WR氣田深層頁巖氣鉆井提速提效實(shí)踐與認(rèn)識(shí)

劉 偉 朱禮平 潘登雷 周楚坤 梁 霄 劉小斌

（1.中國石化西南油氣分公司工程技術(shù)管理部，四川 成都 610041；2.中石化西南石油工程有限公司井下作業(yè)分公司，四川 德陽 618000；3.中國石油西南油氣田公司，四川 成都 610051）

0 引言

WR 氣田位于四川盆地南部，該氣田繼W1 井勘探取得重大突破之后，狠抓頁巖儲(chǔ)層精細(xì)評(píng)價(jià)，科學(xué)優(yōu)選地質(zhì)甜點(diǎn)，評(píng)價(jià)階段在W23-1、W29-1 獲高產(chǎn)工業(yè)氣流，實(shí)現(xiàn)了氣田深層頁巖氣的商業(yè)發(fā)現(xiàn)［1］，兩口井在配產(chǎn)6.0 × 104m3／d 條件下生產(chǎn)穩(wěn)定。按照“整體部署，先易后難，效益優(yōu)先”的原則，共部署23 個(gè)平臺(tái)166 口井，已完成一期建設(shè)，正開展二期鉆采施工。與已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)開發(fā)的WYCN 氣田、FN 氣田相比，WR 氣田深層頁巖氣具有目的層埋藏深（垂深為3 500～3 900 m）、地層壓力高（孔隙壓力梯度為1.8～2.0 MPa／100 m，坍塌壓力梯度為1.75～1.85 MPa／100 m）、地層溫度高（127～139 ℃）、優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層厚度?。ǎ?2 m）、巖石強(qiáng)度大、巖石可鉆性極值大等特性，制約了機(jī)械鉆速的提高和鉆井周期的縮短。在借鑒鄰區(qū)開發(fā)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過近五年引進(jìn)創(chuàng)新、聯(lián)合攻關(guān)、自主研發(fā)和集成創(chuàng)新，逐步形成了一套適合深層頁巖氣鉆井提速提效的技術(shù)體系，鉆成W23-1 等122 口井，平均機(jī)械鉆速為8.95 m／h，平均鉆完井周期為93.60 d，與勘探評(píng)價(jià)階段相比降幅達(dá)29.80%，優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層鉆遇率由96.36%提高到98.4%。

1 鉆井提速提效難點(diǎn)分析

受區(qū)域地質(zhì)特征和頁巖氣開發(fā)特性制約，面臨“漏、噴、塌、卡、碰”和軌跡頻繁調(diào)整等難題。

1）平臺(tái)井防碰制約提速提效。WR 氣田頁巖氣平臺(tái)普遍部署6～8 口井，采用雙鉆機(jī)施工，井間距5～8 m，井排距25～30 m，井眼防碰是上部井段的重點(diǎn)［2］。根據(jù)實(shí)測地層傾角，氣田東部的Y4-1井一開地層傾角為10°～20°，平均為16.4°，采用常規(guī)塔式鉆具組合，機(jī)械鉆速低于12 m／h，影響了直井段提速提效。為確保鉆井安全，平臺(tái)外側(cè)井只能按雙二維軌道設(shè)計(jì)，提前造斜，面臨大尺寸井段造斜效率低、速度慢的難題。

2）噴漏同存制約提速提效。上部地層斷層、裂縫性氣層發(fā)育，多口井在中二疊統(tǒng)茅口組、下志留統(tǒng)石牛欄組、下志留統(tǒng)龍馬溪組鉆遇高壓裂縫性氣層［3］。茅口組、中二疊統(tǒng)棲霞組地層承壓能力低，安全鉆井液窗口窄，W27-6 井茅口組采用密度為1.72～1.74 g／cm3鉆井液鉆進(jìn)時(shí)，漏失了81 m3，出口返漿的情況下全烴含量達(dá)80%。龍馬溪組地層坍塌壓力高，部分區(qū)域甚至高于地層孔隙壓力，鉆井液密度普遍高于2.00 g／cm3，W35-1 井在龍馬溪組鉆遇氣層后，鉆井液密度由2.05 g／cm3提高到2.27 g／cm3壓穩(wěn)，W29 井區(qū)最高鉆井液密度達(dá)2.40 g／cm3，高密度壓穩(wěn)了氣層，但增加了井漏、壓差卡鉆風(fēng)險(xiǎn)和固井替漿難度。二開安全窗口窄和三開鉆井液密度高的情況進(jìn)一步制約了鉆井提速提效。

3）軌跡頻繁調(diào)整制約提速提效。區(qū)域斷層發(fā)育，地質(zhì)非均質(zhì)性強(qiáng)，W1平臺(tái)兩口井A靶點(diǎn)相距為406 m，垂深相差為26 m，通過鄰井實(shí)鉆數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)軌跡，脫靶風(fēng)險(xiǎn)大。龍馬溪組最優(yōu)質(zhì)的“鉑金”儲(chǔ)層厚度約為8 m，靶框設(shè)計(jì)為2 m×15 m，為確保優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層鉆遇率，斷層發(fā)育區(qū)頻繁調(diào)整井眼軌跡，勘探評(píng)價(jià)階段平均單井調(diào)整為6.4次，平均單井循環(huán)控時(shí)為37.6 h。

2 鉆井工程技術(shù)方案

針對(duì)上述鉆井難點(diǎn)，借鑒鄰區(qū)鉆井經(jīng)驗(yàn)，從井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化、鉆井工藝和工具配套等方面開展研究，經(jīng)過三輪次鉆井實(shí)踐，動(dòng)態(tài)優(yōu)化技術(shù)方案，最終形成適合于WR氣田深層頁巖氣鉆井提速提效的工程技術(shù)體系。

2.1 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

以龍馬溪組為目的層，至上而下將鉆遇陸相、海相8 套地層，地層壓力梯度為1.0～1.85 MPa／100 m，龍馬溪組地層坍塌壓力梯度最大為1.80 MPa／100 m，按目的層垂深3 900 m、水平段長1 500 m 計(jì)算，二維井完鉆井深約為5 500 m，平臺(tái)外側(cè)三維井完鉆井深約為5 700 m。為滿足?139.7 mm 套管分段壓裂要求，采用由下至上的設(shè)計(jì)方法［4］，根據(jù)鉆頭-套管匹配關(guān)系，設(shè)計(jì)三開制井身結(jié)構(gòu)?？碧诫A段，一開封陸相地層，井深約為1 500 m，二開封石牛欄組，井深約為3 400 m，三開?215.9 mm 井眼油基鉆井液專層施工龍馬溪組；為減少大尺寸鉆頭施工井段的長度，提高鉆井效率，評(píng)價(jià)階段將一開套管下至須家河組中部，井深約為900 m；根據(jù)錄井氣層判斷、地層承壓能力試驗(yàn)情況，開發(fā)階段，進(jìn)一步縮短一開井段長度，一開套管下深為500～600 m，封隔上部易漏地層，為二開鉆遇海相地層提供井控支撐，鉆頭尺寸由?444.5 mm縮小至?406.4 mm，減少一層套管頭；二開套管下至龍馬溪組頂部，三維井盡量將二開套管下深，減少三開裸眼段長度，降低后續(xù)施工摩阻。鑒于壓裂過程中發(fā)生套管變形的問題，采取提高?139.7 mm油層套管抗擠強(qiáng)度，在確保通徑不變的情況下，造斜點(diǎn)以深采用抗擠強(qiáng)度提高23%的壁厚套管。典型井身結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1 典型井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)表

2.2 強(qiáng)化鉆井參數(shù)

根據(jù)鉆速方程，以?311.2 mm 井眼為例（圖1），當(dāng)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速維持在110 r／min 不變時(shí)，鉆壓由65 kN逐步提高至140 kN，機(jī)械鉆速將提高61%；當(dāng)鉆壓維持在110 r／min 不變時(shí)，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速由60 r／min 逐步提高至120 r／min，甚至提高至螺桿轉(zhuǎn)速190 r／min時(shí)，機(jī)械鉆速將提高1.3倍。由此，直井段鉆進(jìn)應(yīng)最大限度地強(qiáng)化鉆井參數(shù)，增大鉆頭破巖扭矩，根據(jù)鉆頭特性提高機(jī)械鉆速［5］。為滿足大排量、大泵壓、高轉(zhuǎn)速需要，鉆井工程設(shè)計(jì)和隊(duì)伍招標(biāo)時(shí)對(duì)鉆具、鉆井泵、地面管線、頂驅(qū)沖管等進(jìn)行了明確要求，配備大水眼雙臺(tái)階鉆桿、2～3 臺(tái)52 MPa 及以上級(jí)別鉆井泵、70 MPa 循環(huán)管線、500 t 頂驅(qū)配套金屬?zèng)_管。如圖2所示，W32-3井一開、二開采用預(yù)彎曲動(dòng)力鉆具，根據(jù)井眼尺寸和鉆具動(dòng)力學(xué)分析，增大鉆壓、排量和扭矩，一開平均鉆時(shí)為0.77 min／m，平均機(jī)械鉆速為87.7 m／h，二開平均鉆時(shí)為5.05 min／m，平均機(jī)械鉆速為29.59 m／h，實(shí)現(xiàn)一開1趟鉆、二開3趟鉆。與勘探評(píng)價(jià)階段W1井相比，一開井段鉆井周期縮短了6.65 d，二開以淺縮短了14.76 d。

圖1 鉆井參數(shù)與機(jī)械鉆速的關(guān)系圖

圖2 鉆井參數(shù)強(qiáng)化對(duì)比曲線圖

2.3 集成成熟鉆完井技術(shù)

1）垂直鉆井技術(shù)。WR 氣田平臺(tái)井防碰難度大，采用常規(guī)鐘擺、塔式防斜鉆具組合配合小角度單彎螺桿鉆進(jìn)滿足施工需要，但未完全釋放鉆壓，W1等探井直井段機(jī)械鉆速僅1.97 m／h。垂直鉆井技術(shù)是高陡構(gòu)造釋放鉆壓、提高鉆井速度、控制井斜首選方案。通過模擬分析發(fā)現(xiàn)，在?311.2 mm井眼增大扶正器外徑尺寸和鉆壓對(duì)鉆頭側(cè)向力的影響不大，可實(shí)現(xiàn)高鉆壓條件下的防斜打快。開發(fā)階段在陸相地層試驗(yàn)垂直鉆井技術(shù)8井次（表2），其中一開?406.4 mm 井段應(yīng)用4 井次，二開?311.2 mm 井段應(yīng)用4 井次，一開平均機(jī)械鉆速為7.65 m／h，二開平均機(jī)械鉆速為4.13 m／h，最大井斜角1.34°～3.17°，與常規(guī)復(fù)合鉆井相比，實(shí)現(xiàn)了提速提效。

表2 垂直鉆井應(yīng)用統(tǒng)計(jì)表

2）防噴導(dǎo)流鉆井技術(shù)。為解決二開鉆遇茅口組、棲霞組、石牛欄組裂縫性氣層后出現(xiàn)噴漏同存現(xiàn)象，在進(jìn)入茅口組前安裝旋轉(zhuǎn)防噴器［6-7］，簡化鉆具組合，準(zhǔn)備好足量的堵漏材料，做好多元復(fù)合堵漏工作，利用剛性材料搭橋，加入可變型的多軟化瀝青進(jìn)行填充封堵，采用確保安全鉆井條件下的最低鉆井液密度鉆進(jìn)。鉆遇良好的油氣顯示層段，根據(jù)井下實(shí)際情況用酸溶性堵漏材料進(jìn)行先期的屏蔽暫堵，防止下步鉆遇高壓層壓井時(shí)，上部顯示好的層位井漏造成噴漏同存復(fù)雜。壓井時(shí)采用堵漏段塞或強(qiáng)封堵段塞作領(lǐng)漿，壓井中途根據(jù)需要再跟注1～2 個(gè)堵漏段塞或強(qiáng)封堵段塞對(duì)可能漏失層進(jìn)行封堵。截至目前使用40余井次，5口井實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火鉆進(jìn)，二開鉆井液密度控制在1.85 g／cm3以下，減少循環(huán)排氣和堵漏時(shí)間約2.0 d，實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)與起下鉆井筒安全控制。

3）預(yù)彎曲動(dòng)力鉆具防斜打快技術(shù)

根據(jù)井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和鉆井提速難點(diǎn)分析，二開以淺地層的主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)鉆井提速和確保井間安全，受工具、費(fèi)用制約，難以大規(guī)模推廣應(yīng)用新型提速工具。通過理論分析和實(shí)踐驗(yàn)證，首選雙穩(wěn)定器預(yù)彎曲動(dòng)力鉆具組合，即在常規(guī)鉆具中接入具有一定預(yù)彎曲度的螺桿并再接一個(gè)穩(wěn)定器，通過調(diào)整頂驅(qū)轉(zhuǎn)速和排量使鉆頭上的合側(cè)力大于地層增斜力，起到防斜打快的目的［8-9］。一開?406.4 mm 井眼優(yōu)選自帶近鉆頭穩(wěn)定器的?244.5 mm 螺桿和直徑?400～404 mm扶正器，最大鉆壓可達(dá)275 kN；二開?311.2 mm 井眼匹配直徑?308-310 mm 遠(yuǎn)端扶正器，最大鉆壓可達(dá)220 kN。在W32 等平臺(tái)規(guī)?；瘧?yīng)用，從圖3可以看出，一開、二開平均鉆井周期實(shí)現(xiàn)逐年縮短，開發(fā)階段較前期縮短了14.76 d，降幅達(dá)26.65%，在強(qiáng)化鉆井參數(shù)的基礎(chǔ)上，既實(shí)現(xiàn)鉆井速度的大幅度提升，又保障了平臺(tái)防碰安全。

圖3 一、二開鉆井周期對(duì)比圖

4）中完作業(yè)提速工藝

強(qiáng)化通井操作、優(yōu)化替漿工藝和固井方式，減少各開中完時(shí)間。各開完鉆后采用長短起代替一次專項(xiàng)通井，根據(jù)起下鉆摩阻、停泵下放深度確定下套管時(shí)機(jī)；一開“內(nèi)插法”固井優(yōu)化為“清水壓膠塞”固井，減少插入鉆具起下鉆時(shí)間；二開采用自吸式清污車代替人工清罐，將串聯(lián)作業(yè)優(yōu)化為交叉并聯(lián)作業(yè)，縮短清罐時(shí)間2～3 d；為減少二次替漿和完井通刮洗時(shí)間，三開推廣應(yīng)用清水替漿工藝。按目的層垂深3 800 m 計(jì)算，三開鉆井液密度為2.05～2.10 g／cm3，水泥漿密度為2.20～2.30 g／cm3，液柱靜壓差為45.6～49.4 MPa，配套70 MPa 高承壓能力的固井膠塞和壓裂車可以確保頂替效果。前期施工排量1.0-1.8 m3／min，后期碰壓排量為0.5～0.7 m3／min，碰壓后分級(jí)泄壓，憋壓10～15 MPa候凝。清水替漿在開發(fā)階段規(guī)模化應(yīng)用了102口井，泄壓后回水?dāng)嗔?，附件工況良好，聲幅測井顯示固井質(zhì)量均為優(yōu)秀，單井縮短完井作業(yè)時(shí)間為2～3 d。開發(fā)階段中完時(shí)間縮短至32.54 d，縮短幅度43.33%。

2.4 創(chuàng)新復(fù)合鉆井液技術(shù)

針對(duì)油基鉆井液費(fèi)用高、環(huán)保壓力大的難題，借鑒鄰區(qū)和國外先進(jìn)施工經(jīng)驗(yàn)［10］，創(chuàng)新提出分段施工的復(fù)合鉆井液技術(shù)，即采用高性能水基鉆井液快速鉆進(jìn)，力爭完成水平段鉆進(jìn)施工，若鉆遇井內(nèi)掉塊增多的復(fù)雜情況，及時(shí)轉(zhuǎn)換為油基鉆井液。其優(yōu)點(diǎn)是減少油基鉆井液用量，減少油基巖屑產(chǎn)生量。高性能水基鉆井液需針對(duì)鉆遇井段的地層巖性，在常規(guī)聚胺體系基礎(chǔ)上從抑制性、封堵性、潤滑性和流變性等方面加以強(qiáng)化。根據(jù)返出巖屑和固含量及時(shí)補(bǔ)充抑制劑和包被劑，確保鉀離子含量不低于25 000 mg／L，保持鉆井液強(qiáng)抑制性；施工中及時(shí)補(bǔ)充納微米封堵材料、變形封堵劑等，保持高溫高壓濾失量低于5 mL，形成致密濾餅，保持鉆井液強(qiáng)封堵性；根據(jù)井段的增加，逐步提高潤滑劑含量，降低施工摩阻；及時(shí)補(bǔ)充膠液，采用高目數(shù)振動(dòng)篩和高速離心機(jī)清除有害固相，確保其性能滿足攜巖和降泵壓需要。W23-6 井實(shí)現(xiàn)安全鉆進(jìn)36 d，起下鉆摩阻低于250 kN，掉塊數(shù)量與油基鉆井液相當(dāng)；W23-2 井高性能水基鉆井液裸眼浸泡時(shí)間為67 d，進(jìn)尺為2 115 m；W23-3井僅用了18 d即完成三開鉆進(jìn)。

2.5 軌跡控制技術(shù)

龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖儲(chǔ)層厚度薄，斷層發(fā)育，目前主要開發(fā)儲(chǔ)層底部的①～③號(hào)小層，為確保優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層鉆遇率，開發(fā)階段在龍馬溪組設(shè)置6個(gè)控制點(diǎn)并分別定級(jí)［11-12］，根據(jù)鉆遇的伽馬趨勢、氣測值、巖屑變化、元素錄井綜合分析鉆遇層位，提前預(yù)判軌跡走向，減少軌跡調(diào)整頻次。

針對(duì)儲(chǔ)層特性，制定軌跡控制方案，工藝上以“旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向+方位伽馬+長壽命PDC 鉆頭”為主［13］，及時(shí)調(diào)整軌跡并保證井眼圓滑，減少通井劃眼時(shí)間，配套清砂鉆桿和清砂接頭、“一趟鉆”工藝，縮短施工周期。在水平段較短、起下鉆摩阻較低的二維井，采用“旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向+馬達(dá)”快速鉆進(jìn)。從降本增效方面考慮，儲(chǔ)層變化小，井斜角低于90°的下傾井，采用常規(guī)MWD+近鉆頭方位伽馬施工，優(yōu)選?172 mm 耐油螺桿，水平段后期配備水力振蕩器，減少水平段托壓和粘附壓差卡鉆風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)實(shí)鉆軌跡，細(xì)化隨鉆震擊器和水力振蕩器安放位置，確保其關(guān)鍵階段的使用效果。從圖5、圖6 可知，采用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向+馬達(dá)施工，平均機(jī)械鉆速達(dá)9.43 m／h，三開平均鉆井周期為19.21 d，W32-3 井三開采用“PDC+旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向+馬達(dá)”提速工藝，兩趟鉆完成三開施工，鉆井周期為16.32 d。

圖4 三開不同方式鉆井周期對(duì)比圖

圖5 三開不同方式機(jī)械鉆速對(duì)比圖

圖6 直井段鉆完井周期學(xué)習(xí)曲線圖

在作業(yè)工序上，為實(shí)現(xiàn)區(qū)塊的效益開發(fā)，平臺(tái)第一口井完鉆后電測井，其余井均不測井，直接下套管完井，根據(jù)井內(nèi)摩阻和儲(chǔ)層浸泡時(shí)間，條件允許時(shí)在水基鉆井液條件下直接完井，減少完井作業(yè)時(shí)間。目前，WR氣田已完成地質(zhì)建模，通過地質(zhì)導(dǎo)向和定向工具的優(yōu)選優(yōu)配完成W23等122口井，優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層鉆遇率為98.40%，平均水平段長為1 568 m。

圖7 鉆完井周期學(xué)習(xí)曲線圖

3 現(xiàn)場應(yīng)用及效果分析

形成的深層頁巖氣鉆井提速提效技術(shù)體系在WR氣田推廣應(yīng)用，均為三開制井身結(jié)構(gòu)，二開直井段完鉆135 口井，平均井深為3 352 m，鉆完井周期為49.19 d，與勘探評(píng)價(jià)階段相比，鉆完井周期縮短51.68%。122 口井完成鉆井施工，平均完鉆井深為5 521 m，平均鉆完井周期為93.44 d，與勘探評(píng)價(jià)階段相比，降幅為34.42%。

W23平臺(tái)是WY頁巖氣田第三批部署井，平臺(tái)共6口井，采用輪軌式雙鉆機(jī)施工，一開?406.4 mm鉆頭+螺桿復(fù)合鉆進(jìn)至井深502 m，下入?339.7 mm 套管，平均機(jī)械鉆速為12.79 m／h，鉆井周期為2.15 d；二開?311.2 mm 鉆頭+螺桿復(fù)合鉆進(jìn)至龍馬溪組頂部，井深為3372 m±，外側(cè)井按雙二維軌道施工，下入?244.5 mm 套管，平均機(jī)械鉆速為12.79 m／h，二維井鉆井周期為23 d，三維井平均鉆井周期為26 d；三開采用高性能水基鉆井液施工，2 口井采用MWD+螺桿鉆進(jìn)，4口井采用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向+進(jìn)口PDC鉆進(jìn)，平均機(jī)械鉆速為7.32 m／h，單井鉆井周期為80.5 d，W23-4HF 井75.49 d 鉆至5 546 m。通過優(yōu)快鉆井技術(shù)應(yīng)用和推廣，目前WR氣田鉆井周期基本能控制在80 d以內(nèi)，鉆完井周期在89 d以內(nèi)。

4 結(jié)論及建議

1）經(jīng)三輪次實(shí)踐，優(yōu)化形成的三開制井身結(jié)構(gòu)和提速工藝滿足WR氣田鉆井提速提效，已形成氣田提速提效推薦作法2.0 版，推廣應(yīng)用于YC、DS 等區(qū)塊。

2）高性能水基鉆井液應(yīng)用9 口井，滿足龍馬溪組鉆井需要，但完井階段需要替換為油基鉆井液，建議進(jìn)一步篩選鉆井液關(guān)鍵處理劑，優(yōu)化水基鉆井液性能，確保三開鉆井、完井安全施工。