鄂尔多斯盆地临兴浅层气区块优快钻井技术

2022-09-28夏忠跃

天然气技术与经济 2022年4期

贾佳夏忠跃冯雷李建

（中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300452）

0 引言

浅层气是分布于浅部地层的天然气，由于其在地下沉积速度快，地层压力来不及释放，所以浅层气具有破坏力强、危险程度高的特点［1-4]。一旦控制不好，发生井喷，会造成爆炸起火、钻机烧毁的严重后果［5-7]。临兴浅层气井区位于鄂尔多斯盆地紫金山构造带北部，整体属于北西—南东走向的背斜构造。中三叠统纸坊组和下三叠统和尚沟组为浅层气的主要开发层位，纸坊组孔隙度介于11%～14%，渗透率介于2.7～8.3mD，地层压力系数为1.55；和尚沟组孔隙度介于10%～12%，渗透率介于2.0～3.7 mD，地层压力系数为1.33。前期钻井作业时，曾发生了上漏下喷、固井质量不合格、井口冒气、遇阻遇卡等问题，延长了钻井周期，影响了整体开发效益。为了解决这些问题，提高浅层气区块的钻井效率，对临兴浅层气进行了针对性的研究，形成了适合临兴区块的浅层气钻井技术。

1 作业难点分析

1.1 钻进时上漏下喷同时发生，复杂情况发生率高

临兴浅层气区块位于临兴先导试验区北部，属于黄土丘陵区域［8-10]，表层黄土层松软未成岩，在前期井作业时，多口井在第四系地层发生漏失，部分井漏速达到30 m3／h，漏失量超过110 m3（表1），对钻井正常作业产生了不利影响。同时，钻过第四系后，纸坊组和和尚沟组属于异常高压储层（压力系数达到1.55），钻进时，又发生了溢流的情况（表2），这种地层上部漏失和下部溢流同时发生的情况，在前期已钻井中，占比达到了80%以上，给钻井安全作业，产生了重大挑战，延长了钻井周期，降低了致密气整体开发效益。为了同时解决好上漏下喷的情况，需要对现有井身结构进行改进，实现现场安全钻井［11-12]，逐步缩短钻井周期。

表1 已钻井表层漏失情况统计表

表2 已钻浅层气井发生溢流统计表

1.2 固井质量不合格，出现环空带压情况

临兴浅层气井区前期作业井固井后，固井质量不合格（表3），其中，部分井出现了环空带压的情况（未形成有效水泥环，导致发生环空气窜），这种情况的发生会降低了油气采收率、侵蚀和腐蚀套管，降低套管寿命，给后续施工埋下了巨大隐患。为了解决固井不合格和环空带压情况，需要对浅层气固井技术进行优化研究。

表3 已钻浅层气区块固井不合格情况统计表

1.3 钻井液护壁性差，遇阻遇卡现象明显

钻井过程中，为了保持安全钻井，钻井液密度需要控制在1.65 g／cm3以上，前期浅层气井使用高密度钻井液钻进时，井筒间压差过大，导致在电测、下套管、取心时多次发生遇阻和遇卡（表4），经统计，发生率占比达到40%以上，影响了整个钻井的高效作业。

表4 部分井发生复杂情况统计表

2 浅层气钻井技术研究

2.1 浅层气井身结构改进研究

前期作业井采取二开的井身结构，一开套管下至和尚沟组底，虽然将高压层与下部低压层隔开，但是，没有将高压层和上部的第四系易漏层隔开，在实际钻进时，漏失和溢流依然同时发生，花费大量时间解决漏失和溢流，导致钻井周期延长。经过分析，纸坊组和和尚沟组是高压层，第四系为漏失层，属于两套不同的压力系统，在对后续浅层气井进行设计时，从压力平衡和安全的原则出发，将两套压力系统封隔开。为此，将之前的二开井身结构优化为三开井身结构，保障高压层与上部和下部的易漏层均分隔开，一开设计下入Φ244.5 mm导管，封固上部易漏地层；二开钻Φ215.9 mm井眼揭开高压层，使用高密度钻井液钻过纸坊组和和尚沟组，钻入刘家沟组完钻；三开钻Φ155.6 mm井眼至完钻井深，下入Φ114.3 mm套管，井身结构设计的思路如表5所示。采用下入导管和三开井身结构后，漏失和溢流同时发生的情况，得到了有效的控制。

表5 井身结构改进设计表

2.2 浅层气强封堵高密度钻井液技术研究

浅层气钻井时，针对三套不同的压力系统，开展针对性的钻井液技术研究。

对于一开井段，地层属于黄土易漏层，胶结性差，可钻性好，且易漏，易垮塌，需要防止井漏、井塌，防止沉砂卡钻［13-15]。同时井眼尺寸大，钻时快，要求钻井液需要有足够的携沙能力，防止重复破岩和沉砂卡钻。此井段采用膨润土浆作业，密度控制在1.10 g／cm3以内。

对于二开井段，纸坊组和和尚沟组属于异常高压层，进入二开井段后，需要迅速提高钻井液密度至1.65 g／cm3，打开储层前，加重材料的储备量应满足该井段1.5倍井筒容积钻井液密度提高0.2 g／cm3。同时，石盒子组以下泥岩黏土成分以伊蒙间层和伊利石为主，不含蒙脱石，属于硬脆性泥岩。地层沿层理、裂缝的断面发生剥落坍塌，从封堵性和抑制性两方面保持井壁稳定。

对钻井液体系中关键性能进行研究，随着膨润土加量逐渐增多，钻井液表观粘度（AV）、塑性粘度（PV）、动力切（YP）均随之增加，但当加量增加至2%时，继续增多加量，PV值增加缓慢，同时滤失量随之减小，综合考虑，膨润土含量控制在2%～4%（图1）。随着黄原胶（XC）加量逐渐增多，钻井液AV、PV、YP均明显增加，但当加量增加至2%时，继续增多加量，滤失量随之减小，综合考虑，XC含量控制在0.1%～0.2%（图2）。

图1 膨润土含量对钻井液性能的影响曲线图

图2 XC加量对钻井液性能的影响曲线图

为了进一步提升封堵性能，在钻井液体系中，添加封堵剂，对临兴地层进行分析，非均质性强，部分孔喉较小，引入粒径更小的封堵剂和多级封堵剂，以封堵住孔喉和裂隙。对添加封堵剂后的钻井液滤失性能进行研究，随着时间延长，滤失量逐渐增多，30 min时，滤失量为5 mL（图3），能够起到预期效果。

图3 钻井液滤失性能变化曲线图

为了进一步增强润滑效果，对润滑剂LUBE开展加量对比试验，分析不同加量时，钻井液的润滑性能差异。试验结果表明，随着LUBE加量增加，润滑性能越来越好，但LUBE加量增加至1%以后，润滑性增加速度变慢，对于浅层气这种大斜度井来说，优选3%LUBE为最优加量（表6）。

表6 不同LUBE加量时润滑性能数据对比表

综合研究，二开井段钻井液具体配方为：清水＋2%膨润土＋0.25%Na0H＋0.15%Na2CO3＋0.6%CMC－LV＋0.3%PAC－LV＋0.2%XC＋1%植物胶＋1.5%沥青＋0.5%多元抑制剂＋1%单向压力封堵剂＋2%随钻堵漏剂＋3%润滑剂＋重晶石。

对于三开井段，石千峰组以上含泥页岩地层存在井径扩大严重现象，需适当控制钻井液失水。石盒子地层存在硬脆性泥页岩，易发生井壁浸泡垮塌，需提高钻井液抑制性能［16-17]。山西组、太原组存在煤层，还需要严格控制钻井液密度和失水，防止出现漏失，具体钻井液情况见表7所示。

表7 各井段钻井液性能设计表

2.3 浅层气防气窜固井技术研究

由于浅部存在高压气层，所以一开套管和二开套管的固井尤为重要。在进行固井设计时，一方面要保证固井质量，同时另一方面不能压漏地层。临兴区块已钻井地漏试验数据显示：进基岩后地层破裂压力当量密度1.80 g／cm3以上，对于一开和二开套管采用高密度水泥浆进行固井。对于三开固井，刘家沟组承压能力较弱，如果采用单一高密度水泥浆进行固井，由于高密度水泥浆出套管进入环空，环空液柱压力大，很容易将地层压漏，最终领浆固井质量无法保证［18-20]。设计采用两种密度水泥浆进行固井，领浆采用低密高强水泥浆，尾浆采用高密度水泥浆，以此来保证水泥浆封固质量。

选择1.90 g／cm3的水泥浆进行固井模拟试验，会压漏地层（图4）。选择1.45 g／cm3领浆和1.90 g／cm3的尾浆进行固井模拟试验，计算井底ECD值为1.71 g／cm3，不会压漏地层（图5）。在水泥浆中，添加防气窜剂，提高对气层的封固，添加纤维，提高地层的承压能力；稠化时间控制在1小时内，降低水泥浆失重时气侵影响；同时使用管外封隔器，以解决气体上窜产生的环空带压问题。最终使用的领浆配方为：G级水泥＋1.5%防气窜剂＋0.6%减阻剂＋43%现场水；尾浆配方为：G级水泥＋1%降失水剂＋1.5%流型调变剂＋1.5%防气窜剂＋0.5%减阻剂＋晶格膨胀剂＋纤维＋42.5%现场水。

图4 单一高密度水泥浆会压漏地层

图5 采用领浆和尾浆固井不会压漏地层

分析固井过程中顶替速度对顶替效率的影响，根据赫巴模式紊流临界雷诺数NRec和偏心流动综合雷诺数NRe中进行计算。当速度为0.2 m／s时，顶替流态为塞流；当速度0.2 m／s＜v＜2.3 m／s时，顶替流态为层流；当顶替速度v＞2.3 m／s时，此时顶替流态过渡为紊流。针对塞流、层流和紊流三种不同的流态，对赫巴模式下不同顶替速度时注水泥顶替过程进行了数值模拟，顶替速度尽量保持在0.6 m／s以内（图6），以提升顶替效率，保证固井质量。