焦石壩地區海相頁巖氣水平井優快鉆井技術

劉　虎，段　華，沈彬亮，劉新義

（中石化勘探分公司，四川成都610041）

焦石壩地區海相頁巖氣水平井優快鉆井技術

劉虎*，段華，沈彬亮，劉新義

（中石化勘探分公司，四川成都610041）

川東南焦石壩地區海相頁巖氣井具有地表和地下地質條件復雜、井壁穩定困難、井眼軌跡要求高、造斜段及水平段鉆進困難、長水平段固井難度大等特點及難點，經過攻關研究，配套形成了三開井身結構、淺層氣安全鉆井、氣體鉆井、復合鉆井、水平井鉆井、油基鉆井液、彈塑性水泥漿體系、鉆頭選型及參數優化以及地質跟蹤導向等鉆井技術，實現了該地區勘探井的優快鉆井，有效支撐了勘探工作。

海相頁巖；水平井；優快鉆井；焦石壩地區；勘探井

川東南焦石壩地區發育晚震旦世至三疊紀地層，自上而下鉆遇了三疊系嘉陵江組、飛仙關組、二疊統長興組、龍潭組、茅口組、棲霞組、梁山組、石炭系黃龍組、志留系韓家店組、小河壩組、龍馬溪組以及奧陶系五峰組、澗草溝組、寶塔組、十字鋪組。目的層龍馬溪組—五峰組位于深水陸棚有利沉積相帶，TOC高、脆性好，具有良好的構造和底板保存條件［1］。

焦頁1井是焦石壩地區第一口海相頁巖氣探井，之后又實施了焦頁2HF井、焦頁3HF井、焦頁4HF井經分段壓裂改造均獲得了較高產頁巖氣商業氣流，從而發現了涪陵氣田。在這4口井勘探井的鉆探過程中，工程技術人員攻堅克難，大膽探索，形成了適合于焦石壩地區海相地層特點的鉆完井配套技術體系，有力支撐了后期勘探開發。

1　鉆井工程技術難點

1.1地表和地下地質條件復雜，影響施工安全與鉆井速度

（1）所鉆遇地層年代老、硬度大、可鉆性差，造成鉆頭跳鉆嚴重、機械鉆速慢。

（2）淺表地層溶洞、暗河發育，呈不規則分布，鉆探過程易漏失，鉆井難度大。

（3）上部地層中的三疊系存在水層，二疊系長興組、茅口組、棲霞組在局部地區存在淺層氣，部分井鉆遇H2S顯示。

（4）泥頁巖地層粘土礦物含量較高，具中等偏強水敏特征，易發生地層垮塌、卡鉆等工程復雜和事故。

（5）志留系地層坍塌壓力與漏失壓力之間的窗口較小，井壁容易失穩導致井下復雜。目的層龍馬溪組底部頁巖氣層，油氣顯示活躍，氣層壓力系數1.55，而目的層之上為正常壓力地層。

1.2軌跡控制要求高

主要目的層縱向上非均質性強，要保證鉆井軌跡盡可能多的在水平段有利儲層中穿越，要求較高的軌跡控制精度；頁巖氣井設計水平段長，套管與井壁間的摩阻大，套管下入難度大，對水平段井眼質量要求高。

1.3造斜段托壓現象嚴重，定向鉆進速度低

受大尺寸、大彎度螺桿和地層影響，造斜段定向鉆進過程中會出現工具面不好控制、鉆進過程托壓等現象，機械鉆速低。

1.4長水平段固井施工難度大，質量難以保證

（1）水平段套管重量作用于井壁，套管偏心嚴重，影響套管柱的居中度；

（2）油基泥漿在井壁形成了油膜層，油膜的清洗效果直接影響到水泥膠結質量；

（3）水平井段油氣顯示活躍，氣測值較高，要求水泥漿防氣竄能力強；

（4）頁巖氣水平井后期的大型分段壓裂改造施工，要求水泥環必須具備較好的抗沖擊能力和柔韌性。

2　井身結構優化

2.1井身結構優化方案

2.1.1導管

（1）通常提前進行地面淺層水文調查，優選井眼位置，為導管下深及一開避開溶洞和暗河提供依據。

（2）導管采用?558.8mm（或?660.4mm）鉆頭鉆進，下入?476.25mm套管，主要目的是建立井口及封隔淺表漏失層，防止淺表地層水污染。

（3）導管下深增加。為保證一開鉆遇淺層氣時的井口安全，導管下深一般50～100m。根據實鉆情況，如在導眼完鉆井深附近鉆遇水層，可適當加深。

2.1.2一開

使用?406.4mm（或?444.5mm）鉆頭鉆進，下入?339.7mm表層套管，封隔龍潭組及以上地層（地表水、淺層氣、煤層及易垮塌層），同時為二開氣體鉆創造條件。一開套管必須封住長興組含H2S淺層氣，在鉆穿龍潭組易垮塌地層后中完。

2.1.3二開

二開使用?311.2mm鉆頭鉆進至設計井深裸眼完鉆。

2.1.4三開（側鉆水平井）

根據直導眼井主要目的層顯示情況，回填后實施側鉆水平井。

（1）側鉆點選擇：在A靶點以上垂深450m左右巖性合適的井段選定造斜點，基本選擇在小河壩組側鉆，一般要求水泥塞300m左右（在造斜點以下250m至造斜點以上50m注水泥塞）。

（2）斜井段：正常情況下用?311.2mm鉆頭鉆至A靶點，下入?244.5mm套管。因二開大井眼定向困難，機械鉆速低，又是使用水基鉆井液，如果二開鉆進至A點時間長，為防止定向段泥頁巖水化后井壁垮塌造成井下情況復雜，可在井斜70°左右提前下入技術套管。技術套管必須封隔住龍馬溪組頁巖氣層之上的易漏、易垮塌地層。

（3）水平段采用?215.9mm鉆頭鉆至設計井深完鉆，一次性下入?139.7mm套管，采用一次固井方式完井。全水平段鉆井采用地質導向隨鉆測井，完鉆后裸眼不測井。

2.2套管性能優化

（1）提高抗內壓強度。為了提高套管的抗內壓強度，頁巖氣水平井生產套管都采用壁厚、高抗內壓強度的套管以滿足鉆井和后期大型壓裂的需要。?139.7mm生產套管采用壁厚12.34mm、抗內壓強度117.3MPa的套管。

（2）優化抗硫套管。為了能夠滿足對H2S防護的需要，在安全的前提下同時減少經濟投入，在井口800m段以及預測可能含有H2S的地層使用抗硫套管，其余井段均使用普通套管。

3　淺層安全鉆井技術

3.1淺表層安全鉆井技術

3.1.1前期水地下文勘測技術

為了有效規避地表溶洞、暗河等淺表復雜地層，降低鉆井工程風險，在井場選址確定后首先對井場采用高密度電阻率法勘察后進行安全性評估，對不能滿足條件的井位進行重新選址。

3.1.2清水強鉆技術

根據焦石壩地區地表喀斯特地貌的特征，導管井段可采用清水鉆進，通過清水強鉆快速通過易漏地層，為避免污染地表水源，清水中不加其它化學添加劑，如鉆遇大漏地層則通常采用玉米秸稈及棉絮堵漏。主要保障技術措施：一是現場備足清水及供水設備，要求儲水量不小于1000m3，供水量不小于1000m3/d；二是加大泵入排量，以保證巖屑正常攜出井筒。

3.1.3導眼封過地表漏失層位

為封隔地表易漏失和垮塌地層，提高一開鉆遇淺層氣的井口井控能力，導管下深根據地層情況確定，水泥返出地面。

3.2含硫氣層安全鉆井技術

針對長興組含H2S的實際情況，主要通過優化鉆井方式和細化含H2S氣層鉆井技術方案來實現安全快速鉆進。進入長興組氣層前，由氣體鉆井方式轉化成泥漿鉆進。在長興組、茅口組和棲霞組使用低密度無固相鉆井液（密度小于1.30g/cm3），配合高效PDC+高效螺桿復合鉆井技術，在保證安全的前提下提高鉆井速度。進入含H2S地層鉆進時，根據實際情況及時調整鉆井液密度，以實現近平衡壓穩不漏。現場加強H2S監測，鉆井液中加足除硫劑。

4　氣體鉆井技術

焦石壩地區嘉陵江組、飛仙關組地層比較穩定，使用氣體鉆井技術，能夠大幅度提高大尺寸井眼的機械鉆速，減少鉆井周期。如果在空氣鉆過程中，出現出水情況，根據出水程度轉化成霧化鉆或泡沫鉆。焦頁2HF、焦頁3HF、焦頁4HF井使用氣體鉆井技術，進尺1036.21m，純鉆時間122.83h，平均機械鉆速8.44m/h，提速效果明顯。

5　復合鉆井技術

5.1工具優選

（1）定向段和水平段采用等壁厚高效螺桿（水平段使用油基鉆井液螺桿），配合進口或國產優質PDC鉆頭，選用抗溫抗壓能力強、性能穩定的無線隨鉆儀器，加快定向段和水平段的鉆井速度。

（2）加強螺桿的選型，解決定向托壓難題。?311.2mm井眼采用三瓣偏心扶正器的單彎螺桿，能夠克服定向托壓難題，工具面得到較好的控制，造斜率控制合理，井眼軌跡圓滑。使用?216mm特殊形狀扶正器螺桿配合定向PDC鉆頭，合理調整軌跡，解決大井眼定向托壓，加快定向速度。

（3）使用PDC+彎螺桿+水力推進器不僅能夠解決托壓定向的相關難題，同時提高定向鉆進速度。

（4）三開優化鉆具結構，水平段以上使用5-1/2″鉆桿，加大排量提高水力參數，充分發揮井下動力工具的功率。

5.2應用情況

復合鉆井技術在焦石壩地區4口預探井應用，進尺3673.09m，純鉆時間493.51h，平均機械鉆速7.44m/h。

6　水平段優快鉆井技術

6.1主要技術保障措施

6.1.1優化鉆井液參數

為解決井斜角45°～60°的井段“巖屑床”問題，水平段采用國產油基鉆井液體系。

根據地層壓力系數，合理調整鉆井液密度，防止井眼坍塌。

6.1.2優選螺桿

水平段使用油基螺桿配合PDC鉆頭鉆進，可以在提高機械鉆速的同時，保證井眼軌跡質量。

6.1.3優化鉆具組合

在水平井段采用雙穩定器組合鉆具，通過調整兩穩定器之間、鉆頭與穩定器之間的距離及鉆進參數，可實現旋轉控制井眼軌跡。

6.2實施效果

4口預探井均順利中靶，井眼軌跡完全滿足設計要求，目的層（頁巖氣層）鉆遇率100%。其中焦頁1HF井水平段鉆井時間10.35d，平均機械鉆速6.05m/h，最高日進尺155m，最高機械鉆速6.9m/h，使用1只PDC鉆頭鉆完了全部水平段。

7　鉆頭優選

7.1鉆頭優選主要措施

（1）一開空氣鉆井段地層硬度大、研磨性強，氣體鉆進過程中憋跳鉆，鉆頭受沖擊作用強，使用短齒強保徑SKH537CGK鉆頭。

（2）海相地層研磨性強，牙輪鉆頭定向鉆進巴掌磨損快，易掉牙輪，優選PDC鉆頭。

7.2現場應用情況

（1）?311.2mm井眼優選T1365B或EM1655SE型號的PDC鉆頭，單只鉆頭平均機械鉆速最高達到18.28m/h。

（2）?215.9mm井眼主要巖性為龍馬溪組黑色泥頁巖，巖性脆、可鉆性較好，優選T1655B或T1665B型號的PDC鉆頭，單只鉆頭平均機械鉆速最高達到8.92m/h。

8　地質跟蹤導向技術

地質跟蹤導向技術在鉆具底部配備能測試自然伽馬和電阻率等參數的隨鉆測井儀器，從而快速地識別頁巖地層，進行水平井軌跡的控制，提高中靶精度，目前該項技術已被廣泛應用于頁巖氣水平井鉆井中。4口探井從造斜開始全部使用LWD技術，均順利中靶。

9　油基鉆井液技術

9.1基油選擇

綜合考慮后選擇5#白油和0#柴油作為全油基鉆井液體系基油。

9.2有機土選擇

選用有機陽離子型表面活性劑（如有機胺）作為膨潤土有機改性劑，通過陽離子交換實現對膨潤土的改性。

9.3油基鉆井液體系

采用了全油基鉆井液體系。油基鉆井液性能穩定、抑制性強、潤滑性好，有利于鉆井液對井壁的保護和井眼清潔，對產層起到了良好的保護作用。

10　水平井固井技術

10.1井眼準備

做好通井前地層承壓實驗，避免套管下入過程中發生井漏。采用一柱鉆鋌帶三螺旋扶正器通井，確保井眼順暢，以保證套管的順利下入。

10.2套管抬頭、居中、漂浮技術

（1）套管抬頭。在浮鞋上接一根1m短套管，安裝旋流剛性扶正器一只，用卡箍固定，確保套管“抬頭”和“引鞋居中”，減少下套管摩阻。

（2）套管居中。優化使用扶正器，選用大斜度（30°）螺旋剛性扶正器。

（3）套管漂浮。在套管串結構中加入漂浮接箍，利用漂浮接箍與套管鞋中間套管內封閉的空氣或低密度鉆井液的浮力作用，來減小套管下入過程中井壁對套管的摩阻。

（4）四級油膜清洗技術。針對油基鉆井液，優選高效前置液，采用四級沖洗技術。該技術是用高效前置沖洗液驅替套管壁和井壁油膜，利用化學沖洗作用來沖洗泥餅，改善泥餅的親水能力，在化學作用和水力沖洗的同時，增加物理沖洗泥餅，提高水泥石與套管壁、井壁的界面膠結質量。高效前置液利用表面活性劑所特有的表面活性（潤濕性、滲透性及乳化性等）作用于井壁和套管壁，降低二界面的表面張力，增強沖洗液對界面的潤濕作用和沖洗作用。

11　結論

（1）焦石壩地區探井地層情況復雜，通過建立區域地質剖面，能夠有效預測復雜地層，提出有針對性的鉆井預防措施。

（2）針對頁巖氣探井特點，本著提高探井成功率的目的，探索形成了適應焦石壩地區頁巖氣探井的井身結構，通過4口井鉆探，實施效果好。

（3）開孔采用清水搶鉆，氣體鉆能夠避免喀斯特地貌鉆探期間的污染問題，又能夠提高大尺寸井眼鉆井速度。

（4）優選耐油高效能螺桿和PDC鉆頭是提高水平段機械鉆速的關鍵。

（5）國產油基鉆井液的使用，能夠解決頁巖段井壁垮塌問題。

（6）采用四級沖洗技術和彈塑性水泥漿體系，能夠保證頁巖氣水平井的固井質量，為后期壓裂提供保障。

（7）通過探索實踐，形成了焦石壩頁巖氣水平井優快鉆井技術，實施效果好。

［1］郭旭升，等.四川盆地及周緣下古生界海相頁巖氣富集高產主控因素——以焦石壩地區五峰組—龍馬溪組為例［J］.中國地質，2014，41（3）：893-900.

［2］郭彤樓，等.四川盆地焦石壩頁巖氣田形成與富集高產模式［J］.石油勘探與開發，2014，41（1）：28-36.

［3］胡東風，等.四川盆地東南緣頁巖氣保存條件及主控因素［J］.地質勘探，2014，34（6）：17-23.

TE243

A

1004-5716（2016）06-0059-04

2016-01-08

2016-01-08

劉虎（1967-），男（漢族），甘肅鎮原人，高級工程師，現從事現場技術管理及井筒技術研究工作。