空氣錘+霧化鉆井在低成本開發頁巖氣中的應用

代鋒 文永林 黃貴生 李林 王猛 吳昌軍

中石化西南石油工程有限公司鉆井工程研究院

重慶黔江地區頁巖氣資源豐富，但區域地貌、地質條件復雜，主要表現為：山地特征明顯，地表嚴重缺水，淺表地層溶洞裂縫發育、地層傾角大。前期施工的ZY1井、ZY2井均因井身質量差、惡性井漏頻發及堵漏效果受水源限制成功率低等問題，導致鉆井周期長、鉆井成本高。基于此，擬通過采取井身結構優化、在易漏地層探索應用特殊鉆井工藝、配套防斜提速工具等措施，實現黔江區塊頁巖氣井低成本高效勘探開發的目標。

1 區域地質特征與鉆井技術難點

1.1 區塊斷層、裂縫、溶洞發育，惡性井漏頻發

黔江頁巖氣區塊出露地層老，鉆穿表層約20 m厚的種植土后直接進入海相碳酸鹽巖地層；而劇烈的造山運動導致斷層、裂縫、溶洞異常發育，鉆井施工過程中漏失層段多、漏失井段長［1-2］。如ZY1井在一開井深32.68～433 m井段采用空氣鉆井技術未發生井漏，但因井身結構設計存在缺陷，表層套管沒有完全封隔住漏失層段，造成二開清水鉆進期間多次出現惡性井漏，漏失清水量達24 268 m3，處理井漏復雜用時49.85 d，最終因井下復雜而提前中完（中完井深由1 602 m調整為969.50 m）。ZY2井一開41.96～486 m采用常規鉆井，多處發生井漏失返，給鉆井施工帶來極大困難。

1.2 地層傾角大，井身質量難以滿足設計要求

區塊地層傾角最高達31°，且附近分布著規模不一的正、逆斷層，導致直井段鉆井過程中井斜角控制難度大。ZY1井采用鐘擺鉆具組合，在井深414 m井斜角達到3°，全角變化率3.59 （°）/30 m；井深950 m井斜角達4.97°，全角變化率2.13 （°）/30 m，超出《鉆井井身質量控制規范》（SY/T 5088—2008）允許范圍。井身質量控制要求見表1。

表1 設計井身質量控制要求Table 1 Design requirements for wellbore quality control

1.3 地層可鉆性差，鉆井周期長

井深1 000 m以內的淺表地層，自上而下依次是第四系，三疊系大冶組，二疊系長興、吳家坪、茅口、棲霞、梁山組，泥盆系水車坪組，以及志留系韓家店組。其中，梁山組以上地層巖性為石灰巖，水車坪、韓家店組為泥巖，棲霞組底部含燧石團塊，可鉆性差，鉆頭消耗量大，鉆井周期長。ZY1井二開433～969.50 m井段，采用常規鉆井方式，消耗牙輪鉆頭3只、PDC鉆頭5只，加之處理惡性井漏，總共鉆井周期達63.60 d；ZY2井一開41.96～486 m井段清水鉆進鉆井周期達14 d。

2 井身結構優化方案

前期實鉆資料表明，黔江頁巖氣區塊自地表至目的層龍馬溪組地層壓力系數變化不大（1.00～1.10），海相碳酸鹽巖地層整體穩定，不易發生井壁失穩復雜，鉆井難點主要集中在淺表層鉆遇溶洞或裂縫發生惡性漏失。因此，可將易漏地層作為必封點，將其全部納入一開井段，采用氣體鉆井技術解決地表缺水和嚴重漏失問題；此外配合使用空氣錘，利用空氣錘“低鉆壓”鉆井特性解決高陡構造帶來的易井斜難題［3-8］。鑒于鄰井在下部小河壩組鉆遇井漏堵漏損失的時間極為有限，對鉆井速度和周期影響不大，故可將二開和三開井段合并，簡化井身結構。以ZY3井為例，采用?660.4 mm鉆頭開孔，?508 mm導管以進入硬地層5 m左右同時不鉆開可能的淺表溶洞為原則確定下深，為下部實施氣體鉆井創造條件；一開井眼尺寸?444.5 mm，使用?339.7 mm套管以封隔靜水位線及以上易漏失地層；二開使用?215.9 mm鉆頭鉆進，鉆至設計完鉆井深，下入?139.7 mm套管完井。

3 空氣錘與霧化鉆井方式的選擇和適應性分析

3.1 氣體鉆井方式的選擇

不同環境因素的氣體鉆井方式優選原則見表2。

表2 不同環境因素的氣體鉆井方式優選原則Table 2 Optimization principles of gas drilling methods with different environmental factors

由于黔江頁巖氣區塊存在淺表地層惡性井漏、地面缺水、地層出水等難題，結合表2的優選原則，優選出霧化鉆井工藝，以減少地面清水消耗，同時通過大排量的空氣和黏度較高的霧化基液，實現井下攜巖攜水的安全要求［9］。

3.2 空氣錘與霧化鉆井的適應性分析

（1）出水地層應用空氣錘存在的問題。①現有的空氣錘在出水的砂泥巖地層鉆進時，易泥包，導致空氣錘工作時的上下行程間隙堵塞，造成空氣錘工作效率變低甚至失效；②回收的泡沫液中含有泥砂，易影響空氣錘內部活塞壽命，造成空氣錘早期損壞。

（2）空氣錘與霧化鉆井在黔江地區的適應性分析。黔江地區頁巖氣區塊一開主要在石灰巖地層鉆進，石灰巖不造漿，不易泥包鉆頭和鉆具，具備空氣錘在出水地層使用的井下安全條件；同時，為了避免循環介質對空氣錘活塞壽命的影響，嚴格使用干凈的循環介質，產生的返出液不循環利用。基于上述適應條件，可在黔江地區一開探索應用空氣錘配合霧化鉆井技術，實現防斜提速的鉆井目標。

4 現場試驗與應用效果分析

4.1 基礎數據

ZY3井、ZY5井兩口井均采用優化后的二開井身結構，一開采用空氣錘+霧化鉆井技術，實施干法固井；二開采用PDC鉆頭，配套MWD+單彎螺桿鉆具組合，使用低密度防塌鉆井液體系。其中，一開鉆具組合為：?444.5 mm空氣錘+ ?241.3 mm鉆鋌×2根+ ?203 mm鉆鋌×1根+ ?127 mm加重鉆桿×4根+ ?127 mm鉆桿，施工參數：空氣排量 150～200 m3/min，霧化液排量 1～2 L/s，鉆壓 20～30 kN，轉速 20～40 r/min，立壓 2.2～3.5 MPa。

4.2 試驗效果

4.2.1 有效解決了淺表地層惡性井漏難題 ZY3井、ZY5井兩口井在溶洞裂縫發育的一開淺表地層順利實施霧化鉆井技術，無漏失，有效避免了惡性井漏復雜情況的發生，實現了頁巖氣綠色環保勘探開發；二開ZY3井在韓家店組、ZY5井在小河壩組底部發生漏失，通過專項堵漏，漏速降至3 m3/h左右，其他多為滲漏和微漏，對鉆井速度和周期影響不大。驗證了二開制井身結構的合理性。

4.2.2 井身質量控制較好 一開霧化鉆井期間，使用空氣錘+大尺寸鉆鋌的塔式鉆具組合，利用空氣錘低鉆壓、低轉速、高沖擊頻率的破巖特性［10-11］，很好地解決了黔江地區高陡構造井斜控制困難的問題。如表3所示，最大井斜均在2°以內，水平位移小于30 m，符合表1規范要求。一開中完后，起下鉆無掛卡，干法固井下套管時井壁通暢，井身質量控制較好。

表3 ZY3井、ZY5井一開井身質量數據統計Table 3 Statistics of wellbore quality data of the first spud sections for two wells

表4 試驗井鉆井指標對比Table 4 Comparison of drilling indexes in test wells

4.2.3 鉆探成本降幅明顯 ZY3井、ZY5井通過簡化井身結構，一開順利實施空氣錘+霧化鉆井技術，實現了很好的提速效果，如表4所示，同比前期，一開井段機械鉆速由2～3 m/h分別升至ZY3井的6.07 m/h和ZY5井的7.15 m/h，提速達2倍以上。兩口井全井鉆井周期均控制在45 d以內，同比ZY1井、ZY2井平均鉆井周期112.75 d，ZY3井鉆井周期縮短65.48%，ZY5井鉆井周期縮短61.27%，此外，將三開制井身結構簡化為二開制，節約了?244.5 mm套管約2 000 m，大大降低了鉆井成本。

5 結論與建議

（1）淺表地層惡性井漏是制約黔江地區頁巖氣勘探開發的主要難題。用表層套管將靜水位線及以上易漏地層進行有效封隔，將三開制井身結構縮減為二開制井身結構，有利于縮短全井鉆井周期，節約勘探開發成本。

（2）空氣錘與霧化鉆井技術配套，適宜于造漿性不強的海相碳酸鹽巖地層，充分發揮二者的優勢，對解決淺表地層惡性井漏、易斜、地面缺水、鉆速慢等鉆井難題效果較好。

（3）頁巖氣區塊地質環境復雜，建議在鉆前根據電法探測或者其他方式落實淺表地層中硬地層埋深和可能的淺表溶洞埋深，為針對性地調整優化井身結構創造條件。