四川盆地深層頁巖氣水平井優(yōu)快鉆井技術(shù)
——以瀘203井為例

鄭述權(quán) 謝祥鋒 羅良儀 景 洋 唐 夢 楊瑞帆 鐘廣榮 王 軍 陳正云

1.中國石油川慶鉆探工程公司川東鉆探公司 2.中國石油川慶鉆探工程公司鉆采工程技術(shù)研究院

0 引言

1 儲層特征對鉆井的要求

瀘203井是中國石油天然氣集團(tuán)有限公司在四川盆地南部瀘縣—長寧頁巖氣區(qū)塊部署的1口重點(diǎn)頁巖氣探井，設(shè)計(jì)井深5 529 m，實(shí)際完鉆井深5 600 m，目的層為下志留統(tǒng)龍馬溪組。設(shè)計(jì)埋深3 875～3970 m，超過長寧區(qū)塊的平均埋深 1 500～ 2 000 m，超過威遠(yuǎn)區(qū)塊平均埋深500～1 000 m，屬超深頁巖氣井[5-6]。為了精確描述儲層，決定采用了先打直導(dǎo)眼再側(cè)鉆水平井的方式，在直導(dǎo)眼的?311.2 mm井段鉆進(jìn)中選取井控安全密度、縮徑抑制密度和垮塌抑制密度3個最低密度中的最高者為安全作業(yè)密度，并根據(jù)井下情況的變化及時調(diào)整，實(shí)現(xiàn)上三疊統(tǒng)須家河組頂—下志留統(tǒng)石牛欄組頂近1 900 m進(jìn)尺的優(yōu)快鉆井[7-9]。直導(dǎo)眼的?215.9 mm鉆頭從石牛欄組頂鉆穿龍馬溪組，井深 3 867 m，鉆井液密度 2.12 g/cm3，充分穿越優(yōu)質(zhì)儲層，對儲層進(jìn)行測井綜合解釋，打水泥塞進(jìn)行水平井段鉆進(jìn)。

筆者依據(jù)該井的實(shí)鉆資料，分析總結(jié)保障頁巖氣水平井鉆井井身質(zhì)量、優(yōu)質(zhì)儲層鉆遇率、快速鉆進(jìn)以及降低復(fù)雜事故率的技術(shù)做法，以期為頁巖氣優(yōu)快鉆井提供借鑒。

1.1 鉆井如何保證水平段龍層有利儲層的鉆遇率，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)目的

采用近鉆頭方位GR及成像設(shè)備輔助導(dǎo)向，能準(zhǔn)確判斷地層信息。從鉆前和完鉆模型對比來看，構(gòu)造中部有一定的變化，鉆前根據(jù)二維地震建模地層下傾在4°變化，而實(shí)鉆地層由上傾變?yōu)橄聝A地層傾角在－3°到9°變化。

1.2 鉆井如何優(yōu)質(zhì)實(shí)現(xiàn)井眼軌跡，確保優(yōu)質(zhì)的井身質(zhì)量

在鉆完直導(dǎo)眼后，需要依據(jù)儲層埋深、精確儲層展布解釋結(jié)果（圖1），選擇好側(cè)鉆點(diǎn)，才能滿足完井作業(yè)要求的井眼軌跡和提高側(cè)鉆效率，選用的導(dǎo)向工具、鉆具組合、參數(shù)匹配以及鉆井液性能是保證[10-17]。

圖1 鉆前地質(zhì)導(dǎo)向建模圖

1.3 如何快速鉆井，有效地控制鉆井作業(yè)成本

側(cè)鉆段和水平段快速鉆井，需要設(shè)備的負(fù)荷大，尤其是泥漿泵要適應(yīng)大排量、高泵壓的需要，鉆井液凈化系統(tǒng)也要與之適應(yīng)。

在高中數(shù)學(xué)變式教學(xué)中，對課本習(xí)題的變式要有步驟的進(jìn)行.比如，在講授完習(xí)題“一動圓與圓C1：(x+3)2+y2=1外切，與圓：C2：(x-4)2+ y2=8內(nèi)切，求動圓圓心M的軌跡方程”后，可以將該題目變換為：已知圓C1(x+3)2+y2=1與圓C2(x-4)2+ y2=8，若動圓M同時與圓C1圓C2相外切，那么動圓圓心M的運(yùn)動軌跡應(yīng)該是什么？

2 優(yōu)快鉆井綜合配套技術(shù)及其應(yīng)用

2.1 優(yōu)配鉆井裝備

該井使用7 000米電動鉆機(jī)：①配強(qiáng)機(jī)泵功率，配置3臺F-1600 HL大功率高壓泥漿泵，額定泵壓 52 MPa，額定功率 1 600 hp（1 hp=0.745 699 9 kW）；②配強(qiáng)鉆井液凈化系統(tǒng)，配置3臺GXL振動篩，振動頻率80 Hz，單臺處理量為60 L/s，篩布為160～220目；配備1臺一體機(jī)，處理量為240 m3/h；配置一臺中速離心機(jī)和一臺高速離心機(jī)，可控制鉆井液有害固含在0.2%以內(nèi)，保證了井下動力鉆具的動力和井眼攜砂的需求以及鉆井液性能的凈化。

2.2 優(yōu)快鉆井綜合技術(shù)

由于實(shí)鉆石牛欄組的粉砂巖可鉆性差，不利于造斜。綜合考慮龍馬溪組頂?shù)絻?yōu)質(zhì)儲層著陸點(diǎn)垂厚470 m，要確保順利著陸，預(yù)計(jì)造斜段長700 m，造斜率最大為 5.32°/30 m，故選擇龍馬溪組頂 3 340 m作為側(cè)鉆點(diǎn)（表1、圖2），既能滿足井眼軌跡和后續(xù)完井作業(yè)要求又能提高側(cè)鉆效率。

2.2.1 優(yōu)選定向鉆具組合及應(yīng)用效果

2.2.1.1 定向鉆具組合效果分析

自打水泥塞進(jìn)行定向造斜側(cè)鉆開始，①采用了旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具鉆進(jìn)，從造斜點(diǎn)3 340 m到井眼軌道著陸點(diǎn)A點(diǎn)井深4 026 m（圖2），效果較好，有效地控制新井眼軌跡增斜率和光滑度。②中期水平段（表2）采用導(dǎo)向工具配合彎螺桿，鉆進(jìn)時采用合理的鉆壓轉(zhuǎn)速，小范圍控制井斜變化，減少了滑動定向鉆進(jìn)。③后期定向托壓嚴(yán)重，引入鉆柱扭擺系統(tǒng)（PIPE ROCK）[18-19]，啟動鉆柱扭擺系統(tǒng)后定向調(diào)整工具面快速，維持工具面的穩(wěn)定效果好，即使一次性定向較長井段（大于10 m），也很少發(fā)生托壓現(xiàn)象，相對于常規(guī)只帶螺桿的滑動定向，采用鉆柱扭擺系統(tǒng)有效減少了定向輔助時間，同時定向時在高鉆壓情況下（100～110 kN）不托壓，提高了定向作業(yè)時效。④井深5 284.65 m后由于井下振動過于頻繁且儀器故障率居高不下，更換常規(guī)伽馬儀器導(dǎo)向鉆進(jìn)，隨鉆測量設(shè)備的平均伽馬和近鉆頭伽馬值相比較，對薄儲層的信息采集準(zhǔn)確度降低，給曲線對比分析判斷和地層判斷帶來了一定影響。通過定向鉆具組合的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了井眼軌跡的在優(yōu)質(zhì)頁巖儲層穿行的技術(shù)效果（表3）。

表1 井眼軌道剖面設(shè)計(jì)表

圖2 井眼軌道設(shè)計(jì)垂直投影圖

表2 不同井段工具儀器使用統(tǒng)計(jì)表

表3 實(shí)鉆靶點(diǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

2.2.1.2 儲層實(shí)時追蹤

首次在該井使用了IPZIG近鉆頭伽馬測量系統(tǒng)實(shí)時追蹤儲層，伽馬測點(diǎn)距鉆頭0.82 m，對地層傾角判斷更為準(zhǔn)確、提前。配合1.2 m近鉆頭井斜數(shù)據(jù)，依據(jù)鉆頭有上切、下切地層實(shí)時數(shù)據(jù)，鉆井工程師可快速下達(dá)降斜或增斜技術(shù)措施指令，確保及時追蹤產(chǎn)層，最大化穿越優(yōu)質(zhì)儲層。同時，近鉆頭工具配合扭擺系統(tǒng)使用，定向調(diào)整時效得到最大化，優(yōu)勢得以最大發(fā)揮。該井實(shí)鉆龍優(yōu)質(zhì)產(chǎn)層垂厚僅2.0 m左右，近鉆頭儀器及時準(zhǔn)確判斷地層傾角后，使用扭擺定向效果及時到位，控制軌跡在優(yōu)質(zhì)產(chǎn)層內(nèi)鉆進(jìn)，保證了優(yōu)質(zhì)頁巖層鉆遇率100%。

IPZIG近鉆頭伽馬測量系統(tǒng)為8扇區(qū)。圖3左側(cè)為近鉆頭伽馬解釋圖，對比4扇區(qū)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具，該工具繪制的實(shí)時地層解釋圖更加準(zhǔn)確判斷地層上傾下傾情況，更準(zhǔn)確計(jì)算出傾角變化值，據(jù)此實(shí)時結(jié)論確定下步軌跡調(diào)整措施。

圖3 瀘203井伽馬成像解釋成果對比圖

2.2.1.3 削減定向井工具振動的配套技術(shù)措施

該井鉆遇五峰組頂部致密巖性，導(dǎo)致鉆頭切削齒磨損嚴(yán)重或近鉆頭短節(jié)磨損嚴(yán)重，鉆時迅速變慢或工具信號失聯(lián)造成起鉆。出井后檢查近鉆頭短節(jié)表面存在較多橫向磨痕，深度1～2 mm，返廠后檢測內(nèi)部元器件脫落，分析為井下振動過大導(dǎo)致內(nèi)部元器件松動受損；此外螺桿轉(zhuǎn)子鍍鉻表面腐蝕較為嚴(yán)重，出現(xiàn)大面積坑洞，對應(yīng)內(nèi)部定子橡膠也有相應(yīng)損傷。經(jīng)不斷分析研究故障原因，采取了4項(xiàng)削減振動技術(shù)措施：①選用優(yōu)質(zhì)國內(nèi)抗150 ℃高溫油基等壁厚螺桿，調(diào)整螺桿定轉(zhuǎn)子間隙，以改變不同溫度下橡膠膨脹系數(shù)，獲得較好適應(yīng)性，延長螺桿使用壽命；②為減少井下工具振動，在底部鉆具組合中適當(dāng)添加2柱加重鉆桿，同時借鑒本地區(qū)殼牌公司成熟經(jīng)驗(yàn)，引入貝克休斯雙排齒鉆頭；③去掉近鉆頭短節(jié)，降低螺桿負(fù)載及振動，選用了國外進(jìn)口抗175 ℃高溫等壁厚油基螺桿，目的是延長入井螺桿正常使用時間及進(jìn)尺；④訂制轉(zhuǎn)子涂層為碳化鎢的螺桿，降低螺桿腐蝕情況，進(jìn)而減小定向井工具振動。

2.2.1.4 鉆井液體系的優(yōu)選及應(yīng)用

該井水平段高伽馬儲層段長，水敏性極強(qiáng)，綜合分析鄰井資料，決定選用密度2.17 g/cm3的油基鉆井液進(jìn)行四開直改平作業(yè)，其鉆井液配方為白油＋4%乳化劑＋4%生石灰＋氯化鈣溶液(25%)＋7%降濾失劑＋3%封堵劑＋特級重晶石；將膠液加重至密度為2.20 g/cm3的鉆井液保證其懸浮能力，做好每次起鉆及維持井壁穩(wěn)定之需。

在設(shè)計(jì)井段 3 340 ～ 5 600 m（龍馬溪組）鉆進(jìn)過程中，因二維地震資料的不準(zhǔn)確，實(shí)鉆情況與預(yù)測情況相差較大，井眼軌跡2次穿入五峰組（井深4 704 ～ 4 714 m，井深 5 234 ～ 5 290 m），為及時穿回龍馬溪優(yōu)質(zhì)儲層，鉆井進(jìn)行了井眼軌跡調(diào)整，造成井眼狗腿度較大，且龍馬溪組頁巖孔縫發(fā)育易破脆，日常維護(hù)中向井漿中補(bǔ)入Soltex、YH-150等封堵性物質(zhì)預(yù)防井漏、井壁坍塌等，維護(hù)良好，未發(fā)生井漏，確保了井下安全、井壁穩(wěn)定。

3 應(yīng)用效果

經(jīng)實(shí)施驗(yàn)證，取得了顯著的效果。瀘203井共完成進(jìn)尺6 127 m，創(chuàng)同區(qū)域復(fù)雜事故時效最低0.77%；創(chuàng)鉆井周期最短、單只PDC鉆頭一趟鉆進(jìn)尺最高、機(jī)械鉆速最高紀(jì)錄；創(chuàng)井身質(zhì)量全優(yōu)，優(yōu)質(zhì)儲層鉆遇率達(dá)100%，獲測試產(chǎn)氣量137.9×104m3/d，創(chuàng)四川盆地頁巖氣測試產(chǎn)量新高。

3.1 創(chuàng)同區(qū)域鉆井周期最短紀(jì)錄

瀘 203井用 284.68天鉆至井深 5 600 m 完鉆，創(chuàng)同區(qū)域鉆井周期最短新記錄。瀘203井側(cè)鉆水平井段比相同直改平的瀘202井節(jié)約周期71.64天。與同區(qū)域完鉆井對比情況如表4所示。

表4 同區(qū)域?215.9 mm完成井周期表

3.2 創(chuàng)同區(qū)域復(fù)雜事故時效最低紀(jì)錄

瀘203井創(chuàng)該區(qū)域復(fù)雜事故時效最低，僅為0.77%，同比同區(qū)域井平均時效低92%（表5）。

表5 瀘203井和同區(qū)域時效對比表

3.3 采取4種削減鉆具振動措施解決了定向工具故障問題，進(jìn)一步提高了鉆井速度

通過選用優(yōu)質(zhì)國內(nèi)抗150 ℃高溫油基等壁厚螺桿、在底部鉆具組合中適當(dāng)添加2柱加重鉆桿，引入貝克休斯雙排齒鉆頭、去掉近鉆頭短節(jié)，選用了國外進(jìn)口抗175 ℃高溫等壁厚油基螺桿、訂制轉(zhuǎn)子涂層為碳化鎢的螺桿來延長入井螺桿正常使用時間及進(jìn)尺，降低螺桿腐蝕情況，進(jìn)而減小振動。解決了水平段鉆進(jìn)中螺桿故障問題，進(jìn)一步提高了鉆井速度。

3.4 采用近鉆頭伽馬，確保了優(yōu)質(zhì)儲層鉆遇率達(dá)100%，獲測試日產(chǎn)氣量137.9×104 m3

瀘203井通過地質(zhì)工程一體化實(shí)現(xiàn)了優(yōu)質(zhì)頁巖層鉆遇率達(dá)100%。瀘203井于2019年3月6日測試，1號、2號、3號流程分別用?50.8 mm臨界流量計(jì)裝 ?19 mm、?34 mm、?35 mm 孔板測試氣量，開井后井口相對穩(wěn)定壓力為50.3 MPa，穩(wěn)定時間4.33 h，測試產(chǎn)氣量達(dá)137.9×104m3/d，粗算頁巖氣無阻流量為 416.2×104m3/d。

4 結(jié)論

在新區(qū)塊的頁巖氣探井，受地震資料解釋儲層特性的精度限制，通過地質(zhì)工程一體化技術(shù)思路，采取先打直導(dǎo)眼再側(cè)鉆水平井的方式，實(shí)現(xiàn)了瀘203井優(yōu)質(zhì)頁巖層鉆遇率達(dá)100%，完善了四川盆地新區(qū)塊超深頁巖氣水平井配套優(yōu)快鉆井技術(shù)。

1）采用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具并配合鉆柱扭擺系統(tǒng)鉆進(jìn)，減少了滑動定向鉆進(jìn)進(jìn)尺，成功地控制了鉆具托壓現(xiàn)象，大幅度降低了定向輔助時間。

2）實(shí)施的四種削減鉆具振動措施很好地解決了水平段鉆進(jìn)中螺桿故障問題，進(jìn)一步提高了鉆井速度。

3）采用近鉆頭伽馬測量系統(tǒng)實(shí)時追蹤儲層，控制軌跡在優(yōu)質(zhì)產(chǎn)層內(nèi)鉆進(jìn)，保證了優(yōu)質(zhì)頁巖層鉆遇率。

4）優(yōu)配鉆井裝備及高密度的油基鉆井液的應(yīng)用保證了井下動力鉆具的動力和井眼攜砂的需求以及鉆井液性能的凈化，確保了井眼暢通、保持了井壁穩(wěn)定，起到了提高鉆井速度的重要作用。