鄂尔多斯盆地临兴浅层气区块优快钻井技术

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。

图6 顶替速度对顶替效率的影响规律曲线图

3 应用效果

现场已完成10多口浅层气井作业，包括直井、定向井，均没有发生井涌，井喷，固井质量不合格现象明显改善，机械钻速明显提升，实现了高效钻井的目的。

1）上漏下喷同时发生情况得到有效控制。前期已钻井中，80%以上的井出现上漏下喷的情况，经过改进后，新钻井的漏失得到了控制。

2）固井质量不合格情况得到明显改善。改进固井技术，通过添加防气窜剂和纤维，提高地层的承压能力和对气层的封固质量；通过控制顶替速度，保证顶替流态为层流，新钻井固井质量得到了明显改善，新钻井中均实现了固井合格，环空带压的问题成功解决，井口不再出现冒气的情况，保证了后续作业的进行。

3）钻井遇阻遇卡现象有效缓解。通过添加润滑剂，改善钻井液的润滑性能，使得正常钻进、下套管过程中遇阻、遇卡现象得到有效缓解。通过数值模拟，改进前摩阻系数在0.33左右，改进后钻进模拟系数降低至0.28，摩阻有效降低。

4）机械钻速明显提升。漏失、溢流、固井不合格情况得到改善后，钻井复杂情况大为减少，钻井整体作业速度得到明显提升，改进前，平均机械钻速12.98 m／h（图7），改进后，平均机械钻17.95 m／h，钻速提高38%。

图7 机械钻速改进前后对比图

4 结论

临兴浅层气钻井技术可以有效指导现场作业，实现浅层气安全作业的目的，形成的主要结论如下：

1）针对浅层气高压储层，采用三开井身结构，将上部的低压系统、中间的高压系统、以及下部的常压系统有效封隔开，有效的封隔易喷易漏层。

2）浅层气强封堵高密度钻井液技术避免了钻井过程中的上漏下喷的同时发生，保证了作业的安全进行。

3）采用防气窜水泥浆体系，保证了浅层气井的封固质量，有效解决了前期作业井出现的井口冒气现象。

4）现场作业表明，可以有效地解决浅层气钻井作业等复杂情况难题，实现提速，提高浅层气整体钻井效益。