涪陵頁巖氣田焦石壩區塊調整井鉆井技術

范紅康， 劉勁歌， 臧艷彬， 周賢海， 艾 軍， 宋 爭

（1.頁巖油氣富集機理與有效開發國家重點實驗室，北京 102206；2.中國石化石油工程技術研究院，北京 102206；3.中國石化江漢油田分公司，湖北潛江 433121；4.中石化重慶涪陵頁巖氣勘探開發有限公司，重慶 408014）

涪陵頁巖氣田鉆井技術發展主要經歷了先導試驗、產能建設和開發調整3個時期：1）先導試驗時期（2013年以前），初步形成了三開井身結構、常規導向鉆井、國產油基鉆井液和固井水泥漿體系[1–2]；2）產能建設時期（2014—2017年），形成了交叉形平行水平井組布井方案、魚鉤形井眼軌道設計方案、適合山地特點的“井工廠”平臺布局方案、針對溶洞暗河地層的清水強鉆鉆井技術、基于全井段的“PDC鉆頭+螺桿鉆具”復合鉆井技術、頁巖氣水平井套管密封完整性設計與控制技術和常規導向低成本井眼軌跡控制技術等特色鉆井技術[3–11]；3）開發調整時期（2018年至今），開展了調整井鉆井設計優化、超長水平段鉆井、“一趟鉆”鉆井提速及長效密封固井技術優化等方面的研究，形成了涪陵頁巖氣田調整井鉆井關鍵技術，滿足了涪陵頁巖氣田調整井技術需求。為進一步促進涪陵頁巖氣田焦石壩區塊調整井鉆井提速降本、支撐其穩產增效，筆者在分析調整井鉆井所面臨挑戰的基礎上，總結了近年來取得成效的調整井鉆井關鍵技術，并分析了現場應用效果，提出了發展建議。

1 調整井鉆井面臨的挑戰

涪陵頁巖氣田焦石壩區塊部署的調整井，目的層段為五峰組—龍馬溪組一段。不僅縱向上上部氣層（⑥—⑨小層）與下部氣層（①—⑤小層）存在差異，而且平面上存在分區特征，加之受井網井距、相鄰老井前期改造及后期生產等帶來的影響，調整井鉆井面臨一系列新的問題與挑戰。

1）受前期壓裂干擾，井壁垮塌、井漏和溢流等問題多發。由于頁巖氣產層經過了反復的大型壓裂改造，鄰井及其周圍形成了錯綜復雜的裂縫網絡，地層的地應力狀態、孔隙壓力發生了巨大變化。隨著開發時間延長，地層壓力體系愈加復雜紊亂，地層壓力無法確定。調整井鉆井多參考壓裂前鄰井的鉆井參數，但壓裂區地層壓力與原始地層壓力差異很大，如鉆井參數選取不合理，會導致井壁坍塌、井漏等井下復雜情況。從焦石壩區塊部分調整井的井下復雜情況統計結果（見表1），可以看出井下復雜的多發性。例如，焦頁39-1HF井在鉆進龍馬溪組時共發生溢流23次，其中在鉆井工況切換和鉆井參數調整后出現了13次溢流。

表1 焦石壩區塊部分調整井出現的井下復雜情況Table 1 Complex downhole situation occurred in some adjustment wells of the Jiaoshiba Block

2）井眼軌道設計復雜，安全鉆井難度大。在現有井網內部署調整井，存在井眼相碰風險高、繞障軌道設計難度大、摩阻高、扭矩大和井眼軌跡控制難等問題：①同平臺內部署調整井時，因調整井與已鉆井的井口間距小，設計井眼軌道時要避開井下空間內的已鉆井眼，使得直井段防碰難度大；②井下三維空間內已鉆井的井眼軌跡交叉分布，調整井的井眼軌跡需在已鉆井的井眼軌跡內穿行，井眼軌道設計時需要兼顧繞障和降摩減扭；③頁巖氣調整井施工中，新、老井眼軌跡交叉存在，定向段、水平段需進行多次防碰繞障，復雜的井眼軌跡勢必造成摩阻升高、扭矩增大，在高摩阻條件下，復雜繞障軌跡的控制難度較大。

3）超長水平段鉆井摩阻高、扭矩大，配套技術不完善。長水平段水平井鉆井技術是目前頁巖氣鉆井降本增效的主要技術手段之一，近年來，頁巖氣水平井的水平段長度呈現逐漸增加的趨勢。水平段增長，摩阻就會升高、扭矩就會增大。例如，焦頁2-5HF井的水平段摩阻扭矩變化曲線如圖1所示。從圖1可以看出，水平段長度超過1 500 m后，摩阻迅速升高；水平段長度達到2 835 m時，停泵上提摩阻達到 280 kN；后 1 500 m 的扭矩增加速率由0.8 kN·m/300m 提高到了 2.2 kN·m/300m，提高明顯。

圖1 焦頁2-5HF井水平段摩阻扭矩變化曲線Fig.1 Curve of frictional torque in the horizontal sections of Well JY 2-5HF

4）套管下入難度大，環空帶壓嚴重。隨著水平段長度的增加，套管下入摩阻升高，對井眼準備、完井管串及下套管技術的要求提高。由于超長水平段壓裂段數增多，水泥環需承受30～40次交變應力，遠多于開發調整期以前的15～20次，對水泥環的密封性提出了挑戰。同時，涪陵頁巖氣田焦石壩區塊2017年之前投產的223口井中，有194口井出現了不同程度的帶壓現象，帶壓比例高達87%，環空帶壓嚴重。

2 調整井鉆井關鍵技術

2.1 鉆井優化設計技術

2.1.1 地層壓力分布規律分析方法

涪陵頁巖氣田焦石壩區塊產層經過反復壓裂改造，地應力狀態和地層孔隙壓力發生了巨大變化，預測難度加大。為分析壓裂對孔隙壓力分布的影響規律，基于有效應力原理，建立了考慮壓裂對滲透率變化影響的動態孔隙壓力計算模型，明確了壓裂干擾距離和影響程度：

式中：ppd為動態孔隙壓力，kPa； σv為上覆巖層壓力，kPa；Vp，Vs分別為縱波時差和橫波時差，m/s；μ為泊松比；K′′為地層滲透率的變化率，mD/km；A，b，C，d，E和f為區域常數。

研究表明，孔隙壓力分為受壓裂影響和不受壓裂影響2種情況：當水平方向上本井與新壓裂鄰井的距離小于壓裂半縫長+50 m、或者垂向上本井與新壓裂井的距離≤50 m時，會受到壓裂影響；當鄰井的井口生產壓力降低10 MPa以上，孔隙壓力基本不受壓裂影響（縱向距離＞50 m）。不受壓裂影響情況下，鉆井液密度參考鉆遇裂縫的地層壓力進行調整；受壓裂影響情況下，鉆井液密度參考壓裂增壓后的地層壓力進行調整。

2.1.2 密集井網繞障軌道設計方法

為避免鄰井壓裂帶來干擾，兼顧井眼軌跡防碰要求，提出了調整井密集井網繞障軌道設計方法。該方法的設計原則為：1）井眼軌道應避開已壓裂井，同時應避開井口生產壓力下降不超過10 MPa的復雜裂縫區；2）與同一水平線上已壓裂井井眼軌跡的距離大于“縫長+50 m”；3）先后施工的2口鄰井進行三維空間繞障設計時，一口井的A靶點和另一口井B靶點或A靶點在空間上按50 m×80 m的橢圓形區域進行避讓；4）盡可能避免相鄰2口井同時進行壓裂和鉆井施工。基于該方法的調整井密集井網繞障軌道設計流程如圖2所示。

圖2 調整井密集井網繞障軌道設計流程Fig.2 Flow chart of well trajectories design bypassing barrier in the dense infill well pattern of adjustment wells

2.1.3 井身結構優化方案

采用調整井地層壓力分析方法，可精細描述調整井地層壓力特征。基于此，涪陵頁巖氣田焦石壩區塊提出了“導管+二開”井身結構設計方案，取消了?473.1 mm導管。平臺第一口井可采取“導管+三開”井身結構；若韓家店組、小河壩組的承壓能力滿足龍馬溪組的鉆井施工要求，則該平臺后續井位可采取“導管+二開”井身結構。

2.2 鉆井提速提效關鍵技術

2.2.1 強化參數鉆井提速

強化參數鉆井技術在北美地區已廣泛應用，如Purple Hayes 1H 井鉆水平段?215.9 mm 井眼時，頂驅轉速達到 110 r/min，鉆壓 200 kN，創造了“一趟鉆”完成5 652 m長水平段的紀錄。中國石油近年來在威遠地區也開展了強化參數鉆井技術應用，取得了較好的效果。

涪陵頁巖氣田焦石壩區塊于2018年開始進行強化參數鉆井技術實踐。為此，全面升級地面裝備，研發新型鉆頭、螺桿，以滿足強化參數鉆井需求。

1）地面裝備。配套 52 MPa高壓鉆井泵、70 MPa高壓立管、升級改造水龍帶、四級固控設備，配備更大扭矩頂驅，強化動力設備等。

2）鉆頭和長壽命螺桿。在分析制約鉆頭行程進尺和行程鉆速的基礎上，優化混合鉆頭結構，鉆頭鉆壓承載能力提高20%；現有螺桿不能滿足強化參數鉆井工況，通過提高螺桿鉆具輸出扭矩和增強傳動軸總成承載能力，螺桿轉速提高30%，同時提高了螺桿的可靠性，更好地滿足了強化參數鉆井的要求。

在升級地面裝備、鉆頭和螺桿等的基礎上，制定了適合于涪陵頁巖氣田焦石壩區塊的強化參數技術方案（見表2）。

表2 涪陵頁巖氣田焦石壩區塊強化參數鉆井方案Table 2 Drilling scheme with enhanced drilling parameters of the Jiaoshiba Block in the Fuling Shale Gas Field

2.2.2 基于等壽命理念的“一趟鉆”鉆井

基于延長鉆頭、螺桿鉆具和隨鉆測量儀器等使用壽命的設計理念，以“一趟鉆”為目標，開展了鉆井提速技術攻關，初步形成了“1+4+2”鉆井提速技術，即一開1個“一趟鉆”，二開4個“一趟鉆”，三開2個“一趟鉆”。一開井段，采用?406.4 mm KS1662SGAR 鉆頭+?244.5 mm 大扭矩螺桿（彎角0.5°～1.0°，帶?398.0 mm 扶正器）；二開井段，采用“先鋒PDC鉆頭+長壽命牙輪鉆頭+高效PDC鉆頭”，配合高強度、大扭矩等壁厚螺桿和激進鉆井參數；三開井段，使用“改進型KPM加強型混合鉆頭/先鋒PDC鉆頭+長壽命螺桿+水力振蕩器”。

2.2.3 “鉆刮通洗一體化”完井工藝

涪陵頁巖氣田焦石壩區塊水平井下套管固井后，傳統的鉆井完井作業包括鉆水泥塞、刮管、通井和洗井，一般分為3趟鉆。“鉆刮通洗一體化”完井工藝，則是利用一體化工具串（滑套開關、液壓刮壁器和通徑規）一趟鉆解決傳統3趟鉆才能完成的鉆水泥塞、刮管、通井和洗井作業。

2.3 長水平段水平井優快鉆井技術

2.3.1 井眼軌道剖面優化

井眼軌道剖面是影響長水平段水平井鉆井效率的重要因素。針對長水平段水平井鉆井過程中摩阻高、扭矩大的問題，以降摩減阻為目標，結合常規五點六段制與斜面圓弧剖面設計優點，優化形成了斜面圓弧五點六段制井眼軌道剖面。與常規的五點六段制軌道相比，優化后的井眼軌道剖面提高了井眼光滑度、降低了水平段摩阻扭矩，水平段延伸能力得到了提高[12]。

2.3.2 高效降摩減阻工具

1）水力振蕩器。為了解決長水平段水平井水平鉆進中摩阻高、扭矩大和機械鉆速低的問題，研究形成了長壽命、低壓耗高效渦輪式水力振蕩器。它具有壽命長（達 200 h 以上）、壓耗低（≤3 MPa）的特點，降摩減阻效果顯著，有利于提高機械鉆速和水平段的延伸長度。

2）微擴孔工具。常規螺桿定向鉆井過程中，井眼軌跡會出現很多小臺階，全角變化率大，摩阻扭矩增大，為此，針對性研發了微擴孔工具。該工具具有偏心結構，通徑比鉆頭尺寸小，擴孔后比原井眼大（如圖3所示），在水平井應用可有效清除巖屑床、減小井眼狗腿度、清除井下微狗腿與小臺階、增大水平井水平段延伸長度和減少短起下鉆次數。

圖3 微擴孔工具擴孔截面示意Fig.3 Cross-section of the micro-reaming tool

2.3.3 長水平段水平井井眼凈化技術

頁巖氣長水平段水平井易在水平段形成巖屑床，摩阻升高，導致憋鉆、卡鉆等井下故障和復雜情況發生，影響鉆井安全和效率。通過技術攻關研究和集成，形成了長水平段高效井眼凈化鉆井技術：

1）采用大轉速提高井眼清潔工藝。水平段鉆進過程中，井筒內存在速度盲區，流體從井筒高邊流過速度盲區，將高速流體和巖屑分離，但巖屑很難攜帶出井筒；通過提高鉆柱轉速，可將水平段速度盲區的巖屑攜帶至高速區。對于?215.9 mm井眼，排量 30 L/s，頂驅轉速 100 r/min 以上，可有效破壞巖屑床，提高井眼凈化效率。

2）對于水平段長度超過3 000 m的超長水平段水平井，可用清砂鉆桿，改變水平段鉆井液流態，提高巖屑攜帶效率。

3）優化油基鉆井液的流變性能，降低固相含量，控制動塑比在 0.5 Pa/（mPa·s）左右。對不規則井眼，采用稠漿攜砂，提高固控設備使用率，清除有害固相[13–18]。

2.4 防止環空帶壓的固井技術

2.4.1 高強度彈韌性水泥漿體系

頁巖氣田開發調整階段，水平井的水平段長度增大，水平段的壓裂段數隨之增多，水泥環需要承受更多的交變應力，這對水泥環的密封性提出了更高要求。為此，研選了新型高效彈性材料和納米增強材料，通過顆粒級配達到了緊密堆積，形成了高強度彈韌性水泥漿體系。形成的高強度彈韌性水泥石彈性模量最低 5.5 GPa，抗壓強度大于 27 MPa，抗拉強度大于3 MPa。采用水泥環密封完整性評價裝置對其測試發現（結果見圖4、圖5；圖4中，線段形狀不同表示所用水泥石試塊不同），該水泥石可在模擬壓裂段次大于30次、施工壓力90 MPa下保持水泥環的密封完整性。

圖4 高溫三軸水泥石的應力?應變曲線Fig.4 Triaxial stress–strain curves of set cement at high temperatures

圖5 高強度彈韌性水泥環密封完整性測試結果Fig.5 Sealing integrity test results for cement sheath with high strength elastic-ductile

2.4.2 提高固井質量配套工藝技術

固井水泥漿候凝時套管內液柱壓力高于采氣過程中的壓力，導致套管徑向收縮產生微間隙、形成氣竄通道等問題，為此，采取環空加壓候凝的方式，使套管交界面產生小的彈性變形，在一定程度上可以抵消水泥環的殘余應變。與此同時，在鉆井通井、套管下入、油基鉆井液清洗、漿柱結構和套管居中等方面也進行了優化，以提高頁巖氣井的頂替效率和水泥環的長期密封性[19]。

3 現場應用效果

3.1 單項技術應用效果

上述調整井鉆井關鍵技術中的各單項技術，在涪陵頁巖氣田焦石壩區塊應用后取得了顯著效果。

“導管+二開”井身結構現場應用14口井，用后一開機械鉆速由 7.46 m/h 提高到 10.4 m/h，平均鉆井周期縮短5～7 d。強化參數鉆井提速技術在焦頁92-1HF井應用后，機械鉆速較同平臺其他井提高了21.92%，創焦石壩區塊二開15.33 d的最短鉆井周期紀錄；焦頁29-S3HF井應用該技術后，創該區塊全井段33.58 d的最短鉆井周期紀錄。基于等壽命理念的“一趟鉆”鉆井技術現場提速效果顯著，一開井段基本全部實現“一趟鉆”；二開33口井實現4個“一趟鉆”，占比45.2%；三開造斜段“一趟鉆”比例達90%，25口井水平段實現“一趟鉆”目標，占比21.2%。部分井三開水平段“一趟鉆”統計情況見表3。

表3 涪陵頁巖氣田焦石壩區塊調整井“一趟鉆”應用情況Table 3 Application of one-trip drilling technique to adjustment wells of the Jiaoshiba Block in the Fuling Shale Gas Field

與常規工藝相比，應用“鉆刮通洗一體化”工藝的單井平均節約作業時間56 h，完井作業時間節約31.17%。

應用長壽命、低壓耗高效渦輪式水力振蕩器后，平均機械鉆速提高25.0%以上（部分井的現場應用效果見表4）。其中，焦頁23-S2HF井水平段2 101 m“一趟鉆”完成，平均機械鉆速達19.82 m/h，創涪陵工區水平井“一趟鉆”機械鉆速最高紀錄。

表4 高效渦輪式水力振蕩器現場應用效果Table 4 Field application effect of efficient turbine hydraulic oscillator

3.2 總體應用效果

截至2019年12月，涪陵頁巖氣田焦石壩區塊調整井應用研究的鉆井技術完鉆84口井，取得了顯著的應用效果。應用井的平均水平段長度2096 m，與涪陵頁巖氣田二期產能建設完鉆井相比增加了33.1%；水平段超過 2500 m 的井共 17 口（見圖6），其中焦頁2-5HF井水平段長度達到3 065 m，創當時國內頁巖氣水平井水平段最長紀錄。

圖6 涪陵頁巖氣田部分長水平段水平井鉆井情況統計結果Fig.6 Statistics of drilling in some long horizontal well sections in the Fuling Shale Gas Field

應用井的平均機械鉆速9.49 m/h，平均鉆井周期62.27 d，平均完井周期75.81。與涪陵頁巖氣田二期產能建設完鉆井相比，機械鉆速提高了26.2%；鉆井周期縮短了26.0%，完井周期縮短了23.55%。

4 結論及建議

1）壓裂裂縫對孔隙壓力影響顯著，利用建立的考慮壓裂對滲透率變化影響的動態孔隙壓力計算模型和基于靶點調整的密集井網繞障設計方法，可有效避開壓裂區，降低頁巖氣田調整井鉆井中的井漏、溢流等井下復雜情況。

2）強化參數、基于等壽命理念的“一趟鉆”鉆井技術和“鉆刮通洗”一體化工藝是開發調整階段提速提效的關鍵技術，可大幅提高頁巖氣田調整井機械鉆速，縮短鉆井周期。

3）長水平段水平井壓裂段數增多，水泥環密封差。通過采用高強度彈韌性水泥漿體系、環空加壓候凝工藝和優化下套管工藝措施，可提高頁巖氣頂替效率和水泥環的密封性。

4）建議深化和推廣應用涪陵頁巖氣田焦石壩區塊調整井鉆井技術，探索和攻關多層系立體開發模式，進一步降低工程成本，提高頁巖氣田開發效率。