鄂尔多斯临兴区块地质工程一体化技术创新与实践

贾 佳，夏忠跃，冯 雷，谢英刚

（中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300452）

地质工程一体化能够最大限度地解决复杂地质条件导致的一系列工程难题，可将地质研究和工程施工有机连接起来，不断地技术更新和经验积累，系统性地优化技术组合方案，提高工程作业效率和单井产量[1-6]。由于独特的系统优势，一体化技术在美国、加拿大得到广泛的应用，国内苏里格气田也投入了试验研究。随着能源行业“七年行动计划”的发布，中海油积极响应，实施了致密气“大开发”战略，加快了非常规致密气的开发进程。临兴区块为中海油致密气的主战场之一，存在的诸多问题影响了致密气开发的整体效益。针对这些问题，开展了地质工程一体化技术研究，搭建了地质工程一体化协同平台，建立了一体化作业流程，实现了致密气藏的高效开发。

1 地质工程一体化技术

1.1 逆向设计和正向施工

传统模式下，地质、钻井、完井和采气工程等专业各自为战，按照地质、钻井、完井、采气的先后顺序开展工作，无形中将各专业之间的联系隔断，影响了整体开发效益。在临兴区块进行致密气开发时，调整思维，以产能建设为目标，采取逆向设计，正向施工的思路（图1），将地质专业和工程专业充分连接起来，形成一体化的研究合力，实现了产能效益的最大化。

图1 一体化模式下设计思路

1.2 地质与工程形成滚动调整

临兴致密气区块的地表条件差，地层岩性复杂，砂体不连续，目的层厚度薄[7-8]，地层甜点预测难度大。为了充分实现地质工程一体化理念，根据工程施工效果，不断调整后续井部署策略，优化甜点预测，工程施工也随地质方案的调整进行变更。经过不断的技术迭代和更新，形成了黄土塬致密气“两宽一高”的三维地震采集处理技术和煤系地层薄层砂岩储层预测技术。这些技术可以对高差600 多米的黄土塬进行精准地震采集处理，对2～5 m 厚的储层进行有效预测，使水平井砂岩钻遇率提高85%以上，气层钻遇率提高70%以上。

1.3 产能导向助推工程技术创新

致密气开发成功与否最终要靠产量来衡量。完成甜点精确预测后，工程施工必须建立良好的井筒条件，做好储层的有效保护，为后期采气奠定良好基础。围绕提高产量和储层保护，需要对钻井和压裂工程进行提效提质的技术创新。

1.3.1 致密气高效钻井技术

1.3.1.1 钻井工艺的改进

临兴区块传统作业井机械钻速慢，影响了井壁稳定性，导致井壁坍塌、卡钻频发，影响了钻井效率。

（1）优化钻头设计

临兴区块致密气传统钻头钻井时，对不同地层，基本使用同样型号的钻头，机械钻速较慢。为此，开展了钻头攻击性实验，分析钻头切削齿对不同地层攻击性的差别，用切削齿深度表示钻头的攻击性，可钻性级别为6 和8 的攻击性结果如图2 所示。

图2 切削齿直径对切削效率的影响

实验结果表明，当岩石可钻性级别超过6 以后，使用16 mm 齿钻头，攻击性更强，优势明显。结合现场实际情况，对石千峰组以上地层使用5 刀翼16 mm 齿钻头，平均机械钻速13 m/h，19 mm 齿钻头，平均机械钻速15 m/h；可见19 mm 齿钻头优势明显（图3）。对石千峰组以下地层使用5 刀翼19 mm 齿钻头，平均机械钻速8 m/h，16 mm 齿钻头平均机械钻速13 m/h；可见16 mm 齿提速明显（图4）。

图3 19 mm 齿机械钻速统计

图4 16 mm 齿机械钻速统计

（2）长裸眼段水平井一趟钻钻井技术

长裸眼段水平井钻井过程中，一般使用三开井身结构，钻井周期过长，一口3 000 m 的井，工期约为60 d，严重影响了开发效率。根据临兴区块地层特点，实施二开一趟钻钻井技术（井身结构为φ311.15 mm×φ244.50 mm+φ215.90 mm×φ139.70 mm）。现场作业表明，钻井周期可以缩短30%。

（3）钻井参数和防托压钻具组合改进

在水平井钻井过程中，部分井发生了托压和螺旋弯曲，为了防止托压，对钻井过程中的钻压进行研究。当钻压加至120 kN 以上时，很容易发生螺旋弯曲（表1），现场钻进时，需要将钻压控制在120 kN 以内。

表1 水平段钻进不同钻压时的钻具弯曲情况 kN

除严格控制好钻井参数外，还对马达的造斜能力进行了研究。现场使用0.75°弯角马达时，满足不了造斜要求，必须使用造斜能力强的马达，才能更有效地提高钻速。为此，研制了高扭矩马达，现场应用表明，钻速可以达到25 m/h，较传统马达提速1 倍以上[9]。分析三维振动冲击器[10-11]，通过减缓井下钻具的扭振，实现提速防托压的目的。现场应用显示，钻速可以达到30 m/h，提速1 倍以上。

1.3.1.2 三段式固井工艺技术

临兴区块致密气常采用两段水泥浆固井，对破裂压力当量密度仅有1.25 g/cm3的刘家沟组，存在一定的固井漏失风险。为确保井筒的安全，将两段水泥浆调整为三段水泥浆，尾浆采用密度为1.90 g/cm3水泥浆封固下部气层，中浆采用密度为1.35 g/cm3的水泥浆封固石千峰组和刘家沟组地层，领浆采用密度为1.25 g/cm3的低密高强水泥浆封固和尚沟组以上地层[12-13]，改进前后浆柱结构对比如表2 所示。

表2 固井改进前后浆柱结构对比

1.3.2 全过程储层保护技术

临兴区块致密砂岩储层具有低孔、低渗、低压、低温的特点，黏土矿物含量高，敏感性强。常规钻完井过程中工作液会造成储层污染，全过程储层保护技术兼顾钻井、压裂、完井全过程，采用低伤害工作液体系，可有效解决钻完井全过程储层保护问题。

1.3.2.1 钻井液精准控制技术

对临兴区块地层开展了碱敏、水敏、速敏、酸敏、盐敏、润滑性及储层伤害评价[14-15]，在此基础上，对钻井液进行了改进。经过研究，将超双疏理论及材料引进到钻井液体系中[16-17]，超双疏剂可以有效降低表面张力，对其加量进行实验评价。结果表明，随着加量增加，岩心表面张力急剧下降，当质量分数达到3% 时，表面张力由61.10 mN/m 降至0.82 mN/m。如图5 所示，质量分数继续增加时，表面张力基本不再变化。由此可知，添加质量分数为3%的双疏剂可以实现最优的双疏效果。改进后的钻井液现场应用显示，可以改善储层保护，托压问题明显缓解，钻井效率由平均62 m/d 提高到平均85 m/d，提高了37%。

图5 岩心表面张力随超双疏处理剂质量分数的变化

1.3.2.2 高性能低浓度胍胶压裂液体系

临兴区块地层压裂液破胶难度大，常用的破胶剂过硫酸铵，在温度低于50 ℃时会停止氧化反应，失去破胶作用[18]。研究显示，在压裂液中添加低温破胶催化剂及生物酶破胶剂，可提高压裂液在低温下的破胶性能，减少了残渣含量。破胶剂质量分数分别为0.012%、0.014%、0.016%、0.018%、0.020%时，压裂液分别在10.0，6.5，4.0，3.5，2.0 h 内达到破胶，破胶液黏度小于5 mPa·s，如图6 所示。

图6 破胶剂质量分数优化

改进后的压裂液体系成功地解决了临兴区块低温破胶难、储层易受伤害等问题。现场应用表明，压裂施工成功率达到90%以上，单井最快12.0 h 见气，最高测试无阻流量达到13.4 104m3/d。

1.3.2.3 防水锁完井液体系

临兴区块储层岩样黏度矿物含量达到8%～22%，成分主要以伊利石为主，其次为高岭石、伊蒙间层及绿泥石，储层表现为水敏、速敏特征，孔隙度和渗透率较低，水锁情况严重。通过降低表面张力及改善润湿性，配制了防水锁完井液体系（1.5%KCl+0.5%防水锁剂+0.1%黏土稳定剂），该体系与地层配伍性好，表面张力低，室内评价实验渗透率恢复值可达到90%以上。

1.3.3 完井生产一体化技术

1.3.3.1 高性能裸眼水平井压裂完井一体化管柱工艺

裸眼水平井分段压裂工艺采用尾管悬挂器+裸眼封隔器+投球滑套，实现裸眼井段的选择性分段隔离，一次坐封所有封隔器。从水平井趾部到跟部逐级打开滑套，分段压裂一次完成，具有不固井、不射孔，压裂生产一趟管柱，各段压裂连续进行，工艺简单易行，效率高，成本低等特点[19]。临兴区块共计应用10 口水平井，投球开启滑套成功率100%，压裂完井成功率100%。水平井测试期间均获得高产气流，预计投产后合计配产可达20.0×104m3/d。

1.3.3.2 连续油管拖动压裂技术

采用裸眼封隔器+投球滑套分段压裂方式，生产过程产水、积液现象严重，导致产气量下降严重甚至关井。针对这些问题，在易出水层位，采用连续油管带底封拖动水力喷砂射孔环空加砂压裂工艺。该工艺具有裂缝起裂位置明确，改造针对性强，压裂级数不受限制，压后井筒全通径等优势。临兴区块共计应用4 口水平井，压裂完井成功率100%。水平井测试期间均获得高产气流，预计投产后合计配产可达10×104m/d。

1.3.3.3 压裂完井配套工艺技术体系

在压裂作业过程中，先配液后施工的方式无法保证压裂液即配即用，造成施工效率低下，尤其是大规模连续压裂时，无法按时完成压裂施工。针对这个问题，开展了连续混配技术研究，形成了连续混配工艺技术体系，该技术可以减少占地面积，有效提高施工效率[20-22]。

连续混配装置混配能力为2～6 m3/min、配液质量分数为0.2%～0.7%、干粉容量为5 m3，混合罐有效容积为21 m3。配液过程首先使用潜水泵将清水池的清水泵入两个储液罐进行配液，再将配制完成的基液泵入另外两套储液罐备用（图7）。与常规配液300 m3/d 相比，连续混配可达4 800 m3/d，提高了16倍，保证了施工的连续性，作业时间缩短了9 d，单井返排时间加快了5 d，减少了对储层的伤害。

图7 连续混配流程及现场设备

2 现场应用

2.1 应用效果

地质工程一体化技术体系在临兴区块进行了广泛应用，在砂岩钻遇率、钻井时效、储层保护、增产改造及完井施工等方面效果显著。临兴区块近3 年的应用结果表明，总体效果良好，水平井段平均砂岩钻遇率提高10%以上，平均机械钻速由8.00 m/h提高至12.56 m/h，提高了57%，平均单井钻井周期节约10 d，储层伤害降低20%，压裂完井时效提升20%，高效返排时效提高15%以上。

2.2 经验和教训

采取逆向设计和正向施工的思路，提高了甜点预测精确率，缩短了钻井周期，提升了机械钻速，整体开发效益得到提升。在应用过程中，仍有改进的空间：①在后续井开发过程中，整体开发方案编制期间，钻井、完井、采气、地面工程等专业应提前介入，以形成整体开发效益最大化的地质开发方案；②后续井作业时，需要和地质人员充分沟通，提前进行数值模拟和预判，做好各项施工准备；③需要继续改进各项作业过程中的工艺技术，进一步缩短作业周期，提高反馈的时效性。

3 结论

（1）地质工程一体化技术打破了地质工程之间的隔阂，以开放效益为导向，进行方案的逆向设计，正向施工，实现了产能效益的最大化。

（2）根据临兴区块特点，地质方案和工程施工形成了滚动调整格局，在此基础上，形成了黄土塬致密气 “两宽一高”的三维地震采集处理技术和煤系地层薄层砂岩储层预测技术，使水平井砂岩钻遇率提高至85%以上，气层钻遇率提高至70%以上。

（3）形成了临兴区块钻头高效设计技术、长裸眼段水平井一趟钻钻井技术、防托压钻具组合设计技术、三段式水泥浆固井工艺、全过程储层保护技术、完井生产一体化技术等。

（4）水平井段平均砂岩钻遇率提高10%以上，平均机械钻速提高了57%，平均单井钻井周期节约10 d；储层伤害降低20%；压裂完井时效提升20%，高效返排时效提高15%以上。