正安頁巖氣水平井優(yōu)快鉆井難點(diǎn)與對(duì)策

于繼良（貴州頁巖氣勘探開發(fā)有限責(zé)任公司，貴州 遵義 563400）

0 引言

正安工區(qū)位于貴州省遵義市正安縣，北接重慶南川區(qū)，東北毗鄰道真縣、務(wù)川縣，東南與鳳岡縣和湄潭縣交界，南靠綏陽縣，西北與桐梓縣接壤，面積2 595平方千米。區(qū)內(nèi)廣泛分布石灰?guī)r，發(fā)育有溶洞、溶蝕洼地、伏流、盲谷等喀斯特地貌。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料及鄰區(qū)鉆井，結(jié)合地震、鄰井鉆測錄井等資料，試驗(yàn)井組所鉆地層自上而下為：三疊系嘉陵江組、夜郎組，二疊系合山組、茅口組、棲霞組、梁山組，志留系韓家店組、石牛欄組、新灘組、龍馬溪組以及奧陶系五峰組、臨湘組、寶塔組。其中五峰組～龍馬溪組一段為主要目的層段，厚度17～24 m。

1 鉆井難點(diǎn)分析

機(jī)械鉆速慢，單趟進(jìn)尺少，起下鉆次數(shù)多。根據(jù)兩輪16 口井的鉆井施工情況統(tǒng)計(jì)，第一輪井平均鉆井周期為126.93 d，平均機(jī)械鉆速僅為5.26 m/h，單井平均使用鉆頭15 只，平均單只鉆頭進(jìn)尺322 m；第二輪井平均鉆井周期為52.92 d，平均機(jī)械鉆速為7.51 m/h，單井平均使用鉆頭11 只，平均單只鉆頭進(jìn)尺451 m。該區(qū)地層可鉆性為4.5～7.5 之間，正安工區(qū)雖然第二輪井施工指標(biāo)有明顯提升，但鉆井提速空間依然很大，提速需求也依然急切。

造斜段后期摩阻扭矩大，滑動(dòng)鉆進(jìn)效率低。安場工區(qū)水平井多為三維長水平段水平井，斜井段長，方位扭轉(zhuǎn)幅度大，常規(guī)螺桿鉆具滑動(dòng)效率低，在造斜段的后期需采用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具進(jìn)行軌跡控制施工，大幅增加了工區(qū)鉆井施工的成本。

儲(chǔ)層薄、傾角大、優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層鉆遇率難保障。安場工區(qū)頁巖氣儲(chǔ)層厚度較薄，地層產(chǎn)狀變化大，水平段箱體只有5 m 左右，井眼軌跡容易出箱體，優(yōu)質(zhì)頁巖鉆遇難度大[1]，部分井優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層鉆遇率有待進(jìn)一步提高。

壓力體系復(fù)雜、涌漏矛盾突出。正安工區(qū)上部地層喀斯特地貌，嘉陵江組孔、洞、縫發(fā)育，漏失風(fēng)險(xiǎn)高。石牛欄組局部異常高壓與龍馬溪組壓力系數(shù)差異大，涌漏矛盾突出。龍馬溪組裂縫、微裂縫、斷層發(fā)育，漏失情況多發(fā)。統(tǒng)計(jì)安場頁巖氣井16 口，油基鉆井液漏失10 口井，漏失次數(shù)31 次，其中石牛欄組漏失5 次，新灘組漏失6 次，龍馬溪組漏失25 次，共計(jì)漏失油基鉆井液2270.26 m3。

井壁失穩(wěn)多發(fā)、復(fù)雜時(shí)效占比高。五峰至龍馬溪組井段巖層膠結(jié)程度差，水平段鉆井過中掉塊嚴(yán)重，且多伴隨井漏復(fù)雜，極易導(dǎo)致卡鉆事故[2]，前期鉆井施工過程中安頁1 平臺(tái)3 口井在龍馬溪組發(fā)生井壁失穩(wěn)，安頁4 平臺(tái)1 口井在寶塔組發(fā)生井壁失穩(wěn)，安頁5 平臺(tái)1 口井在五峰組發(fā)生井壁失穩(wěn)。

2 鉆井提速技術(shù)

2.1 個(gè)性化高效PDC 鉆頭優(yōu)化

安場區(qū)塊鉆頭改進(jìn)思路：嘉陵江組至合山組目前正安區(qū)塊很少有用19 mm 高攻擊性復(fù)合片的鉆頭，從實(shí)鉆情況來看，該段地層研磨性不強(qiáng)出井鉆頭新度高，完全可以考慮使用五刀翼19 mm 復(fù)合片提高機(jī)械鉆速。合山組-龍馬溪組直導(dǎo)眼考慮使用5 刀16 mm或者4 刀16 mm 高耐磨異形齒復(fù)合片鉆頭來提高該段的鉆進(jìn)速度。φ215.9 mm 井眼地層整體可鉆性非常好，著重提高PDC 鉆頭側(cè)向切削能力和攻擊性，設(shè)計(jì)短保徑、短拋物線淺內(nèi)錐型PDC 鉆頭。

2.2 鉆井參數(shù)優(yōu)化技術(shù)

鉆井參數(shù)強(qiáng)化技術(shù)，又叫激進(jìn)參數(shù)鉆井技術(shù)是近年比較熱門的技術(shù)，在國外和國內(nèi)頁巖氣井施工都取得了比較好的提速效果[3]，鉆井參數(shù)強(qiáng)化技術(shù)的基礎(chǔ)在于機(jī)械鉆速方程。

典型機(jī)械鉆速方程如式（1）所示：

式中：ROP為機(jī)械比能；k為巖性系數(shù)；Cp為壓差系數(shù)（kN·m）；Ch為水力能量系數(shù)；WOB為鉆壓；M為破巖門限鉆壓；RPM為鉆頭轉(zhuǎn)速；λ為轉(zhuǎn)速系數(shù)；C2為鉆頭磨損系數(shù)。

根據(jù)機(jī)械鉆速方程可知，鉆壓、轉(zhuǎn)速、扭矩三個(gè)參數(shù)對(duì)于機(jī)械比能影響較大，提高三參數(shù)對(duì)于提高破巖能量，提高機(jī)械鉆速具有重要意義。北美頁巖油氣施工對(duì)鉆井參數(shù)的強(qiáng)化進(jìn)行了充分的試驗(yàn)和應(yīng)用，主要采用較高的鉆壓、頂驅(qū)轉(zhuǎn)速和鉆井液排量，取得了良好的提速提效效果；而在我國川渝工區(qū)也已經(jīng)進(jìn)入鉆井參數(shù)強(qiáng)化技術(shù)推廣應(yīng)用的初級(jí)階段。

2.3 大扭矩、長壽命動(dòng)力鉆具優(yōu)選

單純依靠鉆頭優(yōu)化還不足以實(shí)現(xiàn)單趟鉆進(jìn)尺和機(jī)械鉆速最大化的目標(biāo)，需要配套大扭矩、長壽命的動(dòng)力鉆具使用，才能充分挖掘提速潛能。等壁厚動(dòng)力鉆具是近年來研制成功的一種新型動(dòng)力鉆具，具有單級(jí)密封壓力高、轉(zhuǎn)速低、扭矩大、曲率半徑小、使用壽命長、耐高溫和使用更加安全可靠等技術(shù)優(yōu)勢。根據(jù)不同尺寸，等壁厚動(dòng)力鉆具工作扭矩和最大輸出扭矩較常規(guī)動(dòng)力鉆具高出20%～100%不等[4]，而平均持續(xù)工作壽命可提高20%～50%左右。結(jié)合前期動(dòng)力鉆具選型經(jīng)驗(yàn)，以及正安區(qū)域鉆井施工需要，推薦以等壁厚動(dòng)力鉆具為主動(dòng)力鉆具方案，φ406.4 mm/311.2 mm 井眼采用H7LZ244×7.0-3.3 型號(hào)等壁厚螺桿鉆具；φ215.9 mm井眼采用7LZ172×7.0V 或者 H7LZ172×7.0-4.6 等壁厚螺桿鉆具。

3 長水平段水平井高效軌跡控制技術(shù)

3.1 減摩降扭工具優(yōu)選與配套

3.1.1 水力振蕩器

水力振蕩器主要由動(dòng)力短節(jié)、盤閥總成和振蕩系統(tǒng)等三個(gè)部件組成[5-6]。閥盤相交面積的交替變化產(chǎn)生周期性的壓力脈沖，從而帶動(dòng)振動(dòng)短接內(nèi)彈簧產(chǎn)生一定頻率的軸向蠕動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)上下鉆具柔和振動(dòng)，這種振動(dòng)將滑動(dòng)鉆進(jìn)中的鉆具與井眼的靜摩擦轉(zhuǎn)換為動(dòng)摩擦，減少了摩擦阻力。

工具的振蕩短節(jié)能將動(dòng)力短節(jié)馬達(dá)和盤閥短節(jié)產(chǎn)生的壓力脈沖轉(zhuǎn)化成機(jī)械運(yùn)動(dòng)，通常位于動(dòng)力短節(jié)之上的振蕩短節(jié)會(huì)完成這一工作，振蕩短節(jié)有一個(gè)靠彈簧承托的心軸，心軸在鉆桿內(nèi)部壓力和環(huán)空壓力之間實(shí)現(xiàn)密封，從而形成了一個(gè)馬達(dá)承壓面，當(dāng)動(dòng)力短節(jié)和閥總成產(chǎn)生的一個(gè)上游脈沖壓力作用到馬達(dá)承壓面上時(shí)，心軸就會(huì)完成一次上、下運(yùn)動(dòng)。振蕩短節(jié)的工作沖程范圍一般為3.18～9.53 mm （1/8″～3/8″），振蕩短節(jié)的軸向振動(dòng)始終保持鉆柱處于連續(xù)脈動(dòng)狀態(tài)[7]，從而達(dá)到降低鉆柱與井眼靜摩擦、改善鉆壓傳遞和減少扭矩波動(dòng)的目的。

3.1.2 振蕩螺桿鉆具

對(duì)于長水平段水平井而言，隨著井斜的增加，摩阻扭矩逐漸增加，采用常規(guī)方式施工后續(xù)定向會(huì)越來越困難，水力振蕩器對(duì)于降低滑動(dòng)鉆進(jìn)摩阻，提高施工效率具有良好的效果，另一種提速提效工具，振蕩螺桿鉆具通過短節(jié)配合螺桿馬達(dá)一起在馬達(dá)旋轉(zhuǎn)提供扭矩的同時(shí)，產(chǎn)生高頻的縱向沖擊力來提高鉆進(jìn)過程中鉆壓的傳遞及鉆進(jìn)的效率，適用于降低滑動(dòng)摩阻和硬脆性地層提高機(jī)械鉆速，并且具有壓降小，沖擊力大，適用排量范圍廣等優(yōu)勢。振蕩螺桿鉆具在勝利、四川、新疆等地區(qū)進(jìn)行了應(yīng)用，機(jī)械鉆速普遍提高30%以上，滑動(dòng)鉆進(jìn)過程中降低摩阻效果明顯，在提高機(jī)械鉆速的同時(shí)提高了定向效率，取得良好的應(yīng)用效果。

3.1.3 雙向扭擺系統(tǒng)

針對(duì)長水平段水平井滑動(dòng)定向效率低，托壓等問題，Torsion Drilling 鉆柱雙向扭轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)能夠有效解決滑動(dòng)鉆進(jìn)過程中機(jī)械鉆速低，定向效率低；工具面擺放和控制困難；鉆具下放困難，易發(fā)生憋泵等難題，有效減少鉆具粘卡風(fēng)險(xiǎn)。已在勝利、西南、鄂爾多斯、長慶、東北等推廣應(yīng)用30 多井次。應(yīng)用證明，當(dāng)托壓嚴(yán)重時(shí)，使用該系統(tǒng)可降低摩阻70%以上，定向提速50%以上，提高滑動(dòng)鉆進(jìn)單次行程進(jìn)尺，無需上提下放活動(dòng)鉆具，提速增效效果明顯。

3.2 近鉆頭地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)

近鉆頭地質(zhì)導(dǎo)向系統(tǒng)主要用于提高油層穿透率和井身軌跡控制精度，確定目的層位置并保證鉆頭在目的層中鉆進(jìn)。現(xiàn)在基于無線傳輸?shù)慕@頭伽馬和井斜的實(shí)時(shí)測量與傳輸，可以使得近井斜和伽瑪測量零長達(dá)到0.5 m，能夠更加精確地控制識(shí)別地層并控制井眼軌跡[8]，能更快地對(duì)地層的變化作出反應(yīng)，實(shí)時(shí)判斷地層含油/ 氣性、及時(shí)找準(zhǔn)油氣層，能夠更好地解決正安地區(qū)由于地層厚度薄、傾角大導(dǎo)致的儲(chǔ)層鉆遇率低的問題。

針對(duì)正安工區(qū)儲(chǔ)層薄、傾角大、變化快的復(fù)雜地質(zhì)特征，建議選用近鉆頭地質(zhì)導(dǎo)向工具及技術(shù)。其主要優(yōu)勢為傳感器距離鉆頭更近，可輔助快速地質(zhì)導(dǎo)向決策和快速定向決策，精確鉆井控制，降低出層風(fēng)險(xiǎn)，且適用多種井況（泥漿、欠平衡和空氣鉆井）。

4 治漏防塌鉆井液技術(shù)

4.1 防漏堵漏技術(shù)

根據(jù)正安工區(qū)10 口井漏失情況分析，主要特征為裂縫分布和發(fā)育不均勻；微裂縫連通性好，裂縫類別屬于中裂縫、微裂縫；易產(chǎn)生擴(kuò)展型裂縫；易發(fā)生重復(fù)性漏失；安全密度窗口窄；同一開次存在多套壓力系統(tǒng)；漏失后伴隨氣測值上升；漏失后存在返吐現(xiàn)象。通過巖心組構(gòu)分析表明，安頁2 井龍馬溪組頁巖樣品的微納米孔縫發(fā)育，孔縫尺寸分布范圍較廣，約0.01～10 μm，具有“裂隙（納米）-微裂縫（微米）”的多尺度特征。在鉆井施工過程中，若鉆井液隨鉆封堵性能不足，在流體壓力作用下，鉆井液沿微納米孔縫發(fā)育侵入地層，微裂縫便會(huì)逐步成為擴(kuò)展型裂縫，引發(fā)嚴(yán)重的鉆井液漏失。因此，正安工區(qū)預(yù)防井漏的產(chǎn)生和消除已發(fā)生的井漏，主要從三個(gè)方面入手：一是減少或消除井筒與地層之間的正壓差。在維持井壁穩(wěn)定、防止井控風(fēng)險(xiǎn)的前提下，盡量降低鉆井液密度，減少開泵壓力激動(dòng)，下鉆采用分段循環(huán)方式，保持鉆井液密度均勻，循環(huán)加重鉆井液需用重漿均勻加重。二是封堵漏失通道。采用剛性顆粒狀（核桃殼、石灰石等）+變形顆粒狀（孔網(wǎng)堵漏劑、橡膠顆粒等）+剛性片狀（云母片、谷殼等）+纖維狀（酸熔堵漏劑、亞麻纖維等）封堵漏失通道，根據(jù)漏失程度確定橋接堵漏材料的濃度、級(jí)配和用量。三是增大鉆井液在漏失通道中的流動(dòng)阻力。實(shí)驗(yàn)表明，漏失速度與鉆井液稠度系數(shù)呈冪函數(shù)關(guān)系，稠度系數(shù)越小，漏失速度越大。

4.2 井眼防塌技術(shù)

對(duì)于正安工區(qū)井壁失穩(wěn)問題，可有兩個(gè)途徑進(jìn)行解決：第一，鉆井液選擇白油基鉆井液體系，高溫高壓失水控制在2 mL 以內(nèi)，盡量減少濾液進(jìn)入地層的幾率；納米封堵劑屬于合成聚合物納米封堵劑，粒徑分布在50～500 nm，其具有粘結(jié)性、兩親性和微納米的特性，納米聚合物顆粒進(jìn)入地層后自主粘結(jié)裂縫，能均勻分散在油中和水中，極易吸附到微裂縫兩翼，因其粒徑為納微米球形，且具備較好的彈性和收縮性，即使顆粒直徑大于微納米裂縫，能夠有效進(jìn)入頁巖微裂縫，或在壓差作業(yè)下擠壓進(jìn)頁巖微納米裂縫。第二，強(qiáng)化油基鉆井液的封堵能力，提高氧化瀝青的加量、優(yōu)選納米封堵劑和井壁強(qiáng)化劑，及時(shí)封堵裸眼段的微裂縫，減少掉塊產(chǎn)生的幾率。

4.3 結(jié)論與建議

（1）正安工區(qū)長水平段水平井高質(zhì)量、高效率施工，主要依托于高效破巖工具和工藝、減摩降阻技術(shù)、近鉆頭地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)及治漏防塌鉆井液技術(shù)的集成應(yīng)用，各技術(shù)相輔相成，建立健康的提速提效體系；（2）目前正安頁巖氣鉆井軌跡高效控制依然依托于國外旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)，依然具有很大的降本空間，在之后的工作中，應(yīng)把優(yōu)化鉆具結(jié)構(gòu)和高效軌跡控制技術(shù)作為研究重點(diǎn)，進(jìn)一步降低對(duì)高成本技術(shù)和工具的依賴；（3）近鉆頭地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)正逐步發(fā)展成熟，是水平井安全著陸及優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層鉆遇率的最有效保障技術(shù)之一，應(yīng)提高國產(chǎn)近鉆頭地質(zhì)導(dǎo)向儀器的可靠性和市場規(guī)模，降低水平段施工成本；（4）防塌鉆井液技術(shù)能夠有效降低井壁失穩(wěn)造成的復(fù)雜概率，但目前應(yīng)用力度不足，應(yīng)加大該技術(shù)的進(jìn)一步優(yōu)化和推廣應(yīng)用。