美國Haynesville頁巖氣區塊優化鉆井技術

喬李華, 范生林, 齊 玉

(1中國石油川慶鉆探工程公司鉆采工程技術研究院 2國家能源頁巖氣研發中心鉆完井技術研發部)

Haynesville頁巖氣區塊位于美國阿肯色州南部、路易斯安娜州西北部、田納西州東部，其產層埋藏深度在3 600～4 500 m之間[1]，最高井底溫度超過180℃，地層壓力系數1.6～2.07左右[2]，是目前美國埋藏最深、地層溫度、壓力最高的頁巖氣區塊。相對美國其他具有高可鉆性地層、使用低密度鉆井液鉆井的頁巖氣區塊，Haynesville區塊與國內長寧、威遠等頁巖氣區塊井下地質、鉆井條件更為相似。2009年以前，Haynesville頁巖氣區塊鉆井周期在100 d以上[3]，森林油公司曾在該區塊鉆探了第一口井，鉆井過程中發現開發這里的頁巖氣在經濟性、鉆井效率和安全方面面臨嚴峻桃戰[4]。

一、主要地層特點、鉆井井身結構及鉆井難點簡介

Haynesville頁巖氣區塊上部Glenrose、ROdessa等地層巖性以泥巖、膏巖為主，孔隙壓力系數在1.0左右；中間Hosston、Cottonvalley、Knowles地層巖性分別為高研磨性石英砂巖、含礫砂巖、灰巖，厚約800～1 200 m，單軸抗壓強度70～315 MPa[5]，軟硬交錯、可鉆性差、研磨性強，地層孔隙壓力系數在1.1左右。下部Bossier為含氣頁巖層，裂縫較發育，Haynesville為目的頁巖氣層，該段地層壓力系數1.6～2.07，最高井底溫度超過180℃[6]。

Haynesville頁巖氣區塊典型的井身結構如圖1所示。一開?343 mm鉆頭鉆至約600 m，下?273 mm表層套管，二開?250 mm鉆頭一般鉆至Bossier地層頂，井深約3 150～4 050 m,下?194 mm套管封固上部低壓易漏地層，三開?165.1 mm鉆頭鉆至完鉆井深約4 950～5 550 m,下?127 mm套管固井完成，三開井段造斜，造斜率達10°/30 m左右[7]。

圖1 Haynesville頁巖氣區塊典型井身結構

上述特點造成2009年以前該區塊存在以下主要鉆井難點：

(1)二開Hosston、Knowles、Cottonvalley層段鉆頭機械鉆速低、單只鉆頭進尺少、壽命低，2008年，殼牌公司鉆Hosston、Cottonvalley等地層平均機械鉆速2～5 m/h左右，需要8～11只鉆頭[7]。

(2)頁巖層段裂縫發育，埋藏深，溫度高，地層孔隙壓力大，鉆井液密度高，造成該井段鉆井工具、儀器易失效，機械鉆速低，易發生井漏溢流等[3,6]。

(3)頁巖段下套管時，環空間隙小，套管下入困難[3]。

二、采用的主要鉆井優化技術

1.研磨性硬地層快速鉆井技術

通過分析前期研磨性硬地層鉆井資料，殼牌等石油公司認識到在Haynesville頁巖氣區塊研磨性硬地層鉆井，由于鉆頭、鉆井參數等原因造成的縱橫向等震動對鉆頭的先期破壞是鉆井速度慢、鉆頭進尺短的主要原因，需要從鉆頭、井下工具、鉆井參數控制等方面進行優化，主要的優化技術措施：

(1)在PDC鉆頭上采用經脫鈷等工藝處理的抗沖擊抗研磨復合片，PDC鉆頭采用雙排齒結構，后排切削齒限制前排切削齒切削深度，以避免鉆頭吃入較深，所需切削扭矩過大而造成崩齒等，優化水力設計提高鉆頭切削齒部冷卻效果，提高切削齒熱穩定性，通過采用以上措施，鉆頭平均機械鉆速提高25%左右，進尺也有一定提高[8]。

(2)為避免PDC鉆頭因井下切削扭矩不夠，扭轉震動而造成鉆頭先期破換，在鉆頭上采用7/8頭的井下低速大扭矩螺桿，配合破巖，大幅減少扭轉震動發生幾率[3]。

(3)針對前期在硬地層采用高鉆壓(140～180 kN)、低轉速(60 r/min)等鉆井參數易造成井下鉆具屈曲、縱橫向、扭轉震動等，使用機械比能(MSE)軟件、扭轉震動預警(SSA)等軟件，指導司鉆控制或軟件自動控制鉆井參數，保持井下鉆頭工作穩定，效果十分顯著。2008年，本段60%的使用鉆頭會因井下震動造成不可修復，2009年后，采用扭轉震動預警等軟件后，相關數據降低至15%[8]。

通過采用上述措施，2009～2011年，殼牌公司開展了70口井的試驗，每口井中間井段的鉆井相關數據為：耗費鉆頭由此前的10只左右降低至2～3只，鉆井周期降低了20 d，節約費用約100萬元[3]。

2.頁巖層段鉆井提速技術

(1)儀器、工具廠家在室內建立模擬實驗設備，模擬嚴苛的井下工況，檢測、改進入井儀器，以滿足高溫高壓高頻振動環境長壽命工作。現場使用時，使用方和儀器方協調，通過改變鉆井參數和儀器門限設置等確保儀器正常工作，對失效的儀器進行溯源分析，找到導致失效的根本原因并加以解決。維修保養時，采用專用程序軟件測試儀器，確保再次入井儀器狀態良好，通過采用系統性方法，提高了頁巖層段儀器工具可靠性。2009～2011年，隨著本區鉆井垂深的不斷增加，儀器、工具的井下工作溫度由140℃上升至160℃，但其失效率卻從每鉆進1 000 m進尺發生1.2次降低0.23次[6]。

(2)采用欠平衡/控壓鉆井技術，提高井下溢流、井漏處理能力，發生溢流，不輕易提高鉆井液密度，一般通過控壓循環排氣、點火的方式釋放局部高壓氣層壓力。殼牌公司采用哈里伯頓的自動控壓系統在本區試驗，將水平段當量循環密度由前期完鉆井的1.92～1.97 g/cm3降低至 1.71 g/cm3，該段機械鉆速由3～6 m/h，提高至15～24 m/h[1]。

(3)優選高效鉆頭，針對頁巖地層單軸抗壓強度低、可鉆性好的特點，本區一些公司將以前的6刀翼小直徑雙排切削齒鋼體鉆頭優化為5刀翼單排大直徑切削齒鋼體鉆頭。

通過采用上述措施，本段鉆井機械鉆速提高了300%以上，大量井實現一趟鉆完成，鉆井周期降低20 d以上[3]。

3.高效下套管技術

殼牌公司本區前期完鉆井，為滿足高壓壓裂等施工對套管強度的需要，需要采用?127 mm氣密封扣生產套管。由于頁巖層段井眼尺寸為?165.1 mm，接箍尺寸較大，兩者間隙較小，下生產套管仍然十分困難，后采用特殊設計了相對小接箍外徑的半過盈氣密封扣生產套管，雖然接箍抗壓強度相對以前降低了30%，但在滿足施工等強度需要的前提下，配套頂驅下套管技術，高效的完成了下套管作業。通過采用上述技術，單井節約周期超過11天[6]。

三、應用效果

通過采用上述主要優化鉆井技術，2011年，Haynesville頁巖氣區塊鉆井周期相對2008年降低60%以上[6]，本區完鉆井深5 250 m的水平井，鉆井周期≤32 d的井占10%，平均鉆井周期鉆井周期≤42 d的占50%，鉆井周期≤63 d的井占90%[5]。

四、認識與建議

(1)Haynesville是目前發現與國內長寧、威遠等頁巖氣區塊地質、鉆井特點最為相似的區塊，因此該區系統優化的鉆井技術對國內鉆井提速提效有很強的借鑒意義。

(2)Haynesville區塊等鉆井實踐表明，研磨性硬地層鉆井，井下各類震動造成PDC鉆頭先期破壞，是相關地層鉆井速度慢、單只鉆頭進尺低的最主要原因，應從鉆頭、井下提速工具、鉆井參數優化軟件等方面科學、系統解決井下震動問題。在這類地層單純地優選鉆頭、井下提速工具效果有限，盲目強化鉆井參數，提速效果可能適得其反

(3)美國Haynesville區塊、殼牌富順區塊等大量頁巖氣區塊鉆井實踐表明，欠平衡/控壓鉆井技術能夠在頁巖氣鉆井提速提效中起到重要的作用，尤其在高壓頁巖層段，未來進一步增加水平段長度后，有利于控制井底壓力平穩、處理井下復雜，有望成為革命性提速利器。

(4)Haynesville區塊頁巖儲層埋藏垂深遠超過國內相似區塊，采用?127 mm生產套管的井身結構可滿足壓裂、生產等需要，相對國內現行井身結構在鉆井提速、節約周期、套管、油基鉆井液等方面更具優勢，因此探索定向井段鉆頭外徑稍微增大、隨鉆微擴眼器、下入小接箍或小直徑生產套管，能有效改善生產套管下入,值得認真思考。