焦石壩地區(qū)海相頁巖氣水平井優(yōu)快鉆井技術(shù)

劉　虎，段　華，沈彬亮，劉新義

（中石化勘探分公司，四川成都610041）

焦石壩地區(qū)海相頁巖氣水平井優(yōu)快鉆井技術(shù)

劉虎*，段華，沈彬亮，劉新義

（中石化勘探分公司，四川成都610041）

川東南焦石壩地區(qū)海相頁巖氣井具有地表和地下地質(zhì)條件復(fù)雜、井壁穩(wěn)定困難、井眼軌跡要求高、造斜段及水平段鉆進(jìn)困難、長(zhǎng)水平段固井難度大等特點(diǎn)及難點(diǎn)，經(jīng)過攻關(guān)研究，配套形成了三開井身結(jié)構(gòu)、淺層氣安全鉆井、氣體鉆井、復(fù)合鉆井、水平井鉆井、油基鉆井液、彈塑性水泥漿體系、鉆頭選型及參數(shù)優(yōu)化以及地質(zhì)跟蹤導(dǎo)向等鉆井技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了該地區(qū)勘探井的優(yōu)快鉆井，有效支撐了勘探工作。

海相頁巖；水平井；優(yōu)快鉆井；焦石壩地區(qū)；勘探井

川東南焦石壩地區(qū)發(fā)育晚震旦世至三疊紀(jì)地層，自上而下鉆遇了三疊系嘉陵江組、飛仙關(guān)組、二疊統(tǒng)長(zhǎng)興組、龍?zhí)督M、茅口組、棲霞組、梁山組、石炭系黃龍組、志留系韓家店組、小河壩組、龍馬溪組以及奧陶系五峰組、澗草溝組、寶塔組、十字鋪組。目的層龍馬溪組—五峰組位于深水陸棚有利沉積相帶，TOC高、脆性好，具有良好的構(gòu)造和底板保存條件［1］。

焦頁1井是焦石壩地區(qū)第一口海相頁巖氣探井，之后又實(shí)施了焦頁2HF井、焦頁3HF井、焦頁4HF井經(jīng)分段壓裂改造均獲得了較高產(chǎn)頁巖氣商業(yè)氣流，從而發(fā)現(xiàn)了涪陵氣田。在這4口井勘探井的鉆探過程中，工程技術(shù)人員攻堅(jiān)克難，大膽探索，形成了適合于焦石壩地區(qū)海相地層特點(diǎn)的鉆完井配套技術(shù)體系，有力支撐了后期勘探開發(fā)。

1　鉆井工程技術(shù)難點(diǎn)

1.1地表和地下地質(zhì)條件復(fù)雜，影響施工安全與鉆井速度

（1）所鉆遇地層年代老、硬度大、可鉆性差，造成鉆頭跳鉆嚴(yán)重、機(jī)械鉆速慢。

（2）淺表地層溶洞、暗河發(fā)育，呈不規(guī)則分布，鉆探過程易漏失，鉆井難度大。

（3）上部地層中的三疊系存在水層，二疊系長(zhǎng)興組、茅口組、棲霞組在局部地區(qū)存在淺層氣，部分井鉆遇H2S顯示。

（4）泥頁巖地層粘土礦物含量較高，具中等偏強(qiáng)水敏特征，易發(fā)生地層垮塌、卡鉆等工程復(fù)雜和事故。

（5）志留系地層坍塌壓力與漏失壓力之間的窗口較小，井壁容易失穩(wěn)導(dǎo)致井下復(fù)雜。目的層龍馬溪組底部頁巖氣層，油氣顯示活躍，氣層壓力系數(shù)1.55，而目的層之上為正常壓力地層。

1.2軌跡控制要求高

主要目的層縱向上非均質(zhì)性強(qiáng)，要保證鉆井軌跡盡可能多的在水平段有利儲(chǔ)層中穿越，要求較高的軌跡控制精度；頁巖氣井設(shè)計(jì)水平段長(zhǎng)，套管與井壁間的摩阻大，套管下入難度大，對(duì)水平段井眼質(zhì)量要求高。

1.3造斜段托壓現(xiàn)象嚴(yán)重，定向鉆進(jìn)速度低

受大尺寸、大彎度螺桿和地層影響，造斜段定向鉆進(jìn)過程中會(huì)出現(xiàn)工具面不好控制、鉆進(jìn)過程托壓等現(xiàn)象，機(jī)械鉆速低。

1.4長(zhǎng)水平段固井施工難度大，質(zhì)量難以保證

（1）水平段套管重量作用于井壁，套管偏心嚴(yán)重，影響套管柱的居中度；

（2）油基泥漿在井壁形成了油膜層，油膜的清洗效果直接影響到水泥膠結(jié)質(zhì)量；

（3）水平井段油氣顯示活躍，氣測(cè)值較高，要求水泥漿防氣竄能力強(qiáng)；

（4）頁巖氣水平井后期的大型分段壓裂改造施工，要求水泥環(huán)必須具備較好的抗沖擊能力和柔韌性。

2　井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.1井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

2.1.1導(dǎo)管

（1）通常提前進(jìn)行地面淺層水文調(diào)查，優(yōu)選井眼位置，為導(dǎo)管下深及一開避開溶洞和暗河提供依據(jù)。

（2）導(dǎo)管采用?558.8mm（或?660.4mm）鉆頭鉆進(jìn)，下入?476.25mm套管，主要目的是建立井口及封隔淺表漏失層，防止淺表地層水污染。

（3）導(dǎo)管下深增加。為保證一開鉆遇淺層氣時(shí)的井口安全，導(dǎo)管下深一般50～100m。根據(jù)實(shí)鉆情況，如在導(dǎo)眼完鉆井深附近鉆遇水層，可適當(dāng)加深。

2.1.2一開

使用?406.4mm（或?444.5mm）鉆頭鉆進(jìn)，下入?339.7mm表層套管，封隔龍?zhí)督M及以上地層（地表水、淺層氣、煤層及易垮塌層），同時(shí)為二開氣體鉆創(chuàng)造條件。一開套管必須封住長(zhǎng)興組含H2S淺層氣，在鉆穿龍?zhí)督M易垮塌地層后中完。

2.1.3二開

二開使用?311.2mm鉆頭鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)井深裸眼完鉆。

2.1.4三開（側(cè)鉆水平井）

根據(jù)直導(dǎo)眼井主要目的層顯示情況，回填后實(shí)施側(cè)鉆水平井。

（1）側(cè)鉆點(diǎn)選擇：在A靶點(diǎn)以上垂深450m左右?guī)r性合適的井段選定造斜點(diǎn)，基本選擇在小河壩組側(cè)鉆，一般要求水泥塞300m左右（在造斜點(diǎn)以下250m至造斜點(diǎn)以上50m注水泥塞）。

（2）斜井段：正常情況下用?311.2mm鉆頭鉆至A靶點(diǎn)，下入?244.5mm套管。因二開大井眼定向困難，機(jī)械鉆速低，又是使用水基鉆井液，如果二開鉆進(jìn)至A點(diǎn)時(shí)間長(zhǎng)，為防止定向段泥頁巖水化后井壁垮塌造成井下情況復(fù)雜，可在井斜70°左右提前下入技術(shù)套管。技術(shù)套管必須封隔住龍馬溪組頁巖氣層之上的易漏、易垮塌地層。

（3）水平段采用?215.9mm鉆頭鉆至設(shè)計(jì)井深完鉆，一次性下入?139.7mm套管，采用一次固井方式完井。全水平段鉆井采用地質(zhì)導(dǎo)向隨鉆測(cè)井，完鉆后裸眼不測(cè)井。

2.2套管性能優(yōu)化

（1）提高抗內(nèi)壓強(qiáng)度。為了提高套管的抗內(nèi)壓強(qiáng)度，頁巖氣水平井生產(chǎn)套管都采用壁厚、高抗內(nèi)壓強(qiáng)度的套管以滿足鉆井和后期大型壓裂的需要。?139.7mm生產(chǎn)套管采用壁厚12.34mm、抗內(nèi)壓強(qiáng)度117.3MPa的套管。

（2）優(yōu)化抗硫套管。為了能夠滿足對(duì)H2S防護(hù)的需要，在安全的前提下同時(shí)減少經(jīng)濟(jì)投入，在井口800m段以及預(yù)測(cè)可能含有H2S的地層使用抗硫套管，其余井段均使用普通套管。

3　淺層安全鉆井技術(shù)

3.1淺表層安全鉆井技術(shù)

3.1.1前期水地下文勘測(cè)技術(shù)

為了有效規(guī)避地表溶洞、暗河等淺表復(fù)雜地層，降低鉆井工程風(fēng)險(xiǎn)，在井場(chǎng)選址確定后首先對(duì)井場(chǎng)采用高密度電阻率法勘察后進(jìn)行安全性評(píng)估，對(duì)不能滿足條件的井位進(jìn)行重新選址。

3.1.2清水強(qiáng)鉆技術(shù)

根據(jù)焦石壩地區(qū)地表喀斯特地貌的特征，導(dǎo)管井段可采用清水鉆進(jìn)，通過清水強(qiáng)鉆快速通過易漏地層，為避免污染地表水源，清水中不加其它化學(xué)添加劑，如鉆遇大漏地層則通常采用玉米秸稈及棉絮堵漏。主要保障技術(shù)措施：一是現(xiàn)場(chǎng)備足清水及供水設(shè)備，要求儲(chǔ)水量不小于1000m3，供水量不小于1000m3/d；二是加大泵入排量，以保證巖屑正常攜出井筒。

3.1.3導(dǎo)眼封過地表漏失層位

為封隔地表易漏失和垮塌地層，提高一開鉆遇淺層氣的井口井控能力，導(dǎo)管下深根據(jù)地層情況確定，水泥返出地面。

3.2含硫氣層安全鉆井技術(shù)

針對(duì)長(zhǎng)興組含H2S的實(shí)際情況，主要通過優(yōu)化鉆井方式和細(xì)化含H2S氣層鉆井技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)安全快速鉆進(jìn)。進(jìn)入長(zhǎng)興組氣層前，由氣體鉆井方式轉(zhuǎn)化成泥漿鉆進(jìn)。在長(zhǎng)興組、茅口組和棲霞組使用低密度無固相鉆井液（密度小于1.30g/cm3），配合高效PDC+高效螺桿復(fù)合鉆井技術(shù)，在保證安全的前提下提高鉆井速度。進(jìn)入含H2S地層鉆進(jìn)時(shí)，根據(jù)實(shí)際情況及時(shí)調(diào)整鉆井液密度，以實(shí)現(xiàn)近平衡壓穩(wěn)不漏?，F(xiàn)場(chǎng)加強(qiáng)H2S監(jiān)測(cè)，鉆井液中加足除硫劑。

4　氣體鉆井技術(shù)

焦石壩地區(qū)嘉陵江組、飛仙關(guān)組地層比較穩(wěn)定，使用氣體鉆井技術(shù)，能夠大幅度提高大尺寸井眼的機(jī)械鉆速，減少鉆井周期。如果在空氣鉆過程中，出現(xiàn)出水情況，根據(jù)出水程度轉(zhuǎn)化成霧化鉆或泡沫鉆。焦頁2HF、焦頁3HF、焦頁4HF井使用氣體鉆井技術(shù)，進(jìn)尺1036.21m，純鉆時(shí)間122.83h，平均機(jī)械鉆速8.44m/h，提速效果明顯。

5　復(fù)合鉆井技術(shù)

5.1工具優(yōu)選

（1）定向段和水平段采用等壁厚高效螺桿（水平段使用油基鉆井液螺桿），配合進(jìn)口或國(guó)產(chǎn)優(yōu)質(zhì)PDC鉆頭，選用抗溫抗壓能力強(qiáng)、性能穩(wěn)定的無線隨鉆儀器，加快定向段和水平段的鉆井速度。

（2）加強(qiáng)螺桿的選型，解決定向托壓難題。?311.2mm井眼采用三瓣偏心扶正器的單彎螺桿，能夠克服定向托壓難題，工具面得到較好的控制，造斜率控制合理，井眼軌跡圓滑。使用?216mm特殊形狀扶正器螺桿配合定向PDC鉆頭，合理調(diào)整軌跡，解決大井眼定向托壓，加快定向速度。

（3）使用PDC+彎螺桿+水力推進(jìn)器不僅能夠解決托壓定向的相關(guān)難題，同時(shí)提高定向鉆進(jìn)速度。

（4）三開優(yōu)化鉆具結(jié)構(gòu)，水平段以上使用5-1/2″鉆桿，加大排量提高水力參數(shù)，充分發(fā)揮井下動(dòng)力工具的功率。

5.2應(yīng)用情況

復(fù)合鉆井技術(shù)在焦石壩地區(qū)4口預(yù)探井應(yīng)用，進(jìn)尺3673.09m，純鉆時(shí)間493.51h，平均機(jī)械鉆速7.44m/h。

6　水平段優(yōu)快鉆井技術(shù)

6.1主要技術(shù)保障措施

6.1.1優(yōu)化鉆井液參數(shù)

為解決井斜角45°～60°的井段“巖屑床”問題，水平段采用國(guó)產(chǎn)油基鉆井液體系。

根據(jù)地層壓力系數(shù)，合理調(diào)整鉆井液密度，防止井眼坍塌。

6.1.2優(yōu)選螺桿

水平段使用油基螺桿配合PDC鉆頭鉆進(jìn)，可以在提高機(jī)械鉆速的同時(shí)，保證井眼軌跡質(zhì)量。

6.1.3優(yōu)化鉆具組合

在水平井段采用雙穩(wěn)定器組合鉆具，通過調(diào)整兩穩(wěn)定器之間、鉆頭與穩(wěn)定器之間的距離及鉆進(jìn)參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)控制井眼軌跡。

6.2實(shí)施效果

4口預(yù)探井均順利中靶，井眼軌跡完全滿足設(shè)計(jì)要求，目的層（頁巖氣層）鉆遇率100%。其中焦頁1HF井水平段鉆井時(shí)間10.35d，平均機(jī)械鉆速6.05m/h，最高日進(jìn)尺155m，最高機(jī)械鉆速6.9m/h，使用1只PDC鉆頭鉆完了全部水平段。

7　鉆頭優(yōu)選

7.1鉆頭優(yōu)選主要措施

（1）一開空氣鉆井段地層硬度大、研磨性強(qiáng)，氣體鉆進(jìn)過程中憋跳鉆，鉆頭受沖擊作用強(qiáng)，使用短齒強(qiáng)保徑SKH537CGK鉆頭。

（2）海相地層研磨性強(qiáng)，牙輪鉆頭定向鉆進(jìn)巴掌磨損快，易掉牙輪，優(yōu)選PDC鉆頭。

7.2現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

（1）?311.2mm井眼優(yōu)選T1365B或EM1655SE型號(hào)的PDC鉆頭，單只鉆頭平均機(jī)械鉆速最高達(dá)到18.28m/h。

（2）?215.9mm井眼主要巖性為龍馬溪組黑色泥頁巖，巖性脆、可鉆性較好，優(yōu)選T1655B或T1665B型號(hào)的PDC鉆頭，單只鉆頭平均機(jī)械鉆速最高達(dá)到8.92m/h。

8　地質(zhì)跟蹤導(dǎo)向技術(shù)

地質(zhì)跟蹤導(dǎo)向技術(shù)在鉆具底部配備能測(cè)試自然伽馬和電阻率等參數(shù)的隨鉆測(cè)井儀器，從而快速地識(shí)別頁巖地層，進(jìn)行水平井軌跡的控制，提高中靶精度，目前該項(xiàng)技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于頁巖氣水平井鉆井中。4口探井從造斜開始全部使用LWD技術(shù)，均順利中靶。

9　油基鉆井液技術(shù)

9.1基油選擇

綜合考慮后選擇5#白油和0#柴油作為全油基鉆井液體系基油。

9.2有機(jī)土選擇

選用有機(jī)陽離子型表面活性劑（如有機(jī)胺）作為膨潤(rùn)土有機(jī)改性劑，通過陽離子交換實(shí)現(xiàn)對(duì)膨潤(rùn)土的改性。

9.3油基鉆井液體系

采用了全油基鉆井液體系。油基鉆井液性能穩(wěn)定、抑制性強(qiáng)、潤(rùn)滑性好，有利于鉆井液對(duì)井壁的保護(hù)和井眼清潔，對(duì)產(chǎn)層起到了良好的保護(hù)作用。

10　水平井固井技術(shù)

10.1井眼準(zhǔn)備

做好通井前地層承壓實(shí)驗(yàn)，避免套管下入過程中發(fā)生井漏。采用一柱鉆鋌帶三螺旋扶正器通井，確保井眼順暢，以保證套管的順利下入。

10.2套管抬頭、居中、漂浮技術(shù)

（1）套管抬頭。在浮鞋上接一根1m短套管，安裝旋流剛性扶正器一只，用卡箍固定，確保套管“抬頭”和“引鞋居中”，減少下套管摩阻。

（2）套管居中。優(yōu)化使用扶正器，選用大斜度（30°）螺旋剛性扶正器。

（3）套管漂浮。在套管串結(jié)構(gòu)中加入漂浮接箍，利用漂浮接箍與套管鞋中間套管內(nèi)封閉的空氣或低密度鉆井液的浮力作用，來減小套管下入過程中井壁對(duì)套管的摩阻。

（4）四級(jí)油膜清洗技術(shù)。針對(duì)油基鉆井液，優(yōu)選高效前置液，采用四級(jí)沖洗技術(shù)。該技術(shù)是用高效前置沖洗液驅(qū)替套管壁和井壁油膜，利用化學(xué)沖洗作用來沖洗泥餅，改善泥餅的親水能力，在化學(xué)作用和水力沖洗的同時(shí)，增加物理沖洗泥餅，提高水泥石與套管壁、井壁的界面膠結(jié)質(zhì)量。高效前置液利用表面活性劑所特有的表面活性（潤(rùn)濕性、滲透性及乳化性等）作用于井壁和套管壁，降低二界面的表面張力，增強(qiáng)沖洗液對(duì)界面的潤(rùn)濕作用和沖洗作用。

11　結(jié)論

（1）焦石壩地區(qū)探井地層情況復(fù)雜，通過建立區(qū)域地質(zhì)剖面，能夠有效預(yù)測(cè)復(fù)雜地層，提出有針對(duì)性的鉆井預(yù)防措施。

（2）針對(duì)頁巖氣探井特點(diǎn)，本著提高探井成功率的目的，探索形成了適應(yīng)焦石壩地區(qū)頁巖氣探井的井身結(jié)構(gòu)，通過4口井鉆探，實(shí)施效果好。

（3）開孔采用清水搶鉆，氣體鉆能夠避免喀斯特地貌鉆探期間的污染問題，又能夠提高大尺寸井眼鉆井速度。

（4）優(yōu)選耐油高效能螺桿和PDC鉆頭是提高水平段機(jī)械鉆速的關(guān)鍵。

（5）國(guó)產(chǎn)油基鉆井液的使用，能夠解決頁巖段井壁垮塌問題。

（6）采用四級(jí)沖洗技術(shù)和彈塑性水泥漿體系，能夠保證頁巖氣水平井的固井質(zhì)量，為后期壓裂提供保障。

（7）通過探索實(shí)踐，形成了焦石壩頁巖氣水平井優(yōu)快鉆井技術(shù)，實(shí)施效果好。

［1］郭旭升，等.四川盆地及周緣下古生界海相頁巖氣富集高產(chǎn)主控因素——以焦石壩地區(qū)五峰組—龍馬溪組為例［J］.中國(guó)地質(zhì)，2014，41（3）：893-900.

［2］郭彤樓，等.四川盆地焦石壩頁巖氣田形成與富集高產(chǎn)模式［J］.石油勘探與開發(fā)，2014，41（1）：28-36.

［3］胡東風(fēng)，等.四川盆地東南緣頁巖氣保存條件及主控因素［J］.地質(zhì)勘探，2014，34（6）：17-23.

TE243

A

1004-5716（2016）06-0059-04

2016-01-08

2016-01-08

劉虎（1967-），男（漢族），甘肅鎮(zhèn)原人，高級(jí)工程師，現(xiàn)從事現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)管理及井筒技術(shù)研究工作。