湘西頁巖氣大斜度定向井優(yōu)快鉆井技術研究

董振國，吳德山，于 鵬.

(神華地質(zhì)勘查有限責任公司，北京 102211)

湘西頁巖氣大斜度定向井優(yōu)快鉆井技術研究

董振國，吳德山，于 鵬.

(神華地質(zhì)勘查有限責任公司，北京 102211)

針對保靖區(qū)塊頁巖氣地質(zhì)復雜、斷層發(fā)育、鉆井周期長、鉆井成本高等難點，開展了巖石可鉆性提取、井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化、鉆頭類型優(yōu)選和旋轉(zhuǎn)導向工具、油基鉆井液體系及防氣竄固井技術應用等配套技術研究，并在大斜度定向井現(xiàn)場實踐中得到成功的應用。與前期所鉆井相比，鉆井周期縮短了10%，機械鉆速提高了49%，優(yōu)質(zhì)高效地完成了1050.5m目的層井段的旋轉(zhuǎn)導向施工，目的層鉆遇率高達100%，目的層井段沒有發(fā)生任何鉆井和安全事故，生產(chǎn)套管固井質(zhì)量優(yōu)秀，標志著保靖區(qū)塊頁巖氣大斜度定向鉆井技術取得重大進展，并為其他區(qū)塊頁巖氣鉆井和開發(fā)提供了借鑒作用。

頁巖氣；鉆井難點；優(yōu)快鉆井；井身結(jié)構(gòu)；固井；油基鉆井液

2013年1月5日神華地質(zhì)勘查公司中標湖南保靖頁巖氣區(qū)塊，該區(qū)塊主體位于湖南西部保靖縣境內(nèi), 面積為1189.72 km2；區(qū)塊東西長37 km，南北寬32 km；區(qū)塊內(nèi)龍馬溪組泥頁巖發(fā)育，有機碳含量較高，成熟度較高，具有較好的勘探潛力。鉆井主要目的層為下古生界的下志留統(tǒng)龍馬溪組，目的層最大埋深為2600 m。由于保靖區(qū)塊頁巖氣儲層地層孔滲性低、傾角變化大(20°～50°)，目前只有通過沿優(yōu)質(zhì)頁巖層走向鉆大斜度定向井，加上后期儲層大規(guī)模水力壓裂改造的方式，才能達到商業(yè)開發(fā)的目的，所以如何優(yōu)快鉆頁巖氣井是頁巖氣經(jīng)濟性開發(fā)的核心技術之一。

1 頁巖氣鉆井技術難點

(1)湘西保靖區(qū)塊地表條件差，可供使用的井場較少，通常井場處于山區(qū)的山間平地，屬于山地鉆井，存在交通不便、道路狹窄崎嶇、后勤供應難等困難。

(2)地層出露老，上部地層灰?guī)r裂縫溶洞發(fā)育，地下水活躍，鉆井過程中有井漏和地下水涌出風險。

(3)古生代地層可鉆性差，巖石強度高，致密堅硬，機械鉆速低，單只鉆頭進尺低。

(4)本區(qū)地層傾角一般在20°～50°左右，由于地層傾角大，地層造斜能力強，井眼軌跡控制困難，井眼軌跡不光滑、鉆壓傳遞困難、扭矩摩阻大。

(5)目的層井段裸眼長、井斜大、巖屑上返行程長，泥漿攜砂困難，容易形成砂床。

(6)龍馬溪組目的層優(yōu)質(zhì)頁巖薄，僅10 m左右，且分布不均勻，層理發(fā)育給地質(zhì)導向帶來了挑戰(zhàn)。

(7)生產(chǎn)套管固井壓差大、易漏、頂替效率低，影響固井質(zhì)量，給后續(xù)的壓裂射孔試氣帶來困難。

2 優(yōu)快鉆井技術方案

針對保靖區(qū)塊頁巖氣鉆井施工技術難題，通過巖石可鉆性研究、鉆頭選型、合理井身結(jié)構(gòu)設計、井身剖面優(yōu)化和控制、應用以旋轉(zhuǎn)導向和油基泥漿為代表的鉆井新工具、新工藝等措施，保障了施工的順利進行，形成了配套齊全的頁巖氣優(yōu)快鉆井技術，為實現(xiàn)低成本開發(fā)頁巖氣奠定了基礎。

2.1 合理井身結(jié)構(gòu)設計

保靖區(qū)塊地質(zhì)必封點主要有：淺部地層出水層；龍馬溪組頁巖層的易漏、易垮塌地層。

實鉆揭示小河壩組之上地層致密，比較穩(wěn)定，為正常地層壓力系統(tǒng)(地層壓力系數(shù)為1.0，破裂壓力系數(shù)為1.6～2.0)。

根據(jù)地層壓力和必封點、完井要求，形成了簡化“導管+三級套管”井身結(jié)構(gòu)方案(圖1)：?508 mm導管下入50 m左右，用于封隔地表風化的松軟地層；?339.7 mm表層套管下深500 m，主要封固地下淺水層和漏失層；?244.5 mm技術套管下至龍二段泥質(zhì)粉砂巖，封隔A靶點以上造斜井段和易垮塌薄弱地層；?139.7 mm生產(chǎn)套管下到目的層，用來封隔頁巖氣層，作為壓裂和生產(chǎn)管柱。

圖1 適合保靖區(qū)塊的三級井身結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The well configuration profile of 3 tiers to fit for Baojing block

2.2 巖石可鉆性研究和鉆頭選型

保靖區(qū)塊地層以致密性砂、泥頁巖和碳酸巖為主，地層偏硬、研磨性強、可鉆性差，為了更好地優(yōu)選鉆頭，提高鉆進效率，對巖石可鉆性進行了系統(tǒng)的研究。利用聲波測井資料，提取了巖石的抗壓強度和可鉆性。結(jié)果表明：巖石抗壓強度(UCS)大多介于100～200 MPa之間，巖石可鉆性級值介于5.78～6.60級，巖石屬于中—硬地層，提出了適合區(qū)塊鉆頭的選型方案(表1)。

一開直井段巖性不均勻、局部含石英硬砂巖，優(yōu)選適合硬地層、金屬軸承密封、壽命高的515、535系列鑲齒牙輪鉆頭。保頁1井在一開云臺觀組曾下入KS1662的PDC鉆頭鉆進，進尺僅14 m，機械鉆速為2.33 m/h，鉆頭磨損嚴重報廢，鉆進效果不理想；后來選用GJ515G牙輪鉆頭，進尺達到163 m，機械鉆速為2.36 m/h，使用效果較好。

表1 巖石可鉆性分級和鉆頭推薦表Table 1 Rock drillability classification & bit recommendation

二開造斜井段巖性比較均勻，地層硬而較脆，優(yōu)選短拋物線、高強度保徑5～6刀翼、16 mm 切削齒的PDC鉆頭。保頁3XF在二開馬腳沖組—小河壩組造斜段，優(yōu)選型號為AM663DRT的PDC鉆頭，進尺244.8 m，機械鉆速達4.06 m/h；保頁4XF在同井段，優(yōu)選型號為HM6163的PDC鉆頭，進尺247.72 m，機械鉆速達3.53 m/h。

在龍馬溪組目的層三開井段，因頁巖內(nèi)脆性礦物發(fā)育，優(yōu)選5刀翼PDC鉆頭、16 mm切削齒的PDC鉆頭。保頁3X 井選用MDI516PDC鉆頭，進尺329 m，機械鉆速為4.25 m/h；保頁4XF井選用HS5163PDC鉆頭，進尺1057 m，機械鉆速為8.92 m/h，鉆頭使用效果好。

2.3 井眼軌跡控制技術

(1)一開直井段開展復合鉆進，防斜打直。

為提高上部井段的機械鉆速和實現(xiàn)防斜打直，采用 “三牙輪鉆頭+減震器+1.25°單彎螺桿+MWD隨鉆測量儀”的復合鉆進方式隨鉆防斜，鉆進時隨時監(jiān)控井斜，若井斜有超標的趨勢則立即進行滑動鉆進糾斜。如保頁3井地層傾角大(28°)，地層造斜能力強(增斜(0.2°～0.3°)/10 m)，施工中采用了該方式鉆進，取得了較好的鉆進效果。實踐證明螺桿鉆具的主動糾斜相對于傳統(tǒng)的塔式鉆具的被動防斜效果更好。

(2)二開造斜井段控制好造斜率，確保安全著陸。

為了實現(xiàn)按照預定的井眼軌跡控制好造斜率確保所鉆軌跡安全著陸入靶窗的目的，采用“PDC鉆頭+1.5°單彎螺桿+MWD(帶GR短接)”鉆具組合穩(wěn)斜探油頂技術，在A靶點前預留了50m的穩(wěn)斜段，著陸時要求井斜角有3°～5°的提前角，增強了應對儲層變化、進行垂深和著陸姿態(tài)調(diào)整的主動性。

(3)三開目的層段，旋轉(zhuǎn)導向與油基鉆井液技術相結(jié)合實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高效鉆井。

旋轉(zhuǎn)導向技術代表當今鉆井工程中定向技術的發(fā)展方向和水平，采用該技術可減小壓差卡鉆事故，提高機械鉆速、縮短鉆井周期。通過旋轉(zhuǎn)導向測量的近鉆頭井斜、方位、伽馬與電阻率，可精確控制井眼軌跡和判斷巖性；通過近鉆頭方位伽馬成像技術，可拾取地層視傾角；通過觀察的方位伽馬和地層切割關系，可及時修正井眼軌跡，將井眼軌跡控制在設計的靶框范圍內(nèi)，確保了優(yōu)質(zhì)頁巖層鉆遇率。

在保頁3XF井三開先后使用了斯侖貝謝Powerdriver和哈里伯頓Geo-Pilot旋轉(zhuǎn)導向工具，在保頁4XF井三開使用了貝克休斯公司的第三代旋轉(zhuǎn)閉環(huán)鉆井系統(tǒng)AutoTrack G3工具(圖2)。

在三開目的層地層復雜、斷層發(fā)育的情況下，保頁4XF井使用貝克休斯6 3/4″ATK G3 旋轉(zhuǎn)導向工具帶惠靈豐8 1/2″PDC 鉆頭(型號HS5163，噴嘴流道面積：1.78 in2)，機械鉆速高達8.88 m/h，比保頁3XF井提高17%，實現(xiàn)了目的層段“一趟鉆”，創(chuàng)造了保靖區(qū)塊頁巖氣鉆井速度的紀錄(表2)。經(jīng)完井電測驗證兩口井優(yōu)質(zhì)頁巖氣層鉆遇率達到100%，旋轉(zhuǎn)導向技術在保靖區(qū)塊大斜度定向井的應用取得了成功，達到預期目標。

圖2 貝克休斯AutoTrak旋轉(zhuǎn)導向鉆具組合Fig.2 Halliburton Geo-Pilot RSS assembly

井號井段/m進尺/m純鉆時/h機械鉆速/(m·h-1)施工天數(shù)/d定向服務公司工作原理保頁3XFC1井1346～23901044325.333.5620.05斯倫貝謝混合型保頁3XF井1420～17721647～26451331166.497.3612.73哈里伯頓指向式保頁4XF井1363～24201057119.008.887.38貝克休斯推靠式

2.4 優(yōu)選鉆井液體系

直井段鉆井液體系可以采用清水或膨潤土漿鉆進，必要時配稠漿清洗井眼。

二開造斜井段采用氯化鉀/KPAM抑制性水基泥漿體系，主要通過K+對泥頁巖的抑制作用和KPAM對有害固相的包被作用，達到控制泥頁巖分散，有效控制泥漿有害固相的目的。

三開目的層井段，選擇油基鉆井液體系，可確保作業(yè)的安全順利，減少井下復雜情況，降低鉆井成本，有利于儲層保護 (表3)。

保頁3XF、保頁4XF井三開采用強封堵油包水乳化鉆井液體系。

油基鉆井液的配方：(75～80)/(25～20)基礎油/氯化鈣水+(2.5%～3%)有機土+(2.5%～3%)主乳化劑+(0.8%～1.5%)輔乳化劑+(2.5%～3%)降濾失劑+(0.8%～1.5%)潤濕劑+(0.8%～1.5%)封堵劑+重晶石粉。

表3 鉆井液性能和體系表Table 3 The property & system of drilling fluids

實鉆中根據(jù)井況使用活性水調(diào)節(jié)鉆井液活性，使之與地層活性相匹配，將密度控制在1.20～1.28 g/cm3之間；HTHP失水小于5 mL，保證乳狀液穩(wěn)定性；油包水鉆井液破乳電壓≥400 V，根據(jù)破乳電壓大小適當補充主輔乳化劑。

通過對保頁3XF、保頁4XF三開油基鉆井液精心維護和處理，鉆井液性能基本穩(wěn)定，無大幅度變化，全井井壁穩(wěn)定、起下鉆暢通無阻，完井電測一次成功，井徑擴大率小于5%，取得了較好的應用效果。

2.5 生產(chǎn)套管固井工藝

由于三開采用了油基鉆井液，造成?139.7 mm生產(chǎn)套管固井時井壁及套管沖刷清洗困難，影響固井膠結(jié)質(zhì)量；同時固井液體對于油基鉆井液存在破乳、絮凝方面的難題，有安全隱患。

下套管前通井時保持鉆井液較高的屈服值，大排量循環(huán)，確保井眼清潔；采用旋流扶正器，保證套管居中度大于67%；下完套管后通過鉆井液循環(huán)改善其流動性能，采用潤濕反轉(zhuǎn)沖洗液、油基加重沖刷液、低密度水泥漿的三級沖洗工藝保證井眼清洗效果，提高頂替效率；固井前循環(huán)時間不低于2周，循環(huán)結(jié)束后要盡快轉(zhuǎn)入注水泥固井施工；全井采用清水頂替，使套管在浮力作用下產(chǎn)生向井壁高邊漂浮的趨勢，減小套管的偏心程度，盡量提高水泥漿的頂替效率。

為保證生產(chǎn)套管固井質(zhì)量，采用雙密度雙凝固井方式。在尾漿中加入膨脹劑，以防止水泥石體積收縮，形成微間隙；加入塑性劑，使水泥漿彈性模量滿足頁巖氣大型壓裂；使用防氣竄水泥漿體系，通過聚合物顆粒堵塞作用和成膜作用防止在水泥內(nèi)部氣竄。

水泥漿液配方：100%水泥+2.5%彈塑劑+2%微硅+3%早強劑+3.5%防氣竄劑+0.15%纖維+3.5%降失水劑+3.1%緩凝劑+2.0%分散劑加重劑+0.5%消泡劑。

保頁3XF井、保頁4XF井?139.7 mm生產(chǎn)套管固井施工順利，經(jīng)測井評價兩口井在油基泥漿條件下固井質(zhì)量優(yōu)秀，滿足了后期壓裂改造和試氣的需要(圖3)。

圖3 保頁3XF井和保頁4XF井生產(chǎn)套管固井質(zhì)量評價Fig.3 The well cementing bonding evaluation for ? 139.7 mm production casing

3 應用成果

通過保靖區(qū)塊鉆井實踐，形成了以“巖石可鉆性研究、合理井身結(jié)構(gòu)設計”為基礎，以“優(yōu)質(zhì)PDC鉆頭、可靠的旋轉(zhuǎn)導向工具、先進的油基泥漿體系和防氣竄固井技術”為代表的優(yōu)快鉆井技術，解決了保靖區(qū)塊頁巖氣井鉆井投資巨大，建井周期長、鉆井成本居高不下的問題。

在2口大斜度井鉆井設計和施工過程中，充分收集已鉆井的資料，引進鉆井新工藝、新技術，積極開展鉆井方案優(yōu)化、優(yōu)快鉆井應用，收到良好的鉆進效果，機械鉆速大幅度提高，鉆井周期顯著減低。據(jù)統(tǒng)計，2015年2口大斜度井的平均井深為2405 m，平均垂深為1710.93 m，平均目的層段長1050.5 m，全井平均機械鉆速為4.43 m/h，平均鉆井周期為94 d、建井周期為97 d。與2014年鉆的2口直井相比，鉆井周期縮短了10%，機械鉆速提高了49%(表4)。

表4 2014年和2015年鉆井機械鉆速對比Table 4 Year 2014 drilling ROP vs. year 2015’s

4 結(jié)論

(1)鉆前通過鄰井聲波測井資料分析，建立了區(qū)塊的巖石可鉆性剖面，優(yōu)選了適合海相硬地層的鉆頭類型。

(2)通過對區(qū)塊地質(zhì)和地層壓力情況的分析，采用簡化的“導眼+三級套管” 井身結(jié)構(gòu)：一開直井段采用“三牙輪鉆頭+螺桿”復合鉆進和糾斜，解決了易井斜的問題，提高了機械鉆速；二開造斜井段采用“PDC鉆頭+彎螺桿”復合鉆進，控制好井眼軌跡，確保入窗中靶；三開采用旋轉(zhuǎn)導向工具，提高了優(yōu)質(zhì)頁巖的鉆遇率。

(3)目的層采用油基泥漿體系，解決了泥頁巖地層井壁穩(wěn)定性問題和頁巖氣層保護問題，滿足了測井對井眼的要求。

(4)在地質(zhì)條件復雜、斷層發(fā)育、缺乏三維地震資料的情況下，通過精心設計和施工，成功地鉆成保頁3XF、4XF井兩口大斜度定向井，優(yōu)質(zhì)高效地完成了1050.5 m目的層井段的施工，?139.7 mm生產(chǎn)套管下入順利，油基鉆井液條件下固井質(zhì)量優(yōu)秀。

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ResearchonRapidandEfficientDrillingTechnologyatHighDeviatedWellsofShaleGasinWestHunan

Dong Zhenguo, Wu Deshan, Yu Peng

(ShenhuaGeologicalExplorationLtd.,ShenhuaGroup,Beijing102211,China)

To cope with the challenges of the surface & downhole in shale gas wells, Baojing block, such as complex geology condition, more faults, slow rate of penetration, long drilling period & high drilling cost, the key technologies were applied & studied, including rock drillability calculation, casing program design, drilling bit type optimization, mature rotary steering system, oil based mud system & cementing technology of anti-gas migration. These technologies have been applied successfully in the high deviated wells. Compared with early wells drilled, the drilling cycle was reduced by 10%, the rate of penetration was improved 49%, finished 1050.5m reservoir zone drilling by using rotary steering drilling system with safety & efficiency, reservoir target hit ratio was 100%, without any drilling accident & HSE issue, production casing cemented quality was excellent. It was marked that make great progress of high deviated wells drilling technology in Baojing block. It will provide reference for future drilling & developing shale gas reservoir in other block.

shale gas; drilling challenge; rapid & efficient drilling; well configuration; well cementing; oil base drilling fluid

TE243

A

神華集團科技創(chuàng)新項目“湖南保靖區(qū)塊海相頁巖氣綜合物探及完井壓裂技術研究”(SHHGF-14-85)資助。

董振國(1962—)，高級工程師，1991年畢業(yè)于中國地質(zhì)大學(北京)，獲工學碩士學位，主要從事鉆井工程技術研究和管理工作。郵箱：dzhenguo@aliyun.com.