威遠(yuǎn)頁巖氣水平井鉆井關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展方向

冉啟華, 趙 晗

(中石油川慶鉆探工程有限公司頁巖氣勘探開發(fā)項目經(jīng)理部)

頁巖油氣的商業(yè)開發(fā)主要依靠水平井鉆井與體積壓裂技術(shù)的進步，改變了世界能源格局，美國因此而成為油氣出口國[1-3]。四川盆地具有優(yōu)越的頁巖氣形成與富集條件，頁巖氣資源潛力巨大，但受到頁巖埋藏較深、多期地質(zhì)構(gòu)造運動影響，地質(zhì)條件較為復(fù)雜，尤其是威遠(yuǎn)頁巖氣示范區(qū)地表疏松、成巖性差；二疊系地層可鉆性差、易發(fā)生井漏；龍馬溪組頁巖性脆，易出現(xiàn)破碎性垮塌、井漏[4-5]，地層傾角變化、斷層發(fā)育影響儲層鉆遇率。

本文針對上述難點，系統(tǒng)總結(jié)分析了威遠(yuǎn)頁巖氣水平井鉆井技術(shù)集成與應(yīng)用情況，經(jīng)過5年的研究和實踐，形成的威遠(yuǎn)頁巖氣水平井技術(shù)模板、作業(yè)模式能夠高效支撐鉆井提速、提效，助推了威遠(yuǎn)頁巖氣高效建產(chǎn)，已累計開鉆近190口井，完成鉆井進尺80余萬米，建成20×108m3年生產(chǎn)能力。

一、威遠(yuǎn)頁巖氣鉆井技術(shù)優(yōu)化與集成

經(jīng)歷了評價試驗、優(yōu)化調(diào)整和總結(jié)提高，逐步發(fā)展形成了適用于威遠(yuǎn)頁巖氣叢式水平井的完整鉆井工程技術(shù)系列。

1.井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

基于威遠(yuǎn)上部地層易漏、目的層破碎等地質(zhì)工程難點，確立了“油層套管滿足體積壓裂、技術(shù)套管滿足儲層專打、表層套管滿足地表復(fù)雜”設(shè)計原則，逐步優(yōu)化形成了?139.7 mm套管完井的三開三完井身結(jié)構(gòu)(圖1)，為實施頁巖儲層長水平段水平井奠定了基礎(chǔ)。

圖1 威遠(yuǎn)頁巖氣示范區(qū)多輪井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.井眼軌跡優(yōu)化

密集的頁巖氣叢式水平井軌道具有空間三維特點，通過建立大平臺三維水平井組井眼軌跡設(shè)計方法，結(jié)合鉆柱摩阻扭矩評價、防碰繞障分析，從常規(guī)“五段制”三維軌跡模式優(yōu)化形成雙二維“預(yù)斜”軌跡模式，并發(fā)展形成“直+增+穩(wěn)+降+直+增+平”、“直+微增+增扭+平”、“勺式負(fù)位移”等軌跡剖面，適應(yīng)不同橫向偏移距、靶前距、儲層埋深、地層厚度的需要。

模擬計算表明，雙二維較純?nèi)S軌跡的水平井旋轉(zhuǎn)鉆進扭矩會降低13.87%，滑動鉆井摩阻降低12.58%、無屈曲，下鉆摩阻降低16.57%,目前實施井最大橫向偏移距達(dá)到了1 216 m。

3.個性化鉆頭及水平井“一趟鉆”鉆井技術(shù)

利用測井資料反演得出地層巖石強度和可鉆性，通過近700只鉆頭的現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)分析，優(yōu)選出了以5刀翼、16 mm齒為主的PDC鉆頭序列。同時，針對提速潛力層段龍馬溪組，應(yīng)用模具制造3D打印技術(shù)和大數(shù)據(jù)持續(xù)優(yōu)化，自主研制了一種頁巖專層個性化PDC鉆頭，具有抗沖擊、短保徑和大排屑流道的特性，整體性能與進口鉆頭水平相當(dāng)，成本降低30%。

配合使用等壁厚螺桿、耐油螺桿和“大排量、高轉(zhuǎn)速、中等鉆壓”鉆井參數(shù)，提高鉆進效率和延長鉆具壽命。目前，?311.2 mm井段一趟鉆最高進尺達(dá)到2 260 m、?215.9 mm井段一趟鉆最高進尺達(dá)到2 363 m，行程鉆速逐步提升。

4.油基鉆井液技術(shù)

由于區(qū)域構(gòu)造作用強、地應(yīng)力差大，頁巖層理、裂縫發(fā)育，從頁巖的基本特性、地應(yīng)力和地層坍塌壓力研究入手，揭示了頁巖地層親油特性及井壁失穩(wěn)主要機理，確立了當(dāng)前以油基鉆井液鉆進為主的基本原則，確定了復(fù)合粒子強封堵、納米材料增強乳化穩(wěn)定、無土相流變性控制等鉆井液關(guān)鍵技術(shù)，效果與國外公司同類產(chǎn)品相近，單井費用降低20%。

5.旋轉(zhuǎn)地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)

威遠(yuǎn)日產(chǎn)量大于20×104m3的氣井巷道位置均位于龍一11小層，其底部3～4 m是達(dá)成高產(chǎn)的最有利靶體，具有儲層埋藏深、構(gòu)造復(fù)雜、地層傾角變化大、水平箱體厚度薄等地質(zhì)特征，空間三維井眼軌跡難于控制。通過引進斯倫貝謝公司Archer為代表的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具，施工實際造斜能力達(dá)到12°/30 m、方位伽馬測量零長3 m，結(jié)合鉆前三維地質(zhì)建模和特殊錄井隨鉆分析，實現(xiàn)儲層實時預(yù)測、小層精準(zhǔn)識別、模型實時調(diào)整、軌跡精細(xì)控制，在保證鉆進效率和井眼軌跡光滑的同時，滿足1～3 m優(yōu)質(zhì)薄儲層識別跟蹤，水平箱體鉆遇率達(dá)到95%以上，有力保障了單井產(chǎn)量的提高。

6.長水平段水平井固井技術(shù)

頁巖氣水平井水泥環(huán)要承受壓裂載荷頻繁的加載，防止水泥環(huán)裂紋是保證壓裂效果的基本條件。自主研制了韌性防竄劑和限位膨脹劑等核心外加劑，建立了洗油沖洗劑優(yōu)選評價方法和環(huán)空多相流體界面追蹤模型，形成微膨脹韌性水泥漿及配套固井技術(shù)，水泥石線性膨脹率0.036%、彈性模量降低44%，水平段平均固井質(zhì)量優(yōu)質(zhì)率達(dá)到90%以上，解決了隔離液沖洗效率低、水泥石力學(xué)性能與體積壓裂不匹配、頂替工藝技術(shù)不完善等問題，滿足水平段體積壓裂需求。

7.工廠化作業(yè)模式推廣

為了使頁巖氣井快速形成產(chǎn)能，在“標(biāo)準(zhǔn)化井場設(shè)計、鉆機快速平移、批量化鉆井、液體重復(fù)利用”基礎(chǔ)上，創(chuàng)新發(fā)展了鉆井-壓裂、鉆井-采輸、鉆-壓-采等不同工況同步作業(yè)的生產(chǎn)模式，通過優(yōu)化地面部署，將標(biāo)準(zhǔn)鉆井平臺8口井分為兩個階段實施，采用2部鉆機先同步作業(yè)半支4口井(圖2)，分別完鉆2口井即可壓裂，半支井投產(chǎn)周期大幅縮短，平臺能夠盡早貢獻(xiàn)產(chǎn)能，但這種作業(yè)方式增大了鉆井期間叢式井組的井眼軌跡防碰風(fēng)險和控制難度，平臺分期投產(chǎn)對采輸工程、井間壓竄也帶來了新的挑戰(zhàn)。

圖2 優(yōu)化后雙鉆機同步作業(yè)模式

8.應(yīng)用效果分析

截止2019年8月，川慶鉆探公司威遠(yuǎn)區(qū)塊已累計完鉆頁巖氣水平井160口，鉆井周期、水平段長、儲層鉆遇率等主要指標(biāo)水平均逐步提高(圖3)，單井平均測試產(chǎn)量由初期的約14×104m3/d提高到現(xiàn)在30×104m3/d，速度、質(zhì)量、效益并進。

圖3 三輪次主要鉆井指標(biāo)對比圖

新近完成的威204H35-2井，鉆井周期29.65 d,在威204井區(qū)首次突破30 d，該井全井三趟鉆完成，首次在威遠(yuǎn)頁巖氣區(qū)塊實現(xiàn)“一開一趟鉆”，同時也取得了龍一11小層鉆遇率100%、全井機械鉆速12.6 m/h、三開鉆井周期11.38 d等最優(yōu)指標(biāo)，技術(shù)集成應(yīng)用效果顯著。

二、頁巖氣低成本鉆井技術(shù)探索

在鉆井液技術(shù)、導(dǎo)向技術(shù)、工具國產(chǎn)化等方面大力開展攻關(guān)試驗，對進一步促進頁巖氣效益開發(fā)具有重要意義。

1.柴油基鉆井液及高性能水基鉆井液試驗應(yīng)用

柴油基鉆井液存在揮發(fā)性強、閃點低等難點，通過對癥研制揮發(fā)性抑制劑，使柴油基鉆井液閃點達(dá)到100℃以上的同時，能將TVOC(總揮發(fā)性有機物)揮發(fā)量降低40%，在現(xiàn)場試驗性能與白油基鉆井液相當(dāng)，基礎(chǔ)油成本降低25%，其試驗評價和推廣正在威遠(yuǎn)區(qū)塊整體推進。

針對環(huán)保問題和降本需要研發(fā)的高性能水基鉆井液，經(jīng)過4年的發(fā)展和改進，其抑制性、封堵性、潤滑性、流變性四大性能達(dá)到油基鉆井液水平，單位成本有所下降，在部分川南頁巖氣區(qū)域已能滿足鉆進、下套管全程使用。威遠(yuǎn)區(qū)塊實現(xiàn)最長水平段2 000 m，完鉆井深5 750 m，但其針對破碎地層、高水敏性地層的適應(yīng)性還有待提高，潤滑性能較油基鉆井液仍存在一定差距。

2.小尺寸井身結(jié)構(gòu)探索

優(yōu)先考慮體積壓裂的需要，在產(chǎn)層埋深相對較淺的區(qū)域探索了整體瘦身的非常規(guī)井身結(jié)構(gòu)，即?273.1 mm表層套管+?196.85 mm技術(shù)套管+?127 mm油層套管，試驗井威202H10-1、2井表明在上部井段鉆井速度、套管用量及巖屑產(chǎn)生量等方面具有優(yōu)勢，且壓裂改造未發(fā)生套變，同平臺其余7口井中有6口發(fā)生套變，對預(yù)防威遠(yuǎn)區(qū)塊套變問題提供了新的技術(shù)途徑。

3.低成本導(dǎo)向技術(shù)研究

目前，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具仍然大量依賴進口，工程成本較高，通過優(yōu)化井眼軌跡、改進螺桿鉆具、優(yōu)化水力振蕩器安放位置、鉆柱扭擺減阻以及元素錄井和近鉆頭測量輔助錄井等綜合技術(shù)手段，實現(xiàn)了常規(guī)定向工具的“高效滑動”和精確地質(zhì)導(dǎo)向。在威202H10-6、7、8井(下傾井)試驗情況表明，定向段未出現(xiàn)托壓、水平段托壓明顯減輕，配合鉆柱扭擺減阻、提高鉆井液潤滑性等措施，機械鉆速較常規(guī)定向有所提升，龍一11儲層鉆遇率均大于90%，后實施的8井達(dá)到100%。但較旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向在作業(yè)效率和儲層鉆遇率上仍有一定差距，其應(yīng)用范圍還只能局限于區(qū)域地質(zhì)工程情況較清楚、水平段儲層厚度大且地層平緩的下傾井，針對上傾井、超長水平井的適應(yīng)性有待完善。

4.自主旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具試驗

國內(nèi)研究院所、工具廠商對旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的跟進和研發(fā)已長達(dá)十年，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)性、功能性目標(biāo)均已實現(xiàn)，與國外成熟工具存在的差距主要是造斜能力不足，抗振動、抗高溫穩(wěn)定性差，入井工具容易失效，工作時間短。

經(jīng)過近兩年的針對性攻關(guān)，上述難題取得一定突破，國內(nèi)處于領(lǐng)先水平的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具現(xiàn)場試驗造斜能力可達(dá)(7°～10°)/30 m，最高單次入井工作時間近300 h，最高單趟進尺超過1 000 m，向工業(yè)化應(yīng)用又邁出了一大步，將極大改善該領(lǐng)域工具緊缺狀況，降低作業(yè)成本。

三、下步發(fā)展方向探討

隨著威遠(yuǎn)氣田持續(xù)滾動開發(fā)和勘探領(lǐng)域的拓展，將涉及邊緣區(qū)域低壓、薄儲層的動用以及3 500 m以深頁巖氣的開發(fā)，對鉆完井工程帶來新的技術(shù)挑戰(zhàn)。

1.深化地質(zhì)工程一體化研究

威遠(yuǎn)區(qū)塊地質(zhì)情況復(fù)雜，橫向上差異較大，部分區(qū)域頁巖極為破碎,優(yōu)質(zhì)儲層厚度減薄，需強化地質(zhì)與工程的結(jié)合，以達(dá)到提產(chǎn)提效的目的。業(yè)界內(nèi)提出了儲層品質(zhì)、鉆井品質(zhì)的概念[6]，凸顯鉆井工程質(zhì)量、效率對開發(fā)效益的重要性，技術(shù)思路也逐漸清晰。通過建立一體化團隊，系統(tǒng)推動綜合研究、優(yōu)化設(shè)計和生產(chǎn)應(yīng)用，針對不同區(qū)域精細(xì)刻畫斷層裂縫、明確地質(zhì)工程“甜點”、設(shè)計適度水平段長、優(yōu)化鉆井液密度和性能、實時調(diào)控井眼軌跡，以有效降低施工難度和風(fēng)險、提高儲層鉆遇率和鉆井效率。

2.發(fā)展“一趟鉆”鉆井技術(shù)

“一趟鉆”是鉆井技術(shù)的集成和鉆井效果的體現(xiàn)，美國部分頁巖氣田“一天一英里”已呈常態(tài)化，最高單趟進尺突破5 600 m，而威遠(yuǎn)區(qū)塊雖有全井“一開一趟鉆”、單趟進尺2 363 m等案例，但因地質(zhì)差異、裝備條件、軌跡方案等客觀因素限制，還無法有效進行復(fù)制，目前平均單趟鉆進尺約650 m，水平段平均機械鉆速不足10 m/h，需重點關(guān)注卡鉆井漏復(fù)雜、工具儀器壽命和鉆頭破巖效率，逐步提高一趟鉆成功率。

3.探索預(yù)防套管變形新手段

壓裂后套變主要以擠壓為主，并受有限的地層滑移量控制，目前在鉆井井身質(zhì)量和套管選型方面已開展了大量工作，在固井方面的相關(guān)研究認(rèn)為加大水泥環(huán)厚度結(jié)合高塑性水泥漿、添加高強度空心微珠固井，能夠在遭受集中載荷時提供變形空間，從而達(dá)到降低套變程度的目的。

4.深層頁巖氣開發(fā)工程配套技術(shù)研究

目前，國內(nèi)3 500 m以深頁巖氣鉆井已有不少成功案例，儲層埋深3 900 m左右的瀘203井測試日產(chǎn)氣量高達(dá)137.9×104m3，也進一步表明川南深層頁巖氣良好的勘探前景[7]，但整體開發(fā)技術(shù)尚不成熟。威遠(yuǎn)區(qū)塊寒武系筇竹寺組頁巖氣儲層埋深在2 800～4 700 m，勘探程度較低，存在地層層序復(fù)雜、巖石可鉆性差、高溫條件下工具和鉆井液適應(yīng)性不足、井眼降摩減阻要求高、套管強度與抗硫性能存在矛盾等難題，配套技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范需攻關(guān)完善。

5.立體開發(fā)鉆完井技術(shù)優(yōu)化

四川盆地分布有龍馬溪和筇竹寺組頁巖，分別發(fā)育有多個小層，其中筇竹寺組還未進入實質(zhì)開發(fā)階段，儲量動用仍有較大潛力，而相關(guān)測試資料表明壓裂縱向裂縫擴展只有6～10 m，如何在有限的地面和成本條件下兼顧兩套儲層或多個小層的高效開發(fā)將面臨挑戰(zhàn)。利用老井側(cè)鉆或在井場部署兩組井分別鉆探兩個目的層(圖4)，結(jié)合壓裂、生產(chǎn)井間干擾研究和井眼軌跡防碰，實現(xiàn)上下兩層立體開發(fā)，可減少土地占用面積、地面設(shè)施投入，提升整體效益；此外，采用分支井技術(shù)也可實現(xiàn)同時動用兩套儲層，但主井筒和分支井筒下套管固井工藝、工序較為復(fù)雜，需使用進口壁掛式懸掛器等同類工具以實現(xiàn)主井筒的封閉、重入以及分支井筒的固井，后期還需特殊完井管柱來滿足開采的需要，經(jīng)濟性有待評價。

圖4 叢式井組示意圖

四、結(jié)論與建議

(1)威遠(yuǎn)示范區(qū)通過優(yōu)化完善井身結(jié)構(gòu)、軌跡模式、油基鉆井液、地質(zhì)導(dǎo)向等關(guān)鍵技術(shù)，已形成成熟的淺層頁巖氣水平井鉆井工程技術(shù)，其標(biāo)準(zhǔn)化、模板化的應(yīng)用有效的支撐了區(qū)塊頁巖氣快速規(guī)模上產(chǎn)，具有很好的借鑒和推廣意義。

(2)推廣柴油基鉆井液、高效滑動定向等適用技術(shù)，加快完善以旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向為代表的國產(chǎn)化工具，能夠有效降低成本，促進頁巖氣效益開發(fā)。

(3)提高“一趟鉆”技術(shù)水平是當(dāng)前進一步鉆井提速的重要突破口，應(yīng)基于地質(zhì)工程一體化，系統(tǒng)推進問題攻關(guān)、方案設(shè)計與試驗應(yīng)用，關(guān)鍵是控制事故復(fù)雜時效、提高工具儀器壽命。

(4)通過提高固井水泥環(huán)的厚度、韌性及局部破碎空間，可能對減輕體積壓裂后套管變形起到一定作用，有必要開展試驗評價。

(5)深層頁巖氣效益開發(fā)是支撐威遠(yuǎn)頁巖氣持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵，針對破巖效率低、高溫高壓特征等問題要加快完善工程配套技術(shù)，并在新、老井場適時開展立體開發(fā)試驗，提高儲層動用和實現(xiàn)降本增效。