威榮深層頁巖氣水平井鉆井提速關鍵技術

睢圣 沈建文 李昱垚 李衡

（中石化西南石油工程有限公司鉆井工程研究院 四川德陽 61800）

前言

深層頁巖氣是指儲層埋藏深度為3500～4500m的頁巖氣。中石化和中石油已在涪陵頁巖氣田焦石壩、長寧等區塊實現了中淺層頁巖氣的商業化開發，形成了3500m以淺頁巖氣優快鉆井技術。由于深層頁巖氣的地質特征與中淺層相比差別較大，導致深層頁巖氣鉆井存在機械鉆速低、鉆井周期長和成本高等技術難點，無法滿足經濟有效開發要求。四川盆地威榮頁巖氣田儲層埋深3550～3880m，是中石化繼涪陵頁巖氣田后第二個頁巖氣勘探開發重點區塊。我國深層頁巖氣配套工程技術研究正在探索[1]，該地區頁巖氣第一輪評價井經過施工后，表現出鉆井周期較長、機械鉆速低、鉆井成本高，且平臺間、平臺各井間鉆井技術指標差別較大。為此，通過分析了威榮深層頁巖氣田鉆井面臨的關鍵技術難點，開展了井身結構優化、井眼軌道優化、“井工廠”叢式井軌跡控制技術、個性化高效PDC鉆頭優選，形成了適用于威榮深層頁巖氣水平井鉆井提速關鍵技術，并在現場應用取得良好效果，達到了鉆井提速降本的目的，為威榮頁巖氣田低成本高效開發提供了技術支持[2]。

1 威榮深層頁巖氣地質特征

（1）地層層序增多、地質條件更加復雜。與中淺層頁巖氣相比，深層頁巖氣地層層序增多，且增加的地層為一套海陸交互相沉積的地層，浸泡易水化坍塌，存在漏塌同存的風險。

（2）地層巖石強度高、可鉆性差。威榮區塊須家河至石牛欄組地層含有影響可鉆性和研磨性的石英、方解石、白云石、正長石、黃鐵礦等成分。須家河組石英含量達69.49%，龍潭組、棲霞組中的方解石含量分別為87.44%和96.04%，石牛欄組石英和方解石含量分別為9.23%和72.26%。石牛欄組地層可鉆性差，可鉆性級值達到8。二開鉆組須家河組研磨性強的砂層，其硬度達到6級，塑性系數低于2級，可鉆性差。

（3）深部地層構造復雜，優質儲層預測精度低，實鉆結果與設計值偏差大，標志層不清晰，地質預測偏差大。

2 鉆井提速關鍵技術

2.1井身結構優化

根據對威榮地區鉆井工程地質環境因素的精細描述，并在滿足井筒壓力平衡理論下，確定了威榮地區的兩個地質必封點，第一封沙溪廟上部，第二封石牛欄組。工程必封點一由封上沙溪廟淺部加深至封沙溪廟組中部，必封點二與地質必封點相同。根據必封點和三壓力剖面，新設計了有利于威榮深層頁巖氣優快鉆井的三開井身結構，見表1。

表1 威榮頁巖氣田水平井井身結構

新設計優化技術思路：導眼段采用Φ609.6mm鉆頭，下Φ508mm套管深度30m，封遂寧組/沙溪廟組上部地層。一開井段采用Φ406.4mm鉆頭，下Φ339.7mm表層套管，套管下深由須家河組頂界上提至沙溪廟組中部，將表層套管下深減少了500m左右，減少大尺寸井眼深度，有利于提速降本。二開井段采用Φ311.2mm鉆頭，下套管Φ244.5mm，套管下深至龍馬溪組頂部，二開采用復合鉆井方式鉆進龍馬溪組以上的石牛欄組難鉆地層，有利于三開定向速度提高。三開井段采用Φ215.9mm鉆頭，下套管Φ139.7mm，采用套管射孔完井。從綜合成效來看，優化后的井身結構適當減少了大尺寸井眼深度，更有利于提高機械鉆速。

2.2 井眼軌道設計優化

針對頁巖氣水平井空間三維特點，將五段制三維軌道優化為“雙二維+小三維”軌道，井眼軌道剖面如圖1所示。為適應不同橫向偏移距、不同靶前距、不同儲層埋深、不同地層厚度的需要，形成了“直+微增+增+穩”、“勺式負位移”等多種針對性的“雙二維+小三維”軌道[3]。具有以下優點：在垂直剖面內淺層地層造斜，預增斜處理，增大降斜后直井段與鄰井的間距，從而降低相鄰井相碰的風險；井眼軌道直接在易鉆的龍馬溪組地層調整方位增斜，可避免常規三維水平井扭方位的作業，進一步降低軌跡控制難度并且增大水平井與儲層的接觸面積。利用軟件對摩阻扭矩分析表明，與“常規三維”相比，“雙二維+小三維”井眼軌道鉆進扭矩降低9%、摩阻降低13%。與“雙二維”井眼軌道相比，摩阻扭矩基本相當，但總進尺更少。為優快鉆完井及后續壓裂施工作業創造力有力條件。

圖1 三種軌道垂直、水平和立體投影圖

2.3 “井工廠”叢式井軌跡控制技術

威榮區塊叢式水平井組的防碰技術為：在選擇預增斜造斜點時應適當錯開造斜點位置；優化鉆具組合，二開直井段采用0.75°Φ216mm彎螺桿+Φ308±mm扶正器+MWD的預彎曲動力學防斜打快鉆具組合保證直井段打直，通過實時監測井眼軌跡變化，調整井眼軌跡，既能控制井斜，提高機械鉆速，15口井直井段井斜角控制在1°范圍內。二開增斜段，采用1.25°Φ216mm彎螺桿+290±mm扶正器+MWD扶正器鉆具組合，造斜至5～8°，利用鉆具組合力學特性，采用復合鉆自然增斜，減少滑動鉆進尺，提高機械鉆速。二開穩斜段，1.25°—Φ216mm彎螺桿+Φ300±mm扶正器?！熬S”叢式井軌跡控制技術在15口井進行了應用，二開全井段使用4～6趟鉆，較前期減少2-3趟鉆。

表2 二開定向鉆具組合

三開造斜段采用旋轉導向鉆井技術提高定向效率并準確入靶[4]。旋轉導向通過鉆柱旋轉過程中精準控制、連續定向，可以降低鉆井過程中摩阻及扭矩，提高機械鉆速，保障軌跡平滑[5]。通過隨鉆測井數據實時調整鉆井參數、修正導向模型，實現井眼軌跡穩定在目標箱體內。應用高造斜率旋轉導向系統實現了頁巖氣水平井三開造斜段“一趟鉆”完成，縮短了靶前距，提高鉆井效率，使用旋轉導向系統造斜段的鉆井周期由35天縮短至10天。

在水平段采用國產遠端地質導向技術。龍馬溪組底部2—31小層儲層地質、工程特征最優，為“地質＋工程”雙甜點層。水平井軌跡要設計在優質儲層的中間基線上，垂直位移為±2 m，水平位移為±20 m。鉆前建立好地質模型，利用實鉆的上下伽馬曲線判斷軌跡與地層切割關系，將鉆進軌跡控制在設計箱體范圍內。精細地層對比是準確預測目的層位置的在入靶前鉆進過程中，把隨鉆檢測到的伽馬曲線與鄰井伽馬曲線資料進行實時對比，并結合綜合錄井、氣測錄井和元素錄井等資料，對層位進行地層對比及劃分[6]。利用標志點深度和其間地層厚度變化來預測地層傾向、地層視傾角、預測入靶點垂深[7]。

圖2 威榮頁巖氣水平井靶窗選擇

2.4 個性化高效PDC鉆頭優選

威榮區塊通過優選PDC鉆頭，采用“個性化PDC鉆頭+高效長壽命螺桿”的復合鉆井方式提速，取得顯著效果。二開須家河組為砂巖、頁巖互層，局部或含少量石英砂巖；雷口坡組以灰巖、白云巖為主；嘉陵江以泥質灰巖、白云質灰巖為主，該段整體可鉆性較好。PDC鉆頭選用5刀翼16mm復合片、大齒間距，提高攻擊性，適合強化參數鉆進。飛仙關組～茅口組以灰巖、白云巖為主，可鉆性較好，但局部含石膏（嘉陵江底部），紫紅色泥巖（飛仙關中上部）、鋁土質泥巖（龍潭），膏巖和泥巖質純，塑性強，常規PDC鉆頭吃入效果差，機械鉆速低。通過優化PDC鉆頭復合片尖齒齒形為寬頂尖齒，提高抗沖擊性。茅口、棲霞組巖性以灰巖為主，含黃鐵礦、隧石結核，沖擊性和研磨性強，PDC易崩片和磨損、導致環磨；梁山組～石牛欄組為灰色泥巖、綠灰色泥巖，質純，塑性強。選用能量平衡的混合鉆頭[8]或抗研磨的5刀翼PDC鉆頭。統計了威榮頁巖氣工區二開部分鉆頭應用指標，見表3。初步形成了威榮工區全井段鉆頭推薦系列，見表4。

表3 威榮頁巖氣二開鉆頭應用情況

表4 威榮頁巖氣全井段鉆頭推薦系列

3 應用情況

研究的上述深層頁巖氣鉆井提速關鍵技術，在威榮地區實鉆中進行了應用。應用后很好地解決了各種鉆井難題，實現了安全、快速鉆進。因為減少了井下故障和復雜情況，大大提高了機械鉆速，二開井段減少了鉆頭使用量，取得了很好的經濟效益[9]。從2018年1月至2020年5月，威榮地區已完成了15口水平井，平均完鉆井深5508m,平均鉆井周期83.57天，相比降低20%，平均機械鉆速7.09m/h，相比提高了45%。

4 結論與建議

（1）針對深層頁巖氣鉆井技術難點，通過鉆井關鍵技術攻關研究和現場應用，初步形成了適合威榮深層頁巖氣系列鉆井工程關鍵技術，較好地滿足了威榮頁巖氣田安全優快鉆井的需求。

（2）在威榮頁巖氣田全面推廣PDC鉆頭優選技術，形成全井“高效PDC鉆頭+螺桿”復合鉆井方式，減少單井鉆頭數量和鉆井趟數，提高鉆井時效，大大降低了鉆井工程成本。

（3）針對優質儲層薄，軌跡控制難度大問題，形成了三開造斜段采用旋轉導向鉆井，水平段采用國產地質導向的軌跡控制技術，實現三開鉆井提速，優質儲層鉆遇率100%。

（4）茅口組-龍馬溪組存在高壓裂縫氣，存在安全鉆井液密度窗口窄，建議開展深層頁巖氣隨鉆控壓排氣技術和井控技術研究，形成適用于威榮深層頁巖氣鉆井的技術規范。