神府致密气区块小井眼井改进研究

贾佳，谢海涛，夏忠跃，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 300467）

神府致密气区块沉积条件复杂，储层非均质性强、连续性差、具有低孔、低温、低渗，低压、自然产能低或基本无产能的特点[1-2]。目前使用的小井眼井身结构为：Ф215.9 mm 井眼×Ф177.8 mm 套管+Ф155.6 mm 井眼×Ф114.3 mm 套管，在钻井过程中，存在钻井周期较长，钻速较慢，钻头易泥包，固井ECD 值高等问题，需要开展针对性的研究，以解决这些问题。

1 存在的问题

1.1 钻井周期长，机械钻速慢

神府区块已钻小井眼中，如表1所示，钻井周期平均30 余天，平均机械钻速6.7 m/h，制约了小井眼井的快速高效作业。

1.2 钻头易泥包

在小井眼钻进过程中，如表2所示，钻头外径为155.6 mm，泵排量一般开至800 L/min，环空返速0.7 m/s 左右，岩屑的返出效果较差，尤其是在石千峰-石盒子组泥质含量较高的地层，容易引起井底泥质固相含量过高，导致钻头泥包[3]。

表1 神府区块已钻小井眼井机械钻速和钻井周期统计

表2 钻头泥包情况统计

1.3 钻具易损坏

正常钻进过程中，使用的钻杆为Ф88.9 mm，其内径为Ф70.6 mm，钻具内摩阻较大，比常规钻具压力更高，钻杆易发生刺漏[4-7]。4D 井钻至井深1 845 m 立管压力由12 MPa 下降至10 MPa，起钻至1 337 m，钻具刺漏两根；8D 井钻进至井深778 m，施工过程中立管压力由10.6 MPa下降至6.0 MPa，起钻至第14柱发现公母扣台阶面损坏（图1）。

1.4 固井易井漏

裸眼段扩径后井径约168 mm，生产套管外径为114 mm，环空间隙较小，顶替排量受到限制，顶替效率低，环空钻井液易形成滞留带，替浆中易发生窜槽，固井质量一般较差；同时，环空间隙小，摩阻大，固井动态当量密度高，导致下部地层尤其是煤系地层，极易出现漏失。在注入泥浆过程中，Ф155.6 mm井眼，环空返速达到1.7 m/s，同时固井水泥浆失水较大，泥饼不断被冲刷掉落，形成环空憋压压漏地层[8-12]。神府地区下石盒子、刘家沟属于易漏地层，固井中上部直接压裂地层，泥浆无法正常循环，井口失返，形成长距离套管自由段；下部地层压力高，形成局部地层漏失，失水过大，导致部分井段胶结质量差。

现场作业时，3井井身质量较好，固井参数虽达到设计要求，但注水泥浆时井口失返，1 754 m 以上为自由套；2D井注水泥时井口失返，1 800 m以上为自由套（表3）；7 井和9 井，固井过程井口返出和碰压基本正常，但全井段显示多段不同程度胶结质量不好（表4）。

表3 神府3井固井时存在长距离自由段

表4 神府7井固井胶结质量不连续井段统计

2 改进研究

2.1 井身结构优化研究

开展井身结构优化研究，将原小井眼井身结构Ф215.9 mm×Ф177.8 mm +Ф155.6 mm ×Ф114.3 mm调整为Ф241.5 mm×Ф193.7 mm +Ф165.1 mm×Ф114.3 mm，该井身结构与小井眼井身结构相比，在泵压、固井ECD等方面有比较大的优势[13-17]。

2.1.1 钻进中受力研究

钻进过程中，在同等条件下，原井身结构（图2中井身结构1）中钻具受力与改进后井身结构（井身结构2）的受力相差不大，同等井深下，钻具受力相差不超过2 t（图2）。

图2 不同井身结构钻进过程中受力分析示意图

2.1.2 扭矩分析

在同等条件下，井身结构1 的扭矩值与井身结构2相差不大。尤其随着深度的增加，在1 000 m以下地层中，扭矩值几乎一致（图3）。

图3 不同井身结构钻进时扭矩变化示意图

2.1.3 泵压变化

钻进过程中，随着排量增大，泵压逐渐增大，在相同排量下，井身结构1的泵压比井身结构2的大，随着排量增加，相差的幅度越大。在1 000 L/min的排量下，井身结构1 的泵压为16.2 MPa，井身结构2的泵压为8.5 MPa，几乎相差了1倍（图4）。

图4 不同井身结构泵压随排量变化示意图

2.1.4 固井井底ECD变化

在固井过程中，随着井深增加，ECD 值逐渐增大[16-18]；不同井身结构，ECD 值不同，表现出的规律是：井身结构1的ECD值＞井身结构2的ECD值，井身结构1 进行固井时，井底ECD 接近了1.88 g/cm3，井身结构2 的井底ECD 为1.82 g/cm3。由于井身结构1固井时，存在压漏地层的情况。所以，为了避免井底ECD 过大，需要控制ECD 值在1.88 g/cm3以下[18-20]（图5）。

图5 不同井身结构固井井底ECD变化示意图

2.2 开展钻头针对性研究

对二开石千峰以上地层：对比试验19 mm 齿和16 mm 齿的现场效果，使用19 mm 齿钻头平均机械钻速14.5 m/h，最高达到22 m/h；使用16 mm 齿钻头平均机械钻速12.5 m/h，最高达到18.5 m/h；提速效果对比16 mm齿平均提速15%；后续井作业时，二开钻头使用19 mm齿钻头（图6、图7）。

图6 不同钻头类型19 mm齿机械钻速统计

图7 不同钻头类型16 mm齿机械钻速统计

对二开石千峰以下地层进行对比试验：使用19 mm 齿钻头平均机械钻速7.5 m/h，最高达到10m/h；使用16 mm 齿钻头平均机械钻速13 m/h，最高达到21.5 m/h；提速效果对比19 mm 齿提速明显；建议石千峰及其以下地层钻头使用16 mm齿钻头（图8）。

图8 石千峰及其以下地层不同尺寸齿PDC钻头

2.3 开展钻具优化研究

由于小井眼井在实施过程中，使用Ф88.9 mm钻具，该钻具柔性大，易发生刺漏的特点，对钻杆尺寸进行优选，选择Ф101.6 mm钻杆与之进行对比研究。

2.3.1 扭矩安全极限

使用Ф88.9 mm和Ф101.6 mm钻杆进行钻进时，钻具的安全扭矩极限不尽相同，Ф88.9 mm钻杆明显小于Ф101.6 mm钻杆，同时，Ф101.6 mm钻杆的尺寸大，刚性比Ф88.9 mm 钻杆要强，承受的力也更大（图9）。

图9 不同尺寸钻杆钻进时理论极限值对比分析图

2.3.2 泵压对比

使用Ф88.9 mm 钻进时，泵压明显高于Ф101.6 mm钻杆钻进时的泵压，当排量开至1 000 L/min时，Ф88.9 mm 钻杆钻进时泵压为22.6 MPa，而Ф101.6 mm 钻杆钻进时的泵压仅为15.2 MPa，相差了7.4 MPa，泵压降低了32%，所以使用大尺寸钻杆，对大幅降低泵压，作用突出（图10）。

3 现场应用

3.1 钻井工期

现场应用结果表明，改进前，折算2 000 m 平均当量钻井工期21.55天；改进后，平均当量钻井工期16.60天；工期缩短了23%(图11)。

图10 不同尺寸钻杆泵压对比分析图

图11 不同井身结构钻井工期对比示意图

3.2 机械钻速

随着不断改进，机械钻速也呈现逐渐加快的趋势，改进前，平均机械钻速7.69 m/h；改进后，平均机械钻速10.12 m/h，机械钻速提高31%（图12）。

图12 不同井身结构机械钻速对比示意图

4 结论

1）经过改进，井身结构Ф311.15 mm× Ф244.5 mm+Ф215.9 mm×Ф139.7 mm，更适合目前神府区块的致密气钻井作业。

2）钻头使用16 mm齿，可以有效提高机械钻速，有效缓解钻头泥包的发生。

3）可以优选Ф101.6 mm 钻杆进行钻进，同等排量下，泵压可以降低32%。

4）使用改进后的井身结构，可以有效解决固井中ECD较高产生的井漏问题。

5）现场应用表明，改进后的小井眼技术可以提高机械钻速31%，缩短钻井工期23%，在神府致密气区块可以推广使用。