永川頁巖氣水平井優(yōu)快鉆井關(guān)鍵技術(shù)研究

李 林， 王存新， 羅朝東

(中石化西南石油工程有限公司鉆井工程研究院)

重慶永川區(qū)塊龍馬溪組頁巖氣資源量達(dá)1 347.57×108m3，是中石化增儲(chǔ)上產(chǎn)的重點(diǎn)探區(qū)。根據(jù)中石化“十三五”規(guī)劃，該區(qū)塊計(jì)劃部署10個(gè)鉆井平臺(tái)50口井，建成產(chǎn)能10×108m3。2015年完成了YY1井直導(dǎo)眼和YY1HF側(cè)鉆水平井施工作業(yè)，折算水平井鉆井周期為203.2 d，經(jīng)濟(jì)效益差。為了提高經(jīng)濟(jì)效益，在新一輪的試驗(yàn)井中，通過優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)，優(yōu)選動(dòng)力鉆具、個(gè)性化鉆頭及旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具等方式，為高效、快速開發(fā)該區(qū)域頁巖氣井探索出一種新方法。

一、永川頁巖氣水平井鉆井技術(shù)難點(diǎn)

永川龍馬溪組頁巖氣埋深3 900～4 200 m，較涪陵地區(qū)平均深約1 000 m，區(qū)域地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，差異性大，實(shí)測彈性模量10～30 GPa、泊松比0.33、抗壓強(qiáng)度40～70 MPa、抗張強(qiáng)度3～8 MPa，目的層龍馬溪組屬高壓區(qū)，壓力系數(shù)達(dá)1.70[1]。前期鉆井作業(yè)存在以下技術(shù)難點(diǎn)：

(1)一開?444.5 mm井眼長約2 000 m，且沙溪廟組地層砂泥巖互層頻繁，易井斜，鉆進(jìn)蹩跳現(xiàn)象嚴(yán)重，鉆壓無法釋放，機(jī)械鉆速低，鉆井周期長。

(2)陸相自流井-須家河組地層砂巖石英含量高，可鉆性差，研磨性強(qiáng)，單趟進(jìn)尺低[2]。YY1井珍珠沖～須五段平均機(jī)械鉆速為0.94 m/h，須二～須一段平均機(jī)械鉆速為0.87 m/h，鉆頭及穩(wěn)定器磨損快，平均單趟鉆進(jìn)尺僅125.81 m。

(3)永川區(qū)塊儲(chǔ)層傾角在2°～11°之間，標(biāo)志層不明顯，水平段優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層鉆遇率難以保障，YY1HF井僅水平段軌跡調(diào)整就高達(dá)12次。

(4)軌跡的頻繁調(diào)整，增加了井眼清潔難度，加大了摩阻、扭矩，加劇了軌跡控制難度和井下安全風(fēng)險(xiǎn)。

二、優(yōu)快鉆井關(guān)鍵技術(shù)

1.井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

YY1井采用三開制井身結(jié)構(gòu)，第一必封點(diǎn)封須家河組以上不穩(wěn)定、易漏地層；第二必封點(diǎn)封雷口坡-韓家店組海相低壓及漏失地層[3]。但實(shí)鉆表明前期井身結(jié)構(gòu)存在機(jī)械鉆速慢，開發(fā)成本高等問題。為此，對(duì)井身結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，見表1。優(yōu)化后的井身結(jié)構(gòu)巖屑量減少約17%，套管費(fèi)用節(jié)約13%，綜合效益明顯。

表1 永川頁巖氣水平井井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.垂鉆工具和減震工具應(yīng)用

永川區(qū)塊上沙溪廟組～涼高山組地層，巖性以砂泥巖頻繁互層為主，易井斜，同時(shí)上部沙溪廟組地層存在大段細(xì)粒、中粒石英砂巖，鉆井過程中“蹩跳”嚴(yán)重，對(duì)PDC鉆頭損傷嚴(yán)重，甚至需采用牙輪鉆頭過度[4]；同時(shí)為確保該井段井身質(zhì)量，通常又需采用“低壓吊打”的方式進(jìn)行鉆井施工，嚴(yán)重影響了機(jī)械鉆速的提高。

垂直鉆井系統(tǒng)配合減震工具，不但能自主糾斜，克服“蹩跳鉆”對(duì)鉆頭的傷害，而且還能釋放鉆壓，將優(yōu)質(zhì)和快速結(jié)合起來，為解決上述問題提供一個(gè)可行的技術(shù)途徑。為此，中石化在該區(qū)塊引進(jìn)了斯倫貝謝Power-V垂鉆工具，并在YY3-1井進(jìn)行了首次運(yùn)用，其運(yùn)用效果見表2和圖1所示。

表2 垂鉆工具和減震工具使用效果對(duì)比

注：地層均為沙溪廟-涼高山。

圖1 垂鉆工具與常規(guī)工具井斜對(duì)比

由上述分析可知，使用垂鉆系統(tǒng)及減震工具后一開平均機(jī)械鉆速達(dá)8.75 m/h，同比前期(1.90 m/h)提高了361%；鉆井周期由44.5 d縮短至9 d，提速效果顯著；全井段井斜控制在0.3°以內(nèi)，井身質(zhì)量優(yōu)異。

3.混合鉆頭及低轉(zhuǎn)速大扭矩螺桿配套技術(shù)

永川地區(qū)自流井-須家河組地層巖性以砂巖為主，富含石英，垂厚約700 m，前期YY1井在該井段鉆進(jìn)，使用PDC鉆頭1只，牙輪鉆頭3只，平均機(jī)械鉆速僅1.27 m/h，鉆井時(shí)效極低[5]。

為滿足提速要求，優(yōu)選了貝克休斯的獅虎獸鉆頭。該鉆頭是牙輪鉆頭和PDC鉆頭組成的一種混合式鉆頭，兼具牙輪鉆頭和PDC鉆頭的優(yōu)勢。與牙輪鉆頭相比，混合型鉆頭鉆壓降低，軸向振動(dòng)減弱，跳鉆問題減輕，機(jī)械鉆速增加；與PDC鉆頭相比，其鉆頭扭矩更低、更平穩(wěn)，扭轉(zhuǎn)振動(dòng)減弱，粘滑問題減輕，方向控制更精準(zhǔn)、穩(wěn)定，在鉆進(jìn)多夾層地層時(shí)可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的方向控制和平穩(wěn)的扭矩控制，減少了復(fù)雜地層的鉆井時(shí)間。配合使用國產(chǎn)低轉(zhuǎn)速大扭矩螺桿，在相同排量下，具有較低的鉆頭轉(zhuǎn)速和更大的輸出扭矩，防止鉆頭切削齒在研磨性強(qiáng)的地層過早磨損，實(shí)現(xiàn)了更長的單趟進(jìn)尺。

采用該技術(shù)在YY3-1井實(shí)現(xiàn)了單只獅虎獸鉆頭鉆穿自流井-須家河組地層(進(jìn)尺710 m)，且鉆頭出井后僅有輕微磨損，平均機(jī)械鉆速達(dá)到3.27 m/h，較前期的YY1井提速157%，單趟鉆進(jìn)尺提高了近200%(見表3)。此外，采用“大扭矩-低轉(zhuǎn)速-低鉆壓”的鉆井參數(shù)模式，延長了鉆具壽命，提高了純鉆率，減少了生產(chǎn)輔助時(shí)間。

表3 YY1井常規(guī)鉆頭與YY3-1井混合鉆頭對(duì)比情況

4.地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)

永川區(qū)塊儲(chǔ)層傾角變化大(2°～11°)，標(biāo)志層不明顯，主力儲(chǔ)層垂深難以確定，前期采用先鉆直導(dǎo)眼再回填側(cè)鉆，建井周期長，成本高。進(jìn)入水平段后，由于目的層橫向展布深度變化大，靶點(diǎn)垂深調(diào)整頻繁，采用“PDC+螺桿+LWD”鉆具組合，存在滑動(dòng)鉆進(jìn)易“托壓”，工具面擺放困難，伽馬測點(diǎn)距鉆頭距離長(約12 m)，優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層鉆遇率低等問題[6]。

為解決上述問題，在永川區(qū)塊引進(jìn)了貝克休斯新型ATK-Curve旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具，該工具具有造斜率高(最大15°/30 m)，方位伽馬距離鉆頭近(約3.74 m)的特點(diǎn)。運(yùn)用該套工具實(shí)現(xiàn)了在最優(yōu)位置著陸，實(shí)時(shí)調(diào)整井眼軌跡，提高優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層鉆遇率的目標(biāo)。

YY1HF井使用該儀器取得了良好的應(yīng)用效果，完鉆井深5 578 m，水平段長1 501.74 m，軌跡調(diào)整12次，完鉆起下鉆最大摩阻僅180 kN，最大扭矩15 kN·m，水平段平均機(jī)械鉆速5.68 m/h，電測、下套管順利，證明了該工具在軌跡頻繁調(diào)整的情況下仍能保證井眼軌跡平滑。儲(chǔ)層有效穿透率為100%，圓滿實(shí)現(xiàn)地質(zhì)目的。

三、認(rèn)識(shí)與建議

(1)優(yōu)化后的井身結(jié)構(gòu)，有利于提高機(jī)械鉆速，減少復(fù)雜事故發(fā)生率，降低鉆井成本，綜合效益高。

(2)優(yōu)選的垂鉆工具配合減震工具應(yīng)用，能夠滿足上部大尺寸井眼提速和井身質(zhì)量的雙重要求。

(3)個(gè)性化混合鉆頭配合低轉(zhuǎn)速大扭矩螺桿適于自流井～須家河組高研磨性難鉆地層，平均機(jī)械鉆速提高157%，單趟鉆進(jìn)尺提高近200%。

(4)帶近鉆頭方位伽馬的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具應(yīng)用于永川頁巖氣井水平段可實(shí)現(xiàn)地質(zhì)和鉆井工程的雙贏。