頁巖水平井一趟鉆應(yīng)用案例分析及啟示

楊金華 郭曉霞

中國石油集團(tuán)經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院石油科技研究所

我國天然氣需求持續(xù)增長(zhǎng)，對(duì)外依存不斷攀升。為保障天然氣供應(yīng)安全，確保國內(nèi)天然氣產(chǎn)量穩(wěn)定增長(zhǎng)是國家必然的戰(zhàn)略選擇。我國擁有優(yōu)越的頁巖氣形成與富集條件，頁巖氣資源潛力巨大，勘探開發(fā)前景廣闊，將成為天然氣勘探開發(fā)重要領(lǐng)域[1]。為實(shí)現(xiàn)頁巖氣規(guī)模效益開發(fā)，必須綜合施策，全方位降本增效。鉆井成本占我國頁巖氣開發(fā)示范區(qū)水平井鉆完井成本的50%以上，因此降低鉆井成本至關(guān)重要。美國頁巖油氣水平井普遍推行一趟鉆，鉆井周期持續(xù)縮短，鉆井成本持續(xù)下降，在提速降本中功不可沒。一趟鉆是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，更是水平井提速降本的牛鼻子工程，我國在頁巖氣開發(fā)中應(yīng)加大一趟鉆推廣力度。

1 貝克休斯頁巖水平井一趟鉆案例分析

2017年第一季度，貝克休斯公司在懷俄明州DJ盆地僅用3.5d就鉆成一口井深5405m的頁巖水平井，比鄰井平均鉆井周期縮短33%，其經(jīng)驗(yàn)和做法值得學(xué)習(xí)借鑒[2]。

1.1 優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)

該井的井身結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化到兩開（圖1），只需下表層套管和生產(chǎn)套管，大大減少了固井工作量和候凝時(shí)間。表層套管下入深度為750m左右；二開井徑φ215.9mm，包括直井段、造斜段、水平段3個(gè)井段，造斜段的設(shè)計(jì)造斜率為10°/30.48m，水平段實(shí)際長(zhǎng)度為2895.6m。該井垂深為2300m左右。

1.2 應(yīng)用高效PDC鉆頭

二開貝克休斯應(yīng)用了φ215.9mm Talon Force PDC鉆頭（圖2），其最大特點(diǎn)是PDC復(fù)合片尺寸大，有利于提高鉆速和延長(zhǎng)鉆頭使用壽命。

1.3 造斜井段和水平段改用油基鉆井液

鉆至造斜點(diǎn)后，將水基鉆井液換成油基鉆井液，以降低井筒摩阻、確保頁巖地層的穩(wěn)定。

圖1 兩開井身結(jié)構(gòu)

圖2 Talon Force PDC鉆頭

1.4 應(yīng)用高造斜率旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)

由于造斜段的設(shè)計(jì)造斜率為10°/30.48mm，貝克休斯公司使用了一款高造斜率旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)φ171.45mm AutoTrak Curve（圖3），儲(chǔ)層鉆遇率達(dá)100%。該系統(tǒng)性能特點(diǎn)包括：（1）長(zhǎng)度短，全長(zhǎng)11.58m，包括導(dǎo)向系統(tǒng)和MWD；（2）設(shè)計(jì)最大造斜能力為15°/30.48m；（3）集成了近鉆頭地質(zhì)導(dǎo)向儀，井斜、自然伽馬傳感器分別距離鉆頭1.80m、3.51m，有利于實(shí)現(xiàn)100%的儲(chǔ)層鉆遇率；（4）軌跡自動(dòng)閉環(huán)控制，精度在±0.2°以內(nèi)；（5）耐溫能力為150℃。

圖3 AutoTrak Curve與Navi-Drill Ultra XL45高速螺桿鉆具聯(lián)合應(yīng)用

1.5 應(yīng)用強(qiáng)化參數(shù)鉆井

貝克休斯公司在φ171.45mm AutoTrak Curve系統(tǒng)上方接了一根φ177.8mm Navi-Drill Ultra XL45高速螺桿鉆具。組合應(yīng)用的一大好處是用頂驅(qū)和螺桿鉆具同時(shí)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)和鉆頭旋轉(zhuǎn)，大幅提高鉆頭轉(zhuǎn)速和扭矩，再配合大鉆壓和大排量，實(shí)施強(qiáng)化參數(shù)鉆井，有利于提高機(jī)械鉆速。

1.6 應(yīng)用遠(yuǎn)程決策支持中心

遠(yuǎn)程決策支持中心其實(shí)是一個(gè)地質(zhì)—油藏—工程一體中心，貝克休斯公司的多學(xué)科專家團(tuán)隊(duì)在該中心實(shí)時(shí)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)，做出更及時(shí)、更科學(xué)的決策，更好地指揮現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)和開展地質(zhì)導(dǎo)向。

綜上所述，該井成功經(jīng)驗(yàn)就是利用先進(jìn)高效的技術(shù)組合實(shí)施一趟鉆。成功地實(shí)施了兩個(gè)一趟鉆，即一開一趟鉆、二開一趟鉆完鉆，減少了更新鉆頭和起下鉆次數(shù)以及鉆頭用量和起下鉆時(shí)間，縮短了鉆井周期。二開一趟鉆完成3口井井段，即直井段+造斜段+水平段，總進(jìn)尺達(dá)4651.55m（含2895.6m水平段），用時(shí)僅為1.95d。

通過實(shí)施一趟鉆，該井創(chuàng)造了懷俄明州DJ盆地兩項(xiàng)水平井鉆井紀(jì)錄：

（1）創(chuàng)造了該盆地水平井鉆井周期最短紀(jì)錄，3.5d鉆一口井深5405m的水平井。這也是美國井深超5000m水平井的鉆井周期最短紀(jì)錄。

（2）創(chuàng)造了該盆地水平井最新日進(jìn)尺紀(jì)錄（2519.78m）。在此之前，作業(yè)者二開（從表層套管鞋至完鉆井深）使用的是常規(guī)導(dǎo)向鉆井液馬達(dá)，平均用時(shí)5.2d，平均日進(jìn)尺為973.53m。據(jù)貝克休斯報(bào)道，公司已在美國東北部Marcellus和Utica產(chǎn)區(qū)的160多口水平井中實(shí)現(xiàn)了日進(jìn)尺超1610m的鉆井速度。

2 美國實(shí)施一趟鉆總體情況和效果

美國在頁巖水平井鉆井中普遍推行一趟鉆，單井段一趟鉆已成為常態(tài)，雙井段一趟鉆得到推廣應(yīng)用，多井段一趟鉆正在持續(xù)增加，單次一趟鉆創(chuàng)造的進(jìn)尺紀(jì)錄突破了5500m。一趟鉆的推廣應(yīng)用，促進(jìn)了美國頁巖油氣水平井鉆井周期持續(xù)縮短，現(xiàn)已縮短到令人難以置信的程度[3]。井深4000～5000m的水平井平均鉆井周期已縮短到10d左右（圖4）。未來的一趟鉆將以更快的速度、更短的時(shí)間、更高的質(zhì)量和更低的成本，一次下井完成多個(gè)井段鉆進(jìn)。

3 推行一趟鉆的必要性和可能性

3.1 一趟鉆是一項(xiàng)系統(tǒng)工程

一趟鉆涉及的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：（1）鉆井方案優(yōu)化設(shè)計(jì)；（2）先進(jìn)鉆機(jī)，特別是自動(dòng)化鉆機(jī)；（3）適合一趟鉆的高效長(zhǎng)壽命鉆頭，通常是定制鉆頭；（4）個(gè)性化的優(yōu)質(zhì)鉆井液；（5）高壓噴射鉆井及優(yōu)選參數(shù)鉆井；（6）常規(guī)導(dǎo)向鉆井或旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井；（7）隨鉆地質(zhì)導(dǎo)向；（8）遠(yuǎn)程決策支持中心。由此可見，一趟鉆是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，不僅僅是鉆頭技術(shù)的升級(jí)，還包括鉆井工程全面升級(jí)、地質(zhì)—油藏—工程一體化解決方案等，需要集成應(yīng)用先進(jìn)的鉆井技術(shù)及高效的團(tuán)隊(duì)協(xié)作。鉆頭、鉆井液、導(dǎo)向工具、儀器、裝備及鉆井工藝的最佳匹配，是一趟鉆的基本保證。井筒完整性是一趟鉆的基本前提，也是嚴(yán)控非生產(chǎn)時(shí)間的必然選擇。

圖4 EOG資源公司頁巖油氣水平井平均鉆井周期

3.2 一趟鉆更是水平井提速降本的牛鼻子工程

以一趟鉆為目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)和實(shí)施鉆井方案，可簡(jiǎn)化井身結(jié)構(gòu)，減少鉆頭用量、起下鉆時(shí)間和非生產(chǎn)時(shí)間，是水平井鉆井總體技術(shù)水平和提速降本效果的集中體現(xiàn)，也是水平井鉆井提速降本的總抓手和牛鼻子工程。多井段一趟鉆則是水平井鉆井的理想目標(biāo)。

3.3 應(yīng)用常規(guī)導(dǎo)向鉆井技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)一趟鉆

在美國頁巖油氣開發(fā)中，大部分水平井沒有使用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)，應(yīng)用常規(guī)導(dǎo)向鉆井技術(shù)同樣可以實(shí)現(xiàn)一趟鉆。

4 我國頁巖水平井一趟鉆應(yīng)用及存在差距

中國石油天然氣集團(tuán)有限公司（簡(jiǎn)稱中國石油）、中國石油化工集團(tuán)公司（簡(jiǎn)稱中國石化）已在多個(gè)油氣田成功實(shí)施水平井一趟鉆，在各自的頁巖氣開發(fā)示范區(qū)都有水平井一趟鉆的成功案例，中國石化還應(yīng)用常規(guī)導(dǎo)向技術(shù)成功實(shí)施了一趟鉆。2018年8月，貝克休斯公司鉆井一體化團(tuán)隊(duì)在威遠(yuǎn)地區(qū)作業(yè)中創(chuàng)造了新的一趟鉆紀(jì)錄，一趟鉆完成造斜段和水平段兩個(gè)井段的鉆進(jìn)，總進(jìn)尺達(dá)2078m，用時(shí)僅為11.79d。該井是貝克休斯在四川頁巖氣區(qū)塊首例鉆井一體化項(xiàng)目，公司提供了“鉆頭、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向、螺桿鉆具、MWD、油基鉆井液”一體化總包服務(wù)方案。這個(gè)一體化項(xiàng)目不但打破了頁巖氣威遠(yuǎn)區(qū)塊三開鉆井周期紀(jì)錄，同時(shí)首次實(shí)現(xiàn)了威遠(yuǎn)區(qū)塊三開施工一趟鉆完鉆的新紀(jì)錄。

近年我國頁巖氣水平井鉆完井技術(shù)進(jìn)步較快，平均鉆井周期逐漸縮短，但目前鉆井周期仍是美國同類水平井的3倍左右，說明平均鉆井周期和鉆井成本還有很大的下降空間。

導(dǎo)致差距的技術(shù)根源在于：

（1）井筒完整性工藝措施不過硬，導(dǎo)致井下復(fù)雜情況多，處理井下復(fù)雜情況所花的非生產(chǎn)時(shí)間多。在中國石油四川頁巖氣開發(fā)示范區(qū)，已有全井順利鉆進(jìn)的案例，說明井下復(fù)雜情況是可以避免和及時(shí)處理的。

（2）鉆頭質(zhì)量不過硬，機(jī)械鉆速慢，單井鉆頭用量多，起下鉆次數(shù)多，起下鉆時(shí)間多，即無進(jìn)尺工作時(shí)間多。

（3）旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)依賴進(jìn)口，服務(wù)價(jià)格高昂。

（4）強(qiáng)化參數(shù)鉆井有待加強(qiáng)。

5 對(duì)我國加快發(fā)展一趟鉆的幾點(diǎn)建議

（1）提高對(duì)一趟鉆重要性的認(rèn)識(shí)，將一趟鉆作為頁巖氣示范區(qū)水平井鉆井提速降本的總抓手和牛鼻子工程，抓緊落實(shí)與推廣。先期目標(biāo)為單井段一趟鉆，往后逐步過渡到兩井段一趟鉆、多井段一趟鉆。

（2）出臺(tái)頁巖氣一趟鉆推廣與激勵(lì)辦法，并對(duì)刷新一趟鉆紀(jì)錄者予以表彰和重獎(jiǎng)。

（3）以一趟鉆為目標(biāo)，優(yōu)化鉆井方案設(shè)計(jì)，包括簡(jiǎn)化井身結(jié)構(gòu)、優(yōu)化井眼軌跡和鉆井參數(shù)，推廣強(qiáng)化參數(shù)鉆井。

（4）建立頁巖氣開發(fā)信息共享平臺(tái)，總結(jié)、完善并推廣各區(qū)塊及各層位的最佳作業(yè)實(shí)踐或技術(shù)模板，便于相互學(xué)習(xí)提高。

（5）嘗試用常規(guī)導(dǎo)向鉆井液馬達(dá)代替進(jìn)口的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)，加快旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)自主品牌研發(fā)，早日實(shí)現(xiàn)進(jìn)口替代。

（6）推廣和升級(jí)遠(yuǎn)程決策支持中心，為一趟鉆提供有力的遠(yuǎn)程決策支持。

（7）持續(xù)開展技術(shù)攻關(guān)，配套完善3500m深的頁巖氣工程技術(shù)系列，加快頁巖氣規(guī)模開發(fā)，以期超額完成我國2020年頁巖氣產(chǎn)量目標(biāo)。