重慶南川頁巖氣鉆井關鍵技術與思考

趙小祥，胡志強，楊順輝，匡立新，薛玉志，何青水，肖 超，李夢剛

1中國石化石油工程技術研究院 2中國石化華東油氣分公司

0 引言

SY14-3HF井和SY14-4HF井是中石化華東局重慶頁巖氣有限公司在重慶南川勝頁工區布置的同一平臺的兩口水平開發井。導管及一開井段存在淺表垮塌、嚴重漏失、井斜方位隨鉆監測困難、防碰難度大、井眼尺寸大、提速困難等問題；二開部分地層硅質含量高、可鉆性差、鉆頭磨損嚴重、下部地層井壁易坍塌、井口間距小、防碰難度大、自然方位難控制；三開儲層不均質性強、軌跡調整頻繁、井壁易失穩、壓裂作業對井筒完整性要求高。為形成單井和區域工程示范，加快中石化重點地區勘探開發進程，以“日費制”管理為手段，基于甲乙方融合、甲方主導的日費制及新技術集成應用機制，制定了各井段鉆井提速方案，優選各井段的鉆具組合，推廣高性能射流沖擊器及大扭矩等壁厚螺桿等提速工具[1]，研發高效PDC破巖鉆頭[2]、強封堵防塌鉆井液體系[3]，成功解決了淺層失返性漏失、鉆速慢、井壁失穩等鉆井難題，兩口井在鉆完井周期、復雜處理及平均機械鉆速等方面實現了突破。

1 工程概況

SY14-3HF井和SY14-4HF井位于四川盆地川東高陡褶皺帶萬縣復向斜東勝南斜坡，目的層位為龍馬溪組龍一段③小層，采用“導管+三開制”的井身結構，實際井身結構如圖1所示。SY14-3HF井于2020年06月30日開鉆，2021年03月23日完鉆，完鉆井深5 370.00 m，實際鉆井周期45.41 d，全井平均機械鉆速9.70 m/h。SY14-4HF井于2020年08月02日開鉆，2020年11月05日完鉆，完鉆井深5 017.00 m，實際鉆井周期65.10 d，全井平均機械鉆速10.75 m/h。

圖1 SY14-3HF井和SY14-4HF井井身結構示意圖

1.1 井壁穩定性差蹩跳問題嚴重

SY14平臺上部第四系淺表地層為疏松黏土，易坍塌，雷口坡組及嘉陵江組等灰巖、白云巖地層裂縫和溶洞發育，地層破碎且含泥質礦物，鉆井時間長期易產生井壁穩定性問題[4-6]，具體鉆遇地層及主要技術難點見表1。SY14-4HF井在導管井段進至井深239 m左右漏層時，漏水不漏粗砂，沉砂較多，劃眼過程中頻繁蹩停頂驅，造成3次卡鉆，使正常鉆進具有極大風險。同平臺SY14-5HF井導管段鉆進時出現井口坍塌、導管下入遇阻復雜，通過打水泥漿、混凝土、堵漏漿及下引管等措施均未成功，歷時21 d，無法繼續鉆進，臨時棄井。

表1 鉆井過程中主要技術難點統計表

1.2 機械鉆速低

三疊系飛仙關組、二疊系龍潭、茅口組泥質灰巖夾燧石，含硅質，地層研磨性強，鉆頭吃入性差，易崩齒；志留系韓家店和小河壩組地層非均質性強，軟硬交錯，下部致密砂巖石英含量高，導致機械鉆速緩慢。SY14-3HF井直井段長，自然方位均為280°～330°之間，由于韓家店組泥巖地層有降斜趨勢、小河壩組砂巖地層有增斜趨勢導致井斜、方位控制難度大。

1.3 井眼防碰難度大，壓裂影響鉆井壓力控制

SY14平臺部署有8口水平井，叢式井井口間距小、井眼防碰難度大，SY14-4HF井56.15 m處與SY14-3HF井井眼之間最近距離僅6.65 m；區域井網密布，鄰井壓裂施工中壓裂液侵入井筒，SY14-4HF井11月2日旋轉導向鉆進至井深5 017 m，出口流量增加，發現溢流，關井后不斷節流循環排氣，火焰飄高3～10 m，鉆井液密度從1.50 g/cm3提升至1.85 g/cm3后，仍然難以有效控制氣侵，繼續鉆進會有較高風險，確定就地完鉆。

2 鉆井關鍵技術

2.1 鉆井提速工具優選技術

2.1.1 電磁波隨鉆測量監控技術

SY14平臺上部地層鉆進發生失返性漏失，井壁掉塊多，在施工過程中為監測井斜，確保井身質量和防碰要求，有利于提速，首次引入了電磁波隨鉆測量監控技術。SY14-3HF井和SY14-4HF井在導管施工中首次使用電磁波隨鉆測量技術監測井斜、指導優化鉆井參數。從地面到970.00 m井段使用CEM-1型電磁波隨鉆測量儀器監測井身質量，該儀器信號穩定，利用接立柱的時間即可完成測量、節約了常規脈沖隨鉆測量儀器需要停泵、開泵才能測量的常規操作，每一立柱測斜可節約3～5 min的時間，可滿足鉆井液失返工況下的測量工作。該井段為直井監測井段，可通過隨鉆監測井斜優化鉆井參數，避免中完井深井斜、位移過大。電磁波隨鉆測量儀器在南川工區淺層漏失井段獲得了良好的應用效果，在南川勝頁工區進行有效地推廣使用。

2.1.2 高性能射流沖擊器

在SY14-3HF井二開井段使用了中石化工程院研制的兩套?228 mm射流沖擊器。第一套射流沖擊器應用入井1次，地層為龍潭和茅口組，地層巖性為灰巖、頁巖。應用井段1 700～1 822 m，進尺122 m，工具出井時檢測正常。第二套射流沖擊器連續入井3次，應用地層為棲霞、梁山及韓家店組，地層巖性以泥巖、粉砂巖為主。應用井段為1 822～2 582.8 m，總進尺760.8 m，總工作時間101 h。兩套射流沖擊器在鉆進過程中扭矩平穩，復合鉆進鉆時2～4 min，滑動鉆進鉆時4～9 min。射流沖擊器在應用過程中，在棲霞組至梁山組，配合大扭矩螺桿復合鉆進機械鉆速同比鄰井提高了36.6%，滑動鉆進機械鉆速同比提高42%以上。在韓家店組，配合常規螺桿，復合鉆進平均鉆時3.13 min/m，滑動鉆進平均鉆時7.75 min/m。同比鄰井的平均鉆時大幅度降低，提速效果尤為顯著。射流沖擊器整體工作性能穩定，需要進一步研究沖擊器性能參數與巖石抗鉆特性參數關系，依據地層及鉆時變化情況調整旋沖鉆井參數，提高鉆具組合及鉆頭匹配度。

2.1.3 旋轉導向+高扭矩低轉速螺桿組合

SY14-3HF井、SY14-4HF井三開水平段采用旋轉導向工具配合近鉆頭井斜和伽馬的應用，精準控制井眼軌跡，所鉆井眼規則，提高了儲層鉆遇率，兩口井儲層鉆遇率均達到100%。其中SY14-3HF井采用貝克休斯AutoTrak Curve高造斜旋轉導向作業系統，配合高扭矩低轉速螺桿，監測井底轉速可以達到170～180 r/min，進一步增加攜巖效果，降低井底鉆頭振動，在強化鉆進參數的情況下，能獲得較高的機械鉆速，同時近鉆頭方位GR的應用也能很好地提供準確的地質信息從而指導鉆頭在目的層穿行。SY14-4HF井三開第二趟鉆采用斯倫貝謝公司PowerDrive Archer新一代高造斜率旋轉導向系統[7],如圖2所示，實鉆水平段最大井眼曲率5.24°/30 m，精準控制井眼軌跡。

圖2 PowerDrive Archer高造斜率旋轉導向工具

2.1.4 高效破巖鉆頭

三開地層非均質性強，軟硬交錯，下部致密砂巖含量高，地層可鉆性差，研磨性強。根據地層特點及巖石力學分析，SY14-3HF井和SY14-4HF井三開造斜段選用江鉆?215.9 mm KPM1642DRT型混合鉆頭,如圖3所示，充分發揮兩類鉆頭優勢，牙輪切削齒預先對巖石產生破碎沖擊，減少鉆柱振動，降低PDC的切削載荷，使PDC切削齒在低鉆壓下產生較高的機械鉆速[8-9]。該只鉆頭的使用符合預期設計，大幅提高了定向鉆進擺工具面的時效，復合鉆進平均鉆時在3～5 min/m，擺工具面時間在每次在10～20 min。使用高鉆壓、低轉速的施工參數快速破壞固井膠塞，大幅提高了掃塞時效，SY14-3HF井三開僅用6 h即鉆完42 m水泥塞及固井附件，縮短了掃塞周期。同時，SY14-4HF井三開水平段選用KSD1652FRTY五刀翼雙排齒鉆頭，優化鉆頭輪廓設計，加強肩部布齒密度，提升了鉆頭側切能力。該鉆頭第一趟鉆進尺1 520 m，純鉆時間119 h，平均機械鉆速12.77 m/h。起出后鉆頭齒輕微磨損，磨損評級為1-1-WT-T-X-1/16-NO-BHA。該只鉆頭破巖效果較好，平均鉆時在3～5 min/m。

圖3 KPM1642DRT型混合鉆頭

2.2 鉆井液封堵防塌技術

2.2.1 “三低兩強”鉀基聚合醇鉆井液體系

華東南川工區二開下部地層鉆井過程中，多發鹽膏侵，鉆井液流變性不易控制，漏斗黏度常在40～90 s波動，變化大，摩阻大，限制了提速提效。“三低兩強”鉀基聚合醇鉆井液體系具有“低膨潤土含、低黏切、低固相、強封堵、強抑制”的特點[10]，用合理的鉆井液密度建立了力學平衡，采用該鉆井液體系可減少地層的總吸水量，提高抑制性，阻止巖石的水化，提高井眼質量，同時減少鉆井液中亞微米含量可大幅度提高機械鉆速，其配方為:生產水+2%～3%膨潤土+0.1%～0.3%Na2CO3+0.1%～0.3%NaOH +0.2%～0.5%KPAM+0.5%～1%NH4HPAN+1%～1.5%PAC-LV+2%～3%抗溫封堵防塌劑+1%～3%聚合醇+3%～6%KCl+1%～2%聚醚醇+2%～3%膠乳瀝青防塌劑+2%～3%多級配填充封堵劑。參數如表2所示。SY14-3HF井和SY14-4HF井二開井段鉆井液膨潤土含量控制在18～19 g/L，黏切控制在38～40 s，失水穩定在4～5 mL，鉆井過程中摩阻較同平臺其他井降低10～20 t，扭矩降低50%，鉆井速度明顯提高。

表2 “三低兩強”鉀基聚合醇鉆井液體系性能參數表

2.2.2 低黏高切油基鉆井液體系

南川工區頁巖氣層段井眼穩定、攜巖洗井、長水平段摩阻大、壓裂液侵入油基鉆井液后，油基鉆井液性能惡化，體系崩潰，易引發井塌等惡性井下事故。SY14-3HF井、SY14-4HF井三開采用的低黏高切油基鉆井液體系具有“體系穩定性好、抗污染能力強、封堵抑制性能優”的特點[11]。通過控制油水比及乳化劑、潤濕劑、降濾失劑的加量和比例，體系的破乳電壓高達1 100 V。使用氯化鈣鹽水提高鉆井液的抑制性。壓裂液及酸液大量侵入對油基鉆井液性能影響輕微，使用大量微納米強封堵材料能有效封堵地層微裂縫，可提高破碎地層的完整性。低黏高切油基鉆井液體系有效解決了南川工區DP14-4井下套管期間40 m3壓裂液侵入后對油基鉆井液穩定性的影響，套管順利下達預定井深，保證了井下安全和第一口日費制井的順利完井。

2.2.3 高、低速離心機串聯

SY14-3HF井和SY14-4HF井在三開鉆進過程中，將高速離心機與低速離心機串聯使用組成雙機系統，如圖4所示。

可以有效回收重晶石，清除低密度固相，有效將鉆井液密度控制在1.57～1.70 g/cm3，黏度60～85 s，高溫高壓失水小于2 mL，破乳電壓維持在1 000 V以上。在此系統中，低速離心機放在第一級，分離出的重晶石排回鉆井液罐中以回收重晶石，分離出的液體先排入一個緩沖罐中，再用泵把緩沖罐中的液體送入高速離心機中，高速離心機分離出的固體排出罐外，液體回到循環系統中，采用“兩機”系統既可以有效清除有害固相，又可以防止大量浪費重晶石，SY14-4HF井在三開壓裂影響造成三開鉆井周期大幅增加的情況下，通過高、低速離心機串聯使用，使油基鉆屑處理量333.9 t，與同平臺其他井相比，減少了238.77 t，單井節省油基廢棄物處理費用30余萬元。

3 結論與建議

(1)日費制對新技術集成應用示范具有積極意義。重慶南川兩口頁巖氣井在鉆完井周期、復雜情況處理及平均機械鉆速等方面實現了突破，形成了諸多鉆井關鍵技術，其中電磁波隨鉆測量監控技術、“三低兩強”鉀基聚合醇鉆井液體系、高/低速離心機串聯以及強化參數鉆井技術已經在工區得到了推廣應用，實現了提質、提速、提效以及技術可復制和可推廣的目的。

(2)南川工區淺部地層易塌、失返性漏失、漏水不漏砂、存在暗河和溶洞等情況下的作業效率仍然較低，建議優先通過地球物理診斷技術盡可能地避開復雜地層；同時，考慮在鉆前施工前將上部不穩定的地層封掉，或者通過跟管鉆進、微泡鉆井、雙壁鉆桿鉆井等方式加以解決，盡可能地減少處理這類復雜所用的時間。

(3)SY14平臺已鉆的多口井井眼軌跡存在穩斜和穩方位難度大的問題，小井斜滑動鉆進進尺200～400 m，嚴重影響定向效率，建議后續應根據平臺已鉆井直井段自然方位趨勢，優化設計油藏靶點、降低井眼軌跡控制難度，從而提高機械鉆速、降低鉆井周期、節約鉆井成本。

(4)南川工區非常規開發區域井網密布，壓裂對鉆井影響巨大，SY14-3HF井所在的東勝工區曾存在多口井因壓裂而出現的井下復雜情況，造成了不小的經濟損失。建議非常規井的開發生產運行要統籌考慮，分區域集中鉆井，分區域集中壓裂，避免出現因壓裂而導致鉆井復雜情況的發生。