重慶南川頁巖氣鉆井關(guān)鍵技術(shù)與思考

趙小祥，胡志強(qiáng)，楊順輝，匡立新，薛玉志，何青水，肖 超，李夢剛

1中國石化石油工程技術(shù)研究院 2中國石化華東油氣分公司

0 引言

SY14-3HF井和SY14-4HF井是中石化華東局重慶頁巖氣有限公司在重慶南川勝頁工區(qū)布置的同一平臺的兩口水平開發(fā)井。導(dǎo)管及一開井段存在淺表垮塌、嚴(yán)重漏失、井斜方位隨鉆監(jiān)測困難、防碰難度大、井眼尺寸大、提速困難等問題；二開部分地層硅質(zhì)含量高、可鉆性差、鉆頭磨損嚴(yán)重、下部地層井壁易坍塌、井口間距小、防碰難度大、自然方位難控制；三開儲層不均質(zhì)性強(qiáng)、軌跡調(diào)整頻繁、井壁易失穩(wěn)、壓裂作業(yè)對井筒完整性要求高。為形成單井和區(qū)域工程示范，加快中石化重點(diǎn)地區(qū)勘探開發(fā)進(jìn)程，以“日費(fèi)制”管理為手段，基于甲乙方融合、甲方主導(dǎo)的日費(fèi)制及新技術(shù)集成應(yīng)用機(jī)制，制定了各井段鉆井提速方案，優(yōu)選各井段的鉆具組合，推廣高性能射流沖擊器及大扭矩等壁厚螺桿等提速工具[1]，研發(fā)高效PDC破巖鉆頭[2]、強(qiáng)封堵防塌鉆井液體系[3]，成功解決了淺層失返性漏失、鉆速慢、井壁失穩(wěn)等鉆井難題，兩口井在鉆完井周期、復(fù)雜處理及平均機(jī)械鉆速等方面實(shí)現(xiàn)了突破。

1 工程概況

SY14-3HF井和SY14-4HF井位于四川盆地川東高陡褶皺帶萬縣復(fù)向斜東勝南斜坡，目的層位為龍馬溪組龍一段③小層，采用“導(dǎo)管+三開制”的井身結(jié)構(gòu)，實(shí)際井身結(jié)構(gòu)如圖1所示。SY14-3HF井于2020年06月30日開鉆，2021年03月23日完鉆，完鉆井深5 370.00 m，實(shí)際鉆井周期45.41 d，全井平均機(jī)械鉆速9.70 m/h。SY14-4HF井于2020年08月02日開鉆，2020年11月05日完鉆，完鉆井深5 017.00 m，實(shí)際鉆井周期65.10 d，全井平均機(jī)械鉆速10.75 m/h。

圖1 SY14-3HF井和SY14-4HF井井身結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 井壁穩(wěn)定性差蹩跳問題嚴(yán)重

SY14平臺上部第四系淺表地層為疏松黏土，易坍塌，雷口坡組及嘉陵江組等灰?guī)r、白云巖地層裂縫和溶洞發(fā)育，地層破碎且含泥質(zhì)礦物，鉆井時(shí)間長期易產(chǎn)生井壁穩(wěn)定性問題[4-6]，具體鉆遇地層及主要技術(shù)難點(diǎn)見表1。SY14-4HF井在導(dǎo)管井段進(jìn)至井深239 m左右漏層時(shí)，漏水不漏粗砂，沉砂較多，劃眼過程中頻繁蹩停頂驅(qū)，造成3次卡鉆，使正常鉆進(jìn)具有極大風(fēng)險(xiǎn)。同平臺SY14-5HF井導(dǎo)管段鉆進(jìn)時(shí)出現(xiàn)井口坍塌、導(dǎo)管下入遇阻復(fù)雜，通過打水泥漿、混凝土、堵漏漿及下引管等措施均未成功，歷時(shí)21 d，無法繼續(xù)鉆進(jìn)，臨時(shí)棄井。

表1 鉆井過程中主要技術(shù)難點(diǎn)統(tǒng)計(jì)表

1.2 機(jī)械鉆速低

三疊系飛仙關(guān)組、二疊系龍?zhí)丁⒚┛诮M泥質(zhì)灰?guī)r夾燧石，含硅質(zhì)，地層研磨性強(qiáng)，鉆頭吃入性差，易崩齒；志留系韓家店和小河壩組地層非均質(zhì)性強(qiáng)，軟硬交錯(cuò)，下部致密砂巖石英含量高，導(dǎo)致機(jī)械鉆速緩慢。SY14-3HF井直井段長，自然方位均為280°～330°之間，由于韓家店組泥巖地層有降斜趨勢、小河壩組砂巖地層有增斜趨勢導(dǎo)致井斜、方位控制難度大。

1.3 井眼防碰難度大，壓裂影響鉆井壓力控制

SY14平臺部署有8口水平井，叢式井井口間距小、井眼防碰難度大，SY14-4HF井56.15 m處與SY14-3HF井井眼之間最近距離僅6.65 m；區(qū)域井網(wǎng)密布，鄰井壓裂施工中壓裂液侵入井筒，SY14-4HF井11月2日旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆進(jìn)至井深5 017 m，出口流量增加，發(fā)現(xiàn)溢流，關(guān)井后不斷節(jié)流循環(huán)排氣，火焰飄高3～10 m，鉆井液密度從1.50 g/cm3提升至1.85 g/cm3后，仍然難以有效控制氣侵，繼續(xù)鉆進(jìn)會(huì)有較高風(fēng)險(xiǎn)，確定就地完鉆。

2 鉆井關(guān)鍵技術(shù)

2.1 鉆井提速工具優(yōu)選技術(shù)

2.1.1 電磁波隨鉆測量監(jiān)控技術(shù)

SY14平臺上部地層鉆進(jìn)發(fā)生失返性漏失，井壁掉塊多，在施工過程中為監(jiān)測井斜，確保井身質(zhì)量和防碰要求，有利于提速，首次引入了電磁波隨鉆測量監(jiān)控技術(shù)。SY14-3HF井和SY14-4HF井在導(dǎo)管施工中首次使用電磁波隨鉆測量技術(shù)監(jiān)測井斜、指導(dǎo)優(yōu)化鉆井參數(shù)。從地面到970.00 m井段使用CEM-1型電磁波隨鉆測量儀器監(jiān)測井身質(zhì)量，該儀器信號穩(wěn)定，利用接立柱的時(shí)間即可完成測量、節(jié)約了常規(guī)脈沖隨鉆測量儀器需要停泵、開泵才能測量的常規(guī)操作，每一立柱測斜可節(jié)約3～5 min的時(shí)間，可滿足鉆井液失返工況下的測量工作。該井段為直井監(jiān)測井段，可通過隨鉆監(jiān)測井斜優(yōu)化鉆井參數(shù)，避免中完井深井斜、位移過大。電磁波隨鉆測量儀器在南川工區(qū)淺層漏失井段獲得了良好的應(yīng)用效果，在南川勝頁工區(qū)進(jìn)行有效地推廣使用。

2.1.2 高性能射流沖擊器

在SY14-3HF井二開井段使用了中石化工程院研制的兩套?228 mm射流沖擊器。第一套射流沖擊器應(yīng)用入井1次，地層為龍?zhí)逗兔┛诮M，地層巖性為灰?guī)r、頁巖。應(yīng)用井段1 700～1 822 m，進(jìn)尺122 m，工具出井時(shí)檢測正常。第二套射流沖擊器連續(xù)入井3次，應(yīng)用地層為棲霞、梁山及韓家店組，地層巖性以泥巖、粉砂巖為主。應(yīng)用井段為1 822～2 582.8 m，總進(jìn)尺760.8 m，總工作時(shí)間101 h。兩套射流沖擊器在鉆進(jìn)過程中扭矩平穩(wěn)，復(fù)合鉆進(jìn)鉆時(shí)2～4 min，滑動(dòng)鉆進(jìn)鉆時(shí)4～9 min。射流沖擊器在應(yīng)用過程中，在棲霞組至梁山組，配合大扭矩螺桿復(fù)合鉆進(jìn)機(jī)械鉆速同比鄰井提高了36.6%，滑動(dòng)鉆進(jìn)機(jī)械鉆速同比提高42%以上。在韓家店組，配合常規(guī)螺桿，復(fù)合鉆進(jìn)平均鉆時(shí)3.13 min/m，滑動(dòng)鉆進(jìn)平均鉆時(shí)7.75 min/m。同比鄰井的平均鉆時(shí)大幅度降低，提速效果尤為顯著。射流沖擊器整體工作性能穩(wěn)定，需要進(jìn)一步研究沖擊器性能參數(shù)與巖石抗鉆特性參數(shù)關(guān)系，依據(jù)地層及鉆時(shí)變化情況調(diào)整旋沖鉆井參數(shù)，提高鉆具組合及鉆頭匹配度。

2.1.3 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向+高扭矩低轉(zhuǎn)速螺桿組合

SY14-3HF井、SY14-4HF井三開水平段采用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具配合近鉆頭井斜和伽馬的應(yīng)用，精準(zhǔn)控制井眼軌跡，所鉆井眼規(guī)則，提高了儲層鉆遇率，兩口井儲層鉆遇率均達(dá)到100%。其中SY14-3HF井采用貝克休斯AutoTrak Curve高造斜旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向作業(yè)系統(tǒng)，配合高扭矩低轉(zhuǎn)速螺桿，監(jiān)測井底轉(zhuǎn)速可以達(dá)到170～180 r/min，進(jìn)一步增加攜巖效果，降低井底鉆頭振動(dòng)，在強(qiáng)化鉆進(jìn)參數(shù)的情況下，能獲得較高的機(jī)械鉆速，同時(shí)近鉆頭方位GR的應(yīng)用也能很好地提供準(zhǔn)確的地質(zhì)信息從而指導(dǎo)鉆頭在目的層穿行。SY14-4HF井三開第二趟鉆采用斯倫貝謝公司PowerDrive Archer新一代高造斜率旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)[7],如圖2所示，實(shí)鉆水平段最大井眼曲率5.24°/30 m，精準(zhǔn)控制井眼軌跡。

圖2 PowerDrive Archer高造斜率旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具

2.1.4 高效破巖鉆頭

三開地層非均質(zhì)性強(qiáng)，軟硬交錯(cuò)，下部致密砂巖含量高，地層可鉆性差，研磨性強(qiáng)。根據(jù)地層特點(diǎn)及巖石力學(xué)分析，SY14-3HF井和SY14-4HF井三開造斜段選用江鉆?215.9 mm KPM1642DRT型混合鉆頭,如圖3所示，充分發(fā)揮兩類鉆頭優(yōu)勢，牙輪切削齒預(yù)先對巖石產(chǎn)生破碎沖擊，減少鉆柱振動(dòng)，降低PDC的切削載荷，使PDC切削齒在低鉆壓下產(chǎn)生較高的機(jī)械鉆速[8-9]。該只鉆頭的使用符合預(yù)期設(shè)計(jì)，大幅提高了定向鉆進(jìn)擺工具面的時(shí)效，復(fù)合鉆進(jìn)平均鉆時(shí)在3～5 min/m，擺工具面時(shí)間在每次在10～20 min。使用高鉆壓、低轉(zhuǎn)速的施工參數(shù)快速破壞固井膠塞，大幅提高了掃塞時(shí)效，SY14-3HF井三開僅用6 h即鉆完42 m水泥塞及固井附件，縮短了掃塞周期。同時(shí)，SY14-4HF井三開水平段選用KSD1652FRTY五刀翼雙排齒鉆頭，優(yōu)化鉆頭輪廓設(shè)計(jì)，加強(qiáng)肩部布齒密度，提升了鉆頭側(cè)切能力。該鉆頭第一趟鉆進(jìn)尺1 520 m，純鉆時(shí)間119 h，平均機(jī)械鉆速12.77 m/h。起出后鉆頭齒輕微磨損，磨損評級為1-1-WT-T-X-1/16-NO-BHA。該只鉆頭破巖效果較好，平均鉆時(shí)在3～5 min/m。

圖3 KPM1642DRT型混合鉆頭

2.2 鉆井液封堵防塌技術(shù)

2.2.1 “三低兩強(qiáng)”鉀基聚合醇鉆井液體系

華東南川工區(qū)二開下部地層鉆井過程中，多發(fā)鹽膏侵，鉆井液流變性不易控制，漏斗黏度常在40～90 s波動(dòng)，變化大，摩阻大，限制了提速提效。“三低兩強(qiáng)”鉀基聚合醇鉆井液體系具有“低膨潤土含、低黏切、低固相、強(qiáng)封堵、強(qiáng)抑制”的特點(diǎn)[10]，用合理的鉆井液密度建立了力學(xué)平衡，采用該鉆井液體系可減少地層的總吸水量，提高抑制性，阻止巖石的水化，提高井眼質(zhì)量，同時(shí)減少鉆井液中亞微米含量可大幅度提高機(jī)械鉆速，其配方為:生產(chǎn)水+2%～3%膨潤土+0.1%～0.3%Na2CO3+0.1%～0.3%NaOH +0.2%～0.5%KPAM+0.5%～1%NH4HPAN+1%～1.5%PAC-LV+2%～3%抗溫封堵防塌劑+1%～3%聚合醇+3%～6%KCl+1%～2%聚醚醇+2%～3%膠乳瀝青防塌劑+2%～3%多級配填充封堵劑。參數(shù)如表2所示。SY14-3HF井和SY14-4HF井二開井段鉆井液膨潤土含量控制在18～19 g/L，黏切控制在38～40 s，失水穩(wěn)定在4～5 mL，鉆井過程中摩阻較同平臺其他井降低10～20 t，扭矩降低50%，鉆井速度明顯提高。

表2 “三低兩強(qiáng)”鉀基聚合醇鉆井液體系性能參數(shù)表

2.2.2 低黏高切油基鉆井液體系

南川工區(qū)頁巖氣層段井眼穩(wěn)定、攜巖洗井、長水平段摩阻大、壓裂液侵入油基鉆井液后，油基鉆井液性能惡化，體系崩潰，易引發(fā)井塌等惡性井下事故。SY14-3HF井、SY14-4HF井三開采用的低黏高切油基鉆井液體系具有“體系穩(wěn)定性好、抗污染能力強(qiáng)、封堵抑制性能優(yōu)”的特點(diǎn)[11]。通過控制油水比及乳化劑、潤濕劑、降濾失劑的加量和比例，體系的破乳電壓高達(dá)1 100 V。使用氯化鈣鹽水提高鉆井液的抑制性。壓裂液及酸液大量侵入對油基鉆井液性能影響輕微，使用大量微納米強(qiáng)封堵材料能有效封堵地層微裂縫，可提高破碎地層的完整性。低黏高切油基鉆井液體系有效解決了南川工區(qū)DP14-4井下套管期間40 m3壓裂液侵入后對油基鉆井液穩(wěn)定性的影響，套管順利下達(dá)預(yù)定井深，保證了井下安全和第一口日費(fèi)制井的順利完井。

2.2.3 高、低速離心機(jī)串聯(lián)

SY14-3HF井和SY14-4HF井在三開鉆進(jìn)過程中，將高速離心機(jī)與低速離心機(jī)串聯(lián)使用組成雙機(jī)系統(tǒng)，如圖4所示。

可以有效回收重晶石，清除低密度固相，有效將鉆井液密度控制在1.57～1.70 g/cm3，黏度60～85 s，高溫高壓失水小于2 mL，破乳電壓維持在1 000 V以上。在此系統(tǒng)中，低速離心機(jī)放在第一級，分離出的重晶石排回鉆井液罐中以回收重晶石，分離出的液體先排入一個(gè)緩沖罐中，再用泵把緩沖罐中的液體送入高速離心機(jī)中，高速離心機(jī)分離出的固體排出罐外，液體回到循環(huán)系統(tǒng)中，采用“兩機(jī)”系統(tǒng)既可以有效清除有害固相，又可以防止大量浪費(fèi)重晶石，SY14-4HF井在三開壓裂影響造成三開鉆井周期大幅增加的情況下，通過高、低速離心機(jī)串聯(lián)使用，使油基鉆屑處理量333.9 t，與同平臺其他井相比，減少了238.77 t，單井節(jié)省油基廢棄物處理費(fèi)用30余萬元。

3 結(jié)論與建議

(1)日費(fèi)制對新技術(shù)集成應(yīng)用示范具有積極意義。重慶南川兩口頁巖氣井在鉆完井周期、復(fù)雜情況處理及平均機(jī)械鉆速等方面實(shí)現(xiàn)了突破，形成了諸多鉆井關(guān)鍵技術(shù)，其中電磁波隨鉆測量監(jiān)控技術(shù)、“三低兩強(qiáng)”鉀基聚合醇鉆井液體系、高/低速離心機(jī)串聯(lián)以及強(qiáng)化參數(shù)鉆井技術(shù)已經(jīng)在工區(qū)得到了推廣應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了提質(zhì)、提速、提效以及技術(shù)可復(fù)制和可推廣的目的。

(2)南川工區(qū)淺部地層易塌、失返性漏失、漏水不漏砂、存在暗河和溶洞等情況下的作業(yè)效率仍然較低，建議優(yōu)先通過地球物理診斷技術(shù)盡可能地避開復(fù)雜地層；同時(shí)，考慮在鉆前施工前將上部不穩(wěn)定的地層封掉，或者通過跟管鉆進(jìn)、微泡鉆井、雙壁鉆桿鉆井等方式加以解決，盡可能地減少處理這類復(fù)雜所用的時(shí)間。

(3)SY14平臺已鉆的多口井井眼軌跡存在穩(wěn)斜和穩(wěn)方位難度大的問題，小井斜滑動(dòng)鉆進(jìn)進(jìn)尺200～400 m，嚴(yán)重影響定向效率，建議后續(xù)應(yīng)根據(jù)平臺已鉆井直井段自然方位趨勢，優(yōu)化設(shè)計(jì)油藏靶點(diǎn)、降低井眼軌跡控制難度，從而提高機(jī)械鉆速、降低鉆井周期、節(jié)約鉆井成本。

(4)南川工區(qū)非常規(guī)開發(fā)區(qū)域井網(wǎng)密布，壓裂對鉆井影響巨大，SY14-3HF井所在的東勝工區(qū)曾存在多口井因壓裂而出現(xiàn)的井下復(fù)雜情況，造成了不小的經(jīng)濟(jì)損失。建議非常規(guī)井的開發(fā)生產(chǎn)運(yùn)行要統(tǒng)籌考慮，分區(qū)域集中鉆井，分區(qū)域集中壓裂，避免出現(xiàn)因壓裂而導(dǎo)致鉆井復(fù)雜情況的發(fā)生。