川西首口頁巖氣水平井鉆井技術

劉忠飛何世明全家正周回生丁俊選

（1.西南石油大學石油工程學院18，四川成都 610500；2.中石化西南油氣分公司工程監督中心，四川德陽 618000）

川西首口頁巖氣水平井鉆井技術

劉忠飛1何世明1全家正2周回生2丁俊選2

（1.西南石油大學石油工程學院18，四川成都 610500；2.中石化西南油氣分公司工程監督中心，四川德陽 618000）

XYHF-1井是川西地區第1口頁巖氣勘探水平井，在其鉆井過程中存在機械鉆速低、井身質量難以控制、鉆井液選擇困難、井控風險大、井壁穩定性差等難題。在深入分析該井鉆井難點的基礎上，重點闡述了井身結構優化、井眼軌跡控制、鉆具組合優化、安全鉆進和儲層保護等關鍵鉆井技術及其應用效果，并簡要介紹了旋轉導向鉆井、油基鉆井液和滑套固井技術在該井的應用情況。全井鉆井周期253.17 d，平均機械鉆速1.6 m/h（含直導眼段），全井井徑擴大率小于12%，上部井段最大井斜為0.87°，施工效果較好。應用效果表明，合理的井身結構和井眼軌道優化設計，是保證淺層水平井順利實施的前提；加強摩阻扭矩預測、采用安全鉆進措施和良好性能的鉆井液，是預防井下復雜情況和安全鉆進的重要保證，該井的順利完鉆，為同類井提供了實踐經驗。

頁巖氣；水平井；鉆井技術；井眼軌跡；XYHF-1井

隨著常規天然氣勘探開發的不斷深入和國外頁巖氣的成功開發，我國頁巖氣資源的勘探開發也全面鋪開。頁巖氣主要賦存于黑色頁巖和碳質頁巖中，以吸附氣為主要賦存狀態，具有分布范圍廣、厚度大、埋藏深度較淺、低孔低滲等特征。頁巖氣在我國的探明儲量約為3×1012m3，超過常規天然氣儲量4.1×108m3，具有極大的勘探開發潛力［1-4］。為推動頁巖氣在我國的勘探開發進程，中石化西南分公司在川西部署了第1口頁巖氣水平井—XYHF-1井。該井的順利完鉆，標志著川西地區頁巖氣水平井鉆井技術探索取得了初步成功，并由此揭開了川西頁巖氣大開發的序幕。為此，有必要對XYHF-1井的水平井鉆井技術進行歸納總結，為后續的頁巖氣開發提供技術支撐和理論依據。

1 施工難點分析

XYHF-1井以須家河組五段為目的層，三開進行了直導眼鉆進，然后進行側鉆，實際完鉆井深4 077 m，最大井斜角為91.4°。該井在鉆井過程中存在地層傾角大，軟硬地層交錯、巖性變化大、巖石可鉆性差等問題，同時由于無參考資料可借鑒，給安全順利鉆井帶來了風險。主要施工難點如下。

（1）地質情況復雜。該井所鉆地層成巖性好，研磨性強，可鉆性差，使機械鉆速低，鉆頭易失效；地層巖性交錯，軟硬交錯且夾層多，防斜打直難度較大；地層破碎帶多，泥頁巖厚度較大，遇水剝蝕膨脹，井壁失穩可能性大；第四系及劍門關組地層含礫巖及石英較多，蹩跳鉆嚴重，易造成鉆具事故；沙溪廟至須家河組地層壓力異常，裂縫較為發育，泥頁巖含量較高，容易出現井漏、垮塌、掉塊等鉆井事故。

（2）快速鉆進難。在鉆上部井段時，鉆頭尺寸大，破巖量大，泵排量不易達到設計要求，巖屑攜帶困難；在鉆小井眼時，攜巖困難且起下鉆頻繁，影響機械鉆速；因蹩跳鉆嚴重，使用鐘擺鉆具組合，會降低機械鉆速；所鉆地層井壁穩定性差，井下事故多，快速鉆進難度大。

（3）井身質量控制難。該井二開主要鉆遇地層為蓬萊鎮組，該地層為高陡地層，地層傾角大易井斜，井身質量控制難度大；該井鉆遇地層裂縫發育，經常發生井漏、氣侵等事故，嚴重影響鉆井液性能，從而會影響MWD無線隨鉆測斜儀對井眼的監控。

（4）鉆井液選擇困難，井控風險大。該井鉆遇地層含多套壓力系統，同裸眼井段多種復雜情況并存，鉆井液比重的可選范圍窄；該井井底水平位移較大，鉆具的摩阻扭矩大，對鉆井液的潤滑性能要求高；須家河地層為高壓氣層，裂縫性氣層較多，上竄速度快，井控風險大且易井漏。

2 鉆井關鍵技術

2.1 井身結構和井眼軌跡優化技術

井身結構設計是鉆井成功實施的一項關鍵技術，該井根據地層特點、地層壓力及鉆井技術狀況，并結合完井和儲層改造等進行井身結構設計［5-6］。一開表層套管主要封隔第四系和劍門關組上部易漏、易塌的地層和地表水；二開技術套管主要封隔遂寧組及其上部低壓和不穩定地層；三開技術套管主要為四開水平段安全鉆進創造條件；四開下套管，進行套管完井，其井身結構如圖1所示。

圖1 XYHF-1井井身結構

依據該井井口和靶點的部署情況，確定該井的造斜點在千佛崖組地層，剖面選擇為“直—增—增—平”剖面。第1造斜段造斜率為13.51 （°）/100 m，第2造斜段造斜率為14.21 （°）/100 m，造斜角達到89.37°，穩斜鉆至完鉆井深。這種剖面軌跡簡單，減少了斜井段復合鉆進尺，增加了連續定向增斜進尺，能保證井眼軌跡平滑，減少局部增斜和降斜井段，減小了鉆柱與井壁的接觸面積，能有效降低全井摩阻。

2.2 井身質量控制技術

該井為頁巖氣井，多含泥巖和頁巖，井壁穩定性差，井身質量難以控制。通常井身質量和機械鉆速之間存在直接矛盾，為了兼顧二者，只能從鉆具結構和鉆井參數方面做出及時有效的改變和調整［6］。上部直井段井身質量控制主要考慮防斜打直問題，一開和二開井段（0～1 867.22 m）主要采用常規塔式鉆具結構進行輕壓吊打并引入減震器減輕跳鉆，防斜打直效果較好；三開井段（1 867.22～2 600 m）采用單穩定器柔性鐘擺鉆具組合進行井眼的防斜與糾斜，該井段最大井斜角為0.42°，效果較好；另外，加密井身質量檢測，為防斜打直提供直接依據，及時進行鉆具組合和鉆井參數的優化；堅持劃眼修整井眼，防止井壁出現臺階。在定向造斜段主要考慮井斜和方位的控制，三開井段側鉆時采用?311 mm3A+?216 mm直螺桿+2.5°彎接頭+?203.2 mm無磁鉆鋌×1根+MWD隨鉆短節+?127 mm加重鉆桿×23根+?127 mm鉆桿的鉆具組合，造斜時根據造斜情況選用1.25°或1.5°螺桿，由MWD儀器跟蹤檢測，選擇滑動鉆進和復合鉆進交替進行，保證了造斜段軌跡平滑。在鉆四開水平段時需加強井斜數據的跟蹤，控制好方位，采用的鉆具組合為：?215.9 mmPDC+?172 mm1.25°單扶螺桿+回壓閥+?127 mm無磁承壓鉆桿+MWD短節+?127 mm鉆桿+?127 mm加重鉆桿+?127 mm鉆桿+?139.7 mm鉆桿。經常上下活動鉆具防止卡鉆，并注意工具面的擺放角度。

另外使用了無線隨鉆測量技術；加強摩阻扭矩的理論計算與實際起下鉆、鉆進摩阻扭矩的對比分析；鉆進時堅持“少滑動、多旋轉、微調勤調”原則；多采用減摩降阻的鉆井液，提高其穩定性和潤滑性［5］。

2.3 安全鉆進技術

（1）加強短起下鉆和通井，確保井眼暢通［7-8］。根據施工情況采取短程起下鉆、分段循環等措施及時清除巖屑床，中途更換柔性鉆具組合專門通井，保證施工安全。

（2）控制好起下鉆速度。在鉆遇泥巖、頁巖時，縮徑、垮塌嚴重，且鉆具重量不足，起下鉆困難，需嚴格控制起下鉆速度，遇阻不得超過正常摩阻40～60 kN，避免卡鉆事故的發生。

（3）簡化鉆具結構，優化鉆井液性能。鉆遇易坍塌地層，不帶扶正器進行鉆井作業施工，并提高鉆井液的造壁、護壁性能及對微細裂縫的封堵能力，減輕鉆井液對井壁的沖刷。

（4）定期倒換下部及中和點附近鉆具，防止發生鉆具疲勞破壞。

（5）運用套管防磨技術［8-9］。用計算機模擬井下鉆具受力狀況，在側應力較大、套管易磨損的井段，接入防磨接頭；在鉆井液中加入減磨劑，減少套管和鉆具之間的磨損。

2.4 鉆頭優選技術

該井上部地層不同巖性呈現不等厚互層，易出現蹩跳鉆現象，上下沙溪廟組地層易出現掉塊；下部地層自流井組和須家河組地層研磨性強、可鉆性差。因此，一開選擇了川石的?660.4 mmPC2牙輪鉆頭，控制井斜和抑制跳鉆效果顯著；二開鉆遇地層相對松軟，主要考慮提高機械鉆速和防斜打直，選用PDC鉆頭進行復合鉆進，對提高機械鉆速和控制井身質量效果明顯；三開井段多以頁巖為主，主要選用六道翼以上的PDC鉆頭，在穩定工具面和保持井眼平滑方面表現良好；須家河五段地層砂巖含量多，為在定向時穩住工具面，選用了勺形齒，寬齒、采用掌背加厚、抗研磨性強的江漢HJT537GK牙輪鉆頭。四開屬于水平段，選用成都百施特T1655B PDC鉆頭，整體表現良好。

該井PDC鉆頭使用比較成功，一方面可以保證井眼規則；另一方面能充分發揮螺桿復合鉆進的優勢。牙輪鉆頭在使用時間上要根據地層以及鉆壓參數的控制等多方面考慮，在確保鉆頭安全工作的同時達到最優使用效果。

2.5 儲層保護技術

對于頁巖氣而言，滲透率小于0.001 mD，孔隙度介為4%～6%，屬于低孔低滲氣藏，因此對頁巖氣儲層的保護就顯得尤為重要。該井鉆穿目的層時選用了與儲層巖石和儲層流體相配伍的兩性復合離子聚磺鉆井液，保持鉆井液始終處于優良狀態鉆穿目的層位；鉆進氣層井段時，鉆井液密度盡量靠低限，開展欠平衡鉆井，密度附加值0.07 g/cm3；嚴格控制鉆井液的濾失量，API失水量小于等于4 mL，HTHP小于等于10 mL，盡量減少固相和液相對氣層的損害；鉆進過程中堅持預防為主、防堵結合的原則，如有井漏先降低排量和鉆井液密度，再采用可酸化解堵的防堵劑和堵漏劑；加強固控設備的使用和維護，控制無用固相和含砂量。

2.6 新工藝、新技術

在鉆井過程中先后運用了旋轉導向鉆井技術、油基鉆井液體系及滑套固井分段壓裂技術。該井在井斜達到60°后，使用了哈里伯頓旋轉導向儀器，在使用旋轉導向鉆進前，使用雙扶模擬旋轉導向鉆具強行通井，通井到底后大排量循環洗井，然后開始下入哈里伯頓旋轉導向儀器。該井在使用哈里伯頓旋轉導向儀器時因沒有帶動力鉆具，平均機械鉆速為0.75 m/h，提速效果不明顯，不過在造斜率控制和工具面控制方面表現卓越，實現了精確的井眼軌跡控制。該井為解決因上部地層垮塌造成的水平段鉆進摩阻扭矩大、托壓嚴重等難題，使用了油基鉆井液。油基鉆井液對井壁的抑制能力較強，使得鉆進時掉塊減少，能帶出井底細小巖屑，在穩定井壁和攜砂方面優于仿油基等水基鉆井液。該井為滿足頁巖氣較大壓力改造施工，首次采用了滑套固井技術，其中投球滑套9個，壓差滑套1個。該技術的優點在于滑套隨套管一趟下入，無需射孔和額外的封井器卡層，壓裂作業一趟連續完成，對川西勘探開發和提速效果具有重要意義。

3 應用效果分析

針對該井所存在的技術難題，采用了以上相應的技術措施，對該井順利而安全地完鉆起到了顯著的作用。旋轉導向技術和MWD的應用減小了所鉆井段的狗腿度，井眼光滑，有效降低了摩阻扭矩；PDC+螺桿的復合鉆進技術在提高機械鉆速和定向造斜方面，效果顯著；該井在鉆到3 417.8 m處時，振動篩出現掉塊，然后轉為油基鉆井液后，掉塊明顯減少且顯著降低了摩阻扭矩，在鉆到目的層時，采用兩性復合離子聚磺鉆井液，有效地保護了儲層，API失水量小于2 mL，高溫高壓失水小于5 mL，且濾餅質量薄而致密。全井鉆井周期253.17 d （含直導眼段），平均機械鉆速1.6 m/h（含直導眼段），純鉆時間利用率為47.14%，全井井徑擴大率小于12%，井徑較規則，上部井段最大井斜為0.87°，施工效果良好。

4 認識與結論

（1）水平井具有增加滲流面積，提高產量和采收率的技術優勢，是頁巖氣開發的核心技術之一，其鉆井水平的高低決定了頁巖氣的開發進程。

（2）頁巖氣水平井的鉆井難點主要表現為井壁穩定性差、井下復雜情況多、摩阻扭矩大、儲層保護困難等方面，應在井身結構、鉆井液性能、鉆頭選擇、儲層保護等工藝措施上加以優化。

（3）合理的井身結構和井眼軌道優化設計，是保證淺層水平井順利實施的前提；加強摩阻扭矩預測、采用安全鉆進措施和良好性能的鉆井液，是預防井下復雜情況和安全鉆進的重要保證。

（4）旋轉導向鉆井技術、滑套固井技術和油基鉆井液等新技術新技術的使用，對提高川西地區頁巖氣勘探開發進程和機械鉆速有極其重要的意義。

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（修改稿收到日期 2013-12-24）

〔編輯 薛改珍〕

Drilling technology for the first shale gas horizontal well in West Sichuan

LIU Zhongfei1,HE Shiming1,QUAN Jiazheng2,ZHOU Huisheng2,DING Junxuan2
（1.Petroleum Engineering School of Southwest Petroleum University,Chengdu610500,China;2.Engineering Supervision Center,Sinopec Southwest Oil &Gas Company,Deyang618000,China）

XYHF-1 well is the first shale gas prospecting horizontal well in west Sichuan.However,there are many difficulties in its drilling process,such as the low ROP,difficulty in controlling the well body quality,difficulty in selection of drilling fluid,high risk of well control and poor stability of well wall.This paper mainly elaborates the key drilling technologies and application effects,such as optimizing well structure,controlling wellbore track,optimizing drilling tools,safely drilling and reservoir protecting technology based on the analysis of drilling difficulties.At the same time,this paper briefly introduces application of some new technologies in this well,such as rotary guide drilling,oil-based drilling fluid and sleeve cementing techniques.The drilling cycle time is 253.17d for full hole,average ROP is 1.6m/h (including the pilot hole),the enlargement rate of full hole diameter is below 12%,and the maximum well deviation of the upper part is 0.87°,the construction effect is good.The application results show that reasonable well structure and borehole trajectory design is the basic premise of smooth drilling of shallow horizontal wells;and strengthening the prediction of friction and torque and using safety measures and good performance drilling fluids are the important guarantee for the safety drilling.The successful finish drilling of this well provides practical experience for similar wells.

shale gas;horizontal well;drilling technology;wellbore track;well XYHF-1

劉忠飛，何世明，全家正，等.川西首口頁巖氣水平井鉆井技術［J］.石油鉆采工藝，2014，36（1）：18-21.

TE243

：A

1000-7393（2014）01-0018-04

10.13639/j.odpt.2014.01.005

劉忠飛，1987年生。油氣井工程專業2011級在讀碩士研究生，現主要從事鉆井工程方面的研究工作。電話：13699420658。E-mail：liuzhongfeiqj@126.com。