鄂西地區黃陵背斜頁巖氣鉆井難點與對策

遲煥鵬，胡志方，王勝建，張家政，吳 迪，李大勇，薛宗安

1 中國地質調查局油氣資源調查中心 2 中國石油國際勘探開發有限公司

0 引言

鄂西宜昌地區地處湖北西南部，西鄰我國最大的頁巖氣田所在的四川盆地，據2011年原國土資源部調查評價結果，湖北頁巖氣地質資源量居全國第五［1］。2014年來，中國地質調查局油氣資源調查中心在鄂西地區部署了大量的頁巖氣勘探和評價工作［2-5］，在宜昌地區黃陵背斜南緣部署實施的兩口井通過水平井分段壓裂試氣取得重要發現，其中EYY-1HF井在寒武系牛蹄塘組獲得穩產7.83×104m3/d的工業氣流，EYY-2HF井在震旦系陡山沱組獲得穩產5.46×104m3/d的工業氣流［6］，取得了四川盆地以外新區新層系頁巖氣勘探的突破，預示著宜昌地區黃陵背斜良好的勘探開發前景。

但由于宜昌地區黃陵背斜地表地質條件復雜，EYY-1HF井和EYY-2HF井從井位部署到完井全過程施工情況存在諸多鉆井工程技術難點，導致鉆井復雜問題多、周期長、成本高，給鉆井施工帶來很大挑戰。因此，本文通過分析該地區主要鉆井工程難點，研究措施和對策，以期提高鉆井速度，為該地區后續的勘探開發提供借鑒。

1 地質概況

宜昌地區黃陵背斜位于揚子板塊北緣中段，北鄰秦嶺—大別造山帶，南接江南陸內造山帶，處于兩大造山帶之間的相對穩定區［7］。受構造作用的影響，黃陵背斜與其相鄰的秭歸南向斜、長陽背斜、長陽南向斜組成了復式褶皺帶，并發育天陽坪逆沖斷裂帶和仙女山走滑斷裂帶［8］。根據前人的研究，宜昌地區地層發育較為齊全，從元古界到新生界均有不同程度分布。由于古隆起周緣埋藏深度適中、抬升較早、構造變形較弱，且逆沖推覆體下盤保存條件較好，有利于頁巖氣富集和保存，震旦系陡山沱組和寒武系牛蹄塘組兩套地層為主要的頁巖地層［9，10］。根據EYY-1HF井的鉆探成果：陡山沱組頁巖沉積厚度約為129 m，TOC含量平均1.66%；牛蹄塘組優質頁巖厚度約為140 m，TOC含量平均2.32%，均具有良好的頁巖氣勘探潛力。

2 主要鉆井工程難點

2. 1 工程部署難度高

研究區受多期構造運動影響，構造復雜，區內山谷相間，斷裂發育，因擠壓作用造成的逆沖推覆構造普遍；地表地質條件復雜，總體屬中深-深切割的中低山地形，可利用的土地資源十分有限，井位選擇、材料運輸和井場建設面臨巨大挑戰，造成井位優選困難、鉆前工程周期長、大規模水力壓裂施工受限等難題。

2. 2 上部灰巖、白云巖地層井漏嚴重

目的層震旦系陡山沱組和寒武系牛蹄塘組上部地層以石灰巖和白云巖為主，裂縫發育，漏失層段較多。對EYY-1HF井、EYY-2HF井井漏進行了統計（見表1），可以看出，兩口井累計發生井漏34次，漏失清水、鉆井液和水泥漿共計2 314.1 m3。其中，嚴重漏失主要發生在石龍洞組，其次為牛蹄塘組三段（以下簡稱“牛三段”）和覃家廟組。

表1 EYY-1HF井和EYY-2HF井井漏情況統計

該地區漏失層層段主要有如下特性：

（1） 漏失壓力低。EYY-1HF井導眼井一開（52 ～1 822 m），鉆井液密度為1.08 ～ 1.10 g/cm3，二開（1 822～ 3 135 m），鉆井液密度為1.10 ～ 1.14 g/cm3，仍然發生多次嚴重漏失，說明該地區地層具有漏失壓力低的特點。

（2） 漏層判斷難度大。該地區上部地層漏失層段多，石龍洞組、牛三段地層堵漏后容易發生復漏，導致漏層判斷難度大，堵漏成功率低。

2. 3 固井風險高

因石灰巖、白云巖地層裂縫發育，堵漏后地層承壓能力較低，導致固井過程中易發生漏失。EYY-1HF導眼井表層套管和技術套管固井時均發生失返，側鉆水平井牛三段上部多次堵漏提承壓后當量鉆井液密度低于1.25 g/cm3，無法滿足水平井安全鉆進需要；EYY-2HF井下技術套管和固井時均發生失返，兩口井生產套管固井前均需要提承壓作業。

2. 4 井壁穩定性差

根據鉆井和取心情況（圖1），陡山沱組二段（以下簡稱“陡二段”）上部地層破碎嚴重，易垮塌，以灰黑色含碳白云質泥巖為主。為降低三開水平段在陡二段目的層鉆進風險，需下套管封固上部破碎易垮塌段。所以，在鉆井過程中，需要鉆穿上部易漏、承壓能力較低的覃家廟組、石龍洞組、牛三段，和下部陡二段破碎易垮塌地層，上漏下垮，鉆井液安全密度窗口窄，井壁穩定挑戰大。

圖1 陡二段上部巖心

2. 5 可鉆性差

本地區鉆井主要鉆遇古老的下古生界寒武系和上元古界震旦系地層。尤其是寒武系牛蹄塘組下部、震旦系燈影組和陡山沱組地層，巖性以白云巖、石灰巖、云質泥巖為主，硅質成分高，地層抗壓強度高、研磨性強、可鉆性差，EYY-2HF井在陡山沱組平均鉆時高達40 min/m以上，導致入井鉆頭磨損快、機械鉆速低。

3 技術對策及建議

3. 1 防漏堵漏技術對策

針對井漏，要堅持預防為主、防堵結合的原則，盡量避免人為主觀因素導致的井漏，根據EYY-1HF井及EYY-2HF井的防漏堵漏實踐，總結出預防和處理該地區井漏的技術對策。

3. 1. 1 井漏預防對策

盡量選用低密度、低濾失、強抑制、強封堵性能的鉆井液體系［11，12］，在保證井壁穩定的前提下，控制鉆井液密度，優化流變性能，降低循環壓耗，減小井底壓差。

優化鉆井參數，在易漏井段應控制起下鉆速度，中途分段循環鉆井液降低井下激動壓力，防止井漏。

3. 1. 2 地面溶洞探測技術

為預防表層出現由于大的裂縫、溶洞造成的惡性漏失，通過在設計井位所在區域開展物探工作，對1 000 m以淺主要地質結構、構造和巖溶地質特征進行探測，識別可能存在的構造異常和溶洞，降低惡性漏失風險，為井位優選提供依據。

3. 1. 3 淺表層防漏堵漏對策

在導眼、一開淺表層井段發生井漏，根據現場情況一般可以采取清水搶鉆、水泥漿堵漏的方法處理，盡快完成導眼、一開井段鉆進及固井。

3. 1. 4 中深層裂縫性地層堵漏對策

針對覃家廟組地層井漏，在充分暴露漏層后，根據漏失量及漏速將粗中細顆粒堵漏材料按一定比例復配濃度為10% ～ 20%的堵漏漿進行靜止堵漏。堵漏施工后如果返漿排量不足50%，采用纖維水泥漿封堵漏層。

石龍洞組和牛三段漏失壓力低、地層硬度高，堵漏材料不易在裂縫中滯留，復漏風險大。因此，在堵漏施工過程中要提高復合堵漏材料及纖維類材料比例，加大粗顆粒及中粗顆粒堵漏材料用量，實施承壓堵漏。如承壓堵漏無效，則用水泥塞配合堵漏漿進行承壓堵漏，將堵漏材料憋入漏失裂縫中。

EYY-1HF井在斜井段牛三段地層鉆進過程中，發生多次井漏和復漏，采用堵漏漿、水泥漿多次堵漏后，無法滿足后續油基鉆井液水平段鉆進地層承壓要求，最后采用弱凝膠堵漏技術成功解決問題。

3. 2 井身結構優化

根據已鉆井的資料及經驗，分別對牛二段和陡二段兩套頁巖氣目的層鉆井井身結構進行優化，如表2和圖2所示。

表2 井身結構優化設計方案

（1）根據地層情況，縮短一開井深，提高機械鉆速。例如由EYY-1HF井一開1 800 m減少至EYY-2HF井的700 m，后續作業可將一開縮短至500 m左右，減少大尺寸井眼工作量。

圖2 EYY-1HF井身結構優化示意圖

（2）對牛二段頁巖氣目的層，二開鉆穿牛三段易漏低承壓地層，下入技術套管注水泥封固，降低水平段地層承壓難度，為三開水平段安全順利鉆進創造條件。

（3）對陡二段頁巖氣目的層，二開鉆穿陡二段破碎易坍塌地層，下技術套管封固，降低三開水平段鉆進及生產套管下入風險。

3. 3 鉆頭優選

本地區在鉆井過程中主要鉆遇致密堅硬的灰巖和白云巖，可鉆性差，主要表現為對PDC鉆頭切削齒磨損嚴重，對牙輪鉆頭外排齒磨損嚴重。通過對已鉆兩口井鉆頭使用情況分析，針對本地區的地層特點，提出了鉆頭優選原則、選型結果及下一步試驗的鉆頭建議，見表3。

表3 鉆頭優選結果

3. 4 旋轉導向鉆井技術

EYY-1HF井牛二段和EYY-2HF井陡二段水平段的靶窗高度均僅有5 m；而且區域地質資料較少，標志層特征不明顯，地層傾角較大，橫向上地層傾角變化不穩定，薄夾層多，以上多個因素導致了井眼軌跡控制難度大的難題。

為提高優質儲層鉆遇率和機械鉆速，在EYY-1HF井和EYY-2HF井部分斜井段和整個水平段使用了斯倫貝謝的Smith PDC鉆頭+PD Archer旋轉導向鉆井技術，實現了100%優質儲層鉆遇率。

使用效果見表4所示，從表中可以看出，使用旋轉導向的機械鉆速遠大于使用PDC+螺桿（其中EYY-2HF井為牙輪鉆頭+螺桿）的鉆井方式，且純鉆時效較高。主要得益于使用旋轉導向系統可以在鉆柱旋轉的條件下對軌跡進行調整，鉆壓可以有效傳遞到鉆頭，有利于提高機械鉆速；同時，鉆出的井眼軌跡平滑，摩阻扭矩低、清巖效果好，大大降低了作業風險。

表4 兩口井應用旋轉導向鉆速對比表

EYY-1HF井在340 m的部分斜井段和整個水平段1 836 m使用旋轉導向鉆井技術只用了兩只鉆頭、兩趟鉆（進尺分別為900 m和1 276 m）就完成了全部2 176 m井段鉆進，平均機械鉆速9.4 m/h，證明了該技術在牛蹄塘組頁巖氣目的層優良的鉆井性能和效果。而在EYY-2HF井，主要由于鉆頭磨損的原因，用了14趟鉆、消耗了12只鉆頭才完成了陡二段頁巖氣目的層1 718 m井段的鉆進，單只鉆頭最大進尺為427 m，最小為56 m，雖然旋轉導向的機械鉆速遠高于螺桿鉆進方式，但在使用效果和機械鉆速方面遠低于在牛蹄塘組頁巖氣目的層的應用，也說明了陡二段地層可鉆性差、非均質性強的特點。針對陡二段地層，在鉆井技術、鉆頭、提速工具等方面還需要開展攻關，提高在該地層鉆進的機械鉆速，降低成本。

3. 5 低承壓能力地層固井技術

固井質量的優劣關系到后期大規模水平井分段壓裂施工的成功與否，并且決定了試氣和生產過程中發生套變的風險高低。由于該地區碳酸鹽巖地層承壓能力低，導致在下套管和固井過程中易發生井漏，水泥漿無法上返至設計高度。因此，需要利用雙凝雙密度水泥漿固井技術［13］、低密度泡沫水泥漿固井技術［14］等適合于低承壓能力地層的固井技術。

4 結論與建議

（1）上部碳酸鹽巖地層漏失可以分為白云巖、石灰巖裂縫性漏失和泥巖滲透性漏失，以白云巖、石灰巖裂縫性漏失為主，具有漏失壓力低、漏層判斷難度大的特點。

（2）寒武系牛蹄塘組下部、震旦系燈影組和陡山沱組地層，巖性以白云巖、石灰巖、云質泥巖為主，硅質成分高，地層抗壓強度高、研磨性強、可鉆性差，導致入井鉆頭磨損快、機械鉆速低。

（3）建議探索與該地區地質條件相適應的“井工廠”鉆井技術，試驗氣體鉆井技術以應對上部碳酸鹽巖易漏地層的快速鉆進，加強針對低承壓能力地層低成本固井技術的研發和試驗，開展陡二段頁巖氣儲層提速提效鉆井技術、鉆頭、工具等的攻關。