梨樹斷陷頁巖氣水平井鉆井關鍵技術

田 璐,李 勝,穆國臣

(1.中國石油化工股份有限公司石油工程技術研究院，北京 100101；2.中國石化東北油氣分公司，長春 130062)

梨頁1井是部署在梨樹斷陷蘇家屯次洼的一口勘探直井，鉆至井深3 387 m完鉆，完鉆層位為沙河子組，完成了蘇家屯次洼營城組營一段泥頁巖地質評價參數獲取、梨樹斷陷蘇家屯次洼營城組營一段泥頁巖含氣性研究。在梨頁1井基礎上側鉆施工了梨頁1HF井，目的層為營城組營一段Ⅰ亞段4小層。梨頁1HF井在鉆井施工中，應用了強封堵性油基鉆井液體系、旋轉導向地質導向鉆井、雙凝雙密度水泥漿體系等技術[1-3]，現場應用效果顯著，確保了梨樹斷陷首口頁巖氣水平井順利完鉆。

1 施工概況

梨頁1HF井利用梨頁1井的已鉆井眼進行側鉆施工，原井眼水泥塞面深度2 861 m，掃塞至井深3 025 m，將水基鉆井液轉換為油基鉆井液，掃塞至井深3 050 m開始側鉆，完鉆井深4 630 m，垂深3 581.3 m，水平位移1 340.72 m，水平段長1 050 m，全井最大井斜角84.98°。該井于2019 年4月22日10:00開始側鉆，采用隨鉆測量工具鉆至井深3 450 m，3 450～4 630 m井段采用旋轉導向工具鉆進，2019年5月14日完鉆，鉆井周期22.56 d，全井平均機械鉆速達7.98 m/h。梨頁1HF井實鉆井身結構如表1所示，其中一開和二開為梨頁1井已鉆井眼，分別鉆至井深505 m和2 950 m，水泥返至地面，2 950～3 050 m為原井眼三開裸眼井段，實鉆井段為3 050～4 630 m，套管下深4 626.53 m，水泥返至地面，固井井段0～4 630 m。

表1 梨頁1HF井身結構數據Table 1 Datas of Liye 1HF wellbore structure

2 施工難點分析

根據梨樹斷陷營城組地層特征及梨頁1井實際鉆井情況，分析認為梨頁1HF井在施工中主要存在以下技術難點。

2.1 井壁失穩風險高

根據梨頁1井所取巖心的觀察及分析結果，黑色泥頁巖局部紋層發育，水平縫及高角度縫均較發育，水平縫縫寬0.1～0.2 mm，方解石充填，高角度裂縫縫長0.05～0.4 m不等，縫寬0.1 mm。目的層營城組Ⅰ亞段4小層巖石礦物組分以黏土礦物、石英、白云巖、長石為主，其中黏土礦物含量高達38.0%，黏土礦物以伊蒙混層及伊利石為主，含量分別為72.3%和25%，鉆井過程中極易出現井眼失穩、攜巖困難、頻繁阻卡等復雜問題[4-5]。

2.2 機械鉆速低

根據梨頁1井完鉆資料可知，型號為BRS1655Z的聚晶金剛石復合片鉆頭在營城組地層從井深2 950 m鉆至井深3 176 m，進尺226 m，機械鉆速僅為2.2 m/h；型號為GC315M的聚晶金剛石復合片取芯鉆頭在營城組地層累計取芯180.34 m，平均機械鉆速僅為3.0 m/h。營城組地層可鉆性達7～9級，可鉆性差，機械鉆速低。

2.3 固井施工難度大

水平段較長，套管在水平段與井壁接觸面積大，下套管摩阻較大；套管串在水平井段不易居中，居中度低會導致頂替效率低，影響固井質量；采用油基鉆井液施工，固井施工井壁油膜難以清除干凈，影響二界面的膠結質量。氣層活躍、地層溫度高、長水平井段固井對水泥漿的性能要求高，另外大型壓裂增產要求水泥石具有高強的彈韌性以及耐久性[6]。

2.4 井眼軌跡控制難度大

梨樹斷陷營城組地層傾角高達14°～20°、巖性變化大，且水平段長，為確保在優質儲層段中鉆進，對井眼軌跡控制要求高。

3 關鍵技術措施

為確保梨樹斷陷首口頁巖水平井順利施工，并為后續壓裂施工提供優質井筒，梨頁1HF井應用強封堵性油基鉆井液體系、旋轉導向地質導向鉆井、雙凝雙密度水泥漿體系等技術，并優選鉆頭和優化鉆具組合，為安全、快速鉆進提供技術保障。

3.1 強封堵性油基鉆井液

梨頁1HF井目的層營城組地層泥頁巖發育，地層可鉆性差，造斜段與水平段施工井鉆井周期長，對鉆井液浸泡時間長，不利于井壁穩定性，區塊內施工的蘇4-1HF、SW6-2HF采用水基鉆井液鉆遇營城組地層均發生井壁失穩問題。本井三開水平段長達1 000 m，斜井段與水平段超過1 500 m，隨軌跡變化鉆屑易堆積形成巖屑床，因此需保障鉆井液具有良好的攜巖效果，同時加強短起下、調節變換排量等工程措施，實現長水平段的井眼清潔。針對頁巖氣水平井施工特點，目的層井段泥頁巖極易垮塌，鉆井液體系選擇應具有較強的防塌護壁能力、強的抑制性、優良的流變性和穩定性、良好的潤滑性能、較好的儲層保護能力，因此選擇采用具有低黏高切流變特征的油基鉆井液[7-8]。針對營城組頁巖微裂縫發育特點，油基鉆井液設計配方中使用不同級配和加量的隨鉆封堵材料，實現減小濾失、強化井筒、穩定井壁。

3.2 優選鉆具組合

針對梨頁1HF井地層特征及井眼軌跡控制需要，3 050～3 450 m側鉆定向段增斜鉆具組合為：215.9 mm鉆頭+172 mm螺桿1.5°+浮閥+轉換接頭+159 mm無磁鉆鋌1根+轉換接頭+165 mm懸掛短接+127 mm加重鉆桿×39根+127 mm鉆桿×n根。

3 450～4 630 m井段采用旋轉導向鉆具組合為：215.9鉆頭+192 mm旋轉導向+172 mm接收器+175 mm探邊工具+190 mm扶正器+175 mm隨鉆測量工具+172 mm無磁鉆鋌+174 mm濾網接頭+174 mm回壓凡爾+127 mm加重鉆桿×13根+165 mm震擊器+127 mm加重鉆桿×7根+127 mm鉆桿。

3.3 鉆頭優選

針對營城組地層可鉆性較差的特點，優選了適合地層巖性的鉆頭。3 050～3 450 m井段選用T1665B型聚晶金剛石復合片鉆頭[圖1(a)]，純鉆時間95 h，平均機械鉆速4.21 m/h，鉆井參數：鉆壓40～70 kN、轉速40 r/min、排量30 L/s，該鉆頭出井，切削齒、保徑齒有一定磨損。3 450～4 630 m井段選用MDI516BPXG型聚晶金剛石復合片鉆頭[圖1(b)]，它是改進型鉆頭，該鉆頭在原設計的基礎上縮短了保徑長度，增加了鉆頭本身的穩定性，且具有5刀翼單排齒鉆頭的良好攻擊性和耐磨性，純鉆時間103 h，平均機械鉆速11.46 m/h，鉆井參數：鉆壓80～100 kN、轉速90～100 r/min、排量30 L/s該鉆頭出井，保徑齒有輕微磨損。

圖1 聚晶金剛石復合片鉆頭Fig.1 Polycrystalline diamond compact bit

3.4 雙凝雙密度水泥漿體系

針對梨頁1HF井固井技術難題，采用雙凝雙密度水泥漿體系，領漿低密度彈韌性防漏水泥漿(密度1.60 g/cm3)，降低漏失風險；尾漿彈韌性防氣竄防漏水泥漿(密度1.88 g/cm3)，改善水泥石彈韌性，提高水泥石抗沖擊能力[9]。領漿尾漿分界面2 650 m，水泥返高至地面，確保壓穩氣層，防竄防漏。采用洗油沖洗液+加重洗油隔離液+后置液的前置液體系，保證井眼清洗效果和潤濕反轉，以增強油基鉆井液頂替效率及水泥石與一二界面的膠結強度，同時兼具壓穩氣層功能。替漿水平段采用清水頂替，使水平段套管漂浮，提高套管居中度，直井和斜井段采用泥漿替漿，降低施工壓力，保證施工安全連續。替漿采用前期大排量紊流頂替與后期小排量塞流頂替相結合的方式，以提高頂替效率，確保生產套管固井質量。

3.5 旋轉導向地質導向鉆井技術

旋轉導向系統是在鉆柱旋轉鉆進時，隨鉆實時完成導向功能的一種導向式鉆井系統使用旋轉導向工具[10]，鉆井過程中鉆具始終處于旋轉狀態，因而有利于提高機械鉆速、降低摩阻、扭矩，且井眼軌跡平滑。探邊工具及近鉆頭井斜和伽馬的應用，配合地質導向師指導，更加有利于軌跡的精確控制，提高儲層鉆遇率。該井設計使用地質導向鉆井技術進行水平段的鉆進。能夠識別工具周圍地層延伸方向和工具到地層邊界的距離。該工具是以方向電磁感應測量為原理，通常情況下能夠探測到地層邊界，便于地質導向師作出決策。工具在井下工作的時候，能夠傳出實時數據到地面以便實時解釋。在電阻率變化比較明顯的地方，實時數據能夠測量出：①上下地層邊界到工具的距離；②地層邊界的延伸方向；③工具所在地層的電阻率；④上下地層的電阻率，實現在優質儲層中鉆進的目的。

4 現場應用及效果分析

梨頁1HF井從梨頁1井井深3 050 m處采用隨鉆測量工具進行側鉆，定向鉆至井深3 450 m，井斜67.3°，垂深3 359.15 m。3 450～4 630 m井段采用旋轉導向地質導向鉆井系統，其中A靶點井深3 580 m，垂深3 391.96 m，井斜77.81°；B靶點井深4 600 m，垂深3 574.05 m，井斜75.76°；完鉆井深4 630 m，垂深3 581.30 m，井斜76.08°。使用旋轉導向地質導向系統確保了井眼軌跡在優質儲層中鉆進，水平段共完成進尺1 020 m，儲層鉆遇率92.7%，且在旋轉狀態下實現了井眼軌跡的調整，3 450～4 630 m井段平均機械鉆速高達11.46 m/h。

為確保井眼穩定，開鉆所用油基鉆井液密度為1.48 g/cm3，并隨著井斜的增加，逐漸提高至1.55 g/cm3，同時利用不同粒徑級配的剛性封堵材料、纖維封堵材料等強化油基鉆井液的隨鉆封堵性能，井眼穩定，起下鉆順暢，返出鉆屑中無剝落的掉塊，油基鉆井液施工井段的平均井徑擴大率僅為3.92%。通過在新配制油基鉆井液中加入足量的主乳化劑、輔乳化劑，確保了油基鉆井液的破乳電壓高于400 V，具有良好的乳化穩定性。通過補充有機土、流型調節劑，施工期間油基鉆井液塑性黏度28～32 mPa·s，動切力8～12 Pa，動塑比0.3以上，并配合工程短起下措施，確保了水平段施工期間振動篩返砂良好，井眼清潔，為旋轉導向儀器安全施工創造了條件。

梨頁1HF井完鉆后下入型號為P110的生產套管，下深4 626.53 m，固井施工中注前置沖洗液5 m3，注加重隔離液40 m3，密度1.60 g/cm3，注后置沖洗液5 m3，共注水泥漿121.5 m3，其中領漿69 m3，排量1.5～1.8 m3/min，最大密度1.61 g/cm3，最小密度1.58 g/cm3，平均密度1.59 g/cm3，壓力6 MPa；注尾漿52.5 m3，排量1.5～0.8 m3/min，最大密度1.88 g/cm3，最小密度1.8 g/cm3，平均密度1.85 g/cm3，壓力4 MPa。共使用遼寧撫順G級水泥150 t，替清水15.9 m3，排量1.8 m3/min，泵壓25 MPa，替泥漿35 m3。聲幅測井表明400～3 350 m井段聲幅為20%～30%，3 350～4 610 m井段平均聲幅為10%，固井質量綜合評定為優秀。

梨頁1HF井通過采用旋轉導向地質導向體系、優選鉆頭、優化鉆具組合、并采用油基鉆井液等技術，實現了該井的優質高效鉆進。該井實際鉆井周期22.56 d，較設計鉆井周期縮短了14.94 d，平均機械鉆速7.98 m/h，較設計提高了82.19%，提速提效效果顯著。為加快梨樹斷陷頁巖氣勘探開發步伐積累了寶貴的經驗。

5 結論

(1)梨頁1HF井通過應用旋轉導向地質導向鉆井技術，同時結合鉆頭優選和鉆具組合優化，實現了快速鉆進，大幅度提高了機械鉆速，縮短了鉆井周期。

(2)梨頁1HF井所用油基鉆井液體系良好的乳化穩定性、強封堵性能、流變性，施工中井眼穩定、井眼清潔，為安全快速鉆進提供了技術保障。

(3)梨頁1HF井采用雙凝雙密度水泥漿技術，很好地滿足了長裸眼頁巖井段固井需求，水泥漿正常返至地面，固井質量較好。

(4)為實現安全、環保、高效鉆井，建議加強地質特征認識，開展頁巖水基鉆井液體系研究，進一步優化鉆具組合、優選鉆頭，達到降本增效的目的。