低滲透油氣藏高效開發(fā)鉆完井技術研究主要進展

路保平 ， 丁士東 ， 何 龍， 龐 偉

（1. 頁巖油氣富集機理與有效開發(fā)國家重點實驗室，北京 100101；2. 中國石化石油工程技術研究院，北京 100101；3. 中國石化西南油氣分公司，四川成都 610041）

我國低滲透油氣藏資源量巨大，是當前油氣勘探開發(fā)的重點領域與方向[1]。川西地區(qū)與濟陽坳陷是中國石化低滲透油氣藏勘探開發(fā)的兩個重要區(qū)域，其經(jīng)濟高效開發(fā)對中國石化乃至我國低滲透油氣藏開發(fā)具有十分重要的現(xiàn)實意義。

“十一五”和“十二五”期間，中國石化在低滲油氣藏地質工程一體化鉆完井設計技術、增大泄油氣面積鉆井技術、隨鉆測量關鍵技術、復雜地層高效鉆井技術、低滲儲層保護技術和水平井完井技術等方面取得了重要進展[2-4]，促進了濟陽坳陷、川西地區(qū)等低滲透油氣藏的有效勘探開發(fā)。隨著川西地區(qū)、濟陽坳陷等低滲透油氣藏勘探開發(fā)的不斷深入，低滲透油氣藏的勘探開發(fā)難度進一步加大，以鉆完井技術為核心的工程技術直接影響著其勘探開發(fā)效益。因此，“十三五”期間，圍繞鉆井提速、增效和降低工程成本，開展了低滲透油氣藏高效開發(fā)鉆完井關鍵技術攻關研究，以形成低滲透油氣藏高效鉆完井技術體系，提高儲量動用程度、提高單井產量、降低工程作業(yè)成本，實現(xiàn)低滲透油氣藏安全高效開發(fā)。

1 低滲透油氣藏高效開發(fā)面臨的挑戰(zhàn)與需求

濟陽坳陷低滲透油藏、川西地區(qū)深層海相和中淺層低滲透氣藏是“十三五”期間我國低滲透油氣藏增儲上產的主要陣地。濟陽坳陷陸相斷陷盆地的儲層類型豐富，以鹽222區(qū)塊為例，其主要含油層段為沙四段砂礫巖體，埋藏深度約4 000 m，地層壓力系數(shù)1.01，地層溫度152 ℃，孔隙度0～16.0%，滲透率0～32.00 mD，屬于低孔低滲透油藏。川西地區(qū)深層低滲氣藏主要包括雷口坡組、須家河組等儲層，埋深大于6 000 m，儲層由多個小層組成，單層厚度為1～13 m，孔隙度2%～5%，滲透率3.72 mD，地層壓力系數(shù)1.1～1.2，溫度梯度2.4 ℃/100 m，普遍含二氧化碳和硫化氫等腐蝕性氣體。川西中淺層低滲氣藏主要包括蓬萊鎮(zhèn)組、遂寧組、沙溪廟組等儲層，埋深600～2 800 m，有效儲層厚度平均約10 m，孔隙度3.7%～11.0%，滲透率0.05～1.10 mD，豐度（0.5～4.0）×108m3/ km2，非均質性較強。因此，要實現(xiàn)川西地區(qū)、濟陽坳陷等低滲透油氣藏高效開發(fā)，對鉆完井技術提出了新的需求：

1）川西中淺層低滲透氣藏和濟陽坳陷低滲透油藏儲層薄層多、物性差、非均質性強、敏感性強，提高單井產量和開發(fā)效益的難度很大，儲層動用難度增加。需要研發(fā)近鉆頭高精度隨鉆成像技術，以實現(xiàn)薄層與特殊儲層的隨鉆實時評價，提高儲層鉆遇率；儲層保護技術需進一步深化，實現(xiàn)由定性評價、單項保護技術發(fā)展至定量評價和全過程儲層保護，從而增加單井產量；完井技術需由籠統(tǒng)分段向精細分段發(fā)展，以確保低滲透油氣藏長期、安全、有效開發(fā)。

2）低滲透油氣勘探向深層發(fā)展，地層可鉆性變差，地層壓力體系更為復雜，存在高溫高壓地層，鉆井過程中易出現(xiàn)井壁失穩(wěn)等井下故障，且鉆完井周期長、安全風險高、環(huán)空帶壓問題突出。需要隨鉆測量儀器（MWD）的抗溫能力需由150 ℃提高至175 ℃以上，以滿足深井超深井隨鉆測量的需求；需要研制新型提速工具與裝備，以實現(xiàn)鉆井提速提效、縮短鉆井周期、降低鉆井成本；固井技術需由單純提高固井質量逐步向實現(xiàn)水泥環(huán)的長效密封發(fā)展，以確保分段壓裂高效實施和油氣井安全高效生產。

3）國際油價在低位運行，降本增效更為迫切。川西地區(qū)深層低滲透氣藏鉆完井成本一般占勘探開發(fā)成本的50%～70%，而國際油價可能會長時期處于低位，如何降低鉆完井成本是實現(xiàn)低滲透油氣藏高效開發(fā)的關鍵。這需要強化關鍵技術研發(fā)與集成應用，形成低滲透油氣藏高效鉆完井配套技術。

2 主要技術進展

截至目前，經(jīng)過技術攻關，在175 ℃高溫隨鉆測量系統(tǒng)、近鉆頭伽馬成像技術、新型鉆井提速工具、全過程儲層保護技術、長效密封固井技術、精細分段完井技術等方面均取得重大技術進展，初步形成了低滲透油氣藏高效開發(fā)鉆完井關鍵技術，進一步促進了低滲透油氣藏的高效勘探開發(fā)。

2.1 抗高溫隨鉆測量技術

針對深層低滲透油氣層井底溫度高、井眼軌跡控制難度大等技術難題，開展了高溫測控電路的設計、檢測、制造等關鍵技術攻關，完成了元器件的優(yōu)選、高溫老化、振動等測試，提高了儀器的工作穩(wěn)定性和可靠性，研制了175 ℃高溫隨鉆測量系統(tǒng)[5]，在175和185 ℃溫度下連續(xù)工作時間分別超過400和200 h。其中，高溫測控電路在175 ℃溫度下室內耐溫測試時連續(xù)工作時間超過400 h，在高溫振動復合試驗中連續(xù)工作時間超過1 000 h，基于鉆井液發(fā)電機的電源管理系統(tǒng)在175 ℃溫度下連續(xù)工作時間超過200 h。

高溫隨鉆測量系統(tǒng)在順北1-7H井等4口井進行了現(xiàn)場應用，累計無故障使用時間最長達到1 300 h，單井次連續(xù)工作時間最長為279 h。其中，順北1-7H井是高溫隨鉆測量系統(tǒng)的首口試驗井，其完鉆井深為7 947.21 m，井底最高循環(huán)溫度158 ℃，地層實際溫度超過170 ℃，試驗井段為7 461.50～7 947.21 m，共應用3套儀器，累計入井時間536 h，單次最長工作時間為279 h，滿足了深井高溫地層井眼軌跡控制的需要。

2.2 近鉆頭伽馬成像技術

針對低滲透油氣藏儲層薄層多、物性差、非均質性強、敏感性強等難題，為了實現(xiàn)薄儲層隨鉆評價與精準控制，開展了近鉆頭信息測量與傳輸[6-8]、高轉速多扇區(qū)伽馬成像、動態(tài)井斜與方位檢測[9-10]等關鍵技術的攻關，突破了適用于水基、油基與泡沫鉆井液體系的近鉆頭跨螺桿無線短傳技術（如圖1所示）、近鉆頭動態(tài)參數(shù)檢測、8扇區(qū)伽馬成像實時數(shù)據(jù)上傳及16扇區(qū)伽馬成像大容量存儲等關鍵技術，研制了近鉆頭伽馬成像系統(tǒng)，集成了伽馬探測器、工具面磁力計和磁偶極子天線等多種傳感器，可在鉆進過程中定向探測鉆遇地層中某一扇區(qū)的伽馬射線強度、監(jiān)測鉆具井斜角和工具面角，并通過井下鉆具旋轉動態(tài)掃描獲取全井眼不同方位多扇區(qū)地層伽馬成像圖， 實現(xiàn)了離鉆頭0.5 m處的伽馬成像探測、離鉆頭0.9 m處的井斜檢測。同時，開發(fā)了隨鉆伽馬成像處理解釋系統(tǒng)，支持2，4，8和16扇區(qū)等多種隨鉆成像數(shù)據(jù)的處理、解釋，實現(xiàn)了地層產狀自動計算、地質模型自動構建、地質模型人機交互調整等功能，能清晰直觀地展示地層、井眼軌跡圖像，闡明井眼軌跡與地層的空間關系[11]。

圖1 跨螺桿電磁波無線短傳示意Fig. 1 Schematic of cross-screw short distance wireless electromagnetic transmission

近鉆頭伽馬成像系統(tǒng)先后在中原、勝利、鄂爾多斯等油氣田共7口井進行了現(xiàn)場應用，累計應用時間350 h，連續(xù)入井工作時間96 h，連續(xù)進尺1 200 m，實現(xiàn)了近鉆頭伽馬數(shù)據(jù)的測量、跨螺桿短傳與伽馬數(shù)據(jù)16扇區(qū)實時成像。

2.3 新型鉆井提速工具

2.3.1 高效鉆頭

針對濟陽坳陷砂礫巖、川西須家河組致密砂巖等地層巖石強度高、研磨性強、機械鉆速低等技術難題，開展了高效金剛石鉆頭優(yōu)化設計及制造技術研究，研制了耐磨混合PDC鉆頭、微心PDC鉆頭及孕鑲金剛石鉆頭。耐磨混合PDC鉆頭采用PDC切削齒和錐形切削齒復合切削結構設計，提高了破巖效率和耐磨性，并在勝利油田鹽222、重慶足202等區(qū)塊19口井進行了現(xiàn)場應用，與同地區(qū)相同地層其他鉆頭相比，機械鉆速提高幅度最高達144%；微心PDC鉆頭改變了鉆頭心部切削地層的方式，在滿足錄井要求的基礎上，可有效提高機械鉆速，在勝利油田利567區(qū)塊利567-斜3井等3口井砂礫巖地層的應用結果表明，與應用P5253SJ鉆頭的利567-斜2井相比，機械鉆速提高幅度最高達102%（見表1）；孕鑲金剛石鉆頭采用“切削破巖+犁削破巖”的離散化切削方式，進一步增加了鉆頭的耐磨性和適應范圍[12-13]，在哈山101井3 414.8～3 539.5 m井段火成巖地層應用2井次，平均進尺62.4 m，機械鉆速0.68 m/h，與該井相鄰井段其他鉆頭相比分別提高了446.9%和74.4%（見表 2）。

表1 微心PDC鉆頭在利567區(qū)塊3口井的應用效果Table1 Field application of micro-coring PDC bit in 3 wells of Li567 Block

表2 孕鑲金剛石鉆頭在哈山101井的應用效果Table2 Field application of impregnated diamond bit in Well Hashan 101

2.3.2 系列旋轉沖擊鉆井工具

為滿足不同硬脆性地層的鉆井提速要求，研制了機械式、小井眼射流式與復合式旋轉沖擊鉆井工具。機械式旋轉沖擊鉆井工具利用螺桿鉆具驅動鉆頭高速旋轉的同時，借助沖擊發(fā)生機構對鉆頭施加軸向沖擊實現(xiàn)鉆井提速，在許36A井中的現(xiàn)場試驗結果顯示，與該井相鄰井段復合鉆進效果相比，機械鉆速提高132.0%～219.0%（見表3）。小井眼射流式旋轉沖擊鉆井工具利用射流元件控制活塞往復運動，帶動沖錘沖擊砧子并將沖擊能量傳遞給鉆頭，從而實現(xiàn)鉆井提速的目的，在杭錦旗JPH-334井152.4 mm井眼的現(xiàn)場試驗結果顯示，機械鉆速較鄰井同井段提高53.8%。復合式旋轉沖擊鉆井工具通過換向機構改變流體流向，可將部分液體動能轉換為機械能，形成高頻軸向沖擊和扭轉沖擊來實現(xiàn)鉆井提速的目的，室內測試結果表明，PDC鉆頭切削效率可提高40%以上[14-15]。

表3 機械式旋沖工具在許36A井的現(xiàn)場應用效果Table3 Field application of mechanical rotary impact drilling tool in Well Xu 36A

2.3.3 高效破巖工具

針對鉆進致密砂巖、多夾層地層時鉆頭壽命低、單趟鉆進尺少的技術難題，研制了雙級雙速鉆井工具、PDC鉆頭恒扭矩工具及吸振式液壓脈沖工具，實現(xiàn)了延長鉆頭壽命、提高破巖效率的目的。雙級雙速鉆井工具采用兩級鉆頭，分別由螺桿、轉盤驅動，改變了鉆頭組合形式和運動方式，有利于釋放鉆遇地層的內應力，從而提高剪切破巖效率。該工具在營2-斜9井和夏52-斜227井進行了現(xiàn)場試驗，與鄰井相比，機械鉆速提高30%以上。PDC鉆頭恒扭矩工具可根據(jù)PDC鉆頭扭矩變化，通過螺旋花鍵與彈簧蓄能裝置協(xié)同作用，改變鉆頭吃入深度，調節(jié)扭矩保持恒定，從而實現(xiàn)多夾層地層的平穩(wěn)鉆進[16]。該工具在中江108D井、馬井1井等4口井進行了現(xiàn)場應用，與鄰井相比，機械鉆速提高30%以上（如圖2所示）。吸振式液壓脈沖工具將鉆柱縱向振動能量轉化為射流沖擊能來輔助破巖，達到減小鉆柱振動、保護鉆頭的目的。仿真分析及現(xiàn)場試驗表明，該工具可產生高于常規(guī)噴嘴4～8 MPa的射流壓力，可大幅度提高機械鉆速[17-19]。

2.4 全過程儲層保護技術

針對低滲透油氣藏儲層敏感、物性差，缺乏定量、系統(tǒng)的儲層損害評價方法的難題，研制了全過程綜合損害評價裝置，可實現(xiàn)鉆井—完井—儲層改造—油氣生產全過程的儲層損害定量評價。利用該裝置對川西低滲透氣藏和濟陽坳陷低滲透油藏的儲層傷害進行了定量評價，并據(jù)此研制和優(yōu)選了鉆完井液儲層保護關鍵處理劑，研發(fā)了低傷害儲層保護工作液體系。

圖2 PDC鉆頭恒扭矩工具在中江108D井的現(xiàn)場應用效果Fig. 2 Field application of PDC bit anti stick-slip tool in Well Zhongjiang 108D

實驗研究表明，水鎖、固相污染是川西低滲透儲層鉆井過程中儲層損害的主要原因，為此，研制了“高阻滲低殘留”的儲層保護劑，并改進了在高溫高壓及飽和鹽水環(huán)境下的環(huán)保高效潤滑劑，形成了川西低滲低傷害鉆井液體系，抗溫能力達到150 ℃，酸洗滲透率恢復率可達到91.72%，2井次的現(xiàn)場試驗結果顯示，單井產量可提高100%。

針對濟陽坳陷低滲透油藏壓力衰竭、鉆井過程中井壁失穩(wěn)等問題，研制了新型活度調節(jié)劑HDJ-1，泥巖膜效率提高近10倍，形成了低活度水基鉆井液體系，并在CB6FB-P1井等4口井進行了現(xiàn)場應用，鉆井過程中井壁穩(wěn)定，且篩管下入順利；研制了非離子微乳潤滑劑WR-1，粒徑＜100 nm，在高溫條件下黏附系數(shù)降低率為92.2%～92.8%，極壓潤滑系數(shù)降低率為91.6%～95.3%，形成了高潤滑水基鉆井液體系，并在BZ25-1C37井等4口井進行了現(xiàn)場應用，泥巖段保持穩(wěn)定，平均井徑擴大率僅2.07%。

為降低低滲透氣藏改造中工作液對儲層的損害，研制了2種新型解吸附劑，解吸附率高達73%，滲透率恢復率高達85%；形成了150 ℃油包水型微乳酸液體系，突破了目前國內外微乳酸產品耐溫不超過100 ℃的技術瓶頸，微乳酸的酸蝕巖板導流能力較膠凝酸提高25%以上；形成了自動破膠、返排容易的低分子低傷害清潔酸液體系，抗溫達150 ℃，酸蝕巖板導流能力較膠凝酸提高50%以上。

2.5 長效密封固井技術

針對川西深層低滲透氣藏氣井分段壓裂后環(huán)空帶壓的難題，開展了長效密封固井技術的研究：研制了大尺寸水泥環(huán)長期密封性評價裝置，其耐溫180 ℃、耐壓120 MPa；揭示了深部地層分段壓裂條件下水泥環(huán)塑性應變累積導致密封失效的機理（如圖3所示）；建立了水泥石改性方法；形成了長效密封固井工藝[20-22]。

圖3 模擬分段壓裂下水泥環(huán)密封性評價Fig. 3 Sealability simulation of cement sheath on the condition of multistage fracturing

針對深層高溫高壓地層固井防竄的技術難題，研制了耐高溫納米液硅、苯丙乳液[23-25]等關鍵水泥外加劑，開發(fā)了150～200 ℃高溫防竄彈韌性水泥漿體系，提高了高溫高壓地層的固井質量，并實現(xiàn)環(huán)空的長效密封。針對硅酸鹽水泥石固有的硬脆性特征，研發(fā)了新型熱固樹脂固井液體系，耐溫達到120 ℃，無滲透性，固化體彈性模量為0.3 GPa，抗壓強度28 MPa，抗折強度達17 MPa，為油井水泥石抗折強度的3倍左右，為提高環(huán)空密封完整性提供了新的技術手段。

研制了耐高溫高壓尾管頂部封隔器，耐溫達175 ℃，密封能力達70 MPa，解決了高溫高壓氣井固井后尾管頂部水泥環(huán)密封失效的技術難題[26]；研制了尾管快速下入工具，實現(xiàn)了深部地層尾管快速安全下入，降低了下套管發(fā)生井下故障的概率。耐高溫高壓尾管頂部封隔器和尾管快速下入工具在馬井1井、永興1井等5口井進行了現(xiàn)場應用，下套管時間縮短30%以上，固井質量合格率100%，目的層固井質量優(yōu)質率80%以上。

2.6 精細分段完井技術

針對川西地區(qū)低滲透氣藏薄層多、物性差、非均質性強，籠統(tǒng)分段壓裂后產量低的難題，基于點源函數(shù)、疊加原理、鏡像反應原理建立了常規(guī)雙翼裂縫分段改造完井產能預測模型和復雜縫網(wǎng)產能預測模型，并進行了敏感性因素分析，實現(xiàn)了精細分段改造參數(shù)優(yōu)化，包括分段間距、裂縫數(shù)量、裂縫長度以及裂縫導流能力等[27]。

針對常規(guī)分段壓裂工具分段級數(shù)限制和再入困難等技術難題，研制了系列全通徑分段完井工具。其中，73 mm油管全通徑分段完井工具的內通徑為61 mm，耐溫120 ℃，耐壓70 MPa，可實現(xiàn)一趟管柱完成所有層段射孔、改造和投產，該工具在金蓬31井和什邡301-2井進行了現(xiàn)場試驗，施工成功率100%。139.7 mm套管全通徑分段完井工具的通徑為124 mm，耐溫120 ℃，耐壓70 MPa，具備30段以上分段能力。

研發(fā)了陣列式產出剖面測試儀器和分布式光纖溫度監(jiān)測系統(tǒng)，較好地解決了低滲透油氣藏分段完井后，各層段產出剖面測試困難等技術難題。陣列式產氣剖面測試儀器[28-29]的外徑43 mm，耐溫175 ℃，耐壓105 MPa，具有存儲式、直讀式兩種測試方式，與常規(guī)儀器組合，測試成本可降低30%。該儀器已經(jīng)完成了3井次的現(xiàn)場試驗，施工成功率100%，解釋符合率大于90%。分布式光纖溫度監(jiān)測系統(tǒng)的主要性能參數(shù)為：耐溫150 ℃，溫度分辨率0.01 ℃，測量精度±0.5 ℃，采樣分辨率0.4 m，測量距離大于6 km。配套開發(fā)了基于光纖溫度測試的水平井產出剖面解釋軟件[30-31]，產出剖面和裂縫參數(shù)定量解釋符合率大于80%。

3 應用效果

低滲透油氣藏高效開發(fā)鉆完井關鍵技術在濟陽坳陷鹽222區(qū)塊、川西地區(qū)中淺層滲透氣藏進行了應用，取得了良好的應用效果，較好地支撐了低滲透油氣藏高效開發(fā)。

3.1 鹽 222 區(qū)塊

鹽222區(qū)塊鉆井過程中存在滑動降斜摩阻大、憋泵頻繁、鉆頭失效快、單只鉆頭進尺較少、機械鉆速較慢等技術難題，為提速提效，應用了低滲透油氣藏高效開發(fā)鉆完井關鍵技術：1）從井身結構、叢式井組開發(fā)、固完井工藝、測錄井技術及裝備配套等方面進行優(yōu)化設計，降低鉆井成本；2）基于鉆頭切削結構優(yōu)化設計，研制了耐磨混合PDC鉆頭，其切削結構由圓形PDC切削齒和錐形PDC切削齒共同組成，在鉆進砂礫巖地層時，有利于保持切削齒連續(xù)吃入地層，降低鉆頭在軟硬交界面處引發(fā)各種振動的可能性；3）優(yōu)化鉆具組合和鉆井參數(shù)，增斜段、穩(wěn)斜段采用單彎單穩(wěn)鉆具組合，降斜段采用彎螺桿（扶正塊直徑206～208 mm）鐘擺鉆具組合，垂直井段采用螺桿鐘擺鉆具組合。該關鍵技術在鹽222區(qū)塊15口井的應用表明，平均鉆井周期由61.51 d天縮短至35.78 d，其中鹽222-斜7井鉆井周期僅為24.7 d，平均機械鉆速達14.36 m/h，鉆速提高幅度最高達241%，鉆井周期降低41%，單井平均鉆井成本降低17%。

3.2 川西中淺層低滲透氣藏

川西地區(qū)中淺層低滲透儲層鉆完井過程中因液相和固相侵入會造成泥頁巖膨脹與裂縫堵塞，從而導致儲層損害。胍膠壓裂液等聚合物壓裂液在儲層內部吸附量大，嚴重影響基質滲透率及裂縫導流能力，從而降低了儲層改造效果。為此，該地區(qū)鉆井過程中采取“高阻滲低殘留”、“暫堵”和“低活度”控制，壓裂過程中采用“解吸附”技術，強化鉆井—完井—儲層改造—油氣生產全過程儲層保護，研發(fā)了川西低滲低傷害鉆井液和新型壓裂液解吸附劑，并在川西JS209HF井、GS33-21HF井和GS311HF井等多口井進行了應用，投產后平均產氣量2.4×104m3/d，較該區(qū)塊單井平均產量（1.4×104m3/d）提高了70%，有力地支撐了川西中淺層低滲透氣藏的高效開發(fā)。

4 結論與建議

1）低滲透油氣藏是當前國內外油氣勘探開發(fā)的重點領域，以鉆完井技術為核心的工程技術是實現(xiàn)低滲透油氣藏高效開發(fā)的關鍵。

2）通過技術攻關，175 ℃高溫隨鉆測量系統(tǒng)、近鉆頭伽馬成像技術、新型鉆井提速工具、全過程儲層保護技術、長效密封固井技術、精細分段完井技術等工程技術取得重大進展，初步形成了低滲透油氣藏高效開發(fā)鉆完井關鍵技術，并在川西地區(qū)、濟陽坳陷等低滲透油氣藏高效開發(fā)中得到了成功應用，降本提效效果顯著。

3）隨著勘探開發(fā)的不斷深入，低滲透油氣藏高效開發(fā)還將面臨一系列新難題、新挑戰(zhàn)與新的技術需求，為此，除進一步完善與擴大應用已形成的鉆完井關鍵技術外，還需要進一步開展高溫高精度成像系統(tǒng)及精細評價技術、大型叢式水平井/大位移水平井鉆完井技術與裝備、低成本微小井眼/連續(xù)管鉆完井技術與裝備、低滲油氣井高效壓裂改造技術與裝備、提高難動用儲量動用率工程技術的研發(fā)，形成低滲透油氣藏高效開發(fā)鉆完井配套技術，實現(xiàn)不同類型的低滲透油氣藏高效開發(fā)。