昭通地區頁巖氣水平井鉆井難點與對策分析

楊 芳 覃 軍 李兆豐 唐守勇 李燕燕

中國石油浙江油田公司

0 引言

昭通示范區是“十二五”期間國家設立的長寧——威遠、昭通、涪陵、延安等4個國家級頁巖氣示范區之一，目前已完成頁巖氣開發水平井97口，分布在黃金壩——紫金壩——大寨——云山壩。隨著頁巖氣勘探開發的不斷深入，鉆遇的地層趨于復雜，存在很多鉆井難點問題，嘉陵江組、飛仙關組、茅口組、棲霞組為碳酸鹽巖地層，溶洞裂縫發育，易漏；韓家店組、石牛欄組巖石硬、強度高，可鉆性差；龍馬溪組裂縫發育，易漏且井壁不穩定易引發阻卡，給鉆井施工帶來一定的挑戰[1-6]。本文針對這些問題，研究其解決對策和措施，旨在提高鉆井速度，提升鉆井工程質量。

1 昭通示范區頁巖氣水平井鉆井技術現狀

通過數十年的勘探開發建設，逐步形成昭通頁巖氣示范區水平井鉆井工藝配套技術。采用“直——增——穩——增——穩”五段式井眼軌跡，分別在二開、三開上部造斜使三維軌跡二維化；采用三層井身結構，一開至飛仙關組上部，二開至韓家店組上部，三開至完鉆；水平段采用油基鉆井液或者高潤強抑性水基鉆井液；三完采用韌性水泥漿體系。至2017年底，平均機械鉆速5.51 m/h，鉆井周期73.19 d，生產時效87.3%，與初期相比，取得了較好的效果。但頁巖氣水平井鉆井綜合水平與美國相比還有較大的差距，提速提效工作需要不斷取得進展，鉆井周期需要不斷縮短[7]。

2 昭通頁巖氣水平井鉆井難點分析

2.1 機械鉆速低

昭通頁巖氣示范區上部地層為三疊系和二疊系，地層老，巖石硬、強度高，中下部韓家店——石牛欄組地層非均質性強、軟硬交錯，地層巖石可鉆性差，鉆頭適應性差[8]。各地層機械鉆速低，單井機械鉆速普遍較低，從2014年至2017年，機械鉆速上升不明顯（表1、圖1）。

2.2 阻卡頻發

2014年至2017年共有25口井發生33井次阻卡，損失時間552.96 d。阻卡發生在嘉陵江組、茅口組、棲霞組、峨眉山玄武巖、韓家店組、石牛欄組、龍馬溪組7個地層；主要發生在龍馬溪組、棲霞組、茅口組、嘉陵江組；其中龍馬溪組占比66.67%（圖2）。

處理卡鉆的方法大致有8種。其中打水泥塞提前完井及側鉆填井占24.24%，震擊解卡占33.3%，其余依次為活動鉆具解卡、短起下解卡、泡解卡劑解卡、注水封固井壁等（圖3）。可見阻卡對鉆井工程施工影響較大。

表1 各層鉆頭平均機械鉆速表

圖1 2014-2017年完成井單井井機械鉆速圖

圖2 各地層卡鉆頻率和損失時間占比圖

2.3 井漏頻發

圖3 卡鉆處理措施圖

表2 昭通頁巖氣區漏失層位統計表（按地層從上往下的順序排列）

2014——2017年共有56口井的217井次漏失層位進行統計（表2）[9-12]，結果顯示在昭通頁巖氣示范區，所有鉆遇的地層中均發生了不同程度的井漏，主要漏層為茅口組、龍馬溪組、棲霞組、嘉陵江組。中上層主要以溶洞性漏失和裂縫性漏失為主，下部地層以裂縫性和滲透性漏失為主。滲透性漏失56井次，占比25.8%；裂縫性漏失80井次，占比36.87%；溶洞性漏失81井次，占比37.33（圖4）。

在鉆進情況下最容易發生井漏，漏失202井次，占比93.08%，其次是劃眼情況下，漏失6井次，占比2.76%。在循環、下套管、固井、起鉆、下鉆、短起下等工況下發生的漏失，共16井次，占比4.14%（圖 5）。

3 昭通頁巖氣水平井鉆井提速對策與應用

3.1 提高機械鉆速對策

眾所周知，鉆進過程中，鉆壓、轉速、水力因素、鉆井液性能以及鉆頭的牙齒磨損等是影響鉆速的主要因素。除此之外，鉆頭質量的優劣及其與其他鉆井工藝條件是否適應，也直接影響鉆井速度[13]。

1）強化鉆井參數

強化鉆壓、排量、扭矩等鉆井參數，排量由20～24 L/s優化為30～35 L/s；鉆壓由8～10 t優化為12～15 t；轉速由30～40 r/min優化為60～70 r/min。并對鉆機配套設備進行升級改造，以適應鉆井參數施工需要，達到提高機械鉆速的目的。①泥漿泵：鉆機配備3臺1600型泥漿泵，耐壓52 MPa以滿足大排量、高泵壓鉆進工況需要；采用“兩用一備”模式實現泥漿泵無停鉆檢保時間，提升作業效率。②循環系統、立管：均使用52 MPa，為高泵壓施工提供裝備保障。③鉆桿：全井采用139.7 mm鉆桿，增大水眼，降低施工泵壓以提高排量的要求。④固控設備：強化固控，降低固相含量。

圖4 各地層井漏類型統計圖

圖5 井漏發生時的工況分布圖

2）優選鉆頭型號

用模糊優化理論對鉆頭效益指數法的3個量進行無量綱化、數量級統一化處理，同時引入評價權重，改造完善鉆頭效益指數法，綜合考慮了鉆頭近期經濟效益和遠期經濟效益，對已鉆井的實際鉆頭使用資料進行統計分析，根據使用情況，選取效果較好的鉆頭類型（表3）[14-17]。

3）開展難鉆地層提速攻關試驗

針對韓家店——石牛欄地層可鉆性差，先后開展了優選鉆頭、優選鉆井方式、開展扭力沖擊器試驗及低密度鉆井液等試驗，已經取得較好的效果（圖6）。但開展的低密度鉆井液存在井控風險，新平臺需內前期弄清氣測顯示、上竄速度，做好井控預案才能應用。

表3 各開次推薦鉆頭使用型號表

3.2 應用實例

1）強化鉆井參數

在YS112H6平臺3口井H6-3、H6-4、H6-7井“三開”鉆進過程中強化鉆井參數，排量由20～24 L/s優化為30～35 L/s、鉆壓由8～10 t優化為12～15 t、轉速由30～40 r/min優化為60～70 r/min，“三開”平均機械鉆速7.86 m/h，最長一趟鉆進尺1 985 m。與鄰平臺YS112H7相比，“三開”平均機械鉆速提高了87.9%，一趟鉆進尺提高了62.3%（圖 7）。

圖6 韓家店石牛欄組機械鉆速圖

2）優選鉆頭

2018年完成井YS112H2-5井“一開”采用406.4 mm慧靈豐HS5164SBZ，機械鉆速達15.17 m/h；YS112H2-1井“二開”采用311.1 mm川石SJT537GK鉆頭，機械鉆速達10.95 m/h；YS112H2-3井“三開”采用215.9 mm HCCAT505S，機械鉆速達13.34 m/h。與優化前相比較，“一開”、“二開”、“三開”機械鉆速分別提高了6.12%、23.44%、60.14%（圖 8）。

圖7 “三開”鉆井優化前、后機械鉆速對比圖

圖8 各次開鉆優化前、后機械鉆速對比圖

3）低密度試驗

2018年在YS112H2平臺開展低密度試驗。H2-3、H2-5在韓家店、石牛欄組采用1.01～1.03 g/cm3鉆井液密度鉆進， H2-1井采用1.48 cm3鉆井液密度鉆進。試驗結果表明，采用低密度鉆井液鉆進，韓家店組機械鉆速平均提高80.56%，石牛欄組機械鉆速平均提高86.39%（圖9）。

圖9 韓家店、石牛欄組低密度試驗圖

4 減少阻卡對策

昭通示范區頁巖氣水平井阻卡主要由于井壁不穩定掉塊引起的[18]。阻卡主要發生在龍馬溪、棲霞、茅口、嘉陵江，其中龍馬溪組占66.67%，同時這四個地層井漏頻發，尤其龍馬溪組以滲漏為主，止而復漏的情況多，處理周期長，鉆井液浸泡久，易引起井壁不穩定。

4.1 優化鉆井液性能

鉆井液密度過高液壓傳遞造縫易引起垮塌惡化。鉆井液濾液沿著裂縫或者層理面優先侵入引起頁巖水化，水化膜楔入作用使得微裂縫開裂、擴展、分叉、再擴展，最后可能與主縫貫通，沿著力學性質較弱的裂縫發生破壞，造成井壁掉塊。因此，要適當降低鉆井液密度，減少液體侵入量（封堵性）、減弱離子水化、減少荷電離子數量（抑制性），同時降低流體pH值、控制反應條件抑制堿蝕。

針對不同地區，鉆井液性能要求各有側重點。紫金壩、大寨地區的頁巖地層，黏土中含30%左右伊蒙混層，易膨脹，中等或弱分散，鉆井液強調封堵性、表面及層間抑制性。黃金壩地區的頁巖地層，以伊利石為主，不含或含少量伊蒙有序同層，弱膨脹，弱分散，裂縫發育，塌塊大，鉆井液強調封堵性、表面水化抑制。

4.2 優化設計施工參數

優化“三開”井眼尺寸，由215.90 mm優化為220 mm鉆頭，降低卡鉆機率，同時有利于采用大排量、大鉆壓等強化鉆井參數的措施。

采取合理的井身結構，針對龍馬溪組優質頁巖層段較為破碎、裂縫極為發育的地區，技術套管下深可從韓家店組上部優化為A點。

嚴格控制起下鉆速度，減少對地層的外力干擾。一般速度控制在每下一根立柱3～5 min，中途遇阻不能超過50 kN，遇阻或井口不返鉆井液時，應立即起出2～3個立柱，小排量開泵循環保持井壁穩定，待形成通道后再逐漸加大排量和動作幅度，徹底帶出垮塌物并控制新的垮塌。確保環空返速大于0.8 m/s，使鉆屑充分的攜帶出來。

4.3 優化鉆具組合

水平井鉆井過程中，在入窗后將旋轉導向鉆具組合優化為“LWD或近鉆頭伽馬+螺桿+水力振蕩器+PR扭擺系統” ，開展水平段鉆井。

4.4 應用實例

2018年，水平段優化鉆具組合共6口，合計水平段進尺10 858 m，占水平段進尺的33.71%。凡簡化組合井均未發生卡鉆事件。

5 減少井漏對策

昭通頁巖氣水平井發生井漏主要有以下幾個原因：

1）大多數井由于地層裂縫發育或者鉆遇溶洞、斷層發生井漏。雷口坡組——嘉陵江組由于受到地表水淋濾作用或淺層地下水作用，易形成巖溶。茅口組——棲霞組碳酸鹽巖地層脆性較好，斷層或裂縫在地層中延伸較遠，當延伸至碳酸鹽巖地層或含方解石膠結物較多的砂、泥巖地層，地層水作用后，易形成大的空隙或溶洞[9-12]；個別井韓家店組、石牛欄組存在天然裂縫，導致井漏；龍馬溪組承壓能力低，小型裂縫、孔隙發育，且存在破碎帶及裂縫帶，易發生井漏。

2）少數井由于操作不當引起地層壓力激動，發生井漏。如YS108H6-4井在棲霞組鉆具上提下放、開泵升壓、鱉泵使上部漏失井段的裂縫再次張開，復漏；YS108H21-5井鉆進時沒發生井漏，但上提鉆具后排量降低、停止上提后，排量突然恢復，產生的激動壓力使井底發生井漏。

3）少數井由于鉆井液當量密度大，發生井漏。如YS118井固井過程中由于水泥漿密度較高，導致棲霞組漏層復漏；YS108H21-5井完鉆固井時水泥漿密度高，造成井底壓力增加，發生井漏。

5.1 使用溶洞探測技術

鉆前踏勘井場時，用溶洞探測技術探測表層裂縫、溶洞的分布情況，布井時盡量避開裂縫、溶洞發育地帶，做到提前預防。

5.2 上部地層堵漏措施

針對上部嘉陵江組和飛仙關組等存在大裂縫、大溶洞造成失返性漏失，普通的堵漏材料、水泥堵漏均無明顯效果的現狀，提出清水強鉆的措施。由于鉆遇裂縫、溶洞開口大小走向不同，會導致液體進入漏層，而破碎的巖屑無法大量進入即“漏水不漏砂”[19-20]。為防止“漏水不漏砂”造成沉砂卡鉆，“一開”井眼由444.5 mm優化為406.4 mm，簡化鉆具，優化大尺寸鉆鋌數量，不用扶正器。根據井下沉砂并兼顧供水情況確定合理的排量，保證“一開”鉆井排量達到4 m3/min。

5.3 中下部地層堵漏措施

加強地層壓力的預測和分析，制定合理的鉆井液密度窗口。水平段采用油基鉆井液鉆進，在井壁穩定的前提下，首選采用降低鉆井液密度的措施。

對于漏速小于30 m3/h，通常是由于小裂縫或者孔隙引起，可采用隨鉆堵漏，根據井下漏失情況，在鉆井液中加入4%～10%的橋接材料（以中細為主）；漏速在30～100 m3/h時，采用綜合堵漏漿（細+中粗顆粒，以中粗為主）。中粗顆粒進入裂縫，產生了堵漏效果，細顆粒在井壁上形成封門效果，堵漏效果比較明顯。在漏速較大且調整鉆井液性能和鉆井參數無效時，基于目前油基鉆井液堵漏材料的限制及成本考慮，推薦采用水泥堵漏。

5.4 應用實例

1）清水強鉆

YS115H1-1井在35 m處發生失返性漏失，打膠質水泥堵漏10 m3、打大顆粒堵漏漿8 m3、打水泥漿8.5 m3。下鉆鉆塞至導管鞋處又發生失返性漏失，繼續堵漏打大顆粒堵漏泥漿9 m3、膠質水泥漿4 m3、水泥漿3.5 m3候凝。鉆塞至導管鞋仍漏失，決定清水強鉆，開始鉆進較困難，漏水不漏砂，后期將“一開”井眼由444.5 mm優化為406.4 mm，鉆具組合由：?444.5 mmPDC＋ ?244 mm 螺 桿（1°） ＋ ?228 mm減震器＋?444.5 mm扶正器＋?203 mmDC×1根 ＋ ?203 mmMWD ＋ ?203 mmDC×7根 ＋631×410+?177.8 mmDC×3根 ＋ ?127 mmDP×9根 ＋ ?127 mmDP簡 化 為 ?406 mmPDC＋ ?228 mm直螺桿+浮閥+定位接頭＋?203 mmDC×3根＋ 631×410＋ ?177.8 mmDC×6根 +411×520＋?139 mmDP，排量由3.6 m3/min優化為4 m3/min，情況好轉，清水強鉆至364 m一開完鉆。瘦身和簡化鉆具后，同鄰井YS118H1-1相比，機械鉆速提高了21.3%。

2）降低鉆井液密度

2017年YS108H19平臺南半支水平井在龍馬溪組均由于鉆遇破碎帶，發生不同程度的井漏，漏速4.2～18.4m3/h。在各井分別采用不同濃度橋漿堵漏無果后，降密度后井漏停止。YS108H19-2井鉆井液密度由2.09 g/cm3降至2.00 g/cm3；YS108H19-6井密度由1.94 g/cm3將至1.91 g/cm3；平均處理龍馬溪組井漏平均耗時219 h。以此為鑒，2018年完鉆的YS112H2-5井龍馬溪組存在破碎帶，鉆進至2919 m時發生井漏，漏速4.8 m3/h，當時鉆井液密度1.8 g/cm3，降密度至1.76 g/cm3，并降低排量（由29～30 L/s降至27～28 L/s），控制起下鉆速度，循環鉆井液觀察后，停止井漏，處理井漏耗時4 h。

6 結論

1）通過強化鉆井參數、優化鉆頭型號、開展難鉆地層攻關試驗措施，鉆井機械鉆速有所上升，措施效果較好。在摸透地層壓力系數以及地層含氣量的前提下，可以在韓家店、石牛欄甚至龍馬溪組開展低密度鉆井液試驗，既提高機械鉆速，又減少井漏。

2）卡鉆主要由于井壁不穩定掉塊引起的。鉆井液性能對井壁穩定至關重要，優化鉆井液性能，并輔以優化施工參數、優化鉆具組合，是解決卡鉆問題的關鍵。

3）昭通頁巖氣區大多數井漏是因為地層裂縫發育或者鉆遇溶洞、斷層，少數井漏是由于操作不當引起地層壓力激動、或者鉆井液當量密度大造成的。上部地層采用溶洞探測技術選擇合適的井口位置預防井漏發生，當發生井漏時采用清水強鉆，并輔以井眼“瘦身”和簡化鉆具、優化排量防止沉砂以及舉砂措施。龍馬溪組采用隨鉆堵漏+堵漏漿堵漏、降低鉆井液密度、注水泥堵漏、規范鉆井施工操作等措施。