LX致密砂岩气区块小井眼钻井技术优化

饶 晓

(广东煤炭地质局，广东 510440)

我国致密砂岩气资源丰富，致密砂岩气藏不仅有陆相随碎屑岩储层的一般特点，而且还表现为低孔低渗、裂缝性、局部含水饱和度、高毛管压力，地层压力异常、高损害潜力等工程地质特征。致密砂岩气作为重要的非常规天然气资源，是我们实现“能源的饭碗必须端在自己手里”的重要补充，但因致密砂岩气存在资源丰度低、产量递减快、经济开发难度大的特点，在大规模开发过程中，需要提高时效、降低投入。

LX区块位于山西省部临县、兴境内，隶属吕梁市。构造位置位于鄂尔多斯盆地东缘晋西挠褶带，具有低平宽缓的构造背景和广覆式砂泥岩垂向间互分布的特征。井身结构设计主要依据为地层条件、钻井技术水平、增产措施和采气的技术要求，能有效的保护储层，降低钻井液对不同压力梯度储层的伤害，避免漏、喷、塌、卡等复杂情况发生，为安全钻进创造条件。

1 地质概况

1.1 工作区地层

工作区地层发育齐全，依据区内地质以及实钻资料，自上而下钻遇地层的岩性主要有：

(1)二叠系上统石千峰组：岩性为褐红色、紫红色泥岩夹灰褐色细砂岩、中砂岩，与下伏上石盒子组呈平行不整合接触。

(2)二叠系中统上石盒子组：上部灰褐色泥岩与浅灰色细砂岩、中砂岩、粗砂岩互层；下部为厚层灰褐色泥岩夹薄层细砂岩。

(3)二叠系中统下石盒子组：上部与中部为灰褐色、灰绿色泥岩夹浅灰色细砂岩、粉砂岩、下部为浅灰色细砂岩、中砂岩夹灰色泥岩。与下伏山西组呈不整合接触。

(4)二叠系下统山西组：灰色、深灰色泥岩，浅灰色细砂岩，灰色泥质粉砂岩夹薄层黑色煤层；与下伏太原组呈整合接触。

(5)二叠系下统太原组：黑灰色、深灰色泥岩，灰黑色炭质泥岩，黑色煤层，浅灰色细砂岩，黑灰色、灰色泥灰岩，呈略等厚互层，与下伏本溪组呈整合接触。

(6)石炭系上统本溪组：中下部深灰色泥岩中发育灰色铝土质泥岩、灰色泥质石灰岩和薄煤层，上部的深灰色泥岩与薄煤层呈互层发育。

1.2 地层可钻性

根据地层可钻性分析，第四系黄土层可钻性较好，但刘家沟组以下地层可钻性较差，可钻性级别均大于4，其中，石千峰组、石盒子组地层较硬，可钻性级别达到6；山西和太原组地层非常硬，可钻性级别达到7。对于这种可钻性较差的地层，需要对钻头开展针对性的研究，提高机械钻速，LX区块地层可钻性分级见表1。

表1 LX区块地层可钻性分析

2 小井眼钻井技术优化

2.1 井身结构优化

(1)作业风险分析及安全提示

一开钻遇主要为新生界第四系耕植土壤、砂质粘土、细粉砂、砂土等河湖相碎屑岩、局部夹火山碎屑岩和碳酸盐岩沉积，需要防漏、防垮塌、防卡钻、防斜。

二开古生界地层井段长，钻遇层位多，注意胶结疏松井段及层间漏失，以及井壁剥落的掉块造成卡钻事故。需要防漏、防卡、防斜打直、防止井壁垮塌。

尤其是本溪组、太原组及山西组煤层发育，单层厚1～15m，煤层段防止井壁坍塌和井漏。施工过程中应特别注意加强对H2S及CO2气体的录井检测及防范，还需特别注意加强对目的层气层高压的防范。

(2)井身结构优化

图1 常规井和小井眼井身结构示意

目前区块内常规采用的井身机构为一开采用φ311.1mm钻头，下入φ244.5mm表层套管，二开采用φ215.9mm钻头，下入φ139.7mm生产套管(图1(a))。常规井眼井身结构钻井存在机械钻速慢、工期长、岩屑量大等问题，对大规模开发阶段的降本增效、加快增储上产方面不利。

在目前区内取水困难、环保要求高、工期紧张的情况下，提出了采用小井眼技术，即一开采用φ215.9mm钻头，下入φ177.8mm表层套管，二开采用φ150mm钻头，下入φ114.3mm生产套管(图1(b))。小井眼技术可满足规模开发、降本增效与环保要求，主要原因在于小井眼钻井的初期投资较小，包括应用较小的钻机、较小的井场、较低修井成本、较细的管材、较少的钻井液、水泥等。在技术方面，小井眼钻井装备、工具和整套小井眼钻井技术均取得了重大发展，使安全经济进行小井眼钻井成为现实。在推广应用方面，小井眼钻井技术能满足不同勘探开发的需要，减少勘探费用。

2019年开始采用小井眼钻井技术施工，实践中发现，要面临钻井过程中泵压大、容易形成抽汲井壁不稳定、井眼轨迹控制难度大、套管居中难度大、窄间隙固井顶替效率低、固井质量差等技术难题。针对此种情况提出采用一开φ241.3mm钻头开孔，下入φ193.7mm表层套管，二开采用φ165.1mm钻头，下入φ114.3mm生产套管的小井眼钻井技术(图1(c))。适当扩大环空间隙，既保障了钻井安全，提高钻速，减少套管用量的降本增效目的，又达到了节省钻井液、减少岩屑产生的环保要求。

(3)钻头选择

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。结合已钻井的实钻结果，推荐二开井段推荐石千峰以上地层使用5刀翼、19mm齿钻头；石千峰及以下地层使用4刀翼、16mm齿钻头。

2.2 套管强度校核

抗拉校核工况：考虑解卡过提拉力40t、下套管速度0.3m/s、固井碰压；抗外挤校核工况：全掏空状态(生产)、循环漏失、固井；抗内压校核工况：套管试压、固井碰压、压裂工况(压裂压力60MPa)。套管强度校核以LX1-20-3D为例计算(表2)，根据计算结果可知：

表2 套管强度校核计算表

(1)φ193.7mm套管，选用26.4lb/ft、J55、LTC扣，可以满足设计要求。

(2)φ114.3mm套管，选用11.6lb/ft、P110、LTC扣，可以满足设计要求。

对于φ114.3mm生产套管，根据SY/T 6268—2017《油井管选用推荐做法》，推荐采用LTC扣，需要使用特殊螺纹密封脂。

2.3 钻具组合优化

依据能有效地控制全角变化率及井斜角、保证井身质量、钻头工作的稳定性能高、施加较大的钻压、提高钻速、起下钻顺利并降低费用、尽量简化钻具组合、预防钻具的频繁失效等原则。根据地层情况和施工井型需要，优选钻具组合见表3，钻头计划见表4。

表3 钻具组合

表4 单井钻头计划

2.4 钻井液优化

钻井液密度尽量使用低限，以保护储层并防止井漏。钻井过程中加强随钻压力监测，根据实际需要及时调整钻井液性能。钻井过程中参考SY/T 6831—2011《油气井录井系列规范》执行，在钻井工程中按照甲方要求，每班至少做一次钻井液多性能测试(密度、粘度、含砂、API失水、泥饼、PH值等)；每2h进行一次一般性能测试(密度、粘度)。要求钻井日报标明钻井液相关信息(井深、时间、钻井液添加剂、数量、性能变化等)。各井段钻井液体系和主要性能见表5。

表5 各井段钻井液性能

单井储备超细碳酸钙22t(粒径：0.01～0.08μm)。钻井及其它施工过程中，在保证井下安全的前提下，尽量不超过1.10g/cm3，在加入钻井液添加剂前后，必须通知现场地质人员，特殊材料必须循环均匀后方可钻进，不得加入影响气测的有机添加剂，以免影响气层的识别和发现，为保护储层，储层段禁止使用重晶石；区块内石千峰-上石盒子组井段存在坍塌现象，钻至石千峰组地层时需提前调整钻井液性能，使钻井液具有良好的抑制性，补充降滤失剂和防塌剂的含量，保持较低的失水和较好的泥饼质量，防止地层垮塌。在满足井眼清洁、井壁稳定及设备能力的条件下，为了提高机械钻速，保证一定的水力破岩效果，推荐φ165.1mm井段钻进排量为900～1200L/min，可满足井眼清洁要求。

3 应用效果分析

3.1 现场应用

工区内近两年施工的部分井型和钻进用时统计见表6。

表6 各井井型和钻进用时

现场应用表明，与常规井型相比，小井眼结构套管用量减少18%，固井水泥用量减少50%，钻井液用量减少32%，岩屑产生量减少50%，固井质量明显改善，尤其是机械钻速提升了一倍以上，对“增储上产”、“降本增效”作用显著。

3.2 对储层改造影响

我国非常规天然气资源总量大，但储层物性差，存在低渗透性、低饱和度的特点，开发过程中多需要进行压裂改造，强化储层渗流条件，达到有效开采的目的。射孔压裂改造是非常规天然气行业目前最主要的完井方法，实际施工过程中发现存在水泥环未射穿、破裂、与套管脱开、套管产生裂缝等问题。采用小井眼施工技术，缩小了套管外壁和井壁环空，有效降低了水泥环厚度，不仅可以减少水泥凝固时的收缩量提高固井质量，还可以在射孔时针对性降低射孔能量，保护套管和水泥环，增加施工安全性。