洪千里, 楊全枝，馬 彬，王紅娟，楊 富

(1.陜西延長(zhǎng)石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司研究院，陜西西安 710075；2.中石油長(zhǎng)慶油田公司蘇里格氣田開發(fā)分公司，陜西西安 710018)

鄂爾多斯盆地油氣資源豐富，經(jīng)過長(zhǎng)期的勘探已形成“南油北氣”的開發(fā)格局。自2007年以來，通過不斷探索，打破了鄂爾多斯盆地東南部為“貧氣區(qū)”的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)，發(fā)現(xiàn)了儲(chǔ)量超千億方的大型致密砂巖氣田即延安大氣田[1-4]。

延安氣田屬于典型的“三低”(低壓、低滲、低豐度)氣田，采收率低、自然產(chǎn)能低，有效開發(fā)難度大[5]。為了經(jīng)濟(jì)有效地開發(fā)延安氣田，避免天然氣開發(fā)走上石油開發(fā)“鉆新井、多打井”的老路，從2011年開始，延安氣田逐步開展了水平井開發(fā)的研究與攻關(guān)，為天然氣上產(chǎn)打好基礎(chǔ)。

由于延安氣田上古生界地層地質(zhì)條件復(fù)雜，先導(dǎo)試驗(yàn)水平井在鉆井過程中遇到了很大的挑戰(zhàn)，普遍表現(xiàn)為井下復(fù)雜事故多、機(jī)械鉆速低、鉆井周期長(zhǎng)等問題，直接導(dǎo)致綜合經(jīng)濟(jì)效益低，嚴(yán)重制約了天然氣高效、規(guī)模開發(fā)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。因此，有必要對(duì)先導(dǎo)試驗(yàn)水平井整體鉆井情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，確定目前制約水平井高效建井的關(guān)鍵因素，為下一步水平井開展高效提速研究提供有效的借鑒。

1 先導(dǎo)試驗(yàn)水平井整體鉆井時(shí)效分析

延安氣田先導(dǎo)試驗(yàn)水平井共完鉆11口，包括8口常規(guī)水平井和3口側(cè)鉆水平井。常規(guī)水平井主要采用三開井身結(jié)構(gòu)，見表1。試驗(yàn)水平井的平均井深為3766.5 m，平均水平段長(zhǎng)度為929.17 m，平均鉆井周期高達(dá)187.5 d，平均機(jī)械鉆速低至2.48 m/h；而目前鄂爾多斯盆地北部蘇里格氣田水平井規(guī)模應(yīng)用階段的鉆井周期僅為62 d[6-8]。延安氣田先導(dǎo)試驗(yàn)水平井鉆井時(shí)效分析如圖1所示。

表1 延安氣田水平井井身結(jié)構(gòu)Table 1 Horizontal well structure of Yan＇an gas field

由圖1可見，延安氣田先導(dǎo)試驗(yàn)水平井的生產(chǎn)時(shí)間約占整個(gè)鉆井周期的70%，其中純鉆進(jìn)時(shí)間僅占27%，由于頻繁換鉆頭，起下鉆時(shí)間約占15%，測(cè)井、固井以及輔助工作時(shí)間高達(dá)23%(43 d)；非生產(chǎn)時(shí)間約占整個(gè)鉆井周期的30%，其中，組織停工高達(dá)15%(28 d)，復(fù)雜情況和事故占10%(主要是處理井漏、井塌、起下鉆遇阻)。測(cè)井、固井、輔助工作以及組織停工時(shí)間受多單位協(xié)同施工的組織水平及井隊(duì)勞動(dòng)生產(chǎn)效率的影響，而復(fù)雜情況和事故則與地質(zhì)條件和工程施工相關(guān)，需要進(jìn)一步分析。

圖1 延安氣田水平井鉆井時(shí)效分析Fig.1 Time-dependent analysis of horizontal well in Yan＇an gas field

對(duì)延安氣田收集到的已鉆的8口水平井的鉆頭使用情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，以延頁平1為例繪制了全井鉆頭使用圖，如圖2所示。同時(shí)對(duì)已鉆的8口水平井的鉆頭在不同井眼尺寸的使用情況分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，斜井段鉆頭的使用如圖3所示，水平段鉆頭的使用如圖4所示。

圖2 延頁平1鉆頭使用情況分析Fig.2 The drill bit usage of horizontal well Yanping-1

圖3 斜井段鉆頭使用情況分析Fig.3 The drill bit usage of slant hole interval

圖4 水平段段鉆頭使用情況分析Fig.4 The drill bit usage of horizontal hole interval

從圖2可以看出，延頁平1井從1800 m造斜段開始到水平段，特別是2500 m之后的大斜度井段，單只鉆頭進(jìn)尺和單只鉆頭的機(jī)械鉆速遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于直井段鉆進(jìn)的情況，單只鉆頭的平均機(jī)械鉆速不足2 m/h，延安氣田水平井在大斜度井段深部地層破巖效率直接制約著鉆井周期。

從圖3和圖4可以看出，二開斜井段井眼尺寸采用215.9 mm，相較于311.2 mm井眼，鉆頭單只平均進(jìn)尺基本相當(dāng)，但平均機(jī)械鉆速提高了32.57%；水平段井眼尺寸采用152.4 mm，相較于215.9 mm井眼，鉆頭平均機(jī)械鉆速略有增加，平均進(jìn)尺增加了72.36%；開窗側(cè)鉆的118 mm井眼平均機(jī)械鉆速最低，采用合理的井身結(jié)構(gòu)有利于提高機(jī)械鉆速或增加單只鉆頭進(jìn)尺，從而降低鉆井周期。

2 復(fù)雜情況分析

2.1 單井復(fù)雜情況統(tǒng)計(jì)

為了解延安氣田水平井鉆井過程中的主要復(fù)雜情況、發(fā)生的地層及原因，對(duì)延安氣田延平1井、延平2井……延平9井等11 口試驗(yàn)井在鉆井過程中的各類復(fù)雜情況和鉆井事故進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果繪制出了延安氣田井眼復(fù)雜情況頻數(shù)分布圖和各類型復(fù)雜情況發(fā)生頻率圖，如圖5、圖6所示。

由圖5和圖6可以看出，延安氣田11口井鉆井過程中發(fā)生鉆井復(fù)雜情況共計(jì)47起，其中井漏22起，占總復(fù)雜情況的46.81%，阻、卡12起，占總復(fù)雜情況的25.53%；憋泵、憋扭矩3起，占總復(fù)雜情況的6.38%；其他事故10起，占總復(fù)雜情況的21.28%。這說明井漏和阻、卡是延安氣田鉆井面臨的最突出的問題，井漏情況統(tǒng)計(jì)見表2。

圖5 延安氣田各類復(fù)雜情況發(fā)生頻數(shù)分布Fig.5 Frequency distribution of downhole complications in Yan＇an gas field

圖6 延安氣田各類復(fù)雜情況發(fā)生頻率統(tǒng)計(jì)Fig.6 Frequency statistics of downhole complications in Yan＇an gas field

表2 延安氣田鉆井漏失情況統(tǒng)計(jì)Table 2 Well loss statistics in Yan＇an gas field

從表2可以看出延安氣田井漏大多為中等—誘導(dǎo)性裂縫漏失，一旦發(fā)生井眼漏失，往往引起井壁失穩(wěn)，坍塌掉塊，發(fā)生阻、卡。

2.2 各層位復(fù)雜情況統(tǒng)計(jì)分析

為進(jìn)一步分析，對(duì)延安氣田各層位復(fù)雜情況的分布進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，圖7、圖8所示是其統(tǒng)計(jì)結(jié)果。由圖7可以看出延安氣田第四系到山西組各層位在鉆井過程中均有復(fù)雜情況發(fā)生，其中石千峰組、石盒子組和山西組是該區(qū)塊復(fù)雜情況發(fā)生較多的層位。由圖8可以看出石千峰組、石盒子組發(fā)生的主要復(fù)雜情況均為井漏，而山西組發(fā)生的主要復(fù)雜情況為阻、卡。

圖7 延安氣田各層位復(fù)雜情況分布頻數(shù)統(tǒng)計(jì)Fig.7 Downhole complications frequency distribution in Yan＇an gas field

圖8 延安氣田各層位復(fù)雜情況發(fā)生頻率統(tǒng)計(jì)Fig.8 Downhole complications frequency statistics of in Yan＇an gas field

3 地層巖石理化、力學(xué)性能分析

3.1 地層礦物組分分析

復(fù)雜層位石千峰組、石盒子組泥頁巖地層屬于典型的硬脆性地層，地層微裂隙發(fā)育，巖心如圖9所示。對(duì)石千峰組、石盒子組巖屑進(jìn)行X衍射分析得到全巖礦物分析和黏土礦物分析，結(jié)果見表3、表4，發(fā)現(xiàn)石千峰組、石盒子組地層主要以黏土礦物、石英和長(zhǎng)石為主，石盒子組黏土礦物總含量高達(dá)41%，具有較高的敏感性損害可能。石千峰組的黏土礦物主要以伊利石和伊/蒙間層為主，相對(duì)含量分別為62%和14%；綠泥石含量也較高，達(dá)19%，不含蒙脫石。伊/蒙混層泥頁巖遇水產(chǎn)生不均勻膨脹，引起井壁坍塌掉塊，導(dǎo)致井壁失穩(wěn)。因此，在該層段為了防止在地應(yīng)力作用下地層內(nèi)部微裂縫擴(kuò)展，形成大的貫通裂縫，除了低于地層坍塌壓力當(dāng)量密度，必須通過高黏切、提高其封堵性，使鉆井液在液柱壓力作用下盡可能少地侵入、浸泡地層，減少對(duì)井壁發(fā)生沖蝕[9-10]。

圖9 石千峰組巖心(左)和石盒子組巖心(右)Fig.9 Core of Shiqianfeng formation (left) and Shihezi formation (right)

表3 “雙石層”全巖礦物分析結(jié)果Table 3 Rock mineral analysis of ‘Shuangshi’ formation

表4 “雙石層”黏土礦物分析結(jié)果Table 4 Clay mineral analysis of ‘Shuangshi’ formation

3.2 井周巖石破壞規(guī)律分析

井壁坍塌通常是由于井內(nèi)鉆井液密度較低、井筒內(nèi)壓力過小造成的。依據(jù)Mohr-Coulomb準(zhǔn)則建立極限平衡條件，則巖石發(fā)生剪切破壞時(shí)，剪切面上的剪力必須克服黏聚力σV≥σH≥σh和作用于剪切面上的內(nèi)摩擦力[11-12]。

τ≥c+σntanφ

(1)

式中σV≥σH≥σh——剪切面上的剪應(yīng)力，MPa；

σV≥σH≥σh——剪切面上的正應(yīng)力，MPa；

σV≥σH≥σh——巖石的黏聚力，MPa；

σV≥σH≥σh——巖石的內(nèi)摩擦角，(°)。

巖石強(qiáng)度與主應(yīng)力方向存在一定的相關(guān)性，由此開展了不同層理傾角下的巖石強(qiáng)度試驗(yàn)，研究強(qiáng)度隨主應(yīng)力方向變化而變化的規(guī)律。按照巖樣軸線與層理面一定夾角的方式獲取巖心，如圖10所示。延安氣田山西組致密砂巖氣儲(chǔ)層巖石力學(xué)強(qiáng)度特征如圖11所示。

圖10 定向取心示意Fig.10 Schematic diagram of oriented coring

從圖11可以看出，隨著最大主應(yīng)力與層理面法線夾角的增大，巖石抗壓強(qiáng)度先減小后增大。當(dāng)層理面法線與最大主應(yīng)力夾角為60°時(shí)，巖石強(qiáng)度最小。最大主應(yīng)力與層理面垂直(夾角為0°)時(shí)的強(qiáng)度較最大主應(yīng)力與層理面平行(夾角為90°)時(shí)的強(qiáng)度大，強(qiáng)度特征與單弱面巖石力學(xué)強(qiáng)度模型具有較高的相似性。試驗(yàn)說明山西組巖石具有明顯的由層理控制的強(qiáng)度各向異性，層理發(fā)育是巖石強(qiáng)度隨主應(yīng)力方向變化而變化，且不同方向的巖石強(qiáng)度差異較大，層理面的存在改變了井周圍巖的力學(xué)性質(zhì)，影響井周應(yīng)力的分布，進(jìn)而影響井壁穩(wěn)定性。

圖11 山西組巖石力學(xué)強(qiáng)度特征Fig.11 Lithological characteristics of Shanxi formation

3.3 上古生界巖石強(qiáng)度可鉆性分析

延安氣田通過對(duì)上古生界的巖心進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)總結(jié)了該地區(qū)同類地層巖石的抗壓強(qiáng)度，巖石力學(xué)參數(shù)分析見表5。

表5 延安氣田上古生界地層巖石力學(xué)分析Table 5 Rock mechanics analysis of the upper Paleozoic formation in Yan＇an gas field

由表5可以看出，2500 m以下的山西組井段平均抗壓強(qiáng)度低于36.65 MPa，相對(duì)具備較好的可鉆性；2500 m以上的井段抗壓強(qiáng)度增加較快，地層可鉆性相對(duì)較差，地層內(nèi)摩擦角度達(dá)到了43°，地層的研磨性也變大。造成造斜段常用的牙輪鉆頭平均機(jī)械鉆速要低于PDC鉆頭的平均機(jī)械鉆速。劉家溝組到石盒子組地層整體平均抗壓強(qiáng)度和內(nèi)摩擦角變化較大，在地層傾角內(nèi)摩擦角和抗壓強(qiáng)度不超載的地層中，PDC鉆頭可以和牙輪鉆頭相互用，達(dá)到更好的綜合價(jià)值。

4 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

(1)通過對(duì)延安氣田先導(dǎo)試驗(yàn)水平井鉆井時(shí)效進(jìn)行分析，影響鉆井周期長(zhǎng)的主要因素包括生產(chǎn)時(shí)間中的起下鉆時(shí)間，以及輔助工作時(shí)間和非生產(chǎn)時(shí)間的組織停工和復(fù)雜情況時(shí)間較長(zhǎng)，有必要加強(qiáng)水平井施工管理，合理組織協(xié)調(diào)各施工單位，并加強(qiáng)地質(zhì)條件認(rèn)識(shí)和工程施工技術(shù)措施，減少復(fù)雜情況發(fā)生。

(2)延安氣田在鉆進(jìn)過程中主要的復(fù)雜情況是阻卡和井漏，其層位主要在石千峰組、石盒子組和山西組等較深井段，井漏大多為中等—誘導(dǎo)性裂縫漏失。

(3)“雙石”層段微裂隙發(fā)育，且該層段伊/蒙混層泥頁巖遇水產(chǎn)生不均勻膨脹，引起井壁坍塌掉塊，導(dǎo)致頻繁井漏、阻卡等復(fù)雜情況產(chǎn)生。在該層段鉆井液密度除了低于地層坍塌壓力當(dāng)量密度之外，必須通過高黏切、提高其封堵性，使鉆井液在液柱壓力作用下盡可能少地侵入、浸泡地層，減少對(duì)井壁發(fā)生沖蝕。

(4)山西組致密砂巖氣儲(chǔ)層具有明顯的由層理控制的強(qiáng)度各向異性，巖石強(qiáng)度隨主應(yīng)力方向變化而變化，且不同方向的巖石強(qiáng)度差異較大，不利于井壁穩(wěn)定。

(5)延安氣田深部地層巖石抗壓強(qiáng)度增加較快，地層石英含量高，研磨性大，可鉆性相對(duì)較差，導(dǎo)致機(jī)械鉆速低，深部層段PDC鉆頭可以和牙輪鉆頭相互用，從而能夠達(dá)到更好的綜合價(jià)值。