空氣錘+霧化鉆井在低成本開發(fā)頁巖氣中的應(yīng)用

代鋒 文永林 黃貴生 李林 王猛 吳昌軍

中石化西南石油工程有限公司鉆井工程研究院

重慶黔江地區(qū)頁巖氣資源豐富，但區(qū)域地貌、地質(zhì)條件復(fù)雜，主要表現(xiàn)為：山地特征明顯，地表嚴(yán)重缺水，淺表地層溶洞裂縫發(fā)育、地層傾角大。前期施工的ZY1井、ZY2井均因井身質(zhì)量差、惡性井漏頻發(fā)及堵漏效果受水源限制成功率低等問題，導(dǎo)致鉆井周期長、鉆井成本高。基于此，擬通過采取井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化、在易漏地層探索應(yīng)用特殊鉆井工藝、配套防斜提速工具等措施，實(shí)現(xiàn)黔江區(qū)塊頁巖氣井低成本高效勘探開發(fā)的目標(biāo)。

1 區(qū)域地質(zhì)特征與鉆井技術(shù)難點(diǎn)

1.1 區(qū)塊斷層、裂縫、溶洞發(fā)育，惡性井漏頻發(fā)

黔江頁巖氣區(qū)塊出露地層老，鉆穿表層約20 m厚的種植土后直接進(jìn)入海相碳酸鹽巖地層；而劇烈的造山運(yùn)動導(dǎo)致斷層、裂縫、溶洞異常發(fā)育，鉆井施工過程中漏失層段多、漏失井段長［1-2］。如ZY1井在一開井深32.68～433 m井段采用空氣鉆井技術(shù)未發(fā)生井漏，但因井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在缺陷，表層套管沒有完全封隔住漏失層段，造成二開清水鉆進(jìn)期間多次出現(xiàn)惡性井漏，漏失清水量達(dá)24 268 m3，處理井漏復(fù)雜用時49.85 d，最終因井下復(fù)雜而提前中完（中完井深由1 602 m調(diào)整為969.50 m）。ZY2井一開41.96～486 m采用常規(guī)鉆井，多處發(fā)生井漏失返，給鉆井施工帶來極大困難。

1.2 地層傾角大，井身質(zhì)量難以滿足設(shè)計(jì)要求

區(qū)塊地層傾角最高達(dá)31°，且附近分布著規(guī)模不一的正、逆斷層，導(dǎo)致直井段鉆井過程中井斜角控制難度大。ZY1井采用鐘擺鉆具組合，在井深414 m井斜角達(dá)到3°，全角變化率3.59 （°）/30 m；井深950 m井斜角達(dá)4.97°，全角變化率2.13 （°）/30 m，超出《鉆井井身質(zhì)量控制規(guī)范》（SY/T 5088—2008）允許范圍。井身質(zhì)量控制要求見表1。

表1 設(shè)計(jì)井身質(zhì)量控制要求Table 1 Design requirements for wellbore quality control

1.3 地層可鉆性差，鉆井周期長

井深1 000 m以內(nèi)的淺表地層，自上而下依次是第四系，三疊系大冶組，二疊系長興、吳家坪、茅口、棲霞、梁山組，泥盆系水車坪組，以及志留系韓家店組。其中，梁山組以上地層巖性為石灰?guī)r，水車坪、韓家店組為泥巖，棲霞組底部含燧石團(tuán)塊，可鉆性差，鉆頭消耗量大，鉆井周期長。ZY1井二開433～969.50 m井段，采用常規(guī)鉆井方式，消耗牙輪鉆頭3只、PDC鉆頭5只，加之處理惡性井漏，總共鉆井周期達(dá)63.60 d；ZY2井一開41.96～486 m井段清水鉆進(jìn)鉆井周期達(dá)14 d。

2 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

前期實(shí)鉆資料表明，黔江頁巖氣區(qū)塊自地表至目的層龍馬溪組地層壓力系數(shù)變化不大（1.00～1.10），海相碳酸鹽巖地層整體穩(wěn)定，不易發(fā)生井壁失穩(wěn)復(fù)雜，鉆井難點(diǎn)主要集中在淺表層鉆遇溶洞或裂縫發(fā)生惡性漏失。因此，可將易漏地層作為必封點(diǎn)，將其全部納入一開井段，采用氣體鉆井技術(shù)解決地表缺水和嚴(yán)重漏失問題；此外配合使用空氣錘，利用空氣錘“低鉆壓”鉆井特性解決高陡構(gòu)造帶來的易井斜難題［3-8］。鑒于鄰井在下部小河壩組鉆遇井漏堵漏損失的時間極為有限，對鉆井速度和周期影響不大，故可將二開和三開井段合并，簡化井身結(jié)構(gòu)。以ZY3井為例，采用?660.4 mm鉆頭開孔，?508 mm導(dǎo)管以進(jìn)入硬地層5 m左右同時不鉆開可能的淺表溶洞為原則確定下深，為下部實(shí)施氣體鉆井創(chuàng)造條件；一開井眼尺寸?444.5 mm，使用?339.7 mm套管以封隔靜水位線及以上易漏失地層；二開使用?215.9 mm鉆頭鉆進(jìn)，鉆至設(shè)計(jì)完鉆井深，下入?139.7 mm套管完井。

3 空氣錘與霧化鉆井方式的選擇和適應(yīng)性分析

3.1 氣體鉆井方式的選擇

不同環(huán)境因素的氣體鉆井方式優(yōu)選原則見表2。

表2 不同環(huán)境因素的氣體鉆井方式優(yōu)選原則Table 2 Optimization principles of gas drilling methods with different environmental factors

由于黔江頁巖氣區(qū)塊存在淺表地層惡性井漏、地面缺水、地層出水等難題，結(jié)合表2的優(yōu)選原則，優(yōu)選出霧化鉆井工藝，以減少地面清水消耗，同時通過大排量的空氣和黏度較高的霧化基液，實(shí)現(xiàn)井下攜巖攜水的安全要求［9］。

3.2 空氣錘與霧化鉆井的適應(yīng)性分析

（1）出水地層應(yīng)用空氣錘存在的問題。①現(xiàn)有的空氣錘在出水的砂泥巖地層鉆進(jìn)時，易泥包，導(dǎo)致空氣錘工作時的上下行程間隙堵塞，造成空氣錘工作效率變低甚至失效；②回收的泡沫液中含有泥砂，易影響空氣錘內(nèi)部活塞壽命，造成空氣錘早期損壞。

（2）空氣錘與霧化鉆井在黔江地區(qū)的適應(yīng)性分析。黔江地區(qū)頁巖氣區(qū)塊一開主要在石灰?guī)r地層鉆進(jìn)，石灰?guī)r不造漿，不易泥包鉆頭和鉆具，具備空氣錘在出水地層使用的井下安全條件；同時，為了避免循環(huán)介質(zhì)對空氣錘活塞壽命的影響，嚴(yán)格使用干凈的循環(huán)介質(zhì)，產(chǎn)生的返出液不循環(huán)利用。基于上述適應(yīng)條件，可在黔江地區(qū)一開探索應(yīng)用空氣錘配合霧化鉆井技術(shù)，實(shí)現(xiàn)防斜提速的鉆井目標(biāo)。

4 現(xiàn)場試驗(yàn)與應(yīng)用效果分析

4.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

ZY3井、ZY5井兩口井均采用優(yōu)化后的二開井身結(jié)構(gòu)，一開采用空氣錘+霧化鉆井技術(shù)，實(shí)施干法固井；二開采用PDC鉆頭，配套MWD+單彎螺桿鉆具組合，使用低密度防塌鉆井液體系。其中，一開鉆具組合為：?444.5 mm空氣錘+ ?241.3 mm鉆鋌×2根+ ?203 mm鉆鋌×1根+ ?127 mm加重鉆桿×4根+ ?127 mm鉆桿，施工參數(shù)：空氣排量 150～200 m3/min，霧化液排量 1～2 L/s，鉆壓 20～30 kN，轉(zhuǎn)速 20～40 r/min，立壓 2.2～3.5 MPa。

4.2 試驗(yàn)效果

4.2.1 有效解決了淺表地層惡性井漏難題 ZY3井、ZY5井兩口井在溶洞裂縫發(fā)育的一開淺表地層順利實(shí)施霧化鉆井技術(shù)，無漏失，有效避免了惡性井漏復(fù)雜情況的發(fā)生，實(shí)現(xiàn)了頁巖氣綠色環(huán)保勘探開發(fā)；二開ZY3井在韓家店組、ZY5井在小河壩組底部發(fā)生漏失，通過專項(xiàng)堵漏，漏速降至3 m3/h左右，其他多為滲漏和微漏，對鉆井速度和周期影響不大。驗(yàn)證了二開制井身結(jié)構(gòu)的合理性。

4.2.2 井身質(zhì)量控制較好 一開霧化鉆井期間，使用空氣錘+大尺寸鉆鋌的塔式鉆具組合，利用空氣錘低鉆壓、低轉(zhuǎn)速、高沖擊頻率的破巖特性［10-11］，很好地解決了黔江地區(qū)高陡構(gòu)造井斜控制困難的問題。如表3所示，最大井斜均在2°以內(nèi)，水平位移小于30 m，符合表1規(guī)范要求。一開中完后，起下鉆無掛卡，干法固井下套管時井壁通暢，井身質(zhì)量控制較好。

表3 ZY3井、ZY5井一開井身質(zhì)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Table 3 Statistics of wellbore quality data of the first spud sections for two wells

表4 試驗(yàn)井鉆井指標(biāo)對比Table 4 Comparison of drilling indexes in test wells

4.2.3 鉆探成本降幅明顯 ZY3井、ZY5井通過簡化井身結(jié)構(gòu)，一開順利實(shí)施空氣錘+霧化鉆井技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了很好的提速效果，如表4所示，同比前期，一開井段機(jī)械鉆速由2～3 m/h分別升至ZY3井的6.07 m/h和ZY5井的7.15 m/h，提速達(dá)2倍以上。兩口井全井鉆井周期均控制在45 d以內(nèi)，同比ZY1井、ZY2井平均鉆井周期112.75 d，ZY3井鉆井周期縮短65.48%，ZY5井鉆井周期縮短61.27%，此外，將三開制井身結(jié)構(gòu)簡化為二開制，節(jié)約了?244.5 mm套管約2 000 m，大大降低了鉆井成本。

5 結(jié)論與建議

（1）淺表地層惡性井漏是制約黔江地區(qū)頁巖氣勘探開發(fā)的主要難題。用表層套管將靜水位線及以上易漏地層進(jìn)行有效封隔，將三開制井身結(jié)構(gòu)縮減為二開制井身結(jié)構(gòu)，有利于縮短全井鉆井周期，節(jié)約勘探開發(fā)成本。

（2）空氣錘與霧化鉆井技術(shù)配套，適宜于造漿性不強(qiáng)的海相碳酸鹽巖地層，充分發(fā)揮二者的優(yōu)勢，對解決淺表地層惡性井漏、易斜、地面缺水、鉆速慢等鉆井難題效果較好。

（3）頁巖氣區(qū)塊地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，建議在鉆前根據(jù)電法探測或者其他方式落實(shí)淺表地層中硬地層埋深和可能的淺表溶洞埋深，為針對性地調(diào)整優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)創(chuàng)造條件。