会区沈家里构造西部，主要目的层为太原组太2段，完钻层位为太原组，水平段长850 m，采用套管固井完井。该区块的压力系数为0.83～0.98，温度梯度约3.0 ℃∕100 m，属于常温常压储层。该区块的表层为新生界第四系沉积，土质疏松，钻井过程中容易漏失；二开钻遇古生界地层井段长、层位多，部分井段存在胶结疏松及层间漏失，同时井壁剥落掉块易造成卡钻事故。

1.2 轨迹设计

在进行轨迹设计时，需尽量减少钻井进尺，降低作业难度。考虑与其他井的防碰问题，造斜点一般错开20 m 以上；考虑现场实施难度，造斜率尽量控制在4.0°∕30 m 以内；靶前距尽量控制350～450 m以降低作业难度；井口间距按照5 m进行设计，设计参数见表1。

表1 轨迹设计参数表

1.3 井身结构设计

根据地层压力数据、地质设计、邻井钻井井史资料、结合完井要求，对井身结构进行设计，一开套管下入基岩不少于20 m，设计本井一开钻311.15 mm 井眼至502 m，下入244.5 mm 套管至500 m；二开钻215.9 mm 井眼至3 294 m，下入139.7 mm 套管至3 292 m，如图1所示。

1.4 钻头设计

根据地层可钻性分析，刘家沟组以下的地层可钻性较差，可钻性级别均大于4；第四系黄土层可钻性较好，可选择PDC钻头或者牙轮钻头，石千峰组、石盒子组地层较硬，可选择PDC钻头[2-3]。结合已钻井的实钻结果，该井设计采用双排齿PDC 钻头，二开井段推荐石千峰以上地层使用5 刀翼、19 mm 齿钻头；石千峰及以下地层使用5刀翼、16 mm齿钻头。

1.5 钻具组合设计

一开井段使用塔式钻具组合：Φ311.15 mm 钻头+变扣+Φ203.2 mm 钻铤×3+变扣+Φ165.1 mm 钻铤×(3+9)+Φ127 mm钻杆，二开进入造斜段后使用倒装钻具组合，加重钻杆建议倒装在井斜30°以上位置，另加放不少于30 根，以防止发生钻具托压现象。设计钻具组合为：Φ215.9 mm钻头+Φ171.5 mm马达+浮阀+扶正器+Φ165.1 mm 无磁钻铤+随钻测井工具+随钻测量工具+Φ165.1 mm 无磁钻铤+Φ165.1 mm钻铤×(3～9)+Φ127 mm钻杆+Φ127 mm加重钻杆×30+Φ127 mm钻杆。

图1 井身结构示意图

1.6 钻井液设计

一开使用膨润土浆，其密度范围为1.03～1.07 g∕cm3，二开使用低固相强封堵钻井液，刘家沟以上地层密度范围为1.05～1.15 g∕cm3，刘家沟以下地层密度范围为1.15～1.25 g∕cm3。储层段在满足安全作业的前提下，钻井液密度尽量执行设计下限[4-5]，设计参数见表2。

1.7 固井设计

一开固井设计采用密度为1.85 g∕cm3的水泥浆，水泥返至地面；二开领浆密度为1.40～1.45 g∕cm3，尾浆密度为1.80～1.85 g∕cm3，领浆返至地面，尾浆返至最上部气层以上200 m。如果生产套管水泥未返至地面，要求进行井口回挤水泥作业；考虑到二开造斜和水平段在同一井段，建议使用微膨胀水泥或韧性水泥以确保固井质量。

2 应用效果

1H 井设计井深3 294 m，完钻井深3 163 m，一开钻至504 m，二开采用一只215.9 mm 钻头和马达钻至3 163 m，实际钻井周期为42.63 d，比设计周期37.5 d 晚了5.13 d。 一开井段采用311.15 mmPDC钻头钻进，使用膨润土浆钻进至504 m，钻井参数：钻压4～8 t，转速72 r∕min，排量3 000 L∕min，泵压7 MPa。二开采用PDC 钻头，平均机械钻速8.61 m∕h；单只钻头最高进尺870 m，最高日进尺246 m。

表2 钻井液设计参数表

3 经验教训

3.1 摩阻高

设计水平段长729 m，实际钻成水平段长598 m，未完成水平段长131 m。现场实际钻至3 163 m，下钻困难，申请提前完钻。

根据现场实际作业参数，对1H 井的摩阻系数进行软件反演，钻进过程中裸眼段摩阻系数为0.35～0.45（图2），下套管过程中裸眼段摩阻系数为0.40～0.50（图3），与一作业邻井摩阻系数0.30 相比，摩阻系数偏大。后续作业时，需进一步加强水平井钻井液的性能要求，尤其注意润滑性能的控制，确保摩阻系数控制在0.30～0.35，最高不能超过0.40。

图2 钻进时裸眼摩阻系数反演图

3.2 发生螺旋屈曲

施工设计中，要求加重钻杆倒装不少于30 根，倒装位置在30°左右，而现场实际作业时，加重钻杆的倒装13根、倒装位置在20°左右位置，导致钻进至3 163 m时，钻具下发异常困难，加压困难，摩阻非常大，无法继续进行钻进，所以提前完钻。后续通过软件对实际钻进过程中的工况进行模拟计算，发现倒装13根加重钻杆时，无论倒装至什么位置均会发生螺旋屈曲的情况，见表3。

图3 下套管时裸眼摩阻系数反演图

表3 不同数量倒装钻具对钻进和下套管的影响

同时对倒装钻具位置进行敏感性分析，伴随作业井深逐渐加深，未进行短起倒换加重位置，将直接影响倒装钻具效果，以倒装30根加重钻杆为例进行敏感性分析，当加重钻杆倒装至30°以外的位置时，会发生螺旋弯曲[6]，见表4。

表4 不同倒装位置时钻具对钻进和下套管的影响

4 结论

临兴致密气进入了大开发阶段，降本增效尤为重要。通过技术创新，对临兴第一口二开井身结构水平井1H井进行了设计，现场作业表明，提速降本效果明显，可以在临兴区块进行推广应用，该二开水平井设计方法可以为后续水平井作业提供经验参考。

1）轨迹设计时，全角变化率尽量控制在4°∕30m以内，井深控制在3 000 m以内。

2）进一步加强水平井钻井液的性能要求，注意润滑性能的控制，确保摩阻系数控制在0.3～0.35，最高不能超过0.40。

3）为满足长水平段的钻进需求，现场作业时至少配备30根加重钻杆以满足倒装钻具的使用要求。

4）加重钻杆倒装位置建议执行设计推荐值，在水平段钻进，短起下过程中按计划倒钻杆来满足作业需求。

5）为了防止托压现象，可考虑使用旋转导向工具和水力振荡器。