滇黔川頁巖氣鉆井技術難點及對策

張永強，張俊杰，彭云暉，唐守勇

中國石油浙江油田分公司天然氣勘探開發事業部（浙江杭州310023）

■案例分析處理

滇黔川頁巖氣鉆井技術難點及對策

張永強，張俊杰，彭云暉，唐守勇

中國石油浙江油田分公司天然氣勘探開發事業部（浙江杭州310023）

滇黔川頁巖氣作為一種非常規天然氣藏，其開采難度大，鉆井周期長、成本高。通過“工廠化”鉆井作業，氣體鉆井技術、個性化鉆頭設計、防漏堵漏技術及水平井固井技術等技術研究攻關及現場試驗，以全面解決鉆井瓶頸技術，助推頁巖氣鉆探技術的進步。

頁巖氣；鉆井；水平井；井漏；固井

21世紀以來，隨著水平井鉆探和分段壓裂技術日臻成熟，美國頁巖氣勘探開發取得突破性進展，作為一種低碳新能源，我國政府和企業高度重視頁巖氣的勘探開發[1-3]。目前頁巖氣被批準列為單獨礦種，國土資源部已組織多輪區塊招標，在全國掀起了“頁巖氣熱”。國內頁巖氣勘探工作起步較晚，尤其是水平井作業剛起步，鉆井工藝技術尚不成熟。主要制約頁巖氣鉆井的因素:井身結構確定及井眼軌跡控制困難；井漏嚴重，防漏堵漏成功率低；部分井段鉆速低，地層可鉆性差制約機械鉆速；水平井固井質量要求高，固井質量保障困難；頁巖易垮塌，井壁穩定性缺乏理論支持等。

針對上述技術難點，根據現場實鉆情況及各油田分公司、鉆探公司和研究機構等通過開展項目研究和現場試驗效果，提出一些針對性的技術措施，以推進頁巖氣鉆探技術的進步。

1 頁巖氣鉆井提速

中國石油、中國石化主要頁巖氣探區分布在滇黔川，主要目的層為志留系、寒武系海相泥頁巖。海相地層不確定因素多，特別是鉆遇致密砂巖、灰巖等老地層，地層堅硬，研磨性強，可鉆性差。國產鉆頭很難突破提速技術瓶頸，采用國外鉆頭，雖然提速效果較明顯，但成本高，不能適應頁巖氣低成本大面積開發。攻克頁巖氣鉆進提速瓶頸是科研攻關的關鍵。

1.1 “工廠化”鉆井施工作業

傳統叢式井的施工是一口井完井后，整拖至第二口井。“工廠化”鉆井施工是將鉆井過程的一開、二開、三開流水作業，即鉆機采用前后整拖，全部完成一開后，再進行二開施工，依此類推。“工廠化”鉆井，可以減少各次開鉆固井水泥候凝時間，可能實現不同層段專打技術，即實現一開表層專打技術、水平段專打技術、特殊復雜井段專打技術等，減少鉆井成本消耗，提高施工速度和效益。“工廠化”施工，主要是在鉆機底座下安裝液力軌道，通過液壓千斤頂推動鉆機在設計井位間的前后移位，速度快，復位精確。

1.2 一開、二開非目的層采用氣體鉆進

滇黔川探區是典型的喀斯特地貌，上部的三疊系、二疊系的灰巖、石英砂巖等地層，裂縫與溶洞井漏普遍，巖性堅硬和研磨性強，地層抗壓強度34.48~ 344.8 MPa(5 000~50 000 psi)，地層可鉆性差。上部地層鉆井機械鉆速低，防漏、堵漏難度大成本高，鉆井周期長。為解決上述技術瓶頸、采用空氣鉆井技術，解決了上部層段的井漏問題，同時機械鉆速得到大幅度提高，縮短鉆井周期。

1.2.1 優選空氣鉆頭

選用平底凸面型鉆頭（PDC和金剛石鉆頭）,該型鉆頭針對極硬地層設計，鉆進時采用低鉆壓和低鉆速，轉速為30~50 r/min。當巖石特別硬時，也可以施加較高的鉆壓。

1.2.2 空氣注入量的計算采用美國PHILIP公司R.R Angel推導的公式: Q=Q0+NH

其中：Q為空氣注入量，m3/min，它與機械鉆速、井徑及鉆桿直徑有關；H為井深，km；N為循環速度與井深的關系曲線的斜率，m3/（s·1 000 m），相當于1 000 m井所需要的空氣量，它與機械鉆速，井徑和鉆桿直徑有關;Q0為基本空氣耗量，它與井徑和鉆桿直徑有關，經驗推薦的排量為返速15.25 m/s時，確定空氣或天然氣需要量的數據。Q0可由表1查出。

表1 基本空氣耗量與循環速度及井深的關系表

1.3 優選鉆頭及鉆進參數，提高鉆速

針對難鉆地層巖性主要以致密砂泥巖和灰巖為主，含有礫石，地層膠結非常致密,抗壓強度高(206.9 MPa)，SMITH公司推薦了高抗研磨的SHARC鉆頭。其優點為：所有刀翼均雙排，研磨性極強；異步切削結構，在主刀翼切削齒磨損到特定條件前SHARC備用齒不接觸地層，適應于軟到中硬地層（研磨性較強的砂巖，碳酸鹽巖和泥頁巖），軟硬夾層的地層；增加了肩部主要切削地層區域的金剛石體積，增強了鉆頭的耐久度。

寶1井三開清虛洞組采用斯倫貝謝高抗研磨的SHARC鉆頭，鉆時達到了2.64 m/d，同井段比鄰井提高了49%。

2 頁巖水平段的防塌技術

水平井的設計井眼軌跡一般沿最小主應力方向，此方位井壁最易坍塌，尤其是高地應力區塊，頁巖垮塌非常嚴重。如西南油氣田所鉆的寧201H1井處理頁巖的垮塌長達40天。目前頁巖的防塌主要依靠鉆井液的化學抑制、鉆井液體系及配方、巖石應力平衡、合理的鉆井液密度等。通過近幾年對地應力的研究分析和鉆井液性能的優化，防塌技術取得了階段性的成果[4-5]。

1）強化鉆井液抑制性能和封堵能力，降低濾失量，防止頁巖地層的井壁失穩。采用油基鉆井液，推薦配方：柴油+10%～12%氧化瀝青+3%～4%有機土+1%～1.2%主乳化劑+1%～1.5%輔助乳化劑+5%油基降濾失劑+1%～2%潤濕劑+5%～10%生石灰+加重劑。優點：油基鉆井液分散介質為柴油，由于它沒有吸附性，因此具有吸附性的黏土類礦物在柴油中不分散，能保證井下穩定，保護氣層;油基鉆井液中含有較多成分的瀝青，使鉆井液具有很好的潤滑性和封堵井壁裂縫;油基鉆井對溫度較敏感，表現在地面稠，地下稀，懸浮性不及水基鉆井液。

2）確定合理的鉆井液密度。水平段需防止應力坍塌，在井斜達到30°之前將鉆井液密度提到1.50g/cm3以上，并根據實鉆情況，逐步提高鉆井液密度。

3 頁巖氣水平井固井質量

3.1 技術難點

由于頁巖氣水平井完井后均需要進行分段體積壓裂，因此對水平段固井質量要求高，且目前鉆井均采用油基泥漿，更增加了固井難度，主要體現在：套管居中困難;井壁油基鉆井液清除困難;水泥漿性能及漿體穩定性要求高。

3.2 技術對策

3.2.1 提高套管居中度

扶正器尺寸：采用鋼性滾珠扶正器。扶正器安放位置：直井段為每3根套管加一只扶正器；斜井段為在小井斜角段，每間隔2～3根套管裝一只扶正器；水平井為需要每根套管裝一只扶正器。

3.2.2 提高頂替效率

1）清洗井眼。套管下入后，開泵循環一周，向井筒加入密度1.85 g/cm3、井底溫度下漏斗黏度不低于120 s、切力不低于15 Pa泥漿30 m3進行攜砂洗井，排量要求環空上返速度不低于1.3 m/s，直到高黏鉆井液循環帶砂后振動篩上基本沒有砂子和大塊濾餅。

2）優化隔離液。環空高度200～300m黏滯加重隔離液，控制水泥漿與泥漿竄槽。

3）增大接觸時間。注入水泥漿比理論需要量多1 015 m3，增大接觸時間。

4）優化注替排量。環空返速1.1～1.5 m/s進行水泥漿注替施工。

5）優化流體流變性。頂替液的動切力、塑性黏度、動塑比被頂替液的相應參數高，形成流變性級差，實現有效驅替。

3.2.3 提高膠結強度

1）固井前采用30 m3以上水基泥漿+占環空200～500 m加好表面活性劑的沖洗液，徹底改變井壁和套管壁潤濕性，使從親油變親水，提高第一、第二膠結面膠結強度。

2）全井筒采用清水頂替技術，固井結束采用環空蹩壓侯凝技術，增大管內外壓差，減小第一、二膠結面微間隙，同時對大斜度和水平段有漂浮頂替作用。

3.2.4 水泥漿性能設計

采用塑性抗折、抗沖擊、防竄水泥漿體系，抗沖擊能力、抗折性能較普通水泥漿提高15%，全面優化水泥漿綜合性能。

4 結論

1）滇黔北地區上部地層（羅惹坪組、龍馬溪等）存在致密砂巖夾層，軟硬交錯頻繁，對鉆頭的沖擊性很強，同時這些夾層的研磨性也很強，部分地區婁山關組灰巖抗壓強度極高。應加強PDC鉆頭的個性化設計。

2）大力推廣氣體鉆井技術，針對不同地層情況，采用空氣鉆井、氮氣鉆井、充氣鉆井、泡沫鉆井、霧化鉆井等技術，以全面解決鉆井瓶頸技術。

3）頁巖儲層傷害及井壁穩定機理，有助于優化井眼軌跡、確定合理的鉆井液體系及密度等。

4）頁巖氣水平井固井技術，水平段采用油基泥漿情況下如何有效清除油基泥漿，即隔離液、沖洗液等方面的研究，提高水平段固井質量。

[1]郭小陽,楊遠光,李早元,等.提高復雜井固井質量的關鍵因素探討[M].北京:石油工業出版社，2004．

[2]趙福祥,汪桂娟,李曉嵐.非常規固井技術存在的問題與研究方向[M].北京:石油工業出版社,2004．

[3]許期聰，劉奇林，候偉,等.四川油氣田氣體鉆井技術[M].北京:天然氣工業，2004．

[4]王中華.頁巖氣水平井鉆井液技術的難點及選用原則[J]．中外能源，2012,17(4):43-47．

[5]王華平,張鋒,張德軍，等.威遠構造頁巖氣鉆井技術探討[J].鉆采工藝,2012,35(2)：9-11.

As a kind of unconventional natural gas reservoir,the exploitation of the shale gas in Yunnan,Guizhou and Sichuan is diffi?cult,and the well drilling is of long cycle and high cost.The difficulties encountered in the shale gas drilling were solved through the“factory”drilling operation,the gas drilling technology,the individual bit design,the mud loss prevention and plugging technology and horizontal well cementing technology.

shale gas;drilling;horizontal well;mud loss;well cementing

尉立崗

2017-04-08

張永強（1966-），男，工程師，從事石油鉆井工程工作。