新頁HF-2井頁巖氣鉆井技術

張珍，周成華　(中石化西南石油工程有限公司鉆井工程研究院，四川 德陽 618000)

田長春　(中石化西南油氣分公司川西采氣廠，四川 德陽 618000)

新頁HF-2井頁巖氣鉆井技術

張珍，周成華(中石化西南石油工程有限公司鉆井工程研究院，四川 德陽 618000)

田長春(中石化西南油氣分公司川西采氣廠，四川 德陽 618000)

[摘要]新頁HF-2井是中石化西南油氣分公司第2口頁巖氣勘探井。根據鄰井情況和工程地質施工技術難點,對頁巖氣井身結構、鉆井液體系進行了設計,先采用鉆導眼井,再回填側鉆的四開結構。鉆井過程中,運用螺桿鉆具適度地復合鉆進,合理地選擇鉆具組合、鉆頭類型和鉆井參數等技術措施,同時定向段采用聚胺仿油基鉆井液、水平段采用油基鉆井液,保證了該井優質中靶,電測、下套管作業均一次性成功,是小井眼水平段水平井施工的典型案例,為同類型井鉆井積累了寶貴的經驗。

[關鍵詞]新頁HF-2井;頁巖氣;鉆井設計;油基鉆井液

受國內外頁巖氣勘探開發浪潮的影響和在中石化總公司的總體部署下，中石化西南油氣分公司開展了川西坳陷須五段的頁巖氣勘探，川西坳陷須五段頂部埋深多在2100~3500m之間，自東向西埋深逐漸加大[1,2]。新頁HF-2井是中石化西南油氣分公司部署在四川盆地新場構造七郎廟高點的一口勘探井，井型為水平井，設計井深4102m(垂深3088.4m，不含補心高)，實際完鉆井深4077m(垂深3088.31m)，主要目的層為上三疊統須家河組五中亞段。鉆探目的是為了了解須五段頁巖縱橫向分布及發育情況，探索出川西頁巖氣水平井鉆井及壓裂等新技術在本區推廣應用的效果，為頁巖氣先導試驗區的建立奠定基礎。

1主要技術難點

1)根據鄰井須家河組五段(簡稱須五段，垂深2773~3076m)泥頁巖X射線衍射全巖分析(圖1、2)，巖樣含有的礦物有鈉長石、斜長石、方解石、白云石、菱鐵礦，有的巖樣含有少量的鉀長石和石鹽，其中主要含有的礦物是石英和黏土。從黏土礦物組分分析來看，主要以伊-蒙混層和伊利石為主，含有少量的高嶺石、綠泥石，不含水化性最強的蒙脫石礦物。由于新頁HF-2井定向段和水平段均位于須五段，黏土礦物的種類、含量及泥頁巖的微結構決定了新場地區須五段泥頁巖的水化膨脹率低，水化分散屬于中等偏強，對應力敏感的較硬-硬脆性泥頁巖，易產生井壁掉塊、坍塌等井內復雜情況。

圖1　須五段巖樣黏土礦物相對質量分數分析

圖2　須五段黏土礦物相對質量分數直方圖

2)目的層巖性以泥頁巖為主，該層段泥頁巖的結構致密，密度大，偏向于硬脆性，且微裂縫和微孔發育，層理清晰。這種泥頁巖的顯著特點是對應力特別敏感，在鉆井過程中，一旦出現鉆井液的密度不足以平衡地應力時，就很容易井壁掉塊、坍塌等井內復雜情況。此外，鉆井液濾液進入地層后，又會引起地層孔隙壓力增高，從而導致巖石強度降低，給井壁穩定帶來困難[3,4]。

3)泥頁巖水平段長812m，水平位移1220m，摩阻扭矩大，鉆壓傳遞困難，導致鉆井方式的選擇以及井眼軌跡控制難度大。

4)新頁HF-2井為新場構造上的第2口頁巖氣預探井，四開裸眼段均位于頁巖地層中，目的層機械鉆速慢(平均鉆速1.5m/h)，鉆井周期長，大段頁巖在連續施工中長期浸泡在鉆井液中，易導致頁巖沿層理分散碎裂造成井壁失穩。

5)須五段地層壓力梯度較高(1.85～1.9MPa/100m)，鉆井液使用密度和固相含量較高，而水平段長812m，對鉆井液潤滑性要求嚴格。

7)目的層為低孔低滲的頁巖氣儲層，后期多級分段壓裂要求生產井段水泥漿膠結質量良好且水泥石具有高強的彈塑性以及耐久性；三開水平段采用油基鉆井液，界面油基成分難以清除，且封固段長，套管居中困難，頂替效率差，影響固井質量[7~9]。

2鉆井設計

2.1　地質特征

上部第四系、劍門關組巖性以砂巖、泥巖、礫巖為主，地層疏松，易發生垮塌、竄漏、出水；蓬萊鎮組、遂寧組、沙溪廟組含大段泥巖易水化膨脹、垮塌和縮徑；千佛崖組底部、須家河組含高壓裂縫性氣層和較厚的頁巖層，粉、細、中巖屑砂巖、煤線，易吸水膨脹造成井壁垮塌。根據該地區井溫梯度2.22~2.45℃/100m，預測該井須家河組五段地層溫度在76~90℃之間。

2.2　井身結構設計

新頁HF-2井目的層(須家河組五段中亞段頁巖氣儲層)垂深3076.01~3088.47m，泥頁巖水平段長度812m，摩阻扭矩大，井壁穩定困難。根據該井地層壓力預測及井下復雜情況提示，確定必封點深度；并結合完井下入滑套工具、套管完井和儲層改造需要，確定各開次鉆頭及套管尺寸，如表1所示。

2.3　鉆井液設計

1)一開第四系~劍門關組泥砂巖較疏松，膠結性差，易發生垮塌或漏失，采用高膨潤土、高黏切鉆井液鉆進(不能使用除黃原膠以外的聚合物處理劑)，防止鉆表層時發生竄漏，防止污染地表水。

2)二開鉆遇蓬萊鎮組~遂寧組含大段泥巖，易水化分散，造漿性強，易形成厚泥餅縮徑，黏切力升高較快，維護處理頻繁。因此采用抑制性強、攜帶能力強的兩性離子聚合物鉆井液體系。

表1　設計井身結構數據表

3)三開(1823~3120m，含直導眼段)鉆遇遂寧組、沙溪廟組、千佛崖組。遂寧組泥巖易水化膨脹、垮塌和縮徑，沙溪廟組、千佛崖組含泥巖，極易發生井壁失穩，鉆井液必須具備好的濾失造壁性、抑制防塌能力、潤滑防卡和懸浮攜帶能力，因此使用強抑制型聚胺仿油基鉆井液體系。

4)三開(2650~3302m)和四開(3302~4102m)鉆遇千佛崖組、白田壩組、須家河組。該段為定向井段，須五段頁巖夾煤層段，微裂縫發育，井壁易發生分散坍塌，為克服泥頁巖段地層容易吸水膨脹、垮塌造成井壁不穩定、長水平段攜砂困難和摩阻扭矩大等鉆井技術難點等，采用強封堵油基鉆井液體系[10]。

3鉆井施工

3.1　一開井段(0~312.5m)

施工中采用高固相鉆井液(密度1.12g/cm3，黏度為滴流)做好井眼的防塌和防卡工作；使用?406.4mmST517GK三牙輪鉆頭，以小鉆壓防斜為主，選擇適當排量，保證環空返速滿足攜帶巖屑的能力，防止發生遇阻卡鉆；鉆過流砂層后逐漸提高排量至60L/s，確保井眼打直。鉆進至井深312.5m處完鉆，純鉆時間49.50h，平均鉆速6.31m/h，下入?339.7mm×309.96m表層套管。固井采用常規固井，水泥漿返出地面。

3.2　二開井段(312.5~1823m)

二開使用?316.5mmPDC鉆頭，出于提速增效考慮，使用PDC鉆頭+螺桿+雙扶正器(311+307mm)鐘擺鉆具鉆進，同時在起下鉆過程中針對性劃眼、修整井壁，保證井眼軌跡平滑；同時在設計鉆具組合基礎上，大比例增加?203mm鉆鋌用量，保證了鉆井參數的釋放，在高速鉆進的同時有效地控制井斜，做到了井眼的防斜打直。施工中，加強劃眼，鉆進中每鉆完一單根至少劃眼2~3次，劃眼時控制鉆具下放速度，認真修整井壁。在鉆具組合中加入螺桿，既控制井身軌跡，又提高機械鉆速。保證井底清潔和提高環空返速，減少重復破巖和保證好攜砂，以達到提高機械鉆速的目的。二開采用低固相金屬離子聚合物鉆井液，加強日常維護，控制好鉆井液的固含量、失水量和流變性能，增強鉆井液的護壁性，確保井壁穩定。

鉆至井深1823m處順利完鉆，該井段最大井斜2.4°，最大全角變化率0.5°/30m。純鉆時間226.49h，平均機械鉆速6.67m/h。完鉆順利下入?273.1mm×1821.27m技術套管，水泥漿返出地面。

3.3　三開井段(1823~3290m)

直井段使用常規塔式鉆具掃水泥塞，鉆井液采用聚胺仿油基鉆井液。鉆進至1832.06m后，開始使用PDC鉆頭+螺桿復合+雙扶正器(234mm+230mm)鉆具鉆進，鉆進井段1832.06~2389.96m，但復合鉆進鉆速并不理想；考慮到至三開直井段完鉆井深2650m已不遠，不再下入螺桿鉆具，采用雙扶正器鐘擺鉆具鉆進。

直導眼段用?215.9mm鉆頭鉆進，鉆達連續取心起始井深3055m，開始使用?215mm金剛石取心鉆頭連續取心作業5次，共耗時7.01d，耗用金剛石取心鉆頭2只。取心井段3055~3095m，取心總進尺40m，巖心總長40m，平均收獲率100%，平均機械鉆速0.69m/h。在該井段鉆進中，將設計中的2柱?178mm鉆鋌增加至7柱，有效地達到了釋放鉆井參數和防斜打直的目的，鉆進中扶正器對井壁有良好的修整效果，保證了起下鉆的順暢。鉆進至3120m直導眼段完鉆(平均機械鉆速僅為2.2m/h)，回填至2650m。

斜井段采用?215.9mm鉆頭、強封堵聚胺仿油基鉆井液(密度2.16g/cm3，塑性黏度60~65mPa·s，動切力11~20Pa ，高溫高壓失水量4mL)開始造斜鉆進。全程螺桿+MWD定向，在進入水平段前井斜達到30°后，開始下入倒裝鉆具組合，根據測斜情況，選擇滑動鉆進與復合鉆進交替進行，鉆進中因為控制軌跡的需要，滑動鉆進的比例較大，期間易出現托壓現象，尤其是須五斜井段頻繁鉆遇頁巖、煤線時，水力振蕩器可能造成井壁垮塌，使用水力加壓器，基本解決滑動鉆進中的托壓問題，提高了鉆井效率。該井段最大井斜89.13°，最大全角變化率8.58°/30m，順利中A靶。該井段共進尺636.00m，純鉆時間707.11h，平均機械鉆速0.9m/h(機械鉆速1.5m/h)，泥頁巖可鉆性差地層是影響定向段機械鉆速的主要原因。測井后順利下入?193.7mm套管至井深3288.58m固井，水泥漿返出地面。

3.4　四開井段(3290~4102m)

水平段使用?215.9mm鉆頭、強封堵油基鉆井液體系(密度2.11~2.15g/cm3，塑性黏度62~73mPa·s，動切力10~14Pa，破乳電壓800~1200V，油水體積比85∶15)鉆進。油基鉆井液鉆井，大大減少了鉆具與井壁間的摩阻，且油基鉆井液在井壁中的分散性遠遠小于水基鉆井液，大大降低了因井壁不穩定造成井眼垮塌卡鉆的風險。在水平段施工中，先后使用了1.5°、1.25°和1°的無扶單彎螺桿，對比各種螺桿的鉆進效果，最后優選出1.25°單彎無扶螺桿，相對其他螺桿能夠在更高比例的復合鉆進條件下，滿足井眼軌跡控制要求。鉆進至井深4102m四開終孔，垂深3088.31m，井斜91.4°，方位178.53°，水平位移1200.94m。

4結論與建議

新頁HF-2井優質中靶，電測、下套管作業順利，均一次性成功，是小井眼水平段水平井施工的典型案例，為同類型井鉆井積累了寶貴的經驗。

1)新頁HF-2井設計井身結構有效地封住了易漏失表層、低壓層、高壓層。三開鉆至井深3290m，封隔須五斜井段及以上不穩定地層，為四開水平段安全鉆進創造條件。

2)在四開小井眼水平段鉆井中，由于井斜大，水平段長，導致在鉆進施工中，扭矩偏大，摩阻大，很容易發生鉆具事故，施工風險性高，在以后的鉆井過程中，應考慮對工程技術措施的優化。

3)該井地層可鉆性與同井場鄰井存在較大差異，具體表現為直井段施工中在同地層、同井深、同鉆井參數以及類似的鉆井液條件下，該井鉆速相對較慢，施工中及時增加了螺桿鉆具進行復合鉆進，提高鉆井效率。

4)對于小井眼水平段施工，建議一開采用套管懸掛增大環空體積，同時選取復式鉆具結構，以降低泵壓，增大排量。

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[編輯]帥群

[引著格式]張珍，周成華,田長春.新頁HF-2井頁巖氣鉆井技術[J].長江大學學報(自科版) ,2015,12(26):42~45.

[中圖分類號]TE246

[文獻標志碼]A

[文章編號]1673-1409(2015)26-0042-04

[作者簡介]張珍(1980-)，女，碩士，現主要從事鉆井液與完井液科研、質量檢驗管理等工作，zhenzhen0607@163.com。

[收稿日期]2014-12-26