正安頁巖氣水平井優快鉆井難點與對策

于繼良（貴州頁巖氣勘探開發有限責任公司，貴州 遵義 563400）

0 引言

正安工區位于貴州省遵義市正安縣，北接重慶南川區，東北毗鄰道真縣、務川縣，東南與鳳岡縣和湄潭縣交界，南靠綏陽縣，西北與桐梓縣接壤，面積2 595平方千米。區內廣泛分布石灰巖，發育有溶洞、溶蝕洼地、伏流、盲谷等喀斯特地貌。根據區域地質資料及鄰區鉆井，結合地震、鄰井鉆測錄井等資料，試驗井組所鉆地層自上而下為：三疊系嘉陵江組、夜郎組，二疊系合山組、茅口組、棲霞組、梁山組，志留系韓家店組、石牛欄組、新灘組、龍馬溪組以及奧陶系五峰組、臨湘組、寶塔組。其中五峰組～龍馬溪組一段為主要目的層段，厚度17～24 m。

1 鉆井難點分析

機械鉆速慢，單趟進尺少，起下鉆次數多。根據兩輪16 口井的鉆井施工情況統計，第一輪井平均鉆井周期為126.93 d，平均機械鉆速僅為5.26 m/h，單井平均使用鉆頭15 只，平均單只鉆頭進尺322 m；第二輪井平均鉆井周期為52.92 d，平均機械鉆速為7.51 m/h，單井平均使用鉆頭11 只，平均單只鉆頭進尺451 m。該區地層可鉆性為4.5～7.5 之間，正安工區雖然第二輪井施工指標有明顯提升，但鉆井提速空間依然很大，提速需求也依然急切。

造斜段后期摩阻扭矩大，滑動鉆進效率低。安場工區水平井多為三維長水平段水平井，斜井段長，方位扭轉幅度大，常規螺桿鉆具滑動效率低，在造斜段的后期需采用旋轉導向工具進行軌跡控制施工，大幅增加了工區鉆井施工的成本。

儲層薄、傾角大、優質儲層鉆遇率難保障。安場工區頁巖氣儲層厚度較薄，地層產狀變化大，水平段箱體只有5 m 左右，井眼軌跡容易出箱體，優質頁巖鉆遇難度大[1]，部分井優質儲層鉆遇率有待進一步提高。

壓力體系復雜、涌漏矛盾突出。正安工區上部地層喀斯特地貌，嘉陵江組孔、洞、縫發育，漏失風險高。石牛欄組局部異常高壓與龍馬溪組壓力系數差異大，涌漏矛盾突出。龍馬溪組裂縫、微裂縫、斷層發育，漏失情況多發。統計安場頁巖氣井16 口，油基鉆井液漏失10 口井，漏失次數31 次，其中石牛欄組漏失5 次，新灘組漏失6 次，龍馬溪組漏失25 次，共計漏失油基鉆井液2270.26 m3。

井壁失穩多發、復雜時效占比高。五峰至龍馬溪組井段巖層膠結程度差，水平段鉆井過中掉塊嚴重，且多伴隨井漏復雜，極易導致卡鉆事故[2]，前期鉆井施工過程中安頁1 平臺3 口井在龍馬溪組發生井壁失穩，安頁4 平臺1 口井在寶塔組發生井壁失穩，安頁5 平臺1 口井在五峰組發生井壁失穩。

2 鉆井提速技術

2.1 個性化高效PDC 鉆頭優化

安場區塊鉆頭改進思路：嘉陵江組至合山組目前正安區塊很少有用19 mm 高攻擊性復合片的鉆頭，從實鉆情況來看，該段地層研磨性不強出井鉆頭新度高，完全可以考慮使用五刀翼19 mm 復合片提高機械鉆速。合山組-龍馬溪組直導眼考慮使用5 刀16 mm或者4 刀16 mm 高耐磨異形齒復合片鉆頭來提高該段的鉆進速度。φ215.9 mm 井眼地層整體可鉆性非常好，著重提高PDC 鉆頭側向切削能力和攻擊性，設計短保徑、短拋物線淺內錐型PDC 鉆頭。

2.2 鉆井參數優化技術

鉆井參數強化技術，又叫激進參數鉆井技術是近年比較熱門的技術，在國外和國內頁巖氣井施工都取得了比較好的提速效果[3]，鉆井參數強化技術的基礎在于機械鉆速方程。

典型機械鉆速方程如式（1）所示：

式中：ROP為機械比能；k為巖性系數；Cp為壓差系數（kN·m）；Ch為水力能量系數；WOB為鉆壓；M為破巖門限鉆壓；RPM為鉆頭轉速；λ為轉速系數；C2為鉆頭磨損系數。

根據機械鉆速方程可知，鉆壓、轉速、扭矩三個參數對于機械比能影響較大，提高三參數對于提高破巖能量，提高機械鉆速具有重要意義。北美頁巖油氣施工對鉆井參數的強化進行了充分的試驗和應用，主要采用較高的鉆壓、頂驅轉速和鉆井液排量，取得了良好的提速提效效果；而在我國川渝工區也已經進入鉆井參數強化技術推廣應用的初級階段。

2.3 大扭矩、長壽命動力鉆具優選

單純依靠鉆頭優化還不足以實現單趟鉆進尺和機械鉆速最大化的目標，需要配套大扭矩、長壽命的動力鉆具使用，才能充分挖掘提速潛能。等壁厚動力鉆具是近年來研制成功的一種新型動力鉆具，具有單級密封壓力高、轉速低、扭矩大、曲率半徑小、使用壽命長、耐高溫和使用更加安全可靠等技術優勢。根據不同尺寸，等壁厚動力鉆具工作扭矩和最大輸出扭矩較常規動力鉆具高出20%～100%不等[4]，而平均持續工作壽命可提高20%～50%左右。結合前期動力鉆具選型經驗，以及正安區域鉆井施工需要，推薦以等壁厚動力鉆具為主動力鉆具方案，φ406.4 mm/311.2 mm 井眼采用H7LZ244×7.0-3.3 型號等壁厚螺桿鉆具；φ215.9 mm井眼采用7LZ172×7.0V 或者 H7LZ172×7.0-4.6 等壁厚螺桿鉆具。

3 長水平段水平井高效軌跡控制技術

3.1 減摩降扭工具優選與配套

3.1.1 水力振蕩器

水力振蕩器主要由動力短節、盤閥總成和振蕩系統等三個部件組成[5-6]。閥盤相交面積的交替變化產生周期性的壓力脈沖，從而帶動振動短接內彈簧產生一定頻率的軸向蠕動，進而帶動上下鉆具柔和振動，這種振動將滑動鉆進中的鉆具與井眼的靜摩擦轉換為動摩擦，減少了摩擦阻力。

工具的振蕩短節能將動力短節馬達和盤閥短節產生的壓力脈沖轉化成機械運動，通常位于動力短節之上的振蕩短節會完成這一工作，振蕩短節有一個靠彈簧承托的心軸，心軸在鉆桿內部壓力和環空壓力之間實現密封，從而形成了一個馬達承壓面，當動力短節和閥總成產生的一個上游脈沖壓力作用到馬達承壓面上時，心軸就會完成一次上、下運動。振蕩短節的工作沖程范圍一般為3.18～9.53 mm （1/8″～3/8″），振蕩短節的軸向振動始終保持鉆柱處于連續脈動狀態[7]，從而達到降低鉆柱與井眼靜摩擦、改善鉆壓傳遞和減少扭矩波動的目的。

3.1.2 振蕩螺桿鉆具

對于長水平段水平井而言，隨著井斜的增加，摩阻扭矩逐漸增加，采用常規方式施工后續定向會越來越困難，水力振蕩器對于降低滑動鉆進摩阻，提高施工效率具有良好的效果，另一種提速提效工具，振蕩螺桿鉆具通過短節配合螺桿馬達一起在馬達旋轉提供扭矩的同時，產生高頻的縱向沖擊力來提高鉆進過程中鉆壓的傳遞及鉆進的效率，適用于降低滑動摩阻和硬脆性地層提高機械鉆速，并且具有壓降小，沖擊力大，適用排量范圍廣等優勢。振蕩螺桿鉆具在勝利、四川、新疆等地區進行了應用，機械鉆速普遍提高30%以上，滑動鉆進過程中降低摩阻效果明顯，在提高機械鉆速的同時提高了定向效率，取得良好的應用效果。

3.1.3 雙向扭擺系統

針對長水平段水平井滑動定向效率低，托壓等問題，Torsion Drilling 鉆柱雙向扭轉控制系統能夠有效解決滑動鉆進過程中機械鉆速低，定向效率低；工具面擺放和控制困難；鉆具下放困難，易發生憋泵等難題，有效減少鉆具粘卡風險。已在勝利、西南、鄂爾多斯、長慶、東北等推廣應用30 多井次。應用證明，當托壓嚴重時，使用該系統可降低摩阻70%以上，定向提速50%以上，提高滑動鉆進單次行程進尺，無需上提下放活動鉆具，提速增效效果明顯。

3.2 近鉆頭地質導向技術

近鉆頭地質導向系統主要用于提高油層穿透率和井身軌跡控制精度，確定目的層位置并保證鉆頭在目的層中鉆進。現在基于無線傳輸的近鉆頭伽馬和井斜的實時測量與傳輸，可以使得近井斜和伽瑪測量零長達到0.5 m，能夠更加精確地控制識別地層并控制井眼軌跡[8]，能更快地對地層的變化作出反應，實時判斷地層含油/ 氣性、及時找準油氣層，能夠更好地解決正安地區由于地層厚度薄、傾角大導致的儲層鉆遇率低的問題。

針對正安工區儲層薄、傾角大、變化快的復雜地質特征，建議選用近鉆頭地質導向工具及技術。其主要優勢為傳感器距離鉆頭更近，可輔助快速地質導向決策和快速定向決策，精確鉆井控制，降低出層風險，且適用多種井況（泥漿、欠平衡和空氣鉆井）。

4 治漏防塌鉆井液技術

4.1 防漏堵漏技術

根據正安工區10 口井漏失情況分析，主要特征為裂縫分布和發育不均勻；微裂縫連通性好，裂縫類別屬于中裂縫、微裂縫；易產生擴展型裂縫；易發生重復性漏失；安全密度窗口窄；同一開次存在多套壓力系統；漏失后伴隨氣測值上升；漏失后存在返吐現象。通過巖心組構分析表明，安頁2 井龍馬溪組頁巖樣品的微納米孔縫發育，孔縫尺寸分布范圍較廣，約0.01～10 μm，具有“裂隙（納米）-微裂縫（微米）”的多尺度特征。在鉆井施工過程中，若鉆井液隨鉆封堵性能不足，在流體壓力作用下，鉆井液沿微納米孔縫發育侵入地層，微裂縫便會逐步成為擴展型裂縫，引發嚴重的鉆井液漏失。因此，正安工區預防井漏的產生和消除已發生的井漏，主要從三個方面入手：一是減少或消除井筒與地層之間的正壓差。在維持井壁穩定、防止井控風險的前提下，盡量降低鉆井液密度，減少開泵壓力激動，下鉆采用分段循環方式，保持鉆井液密度均勻，循環加重鉆井液需用重漿均勻加重。二是封堵漏失通道。采用剛性顆粒狀（核桃殼、石灰石等）+變形顆粒狀（孔網堵漏劑、橡膠顆粒等）+剛性片狀（云母片、谷殼等）+纖維狀（酸熔堵漏劑、亞麻纖維等）封堵漏失通道，根據漏失程度確定橋接堵漏材料的濃度、級配和用量。三是增大鉆井液在漏失通道中的流動阻力。實驗表明，漏失速度與鉆井液稠度系數呈冪函數關系，稠度系數越小，漏失速度越大。

4.2 井眼防塌技術

對于正安工區井壁失穩問題，可有兩個途徑進行解決：第一，鉆井液選擇白油基鉆井液體系，高溫高壓失水控制在2 mL 以內，盡量減少濾液進入地層的幾率；納米封堵劑屬于合成聚合物納米封堵劑，粒徑分布在50～500 nm，其具有粘結性、兩親性和微納米的特性，納米聚合物顆粒進入地層后自主粘結裂縫，能均勻分散在油中和水中，極易吸附到微裂縫兩翼，因其粒徑為納微米球形，且具備較好的彈性和收縮性，即使顆粒直徑大于微納米裂縫，能夠有效進入頁巖微裂縫，或在壓差作業下擠壓進頁巖微納米裂縫。第二，強化油基鉆井液的封堵能力，提高氧化瀝青的加量、優選納米封堵劑和井壁強化劑，及時封堵裸眼段的微裂縫，減少掉塊產生的幾率。

4.3 結論與建議

（1）正安工區長水平段水平井高質量、高效率施工，主要依托于高效破巖工具和工藝、減摩降阻技術、近鉆頭地質導向技術、旋轉導向技術及治漏防塌鉆井液技術的集成應用，各技術相輔相成，建立健康的提速提效體系；（2）目前正安頁巖氣鉆井軌跡高效控制依然依托于國外旋轉導向系統，依然具有很大的降本空間，在之后的工作中，應把優化鉆具結構和高效軌跡控制技術作為研究重點，進一步降低對高成本技術和工具的依賴；（3）近鉆頭地質導向技術正逐步發展成熟，是水平井安全著陸及優質儲層鉆遇率的最有效保障技術之一，應提高國產近鉆頭地質導向儀器的可靠性和市場規模，降低水平段施工成本；（4）防塌鉆井液技術能夠有效降低井壁失穩造成的復雜概率，但目前應用力度不足，應加大該技術的進一步優化和推廣應用。