仇越（大庆钻探工程公司钻井四公司）

松辽盆地北部青山口组和泉头组等中浅部复杂地层，蕴藏着丰富的致密油等非常规油气资源，其中齐家-古龙地区是中高成熟度致密油等资源发育的最有利地区，经过近几年的勘探开发，已经建成超过120×104t的产能建设，对大庆油田油气可持续开采具有重要意义。但在勘探过程中，特别是钻至复杂地层时存在着井壁失稳事故多发、钻井周期长、总体固井质量不高等技术难题，在研究分析复杂地层井壁失稳机理的基础上，形成了一系列适用于大庆中浅部复杂层安全钻完井配套技术，在现场施工过程中取得了较好的应用效果，具有广阔应用前景。

1 钻井施工难点分析

1）井下复杂事故率高。由于造斜段、水平段井眼周围地应力的变化，极易诱发井壁失稳，对前几年致密油区块的施工情况来看，超过80%的井发生了不同程度的井壁剥落和掉块现象，有的井发生井壁坍塌，频繁憋泵、卡钻，导致该井提前完钻。较高的井下复杂事故率，使大多数井难以钻达设计井深，无法完全实现地质目标，给非常规油气资源的勘探开发造成较大的经济损失。

2）钻井液性能要求高。较高的井下复杂事故率要求钻井液具有良好的抑制、封堵能力；长水段水平井技术是非常规油气资源增储的核心技术，这对钻井液的携岩能力提出更高要求，否则极易在井底形成岩屑床，如果设计井轨扭方位，在着陆及水平段施工中经常调整井轨寻找储层，携屑更加困难；较长的造斜段和水平段要求钻井液具有良好的润滑性，否则极易引起起下钻遇阻、套管难下入等问题。

3）总体固井质量较低。水平井固井施工面临井眼规则度差、套管下入居中困难、固井密度窗口窄、冲洗效率低、大型压裂对水泥石性能要求高等难题，固井质量保障难度增大。往年水平井水平段平均优质井段比例小于45%。因此，提高长水平段固井质量，确保井筒的完整性，才能满足大规模储层改造的要求。

4）钻井周期长、成本高。统计近几年松辽盆地北部的施工情况，钻井周期同比其它油田多一倍，成本也居高不下，导致非常规油气资源无法实现经济有效开发。

2 井壁失稳机理分析

2.1 XRD衍射分析

通过对复杂地层取样岩心（青山口组）进行XRD衍射分析得知，青山口地层粘土矿物总体含量较高，超过30%，主要以伊利石和伊蒙混层为主，其中伊利石相对含量大于80%，脆性矿物含量高达45%以上。高黏土矿物含量极易导致页岩发生表面水化，引起井壁剥落，导致井壁承压能力降低，同时，钻井液滤液等外来液相在压力传递作用下，容易使底层裂缝发生“水力尖劈”作用，进而发生更为严重的井壁失稳事故[1-2]。

2.2 扫描电镜及薄片分析

通过扫描电镜及薄片分析得知，青山口组地层页理、微裂缝发育，微裂缝以页理缝和构造缝为主，页理缝密度较高，构造缝宽度为微米级，并且具备毛细管吸水特征。

2.3 水化特性测定

通过滚动回收实验和线性膨胀实验得知，青山口组地层岩心的清水滚动回收率大于90%，线性膨胀率小于5%，在柴油中的滚动回收率大于99.9%，线性膨胀率等于0，表明该地层在油相中不膨胀和分散，属于低分散弱膨胀硬脆性页岩。

3 井壁稳定对策研究

3.1 优化井身结构和井眼轨道

为减小钻井过程中的摩阻和扭矩，首先从井身结构优化和井眼轨道设计入手，设计出摩阻和扭矩都较小的井眼轨道，以降低井眼轨迹控制难度，提高轨迹光滑度，主要采取以下措施：一是井身结构设计优化[3-5]，针对上部可能存在的流沙层，大段泥岩易水化膨胀和满足固井一次性封固要求，采用技术套管一次性封固目的层以上的地层，直井和定向井采用二开井身结构，水平井采用三开井身结构，探井可在直井导眼基础上开窗侧钻，通过以上措施以及在水平井设计中规模推广三层套管井身结构设计，可进一步提高施工安全性；二是井眼轨道设计优化[6-7]。在确保能够实现地质目的的前提下，再进一步兼顾降低工程施工难度，采取合理上移造斜点、轨迹剖面由三维变成二维，达到井眼轨道的优化设计，既能够减少设计井深，降低施工难度，还能使摩阻和扭矩更小，进一步实现提速降本的目的。

3.2 钻头优选和随钻仪器应用

为提高钻井施工效率，在复杂层造斜段和水平段全程使用旋转导向系统，因为旋导系统具有复合钻进速度快、转速高、减少井眼迂曲度、实现井眼轨迹精确控制的优点，能够有效降低摩阻、防止托压，提高油层钻遇率。通过对高寿命和高造斜率旋转导向进行优选后，确定了造斜段选用推靠式旋转导向，水平段选用指向式旋转导向。

通过对现有旋导专用钻头进行优选，采用5刀翼、短冠、大尺寸复合片的PDC钻头，提高造斜段旋导工具造斜能力，满足地质导向要求[8]。

3.3 钻井液技术

由于复杂地层的特殊性，使用水基钻井液很难将井眼打成，所以只能油基钻井液进行施工。而常规油基钻井液在该类地层钻进过程中，常发生井壁剥落、坍塌等事故，所以为了提高钻井液的井壁稳定效果，主要从以下几方面优化油基钻井液相关性能：一是确定钻井液密度，对造斜段和水平段井筒三压力剖面进行了预测，确定造斜段合理钻井液密度为1.50~1.55g/cm3，水平段钻井液密度1.55~1.60g/cm3；二是提高封堵性能[9-10]，针对地层微裂缝宽度和分布范围特征，优化封堵材料粒度级配，研选粒度分布更低、分散效果更好的油溶性复合型成膜封堵材料，并将体系封堵材料种类进行优选和合理级配；三是流变性控制[11-12]，开展油基钻井液体系流变特性研究，在保证体系凝胶结构稳定的前提下，在原有体系配方基础上，通过调整主、辅乳化剂最优配比，改善低转速黏度，提高体系携岩能力，最终形成一套综合性能更优的油基钻井液体系，油基钻井液性能数据见表1。优化后的钻井液体系在150℃条件下分别老化16h、24h、32h后，钻井液流变性稳定，破乳电压变化不大。

表1 油基钻井液性能数据

3.4 提高固井质量技术

通过对近几年水平井总体固井质量进行分析，主要存在着水平段长、井径不规则、套管安全下入居中困难、冲洗效率低、井筒完整性保障难度大等问题，这些都严重影响了固井质量。为提高固井质量，主要开展了以下几方面工作：一是理论模型研究，通过建立力学模型及数值模拟分析技术，组装径向全尺寸物理模拟装置，形成了水泥环完整性安全系数评价方法，增强了井筒完整性理论认识，为水泥浆技术研究提供了理论和方法指导；二是提高清洗效率，研选同时具有冲洗、悬浮功效的表面活性剂并使用流型调节剂，实现环空界面润湿反转，并保持合理的顶替流态，使水泥环胶结强度提高了60%以上，油基钻井液驱替效率可达96%以上；三是水泥外加剂研选，通过研选成膜防窜剂、树脂增韧剂等关键外加剂，形成了具有高强度、高抗窜、高耐久性、低渗透率、低弹性模量、低失水的新型防窜韧性水泥浆。解决了水泥石韧性增加、强度降低的瓶颈，使水泥石弹性模量降低了40%以上，应变量提高了近20%。

4 现场应用

形成的中浅部复杂层优快钻井配套技术，在L26、YP1等区块累计应用9口井，试验井与非试验井施工情况对比见表2。采用配套技术后，平均机械钻速12.4m/h，平均钻井周期46.8天，与往年施工水平井相比，机械钻速提高了34%，钻井周期平均缩短8.1天。在固井质量方面，水平井优质井段比例达到91.2%，同往年相比提高了45%以上。

表2 试验井与非试验井施工情况对比

按照1口井缩短8.1天钻井周期计算，9口井共缩短钻井周期72.9天，按照30D钻机每天费用6.5万元计算，9口井共节约钻机费用473.85万元。另外，形成的相关技术可以有效降低井下复杂事故率、提高固井质量，潜在的经济效益和社会效益也十分可观。

5 结论

1）为解决松辽盆地北部致密油等非常规油气资源勘探开发中存在的一系列钻井技术难题，在研究分析复杂地层井壁失稳机理的基础上，通过开展优化井眼轨道设计、优选钻头和随钻仪器、研制钻完井液体系等技术研究，形成了适合大庆油田非常规油气资源优快钻井的配套技术对策。

2）在现场应用中，平均机械钻速和固井优质率等指标都大幅度提高，钻完井周期也较大幅度缩短，为大庆油田非常规油气资源的安全高效开发提供了技术支撑。