深層頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)工程技術(shù)進(jìn)展

曾義金

0 概述

國(guó)土資源部頒布的地礦行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《頁(yè)巖氣資源儲(chǔ)量計(jì)算與評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》(DZT 0254-2014)[1]，將頁(yè)巖儲(chǔ)層埋深超過(guò)3500 m的定義為深層，其中埋深超過(guò)4500 m的定義為超深層。據(jù)測(cè)算，我國(guó)深層頁(yè)巖氣資源量巨大，以涪陵頁(yè)巖氣田江東和平橋區(qū)塊以及威榮、永川、丁山等區(qū)域?yàn)槔?，深層?yè)巖氣資源量高達(dá)4612×108m3，勘探開(kāi)發(fā)前景十分廣闊[2]。

隨著埋藏深度增加，頁(yè)巖地層地質(zhì)力學(xué)特性發(fā)生了較大變化，導(dǎo)致工程作業(yè)難度增大[3-6]，主要表現(xiàn)為：①地層層序增多、壓力體系更加復(fù)雜；②巖石強(qiáng)度增加，可鉆性變差，機(jī)械鉆速降低；③儲(chǔ)層深度預(yù)測(cè)精度降低，標(biāo)志層不明顯，軌跡控制難度增大；④地層水平應(yīng)力差增大，裂縫轉(zhuǎn)向橫向擴(kuò)展難度增加；⑤地層溫度和壓力升高，巖石塑性增強(qiáng)，裂縫起裂難度增加，縫道變窄，加砂困難，改造體積降低；⑥地層閉合壓力增加，支撐劑嵌入地層及被壓碎的概率大幅增加，導(dǎo)流能力遞減快。這些都為深層頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)工程技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。

美國(guó)針對(duì)深層頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)形成了較為成熟的地質(zhì)工程一體化技術(shù)和鉆完井與壓裂工程技術(shù)體系，其深層頁(yè)巖氣主要在Eagle Ford、Haynesville和Cana Woodford[7-9]，深層頁(yè)巖氣井?dāng)?shù)約占總井?dāng)?shù)的10%。在鉆井技術(shù)方面，研發(fā)了硬地層AxeBlade斧式PDC鉆頭、Kymera XT混合鉆頭等新型鉆頭，形成了高性能鉆頭+大排量循環(huán)+52 MPa大功率泵+大扭矩螺桿+高造斜率旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向組合技術(shù)，平均鉆井周期35～55 d，單井鉆井成本250～450萬(wàn)美元。并且，HydraGlyde低成本水基鉆井液、強(qiáng)密封泡沫水泥漿的應(yīng)用規(guī)模在不斷擴(kuò)大[9-13]。在壓裂技術(shù)方面，開(kāi)發(fā)了耐溫170 ℃以上、降阻率大于65%的高效滑溜水體系，研制了大通徑橋塞、無(wú)限級(jí)固井滑套、可降解橋塞等工具，形成了少段、多簇、大孔徑射孔和“預(yù)處理酸+線性膠+滑溜水(1～3 mPa·s)+凍膠”大規(guī)模壓裂模式。

為實(shí)現(xiàn)深層頁(yè)巖氣的經(jīng)濟(jì)有效開(kāi)發(fā)，中國(guó)石化針對(duì)我國(guó)深層頁(yè)巖儲(chǔ)層特殊的地質(zhì)條件，緊緊圍繞縮短鉆井周期、降低工程成本和提高單井產(chǎn)量的目標(biāo)，從基礎(chǔ)理論方法、關(guān)鍵技術(shù)等方面開(kāi)展了研究與實(shí)踐，推進(jìn)了深層頁(yè)巖氣工程技術(shù)發(fā)展。

本文系統(tǒng)闡述了深層頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)工程技術(shù)新進(jìn)展，并提出了發(fā)展建議，對(duì)我國(guó)深層頁(yè)巖氣工程技術(shù)的不斷改進(jìn)、提升和經(jīng)濟(jì)有效開(kāi)發(fā)具有借鑒和指導(dǎo)意義。

1 工程技術(shù)理論與方法

深層頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)工程技術(shù)理論一直是研究的重點(diǎn)，特別是壓裂理論，包括裂縫起裂和延伸機(jī)理、可壓性評(píng)價(jià)模型、體積壓裂形成機(jī)制等，本文只介紹甜點(diǎn)的研究情況。

1.1 頁(yè)巖儲(chǔ)層地質(zhì)工程甜點(diǎn)計(jì)算新模型

研究表明[14-15]，采用實(shí)際頁(yè)巖參數(shù)與標(biāo)桿頁(yè)巖參數(shù)的歐氏貼近度表征頁(yè)巖“甜點(diǎn)”，與壓后產(chǎn)量關(guān)聯(lián)性程度更高，為此，提出了頁(yè)巖“綜合甜點(diǎn)”計(jì)算新方法。產(chǎn)剖測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了應(yīng)用綜合甜點(diǎn)(＞0.5)進(jìn)行精細(xì)分段的適用性，通過(guò)減少低效/無(wú)效段數(shù)，可降低成本10%以上。

(1)地質(zhì)甜點(diǎn)。計(jì)算頁(yè)巖地質(zhì)甜點(diǎn)時(shí)，常應(yīng)用最小——最大規(guī)范化方法對(duì)頁(yè)巖關(guān)鍵地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行歸一化處理，采用專家打分法確定各參數(shù)權(quán)重，然后對(duì)各參數(shù)進(jìn)行權(quán)重的加權(quán)即可得到頁(yè)巖地質(zhì)甜點(diǎn)指數(shù)。具體計(jì)算公式如下：

式中：S地質(zhì)為頁(yè)巖地質(zhì)甜點(diǎn)指數(shù)；n為地質(zhì)參數(shù)的個(gè)數(shù)；Si為頁(yè)巖地質(zhì)參數(shù)的歸一化值(i=0，1，2，…，n)；wi為地質(zhì)參數(shù)的權(quán)重因子(i=0，1，2，…，n)。

(2)頁(yè)巖工程甜點(diǎn)計(jì)算方法

式中：S工程為頁(yè)巖工程甜點(diǎn)指數(shù)；YMSC為綜合測(cè)定的楊氏模量值，MPa；YMSCmax和YMSCmin分別為綜合測(cè)定的最大楊氏模量和最小楊氏模量，MPa；PRc為綜合測(cè)定的泊松比；PRCmax和PRCmin分別為綜合測(cè)定的最大泊松比和最小泊松比。

(3)基于地質(zhì)甜點(diǎn)和工程甜點(diǎn)的頁(yè)巖綜合甜點(diǎn)計(jì)算方法：

式中：S綜合為頁(yè)巖綜合甜點(diǎn)指數(shù)；w地質(zhì)和w工程分別為地質(zhì)甜點(diǎn)和工程甜點(diǎn)的權(quán)重因子，基于實(shí)際地質(zhì)及工程參數(shù)，根據(jù)專家打分法確定兩者權(quán)重值分別為0.6和0.4。

(4)基于頁(yè)巖甜點(diǎn)的簇射孔優(yōu)化方法

為了準(zhǔn)確分析頁(yè)巖儲(chǔ)層地質(zhì)力學(xué)特性，基于地震、地質(zhì)、測(cè)錄井等數(shù)據(jù)建立了三維地質(zhì)模型，實(shí)現(xiàn)了井眼軌跡、地層模型三維可視化技術(shù)，建立了基于三維建模、二維地層等厚對(duì)比、電磁波電阻率正反演和隨鉆成像伽馬測(cè)井的地質(zhì)導(dǎo)向方法，形成了基于地層界面、靶點(diǎn)位置、測(cè)井曲線數(shù)值等參數(shù)的工程預(yù)警模式，有效提高了深層頁(yè)巖氣鉆井軌跡控制和頁(yè)巖甜點(diǎn)穿行精度。通過(guò)綜合頁(yè)巖甜點(diǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)、不同應(yīng)力差、射孔簇?cái)?shù)、排量對(duì)地層誘導(dǎo)應(yīng)力和凈壓差的影響研究(圖1、圖2)，形成了深層頁(yè)巖少簇、短簇射孔優(yōu)化方法。

圖1 不同凈壓差對(duì)應(yīng)的誘導(dǎo)應(yīng)力Fig. 1 The induced stresses with different net pressure differencees

圖2 不同壓裂簇?cái)?shù)下累積產(chǎn)量隨時(shí)間的變化曲線Fig. 2 The cumulative production versus time under different fracturing clusters

1.2 井筒密封完整性失效機(jī)理分析

(1)環(huán)空水泥石密封失效機(jī)理

在大型分段壓裂后，頁(yè)巖氣井由于環(huán)空密封失效導(dǎo)致井口帶壓井比例高達(dá)50%以上，為了揭示環(huán)空密封失效機(jī)理，研制了一套物理模擬裝置，能模擬高溫高壓動(dòng)態(tài)載荷下水泥石受力、損傷、破壞過(guò)程。大量實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，分段壓裂過(guò)程實(shí)際是水泥石的一個(gè)加載和卸載過(guò)程，加載應(yīng)力超過(guò)水泥石屈服強(qiáng)度時(shí)，產(chǎn)生塑性變形或損傷，卸載后存在殘余應(yīng)變，每次加載都產(chǎn)生新的塑性應(yīng)變，卸載后殘余應(yīng)變也不斷增加，累積殘余應(yīng)變達(dá)1%以上(圖3)時(shí)，產(chǎn)生氣竄(圖4)，導(dǎo)致井口帶壓。在試驗(yàn)分析的基礎(chǔ)上提出了水泥石強(qiáng)度準(zhǔn)則。研究認(rèn)為，水泥石彈性模量≤5.5 GPa時(shí)，可滿足90～110 MPa壓裂作業(yè)，對(duì)應(yīng)地層深度3500～4500 m，并開(kāi)發(fā)了彈韌性水泥漿體系，性能指標(biāo)滿足準(zhǔn)則要求，體系應(yīng)用后井口帶壓井減少了80%。

圖3 循環(huán)荷載下水泥石力學(xué)特征Fig. 3 The mechanical characteristics of cement under cyclic loading

圖4 循環(huán)荷載下密封失效特征Fig. 4 The seal failure characteristics under cyclic loading

(2)深層頁(yè)巖氣井套管損壞機(jī)理

我國(guó)威遠(yuǎn)地區(qū)深層頁(yè)巖氣井生產(chǎn)套管變形問(wèn)題突出，目前對(duì)套管變形的原因認(rèn)識(shí)尚不明確。研究認(rèn)為，引起套管變形/損壞的原因可能是：①壓裂過(guò)程中流體壓力在層理、節(jié)理等微裂隙傳遞，使裂縫內(nèi)孔隙壓力提高，當(dāng)達(dá)到臨界值時(shí)，激發(fā)天然裂縫滑動(dòng)，造成地層剪切滑移或潛在的小斷層移動(dòng)，非均質(zhì)載荷作用導(dǎo)致套管損壞；②壓裂過(guò)程中井筒壓力急劇變化導(dǎo)致套管疲勞損傷，或分段壓裂時(shí)加載卸載高應(yīng)力差導(dǎo)致套管損壞等。在中國(guó)石油威遠(yuǎn)地區(qū)具有裂縫/斷層、巖性節(jié)理/層理相關(guān)性的套管變形點(diǎn)占套管變形點(diǎn)總數(shù)的61.7%，但在中國(guó)石化威榮地區(qū)套管變形位置與裂縫發(fā)育情況、地應(yīng)力、應(yīng)力差、固井質(zhì)量、井眼曲率等關(guān)系不明顯，呈現(xiàn)出不同的失效特征，套管變形規(guī)律與機(jī)理仍需進(jìn)一步研究。

2 鉆完井工具及儀器

2.1 水平井鉆井提速工具

深層頁(yè)巖氣井井段增長(zhǎng)，定向井段采用常規(guī)PDC鉆頭容易發(fā)生托壓且造斜率偏低，為此研發(fā)了適用于深層頁(yè)巖氣水平井定向鉆井鉆頭及提速工具。

(1)超短保徑PDC鉆頭。與常規(guī)PDC鉆頭相比，縮短了鉆頭的保徑長(zhǎng)度，提高了鉆頭側(cè)向切削力和定向造斜率。在JY191-1HF井應(yīng)用，單只鉆頭進(jìn)尺414 m，平均機(jī)械鉆速4.99 m/h，較鄰井機(jī)械鉆速提高25%以上，扭方位92.4°無(wú)托壓。

(2)牙輪PDC混合鉆頭?；旌香@頭兼具PDC鉆頭和牙輪鉆頭的優(yōu)點(diǎn)[5-9]，具有良好的耐磨性和防止托壓優(yōu)勢(shì)。相比牙輪鉆頭，它的進(jìn)尺長(zhǎng)、機(jī)械鉆速高；相比PDC鉆頭，它能有效解決定向托壓?jiǎn)栴}，工具面穩(wěn)定。該鉆頭在多口深層頁(yè)巖氣井中應(yīng)用都取得了良好效果。在JY89-1HF井濁積砂地層中應(yīng)用，機(jī)械鉆速達(dá)5.51 m/h，同比鄰井機(jī)械鉆速提高了50%以上，JY184-2HF井和JY185-3HF井應(yīng)用，機(jī)械鉆速同比提高了20%和23%。

(3)減震穩(wěn)扭旋沖鉆井提速工具。其特點(diǎn)是：緩沖減震，鉆頭接觸井底巖石瞬間，減少對(duì)鉆頭的沖擊；防止失速，超出設(shè)定扭矩限值時(shí)，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，減少鉆頭吃入量，防止失速，消除黏滑；能量自動(dòng)存儲(chǔ)釋放，超出設(shè)定扭矩限值的能量被自動(dòng)存儲(chǔ)，待扭矩恢復(fù)至正常值時(shí)，能量自動(dòng)釋放，增加鉆頭吃入量；復(fù)合沖擊，在井底產(chǎn)生高頻沖擊扭矩及沖擊力，形成沖擊破巖和剪切破巖復(fù)合破巖效果。在深層頁(yè)巖氣中應(yīng)用機(jī)械鉆速平均提高了26.6%。

2.2 短彎螺桿鉆具

短彎螺桿是指螺桿鉆具彎點(diǎn)到轉(zhuǎn)子輸出端距離(見(jiàn)圖5)較常規(guī)彎螺桿短的一種新型螺桿，常規(guī)螺桿為1.5～2.0 m，短彎螺桿為1.0～1.2 m，在彎角相同的情況下，可獲得更高的造斜率，從而減少滑動(dòng)鉆進(jìn)尺寸，增加復(fù)合進(jìn)尺比例，提高鉆井速度。該工具在JY184-4HF井應(yīng)用，試驗(yàn)井段3292～3540 m，純鉆時(shí)間為41 h，進(jìn)尺248 m，其中定向進(jìn)尺113 m，復(fù)合進(jìn)尺136 m。應(yīng)用表明，1.25°?172 mm短彎螺桿平均造斜率為0.31°/m，較常規(guī)螺桿提高105.49%，平均機(jī)械鉆速達(dá)6.08 m/h，同比常規(guī)螺桿提高了17.87%。

圖5 短彎螺桿與常規(guī)螺桿結(jié)構(gòu)對(duì)比Fig. 5 The structural comparison between short-curved motor and conventional motor

2.3 近鉆頭成像伽馬測(cè)量?jī)x

針對(duì)深層頁(yè)巖氣儲(chǔ)層深度預(yù)測(cè)精度低，標(biāo)志層不明顯，軌跡調(diào)整頻繁的難題，為提高深層頁(yè)巖氣優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層鉆遇率，提高軌跡控制精度，成功研制了近鉆頭成像測(cè)量?jī)x。攻克了近鉆頭無(wú)線跨動(dòng)力鉆具短距離傳輸、高速旋轉(zhuǎn)動(dòng)態(tài)16扇區(qū)伽馬成像、井斜與方位檢測(cè)等核心技術(shù)。突破了不同電導(dǎo)率鉆井液對(duì)無(wú)線短傳的影響，實(shí)現(xiàn)了不同鉆井液介質(zhì)跨動(dòng)力鉆具短傳技術(shù)。該系統(tǒng)先后在深層頁(yè)巖氣井現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用7口井，在高振動(dòng)、高轉(zhuǎn)速、窄空間等約束下，實(shí)現(xiàn)了離鉆頭0.5 m的伽馬成像探測(cè)、0.9 m的動(dòng)態(tài)井斜檢測(cè)，性能指標(biāo)達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水平。

2.4 新型壓裂分段工具

(1)全通徑無(wú)限級(jí)分段壓裂工具。采用連續(xù)油管或常規(guī)油管在套管內(nèi)下入壓裂工具，通過(guò)拖動(dòng)管柱到設(shè)計(jì)的部位坐封隔器并實(shí)現(xiàn)環(huán)空加砂壓裂，其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。工具在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)，施工最高壓力為65 MPa，施工排量為2.2 m3/min，封隔器重復(fù)次數(shù)達(dá)8次，施工結(jié)束后，工具性能良好，還可以重復(fù)利用。

(2)大通徑橋塞分段壓裂工具。為解決深層頁(yè)巖氣井壓裂技術(shù)難題，降低綜合工程成本，研制了5-1/2″大通徑橋塞分段壓裂工具，外徑110 mm，通徑70 mm，耐壓70 MPa，耐溫150 ℃，坐封力16～18 t，憋壓球可降解，儲(chǔ)層分段壓裂后井筒內(nèi)無(wú)需進(jìn)行鉆橋塞作業(yè)，大內(nèi)通徑有利于壓裂液及時(shí)返排，快速進(jìn)行測(cè)試投產(chǎn)，提高施工效率，降低施工成本。

(3)可溶橋塞。針對(duì)深層頁(yè)巖氣井壓裂后連續(xù)油管鉆壓傳遞差、鉆橋塞時(shí)間長(zhǎng)、井口帶壓作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)大等問(wèn)題，研制了4-1/2″、5-1/2″可溶橋塞，其耐壓差70 MPa、耐溫120 ℃、可溶時(shí)間72～200 h可調(diào)?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用了多口井，單井壓裂不少于11段，施工壓力最高62 MPa，壓后16天橋塞全部溶解，大大縮短了后期作業(yè)時(shí)間和完井施工周期，單井作業(yè)成本降低20%以上，有效解決了用常規(guī)復(fù)合橋塞作業(yè)后鉆橋塞困難、損傷套管和帶壓作業(yè)等難題。

3 鉆完井及壓裂流體材料

3.1 頁(yè)巖地層高性能水基鉆井液

深層頁(yè)巖儲(chǔ)層具有層理裂縫發(fā)育、水敏性強(qiáng)的特點(diǎn)，為了防止井眼失穩(wěn)，確保井筒安全，深層頁(yè)巖氣鉆井常用高溫高密度油基鉆井液體系[11]。為了降低作業(yè)成本，減少油基巖屑后期處理成本，使工程更加環(huán)保，利用水基鉆井液鉆頁(yè)巖氣水平井一直是工程界追求的目標(biāo)。通過(guò)對(duì)頁(yè)巖地層失穩(wěn)機(jī)理的研究，及不斷的技術(shù)創(chuàng)新，研發(fā)了新型納微米封堵材料、胺基抑制劑、高效潤(rùn)滑劑，并構(gòu)建了深層頁(yè)巖水基鉆井液體系，密度 1.80～2.30 g/cm3，HTHP濾失量 4～6 mL，耐溫150 ℃，極壓潤(rùn)滑系數(shù)0.09～0.12。2018年在WY23平臺(tái)應(yīng)用了4口井，順利完成了水平段1500 m鉆井施工，井壁穩(wěn)定，保證了鉆井安全施工。其中，WY23-3HF井提前18天完成水平段鉆井施工，WY23-3HF井完鉆摩阻僅200 kN，接近鄰井油基鉆井液摩阻，并創(chuàng)造了鉆井周期75天的最短工區(qū)紀(jì)錄。實(shí)踐證明，這套水基鉆井液頁(yè)巖穩(wěn)定周期可達(dá)60～70 d，滿足了頁(yè)巖氣水平井鉆井要求。

表1 全通徑無(wú)限級(jí)分段壓裂工具主要技術(shù)參數(shù)Table 1 The main technical parameters of full-diameter in fi nite stage fracturing tool

表2 滑溜水性能Table 2 The sliding water performance

3.2 泡沫水泥漿體系

針對(duì)頁(yè)巖氣井漏失和壓裂后井眼環(huán)空密封失效問(wèn)題，研發(fā)了機(jī)械式充氣固井裝備。該裝備利用高壓氣體混合發(fā)泡方法，在摻有發(fā)泡劑、穩(wěn)泡劑的嘉華G級(jí)水泥漿中直接產(chǎn)生泡沫，通過(guò)合理的注氣量，形成了充氣泡沫水泥漿體系[13]，其密度為1.15～1.60 g/cm3，并可根據(jù)需要實(shí)時(shí)調(diào)整，水泥石的抗壓強(qiáng)度為6～16 MPa、彈性模量為8～6 GPa。該技術(shù)較好地解決了固井漏失和分段壓裂動(dòng)載荷作用下對(duì)環(huán)空水泥石的損傷，提高了井眼環(huán)空密封質(zhì)量。該體系在頁(yè)巖氣井技術(shù)套管固井中應(yīng)用了30多口井，在川東南頁(yè)巖氣井生產(chǎn)套管固井中應(yīng)用了3口井，固井質(zhì)量?jī)?yōu)良。實(shí)踐證明，泡沫水泥漿體系能更好地防止大型壓裂導(dǎo)致的環(huán)空水泥環(huán)密封失效，為頁(yè)巖氣井的井筒長(zhǎng)期密封提供了新的技術(shù)方法。

3.3 高效滑溜水體系

深層頁(yè)巖氣儲(chǔ)層特征和體積壓裂要求壓裂液低摩阻、低黏度、低傷害、高攜砂等，研發(fā)了新型高效降阻劑(SRFR)、增稠劑(SRFP)、交聯(lián)劑(SRFC)、黏土穩(wěn)定劑(SRCS)和助排劑(SRCA)等關(guān)鍵化學(xué)產(chǎn)品，并以關(guān)鍵化學(xué)品為基礎(chǔ)，在中淺層頁(yè)巖氣壓裂用的Ⅰ型滑溜水體系的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了適合深層頁(yè)巖氣壓裂的Ⅱ型滑溜水體系，降摩阻率達(dá)到80%，性能見(jiàn)表2。新型滑溜水體系具有低摩阻、低膨脹、低傷害、低成本、快溶解等特點(diǎn)，在涪陵頁(yè)巖氣田平橋和江東、川南東溪頁(yè)巖氣等區(qū)塊現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用了50余井次，成功率100%，取得了較好的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果，滿足了深層頁(yè)巖氣儲(chǔ)層體積壓裂改造的需要。

4 工程作業(yè)關(guān)鍵技術(shù)

4.1 井身結(jié)構(gòu)與井眼軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)

四川盆地深層頁(yè)巖氣地表裂縫、溶洞、出水、出氣等復(fù)雜情況多，為此，應(yīng)用高密度電法勘探、測(cè)井、鉆井、錄井等綜合技術(shù)手段[7-8]，弄清地表溶洞、裂縫的分布規(guī)律，明確地層出水、出氣以及壓力分布特征，將四開(kāi)井身結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為三開(kāi)，并持續(xù)優(yōu)化套管和鉆頭尺寸。針對(duì)定向段造斜率低、技術(shù)套管下深大和井眼尺寸大的問(wèn)題，通過(guò)提高定向段造斜率(造斜率由4-5°/30 m提高至6-7°/30 m，靶前距由350 m調(diào)整到300 m)、上提技術(shù)套管下深等措施，將造斜點(diǎn)下移至技術(shù)套管鞋之下，定向段井眼尺寸由311.2 mm縮小為215.9 mm，實(shí)踐表明，機(jī)械鉆速同比提高30%～40%。

4.2 深層頁(yè)巖氣鉆井提速技術(shù)

(1)沖擊器+大功率螺桿+PDC鉆井提速技術(shù)

提高鉆井速度，縮短鉆井周期是鉆井作業(yè)永恒的追求目標(biāo)，針對(duì)深層頁(yè)巖氣井提速問(wèn)題，提出了提高硬地層破巖效率三要素理論，即與地層相匹配的鉆頭、大鉆壓大扭矩破巖能量、減少鉆頭破巖能量損耗，基于該理論，制定了沖擊器+大功率螺桿+PDC鉆井提速技術(shù)。旋沖鉆井是通過(guò)在鉆頭上部安裝一個(gè)沖擊器，將鉆井液壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l沖擊力，在旋轉(zhuǎn)和沖擊共同作用下破碎巖石，顯著提高了破巖效率；大功率螺桿采用等壁厚馬達(dá)結(jié)構(gòu)，提高每級(jí)承壓能力，它具有優(yōu)選短幅內(nèi)擺線線型結(jié)構(gòu)，該線型具有不打扣、偏心距小、綜合曲率半徑大等優(yōu)點(diǎn)，改善了馬達(dá)受力狀況，輸出扭矩15 000 Nm，機(jī)械鉆速同比提高30%～40%。

(2)控壓降密度鉆井技術(shù)

淺層裂縫氣量小、侵入快、易漏失，采用控壓降密度鉆井技術(shù)可有效提高井筒穩(wěn)定性并減少漏失；頁(yè)巖儲(chǔ)層裂縫斷層發(fā)育帶溢漏同存，采用控壓降密度鉆井技術(shù)，防止油基鉆井液漏失和復(fù)雜情況的發(fā)生。該技術(shù)在JY9-3HF等井中應(yīng)用，復(fù)雜時(shí)效顯著降低，井內(nèi)無(wú)漏失、坍塌，平均機(jī)械鉆速13.04 m/h，同比提高29.89%。

4.3 提高裂縫改造體積技術(shù)

(1)平面射孔技術(shù)

與螺旋射孔不同，平面射孔模式(圖6)類似于直井的定向射孔，但直井定向射孔對(duì)裂縫方位的要求非常精確，而平面射孔對(duì)此無(wú)嚴(yán)格要求。優(yōu)化的平面射孔的孔密為 4～8孔/周，3～5簇/段。平面射孔可使得破裂壓力降低10%～20%，壓裂車組數(shù)量減少30%～50%，提高改造時(shí)效，同時(shí)可增加裂縫改造強(qiáng)度，使裂縫高度、寬度、長(zhǎng)度增加19%～36%，SRV增加20%～40%。

圖6 平面射孔和螺旋射孔示意圖Fig. 6 Planar perforation VS helical perforation

(2)交替注入技術(shù)

深層頁(yè)巖氣儲(chǔ)層水平應(yīng)力差大，靠壓裂施工參數(shù)調(diào)整難以獲得能突破天然裂縫張開(kāi)的臨界壓力，因此，裂縫的復(fù)雜性也難以提升。目前常用的縫內(nèi)轉(zhuǎn)向劑也存在諸多弊端，如深層壓裂的壓力窗口窄，難以有效封堵動(dòng)態(tài)擴(kuò)展的裂縫；若高角度天然裂縫與層理縫共存，也容易引起裂縫高度的失控等。針對(duì)鈣質(zhì)含量高的頁(yè)巖儲(chǔ)層，采用滑溜水和酸液交替注入2～3次，可形成酸蝕通道，降低巖石強(qiáng)度，使破裂壓力降低30%以上，施工壓力降低2～3 MPa，提高了裂縫復(fù)雜性。

(3)變黏度、變排量技術(shù)

為了形成多尺度復(fù)雜縫，采用變黏度、變排量組合模式注入滑溜水和線性膠，使裂縫寬度增加50%以上，SRV增加30%以上。排量對(duì)裂縫形態(tài)和SRV影響較大，一般線性膠排量控制在2～6 m3/min，滑溜水排量控制在10～12 m3/min。低、中、高黏滑溜水產(chǎn)生多尺度裂縫破裂，中、高黏度線性膠(占比20%～30%)使多尺度裂縫延伸(不超過(guò)100 mPa·s)。

(4)多尺度小粒徑支撐劑技術(shù)

造出不同尺度的裂縫空間后，如何實(shí)現(xiàn)全尺度裂縫的飽和充填是提高ESRV的終極目標(biāo)。采用多尺度小粒徑支撐劑的優(yōu)勢(shì)有：在高閉合壓力下導(dǎo)流能力與中粒徑差別不大，有利于提高鋪砂濃度和增強(qiáng)抗嵌入能力，確保不同分支裂縫封堵、降濾失和支撐，同時(shí)，支撐劑沉降速度減小1/3～1/2，有利于提高遠(yuǎn)井筒裂縫支撐效率。實(shí)踐證明，小粒徑支撐劑用量30%～40%，其加砂量提高10%～20%。

表3 深層頁(yè)巖氣鉆完井及壓裂情況Table 3 The application of drilling and fracturing in deep shale gas drilling

4.4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

深層頁(yè)巖氣工程技術(shù)在涪陵頁(yè)巖氣田平橋和江東區(qū)塊、威榮、永川、丁山等地區(qū)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐和應(yīng)用近80口井，取得了顯著效果(見(jiàn)表3所示)。應(yīng)用后，江東和平橋地區(qū)鉆井機(jī)械鉆速同比提高了27.2%，鉆井周期縮短了29.8%，測(cè)試產(chǎn)量達(dá)到10×104m3以上，基本實(shí)現(xiàn)了深層頁(yè)巖氣的商業(yè)化開(kāi)發(fā)。

5 結(jié)論與建議

國(guó)外深層頁(yè)巖氣區(qū)塊已部分得到商業(yè)開(kāi)發(fā)，并形成了配套鉆井、壓裂技術(shù)。我國(guó)深層頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)剛剛起步，地質(zhì)條件更為復(fù)雜，近幾年深層頁(yè)巖氣工程技術(shù)取得了較大進(jìn)展，并成功完成了一批深層頁(yè)巖氣井，但離高速、高效、低成本的要求還有差距，仍需進(jìn)一步優(yōu)化提升、配套完善與持續(xù)攻關(guān)。

(1)強(qiáng)化基礎(chǔ)理論研究。完善硬地層鉆井提速理論與方法，建立深層頁(yè)巖氣高效鉆井方法；攻克深層頁(yè)巖多尺度縫構(gòu)建機(jī)制，構(gòu)建高導(dǎo)流方法，進(jìn)一步提高深層頁(yè)巖壓裂體積；持續(xù)攻關(guān)生產(chǎn)套管變形規(guī)律及機(jī)理，提出套管外部載荷計(jì)算模型，徹底解決套管變形問(wèn)題。

(2)攻克一趟鉆技術(shù)。目前與國(guó)外的最大差距是鉆井周期長(zhǎng)，核心問(wèn)題是井下工具性能差，高效PDC鉆頭、大扭矩長(zhǎng)壽命螺桿、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向等仍是制約深層頁(yè)巖氣高效鉆井的瓶頸技術(shù)，要大力開(kāi)展攻關(guān)，實(shí)現(xiàn)一開(kāi)次、一趟鉆。

(3)推廣深層頁(yè)巖氣工程新技術(shù)。推廣深層高壓頁(yè)巖控壓降密度鉆井技術(shù)、高性能水基鉆井液、泡沫水泥漿、彈韌性水泥漿、近鉆頭伽馬成像探測(cè)、深層頁(yè)巖高導(dǎo)流體積壓裂技術(shù)等新技術(shù)，縮短鉆井周期，提高單井產(chǎn)量，降低工程成本。

致謝：在本文撰寫(xiě)過(guò)程中，中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院臧艷彬、王海濤、甄劍武、倪衛(wèi)寧、陶謙、魏遼等同志在資料收集及論文修改等方面提供了大量幫助。牛新明、蔣廷學(xué)等同志提出了許多寶貴修改意見(jiàn)。在此一并表示感謝！