宋武強 張彥瑞 李瑾 陳立震 王成實 訾錦春

渤海鉆探工程有限公司定向井技術服務分公司

J45 斷塊位于冀中束鹿凹陷東翼，中、南洼槽之間，是受近東西走向的荊丘斷層控制的鼻狀構造油藏，自上至下鉆遇地層為第四系平原組，新近系明化鎮(zhèn)組、館陶組，古近系東營組和沙河街組沙一段(Es1)、沙二段(Es2)、沙三段(Es3)，石炭—二疊系，奧陶系，主要含油層系為Es2、Es3段，其中Es3段已處于高含水開發(fā)后期，而Es2段處于未動用狀態(tài)，亟待規(guī)模開發(fā)。Es1段作為區(qū)域蓋層，下部發(fā)育一套以鹽膏巖、鹽巖、含膏泥巖、泥質和鹽泥質白云巖為主的特殊巖性地層，埋深2 750～3 000 m，厚度30～165 m，平均厚度118 m。下部Es2段距離鹽膏層底40～130 m處，發(fā)育一套中孔低滲儲層，該儲層縱向上可分為2 個油組，每個油組內劃分為2 個砂組，4 個砂組均具有獨立的油水界面，油層主要發(fā)育在Ⅰ、Ⅳ砂組，而Ⅰ、Ⅲ砂組物性差，Ⅰ、Ⅱ砂組含油面積小，因此Ⅳ砂組為目前主要生產層。Ⅳ砂組平均厚度8 m，內部含有9 號和10 號兩個小層，兩層之間發(fā)育一套1.5～2 m 厚的泥巖夾層，因此有效儲層厚度只有約6 m。綜上可知，Es2段Ⅳ砂組具有整體分布穩(wěn)定、范圍廣，但有效油層厚度較小，產狀橫縱向變化快，自然產能低需壓裂等特點，因此也具備了水平井開發(fā)條件。經(jīng)過研究，決定優(yōu)先在儲量落實程度高的南部Es2段Ⅳ砂組部署水平井開發(fā)。

Es2段Ⅳ砂組作為目的層，緊鄰上部大段鹽膏層，且產狀分布不穩(wěn)定，造成了在井眼軌道設計、儲層軌跡控制、套損套變預防和固井質量保證等方面的難度增大。通過對J45 斷塊鹽下水平井鉆完井難點進行梳理分析，提出了一系列針對性技術對策，經(jīng)過現(xiàn)場應用，基本實現(xiàn)了鹽膏層安全快速鉆進，保證了水平井長封固段固井質量，預防了鹽膏層套損套變，建立了區(qū)域地層變化規(guī)律，為后期水平井開發(fā)提供了參考。

1 鉆井難點分析

1.1 油層與鹽膏層距離近，井眼軌道設計難度高

由于鹽膏層的蠕變特性，井壁易失穩(wěn)，易造成縮徑、卡鉆等井下復雜情況，另有研究表明［1］，當鉆井液密度一定時，鹽膏層蠕變速率隨井斜增大而變大，這就決定了鹽膏層定向造斜風險大，且井斜不宜過大。而根據(jù)已鉆井資料顯示，下部儲層距離上部鹽膏層距離僅40～130 m，而作為設計目的層的Es2段Ⅳ砂組儲層，其頂部距離鹽膏層僅120 m，這些既導致定向造斜率增大，還縮小了入靶前調整余量，因此井眼軌道設計難度加大。

1.2 目的層地質特征復雜，井眼軌跡控制難度大

J45 區(qū)塊Es2段地層向東、南、西三個方向傾沒，頂部較平緩，傾角4°～6°，翼部較陡，其中東翼傾角約18°，西翼傾角約7°～8°，產狀呈現(xiàn)出不穩(wěn)定、變化快的特點，同時Es2段Ⅳ砂組儲層有效厚度相對較薄，這些都將加大井眼軌跡調整的頻率。另外測錄井資料顯示油層頂、底及層內夾層均有泥巖發(fā)育，但泥巖自然伽馬特征顯示不明顯，且顏色不穩(wěn)定，加之水平井中含熒光材料潤滑劑的使用，都將增加現(xiàn)場儲層識別和著陸點卡取的難度，進而壓縮了現(xiàn)場井眼軌跡調整空間。

1.3 鹽膏層蠕變應力大，套管設計難度大

受Es1段底部鹽膏層蠕動所引起的非均勻載荷影響，目前該區(qū)塊套變井、報廢井不斷增多，井網(wǎng)遭受嚴重損壞。根據(jù)資料統(tǒng)計顯示，該區(qū)塊前期共鉆井141 口，發(fā)生套損套變井97 口，其中71 口為嚴重套變，出現(xiàn)竄槽、卡管柱等問題，甚至部分井已報廢。而從套變時間角度看，41%套變發(fā)生在6 個月內，說明該區(qū)塊鹽膏層塑性蠕動速度快、能量大的特點，套管抗外擠強度設計需要繼續(xù)攻關。

1.4 水泥漿易被污染，固井質量難以保證

地層中鹽膏巖溶解后，不僅污染水泥漿，引起絮凝，還腐蝕水泥石，影響水泥石強度。若夾層中鹽溶解后，還易引起砂泥巖井壁垮塌，造成井眼環(huán)容增大，降低水泥漿頂替效率，影響固井質量。同時鹽膏層還具有強吸水性，存在水泥漿閃凝和水泥石收縮等風險，造成灌香腸和膠結質量差等問題。另外該區(qū)塊水平井開發(fā)時，一是井斜大，套管居中度無法保證；二是水泥封固段長，最長近3 000 m；三是應用隨鉆測井技術，可代替完井電測，因此固井前缺少實際井徑數(shù)據(jù)，導致真實環(huán)空容積無法預測。

2 鉆井關鍵技術及對策

2.1 井眼軌道優(yōu)化設計

由于受地面井口位置限制，該區(qū)塊水平井井口與靶箱不在同一方位，存在偏移距，軌道設計時需要小幅扭方位5°～10°，嚴格意義上屬于三維水平井軌道設計，結合上文所述難點，優(yōu)先選用雙增剖面進行軌道設計。目前常用雙增剖面有3 種，即“直-增-穩(wěn)-增(扭)-平”五段制、“直-增-穩(wěn)-增(扭)-增-平”六段制和“直-增-穩(wěn)-扭-穩(wěn)-增-平”七段制。鑒于目的層傾角預測在75°～85°之間變化，入靶時地層傾角相對較陡，下部增斜壓力相對較小，因此采用“直-增-穩(wěn)-增(扭)-增-平”六段制即可(見圖1)。

圖1 J45-P2 井井眼軌道垂直剖面示意圖Fig. 1 Schematic vertical profile of the hole trajectory of Well J45-P2

以J45-P2 井為例(見表1)，首先考慮到防止生產井桿管偏磨，延長檢泵周期，造斜點要在下泵深度(平均1 703 m)以下，同時還要保證在鹽膏層以上50 m，以≤4 (°)/30 m 的造斜率完成增斜至20°～30°的目標，以避免在鹽膏層造斜的風險，然后穩(wěn)斜穿過鹽膏層50 m 后，再以高造斜率(≤8 (°)/30 m)二次增斜至產層傾角中靶，最后穩(wěn)斜至井底。其中二次增斜可分為2 個階段，即邊增邊扭階段和單增斜階段，前者先高造斜率快速將井斜增至60°～70°，同時方位角扭至最終設計方位，可避免當油層垂深提前較多，而方位角未扭到位，導致犧牲造斜率來獲取方位，造成造斜率不足、軌跡失控的情況；后者則小幅降低造斜率準備入層，該階段還會提前下入地質導向工具，采用適度的造斜率可為提前入層和新工具造斜率不確定提供調整空間。整體上，該軌道設計方案將三維軌跡剖面分解為雙二維軌道剖面，可實現(xiàn)“三維軌道兩維打”，大幅提高偏移距帶來的水平井鉆井工程難度。

表1 J45-P2 井井眼軌道設計剖面Table 1 Design profile of the hole trajectory of Well J45-P2

2.2 地質工程一體化導向

2.2.1 精確儲層預測

目的層著陸前，結合三維地震及鄰井測井資料，選取上部特殊巖性段、Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ砂組等標志層作為地層對比依據(jù)，當鉆穿標志層Ⅲ砂組底部之后，采用等厚法推算目的層垂深及產狀，預測著陸點位置，實際證明設計符合率較高。

2.2.2 實時地層識別

在水平段應用地質導向技術，可采用隨鉆伽馬測井或近鉆頭導向(NWD)技術進行儲層識別［2］。由于NWD 導向技術測量盲區(qū)小、測量參數(shù)多，能夠第一時間識別地層，有利于軌跡及時調整，因此后期地質導向成為首選技術。著陸后，利用實鉆的上下伽馬曲線判斷軌跡與地層切割關系，將井眼軌跡控制在設計靶箱范圍內，同時結合鉆遇地層特征及錄井、地震等資料提前判斷鉆遇地層的傾角變化，有效提高儲層鉆遇率［3］。

2.2.3 精準巖屑分析

鉆進過程中，對井筒中隨鉆返出的巖屑進行X 射線衍射全巖礦物分析(XRD)及巖屑元素礦物地層評價(RoqScan)，可從微觀角度獲得地層礦物的變化規(guī)律。運用RoqScan 技術同步掃描隨鉆巖屑，可對地層礦物成分、含量及孔隙結構進行定量分析。該技術在進入目的層前50 m 開始進行，取樣間隔每2 m 一次。同時選取有代表性的隨鉆巖屑，應用三維定量熒光技術，可有效解決鉆井液污染條件下的油氣精準識別問題。通過以上技術的應用，可輔助進行地層位置判斷，并對后期射孔、壓裂井段提供指導。

2.2.4 高效軌跡控制

該區(qū)塊設計水平段平均600 m，最長767 m。隨著水平段延長，鉆進過程中摩阻扭矩增大，容易托壓，當儲層產狀突然變化時，軌跡控制困難，難以實現(xiàn)快速追層，造成儲層鉆遇率降低。因此在優(yōu)選地質導向工具，縮短儲層響應時間同時，還應加強降摩減扭工具優(yōu)選，提高軌跡控制效率。

水力振蕩器作為一款經(jīng)濟型降摩減扭工具，應用廣泛，效果顯著。這里要重點考慮水力振蕩器的激振能力和井下作用范圍，優(yōu)選工具型號及最佳安放位置，確保使用時振動傳遞范圍不小于工具距井底距離。根據(jù)鉆具組合、井斜和排量等參數(shù)，計算得出水力振蕩器在該區(qū)塊水平井的安裝位置為距鉆頭150～200 m。另外在儲層中鉆進要注意盡量保持造斜率小于4(°)/30 m，以求井眼軌跡平滑，并盡可能利用地層造斜趨勢，減少滑動鉆進，提高機械鉆速。

2.3 抗鹽水泥漿體系

為解決鹽膏層污染水泥漿問題，優(yōu)選抗鹽降濾失劑、減阻劑、緩凝劑等添加劑，合理調節(jié)配漿水的鹽濃度，形成一套抗鹽水泥漿體系。這里選擇含水溶性AMPS 分子的水泥漿添加劑，該分子含有磺酸根、酰胺基團和碳碳雙鍵等活性官能團，其中磺酸根對鹽顯惰性，使其具有抗鹽、抗高溫性能，酰胺基團使其具有較好的水解穩(wěn)定性、抗酸堿及熱穩(wěn)定性，而碳碳雙鍵使其易于與其他分子發(fā)生共聚。另外加入膨脹劑，提高水泥石變形能力，保持不同階段水泥石體積穩(wěn)定。

為保證長封固段整體固井質量，提高下部儲層段固井優(yōu)質率，滿足有效封隔油水層和體積壓裂的需要，通過室內實驗優(yōu)化出雙密雙凝韌性水泥漿體系，并采用一次上返工藝。該水泥漿體系領漿配方：D 級水泥+15%玻璃微珠Y12000+2%降濾失劑TW-100S+1%分散劑TW-401+1.2%緩凝劑ZH-2+10%NaCl；尾漿配方：G 級水泥+2.5%降濾失劑TW-100S+0.8%分散劑TW-401+3%微硅+3.5%分散劑G401+5%堵漏劑+9%NaCl。從表2 實驗結果可看出，該體系具有濾失量小、流變性好、自由水接近0、稠化時間可調和水泥石早期強度高等特點。

圖2 J45 斷塊鹽膏層套變預防技術進化歷程Fig. 2 Development history of the casing deformation prevention technology used for salt gypsum layers of Fault Block J45

表2 抗鹽水泥漿體系常規(guī)性能Table 2 Conventional properties of salt-resisting slurry system

2.4 雙層套管抗擠

J45 斷塊在預防鹽膏層套變方面，先后采用了標準套管、標準厚壁套管、高鋼級厚壁套管、雙層組合套管注水泥或機油及分段不固井等措施，其中后三者比較有代表性。如圖2 所示，J45 區(qū)塊開發(fā)前期由于對鹽膏層蠕變應力速率和大小認識不足，使用過N80 和P110 鋼級的?139.7 mm×7.72 mm、?139.7 mm×9.17 mm 和?139.7 mm×10.54 mm 多種標準套管，均未能阻止套變發(fā)生。隨后選取3 口井嘗試采用NKT140 鋼級?139.7 mm×20.62 mm 高鋼級厚壁套管，其中2 口井仍發(fā)生套變。在進入20 世紀90 年代后，通過與高校合作，開發(fā)出?139.7 mm+?193.7 mm 雙層組合套管注水泥或機油技術，該階段前期雙層組合套管環(huán)空采用注水泥，取得一定效果，但應用過程中發(fā)現(xiàn)仍有部分套管變形，后期改為環(huán)空注機油，截止目前該技術應用井還未發(fā)現(xiàn)有套變情況，有效解決了鹽膏層套變問題。

通過多年應用，雙層套管注機油技術已較為成熟，該技術理論抗外擠達到200 MPa 以上，但由于完井時需下入?139.7 mm+?193.7 mm 雙層組合套管，井眼尺寸由之前?215.9 mm 變?yōu)?241.3 mm，理論上增加了1/4 的破巖體積，這也一定程度上影響了鉆井周期和建產效益。

近年來，在預防鹽膏層套變方面又提出了新思路，由過去“以硬碰硬”轉為“以柔克剛”，即應用分級固井技術，嘗試在鹽膏層段不固井，為鹽膏層預留蠕變空間。目前該技術現(xiàn)場試驗1 口井，并在完井后第13 個月進行40 臂井徑成像測井，顯示套管狀態(tài)良好，說明該技術取得了初步成效，有待于后期進一步持續(xù)跟蹤。另外由于相比常規(guī)一次上返工藝，雙級固井工藝的固井質量還不穩(wěn)定，也是制約該技術推廣應用的重要原因。

綜合以上考慮，在該區(qū)塊水平井套管設計中，可采用雙層組合套管注機油+復合井眼的方法，兼顧套變預防與鉆井提速。該方法是在二開先使用?241.3 mm 鉆頭鉆穿鹽層50 m，再改換?215.9 mm鉆頭鉆至井底，這樣在一定程度上減少了井眼破巖體積，提高了機械鉆速，降低了鉆井周期。完鉆后，在鹽膏層段使用?193.7 mm+?139.7 mm 雙層套管注機油技術，其余井段下入?139.7 mm 套管完井。

3 現(xiàn)場應用

針對J45 斷塊沙二段Ⅳ砂組油層開發(fā)，前期共設計完鉆水平井4 口，平均完鉆井深3 883 m，平均水平段長541.3 m，最長水平段858 m，儲層鉆遇率94.5%，平均機速11.1 m/h，平均鉆井周期33.9 d，事故復雜時效為0。

3.1 地質工程一體化導向技術應用

3.1.1 地質導向應用

以J45-P2 為例，著陸前比照鄰井選取3 個主要標志層，并提前下入近鉆頭地質導向工具，獲取地層實時曲線，結合巖屑錄井，開展精細地層對比，按等厚法持續(xù)校正目的層深度，保證著陸角度合理。如圖3 所示，該井預測將在斜深3 176 m 處，即垂深3 066.40 m 著陸，著陸角70.05°，實際著陸點在斜深3 169 m，即垂深3 063.44 m 進入目的層，著陸角為68.14°，表明垂深預測符合率高達99.9%。入層后，根據(jù)地質要求繼續(xù)向下探泥巖夾層及底板位置，出層后迅速向上增斜追層，入層后穩(wěn)斜鉆進，至第2 次鉆穿夾層后，降斜至82°～83°順層穩(wěn)斜鉆進。由于地層傾角變緩，第3 次鉆遇夾層，決定降斜鉆穿夾層，而后從80°增斜鉆進至87.3°第4 次鉆遇夾層，繼續(xù)增斜至夾層頂部4 027 m 完鉆，完鉆井斜90.0°。

圖3 J45-P2 井儲層地質導向軌跡Fig. 3 Geosteering track of Well J45-P2 in the reservoir

進入儲層前開始應用巖屑、XRD 和三維定量熒光等錄井技術，找出區(qū)域儲層、夾層及頂?shù)捉缑嬷械膸r性、物性及含油氣性變化特征，同時運用RoqScan掃描技術，既對地層成分及物性參數(shù)定量分析，還對巖石力學參數(shù)計算反演，最后多項技術之間相互對比、印證，形成了該區(qū)域的地層變化規(guī)律。這些新技術的應用，不僅對導向過程中頂?shù)捉缂皧A層的判斷起到重要的輔助作用，還對后期射孔、壓裂選層具有重要的指導作用。

3.1.2 工程導向應用

在定向增斜井段，上部?241 mm 井眼采用1.25°彎螺桿，下部?215.9 mm 井眼為提高造斜能力，采用1.5°彎螺桿；大井斜至水平段，應用水力振蕩器和井眼清潔器，減小摩阻扭矩，破壞巖屑床，提高鉆進效率，降低卡鉆風險；水平段著陸前，根據(jù)儲層預測深度、傾角等數(shù)據(jù)，采用“低角度入窗+緩增斜+穩(wěn)斜”的軌跡控制方術，將著陸角穩(wěn)定在70°左右，提高應對儲層垂深變化能力；水平段著陸后，在儲層中進行軌跡調整時，造斜率在4 (°)/30 m 以內，充分利用地層造斜趨勢，提高復合鉆進比例，避免扭擺方位，最終保持了實鉆井眼軌跡平滑。

3.2 套變預防技術應用

J45 區(qū)塊4 口水平井平均鉆遇鹽膏層151.5 m，最長達220 m。為預防鹽膏層套管變形，固井下套管前，先根據(jù)測錄井資料確定鹽膏層段位置，然后固井下套管時，將常規(guī)套管串中鹽膏段上下30 m(2 700～2 980 m)換成雙層組合套管串，并在內外套管環(huán)空中注滿機油后密封，最后采用常規(guī)注水泥固井方式封固地層。根據(jù)設計，鹽膏層雙層套管外層為P110 鋼級?193.7 mm×12.7 mm 套管，內層為P110鋼級?139.7 mm×10.54 mm 套管，其余井段套管為?139.7 mm×9.17 mm 套管。有限元軟件模擬該雙層組合套管抗外擠強度大于250 MPa，而預測該斷塊鹽膏層最大異常高壓為189 MPa［4］，因此滿足抗外擠要求。

相比常規(guī)套管串，雙層組合套管串關鍵工具是一對注油專用閥門，負責連接上下套管與中間雙層組合套管，并達到密封套管內機油的作用［5］。目前該技術的應用井均未發(fā)現(xiàn)套損套變現(xiàn)象。

3.3 鹽膏層固井技術應用

J45 區(qū)塊水平井平均封固段長2 855 m，通過對固井工藝、套管居中度、井眼清潔、水泥漿體系、沖洗隔離液不斷優(yōu)化，實現(xiàn)了固井質量的全面提高，為后期壓裂投產提供了保障。

J45-P1 井采用雙級固井工藝，一級固井采用常規(guī)密度抗鹽水泥漿，封固鹽膏層以下，二級固井采用低密高強雙凝水泥漿，封固膏巖層以上，下入剛性扶正器保持居中度。最終測井顯示鹽膏層以上固井質量較好，鹽膏層以下則固井質量較差，亟需工藝提升。

為提高固井分級箍處固井質量和保證體積壓裂套管密封性，J45-P2 井固井工藝改為一次上返，上部采用低密度水泥漿，下部用常規(guī)抗鹽韌性水泥漿。剛性扶正器尺寸由?205 mm 增加到?216 mm，固井時將井斜60°以上套管內替為清水，增加水泥漿對套管的浮力，提高套管居中度。最終測井顯示儲層段封固質量有了大幅提高，但上部填充段固井質量較差，仍需持續(xù)優(yōu)化。

J45-P3 井，固井前注入含纖維稠漿20 m3，攜裹不規(guī)則井眼泥砂，加強井眼清潔。固井時注入高溫高黏懸浮隔離液，改善界面親水性，提高水泥石膠結質量。同時精確計算環(huán)空靜壓差，上部填充段水泥漿密度提高到1.70 g/cm3。最終測井顯示膏鹽層上部填充段固井質量優(yōu)質，膏鹽層下部儲層段優(yōu)質率達到79%，整體固井質量大幅提升，初步形成了該斷塊水平井固井配套技術。

4 結論

(1) J45 斷塊Es1段底發(fā)育大段鹽膏巖，該鹽膏層蠕變速率快、應力大，且緊鄰下部產狀不穩(wěn)定、橫縱向變化快的Es2段儲層。有針對性地提出雙增六段制剖面設計、地質工程一體化導向、雙層套管注機油及抗鹽水泥漿體系等J45 斷塊鹽下水平井鉆井關鍵技術，實現(xiàn)了該斷塊水平井的有效開發(fā)。

(2)針對J45 斷塊地層特性復雜、儲層預測和識別難度大、軌跡控制困難等問題，綜合應用地層對比、構造分析、地質錄井和隨鉆測井等多項技術，輔助應用三維定量熒光錄井、XRD 錄井及RoqScan 掃描等新技術，精準預測儲層深度及產狀，合理控制儲層著陸角度，形成了一套精細型地質導向分析系統(tǒng)。同時優(yōu)選水力振蕩器和井眼清潔器等專用工具，提高定向效率，降低井下風險，形成了一套經(jīng)濟型井眼軌跡控制技術。

(3) ?193.7 mm+?139.7 mm 雙層組合套管注機油技術，是目前J45 斷塊預防鹽膏層套管變形的最有效措施，但仍面臨上部?241.3 mm 井眼尺寸大，不利于鉆井提速，?241.3 mm+?215.9 mm 復合井眼易產生臺階，不利于鉆井安全的問題。因此建議下一步研發(fā)高抗擠?139.7 mm 套管，滿足抵抗鹽膏層非均勻蠕變應力的需要。