臧艷彬，白彬珍，李新芝，牛新明，張金成

(1.中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101;2.中測新圖〈北京〉遙感技術(shù)有限責(zé)任公司，北京 100039)

0 引言

頁巖油氣開采已成為全球油氣資源開發(fā)的一個熱點，特別是頁巖氣資源的高效開發(fā)，改變了全球能源供應(yīng)格局。美國是全球最早開發(fā)頁巖氣資源的國家，擁有頁巖氣資源潛力盆地50多個，其中40多個已被不同程度地勘探，目前已實現(xiàn)了規(guī)模化商業(yè)開發(fā)。美國頁巖氣的年產(chǎn)量由1998年的104.2×108m3，躍升為2011年的1800×108m3，占當年該國天然氣產(chǎn)量的34%;美國非常規(guī)天然氣產(chǎn)量的增加，使全球天然氣期貨價格隨之下降，打破了俄羅斯的氣價權(quán)。產(chǎn)量的大幅增加主要得益于頁巖氣藏開采技術(shù)的發(fā)展，特別是2002年水平井鉆井與分段壓裂技術(shù)的推廣應(yīng)用[1～4]。

近幾年，中國石化在四川盆地及周緣的涪陵、彭水、建南等地區(qū)進行了頁巖氣勘探與開發(fā)實踐，完成了涪頁HF－1、建頁HF－1、彭頁 HF－1、焦頁1HF等頁巖氣水平井，其中彭頁HF－1井龍馬溪組壓裂測試后氣產(chǎn)量穩(wěn)定在2×104m3/d、焦頁1HF井龍馬溪組壓裂測試后產(chǎn)量穩(wěn)定在11.2×104m3/d。前期鉆探實踐展示了四川盆地及周緣良好的頁巖氣勘探開發(fā)潛力，四川盆地及周緣地區(qū)將是未來幾年中國石化頁巖氣勘探開發(fā)的重點和熱點地區(qū)[5～8]。

由于該地區(qū)頁巖油氣藏地質(zhì)條件復(fù)雜，部分地區(qū)水平井鉆井時井漏頻繁發(fā)生、井壁穩(wěn)定問題突出、定向段機械鉆速慢、鉆井周期長、成本高、效率低，嚴重制約著該地區(qū)頁巖氣藏的商業(yè)化開發(fā)進度。為此，本文旨在對四川盆地及周緣頁巖氣水平井鉆井面臨的挑戰(zhàn)進行總結(jié)分析，并提出相應(yīng)的技術(shù)對策，給頁巖氣鉆井技術(shù)研究與攻關(guān)指明方向。

1 頁巖氣水平井鉆井概述

自2011年7月中國石化第一口頁巖氣水平井建頁HF－1井完鉆以來，截止2013年5月31日，中國石化在四川盆地及周緣的涪陵大安寨、涪陵龍馬溪、彭水、建南等4個地區(qū)先后完鉆了15口頁巖氣水平井，平均完鉆井深3501.87 m，平均水平段長1093 m，平均機械鉆速3.99 m/h，平均鉆井周期108.71 d，平均建井周期141.98 d，完鉆井具體情況見表1。

表1 中國石化四川盆地及周緣頁巖氣水平井鉆井情況

1.1 涪陵大安寨區(qū)塊

涪陵大安寨頁巖氣藏位于四川盆地川東高陡褶皺帶內(nèi)，黃泥堂－云安場和大池干井高陡構(gòu)造帶所夾持的拔山寺復(fù)向斜，主要目的層為自流井組大安寨段。截止目前該地區(qū)已完鉆頁巖氣水平井7口，平均井深3590 m，平均水平段長1030 m，平均鉆井周期131.3 d，平均建井周期163.07 d，平均機械鉆速3.98 m/h，其中涪頁6－2HF井鉆井周期最短，為76.04 d，涪頁9－2HF井鉆井周期最長，為212.58 d。

1.2 涪陵龍馬溪區(qū)塊

涪陵龍馬溪組頁巖氣藏位于包鸞－焦石壩背斜帶焦石壩構(gòu)造，主要目的層為龍馬溪組下部的優(yōu)質(zhì)頁巖層段。截止目前該地區(qū)已完鉆頁巖氣水平井2口，平均井深3727 m，平均水平段長1001 m，平均鉆井周期89.69 d，平均建井周期108.65 d，平均機械鉆速2.55 m/h。該地區(qū)2013年共部署頁巖氣水平井20口(其中，評價井17口，探井3口)，正在鉆進的鉆井12口。

1.3 彭水區(qū)塊

彭水頁巖氣藏位于上揚子盆地武陵褶皺帶彭水德江褶皺帶桑拓坪向斜，主要目的層為下志留系龍馬溪組頁巖地層。截止目前該地區(qū)已完鉆頁巖氣水平井4口，平均井深3820 m，平均水平段長1294 m，平均鉆井周期97.61 d，平均建井周期125.49 d，平均機械鉆速4.92 m/h。除側(cè)鉆井彭頁HF－1外，彭頁3HF井鉆井周期最短，為94.29 d，彭頁2HF井鉆井周期最長，為125.88 d。

1.4 建南區(qū)塊

建南頁巖氣藏位于上揚子地臺川東褶皺帶石柱復(fù)向斜中部建南構(gòu)造，主要目的層為侏羅系下統(tǒng)自流井組東岳廟段。截止目前該地區(qū)已完鉆頁巖氣水平井2口，平均井深2333 m，平均水平段長1012 m，平均鉆井周期70.81 d，平均建井周期117.86 d，平均機械鉆速5.93 m/h。

2 水平井鉆井面臨的挑戰(zhàn)

目前，中國石化在四川盆地及周緣頁巖氣水平井鉆井過程中面臨的主要挑戰(zhàn)是淺部地層出水空氣鉆受限、定向井段機械鉆速低、井漏頻繁、空氣鉆易井斜以及水平段油基鉆井液固井質(zhì)量差。

2.1 淺部地層出水空氣鉆受限

涪陵大安寨、涪陵龍馬溪和彭水地區(qū)頁巖氣鉆井過程中在淺部地層普遍鉆遇水層，部分井區(qū)地層水量較大，被迫轉(zhuǎn)為泥漿鉆進，從而限制了空氣/泡沫鉆井技術(shù)的實施，嚴重影響了上部大尺寸井眼的機械鉆速，增加了鉆井周期。中國石化四川盆地及周緣頁巖氣鉆井過程氣體出氣情況統(tǒng)計見表2。

統(tǒng)計表明，涪陵大安寨、涪陵龍馬溪和彭水地區(qū)淺部地層氣體鉆出水情況較為普遍，其中涪陵大安寨工區(qū)完鉆的7口井中有4口井發(fā)生了氣體鉆出水;涪陵龍馬溪工區(qū)完鉆的焦頁1井和焦頁1－3HF井均發(fā)生了氣體鉆出水，正鉆井焦頁9－2HF、焦頁5－2HF、焦頁12－2HF等多口井也發(fā)生了氣體鉆出水，特別是焦頁5號平臺井區(qū)地層出水量較大，焦頁5－2HF和焦頁12－2HF井均因出水量過大被迫轉(zhuǎn)為清水鉆進;彭水地區(qū)彭頁3HF氣體鉆過程中發(fā)生地層出水，彭頁2HF和彭頁4HF未發(fā)生氣體鉆出水。

表2 氣體鉆井地層出水情況統(tǒng)計

2.2 定向段機械鉆速低

四川盆地及周緣的涪陵大安寨、涪陵龍馬溪、彭水以及建南等地區(qū)完鉆井分井段平均機械鉆速統(tǒng)計對比見圖1。統(tǒng)計表明，二開直井段平均機械鉆速最高(14.54 m/h);二開定向段平均機械鉆最低(1.74 m/h)，一開直井段平均機械鉆速為5.39 m/h，主要與部分井地層出水氣體鉆井受限有關(guān)。

圖1 完鉆井分段平均機械鉆速統(tǒng)計

圖2 定向段不同井眼尺寸鉆速對比

2.3 井漏頻繁

涪陵大安寨、涪陵龍馬溪和彭水區(qū)塊鉆井過程中井漏普遍發(fā)生，完鉆井井漏情況統(tǒng)計見表3。其中涪陵大安寨地區(qū)完鉆的7口水平井中5口井發(fā)生了井漏，漏失層位主要是上部的沙溪廟組，涪頁8－1HF井漏失最多，共計漏失1595.6 m3;涪陵龍馬溪組鉆經(jīng)小河壩組的井(焦頁1HF、焦頁1－3HF、焦頁9－2HF)均發(fā)生了漏失，焦頁1HF漏失最多，共計漏失2116.6 m3;彭水地區(qū)已經(jīng)完鉆的4口水平井均發(fā)生了漏失，其中彭頁4HF井漏失最多，共計漏失646.4 m3。

表3 完鉆井井漏情況統(tǒng)計

2.4 韓家店組空氣鉆井易井斜

涪陵龍馬溪地區(qū)和彭水地區(qū)采用空氣鉆鉆穿韓家店組地層易發(fā)生井斜，如，彭頁1井在韓家店組1270 m井斜達到了15.83°、焦頁9－2HF井在韓家店組底部1840 m井斜達到了14.7°，焦頁7－2HF在韓家店組底部1800 m井斜達到了7.23°。

2.5 固井難度大

頁巖氣水平井油基鉆井液固井難度大主要體現(xiàn)在3個方面:(1)水平段長，大多在1000 m以上，套管的下入和居中困難;(2)油基鉆井液的有效頂替難度大;(3)射孔和大型壓裂對水泥環(huán)的抗沖擊能力要求高[10]。

3 技術(shù)對策

3.1 淺層水的控制措施

(1)綜合利用鉆井、測井、錄井等資料，對工區(qū)水層分布規(guī)律進行精細描述，建立地層出水量橫向和縱向分布規(guī)律。根據(jù)地層出水描述結(jié)果優(yōu)化井位，盡量避免井位選擇在地層出水量比較大的地方。

(2)優(yōu)化導(dǎo)管和表層套管下入深度:在地勢高點井位導(dǎo)管下入深度20～30 m;地勢低洼井位導(dǎo)管下入深度約50 m，以有效封固地表水。表層套管封固淺部地層水層，為二開空氣鉆進提供條件。

(3)根據(jù)裸眼井段的地層巖性、井壁穩(wěn)定性和裸眼井段是否有漏失層等條件，合理確定氣體鉆井地層出水限定值，當氣體鉆井中遇到地層出水超過限定值后就要轉(zhuǎn)化為霧化鉆井或者泡沫鉆井。國外推薦在地層出水超過2 m3/h時就要轉(zhuǎn)，國內(nèi)采用空氣鉆井時通常做法是地層出水超過5 m3/h后才轉(zhuǎn)為霧化鉆井或泡沫鉆井[11]。

(4)優(yōu)化泡沫鉆井中所使用泡沫的性能，提高泡沫的攜水能力和抑制性，增強泡沫對大出水量的適應(yīng)性。

3.2 探索試驗泡沫定向鉆井技術(shù)

針對頁巖氣水平井鉆井定向段機械鉆速低、施工周期長，常規(guī)鉆井液鉆進提速手段有限的技術(shù)難題，開展定向段泡沫鉆井技術(shù)可行性探索。圍繞定向段泡沫鉆井技術(shù)重點開展以下幾個方面的工作。

(1)開展定向段泡沫鉆井井壁穩(wěn)定性分析，優(yōu)先在井壁穩(wěn)定性較好的工區(qū)開展泡沫定向鉆井試驗。

(2)空氣螺桿優(yōu)選:傳統(tǒng)的螺桿鉆具使用鉆井液作為動力，同時鉆井液也用來潤滑和散熱。但用霧化或泡沫作為循環(huán)介質(zhì)就會有很大的局限性，同時由于泡沫的可壓縮性，在注入壓力突然增加時馬達的腔室不會有明顯的變化，不像傳統(tǒng)的鉆井液會有顯著的變化，這種變化可以通過突然的轉(zhuǎn)速降低反映出來。馬達結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理或現(xiàn)場操作不當均會造成馬達的速度會超過額定速度，對馬達內(nèi)部造成損壞。

(3)隨鉆測量系統(tǒng)優(yōu)選:在泡沫介質(zhì)條件下，傳統(tǒng)的MWD儀器無法工作，要實現(xiàn)隨鉆井眼軌跡測量就必須采用電磁波隨鉆測量儀器(EMWD)。泡沫鉆井條件下的振動和大排量對EMWD將產(chǎn)生重要影響。

(4)鉆進參數(shù)優(yōu)化:綜合考慮空氣螺桿輸入輸出特性、井壁穩(wěn)定、工具面穩(wěn)定等因素，合理確定鉆壓、注氣量、注液量等參數(shù)。

3.3 井漏的預(yù)防與處理

(1)涪陵大安寨工區(qū):該工區(qū)井漏的客觀原因是沙溪廟組地層承壓能力低，主觀原因是井身結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，特別是涪頁8－1HF和涪頁9－2HF井身結(jié)構(gòu)簡化后造成沙溪廟低承壓層和大安寨高壓層同處一個裸眼段，造成反復(fù)承壓堵漏。因此，該工區(qū)的井漏可通過井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化解決，具體做法為:二開技術(shù)套管下入深度增加至涼高山組底部，即井斜60°～70°，封固沙溪廟組低承壓層和涼高山易坍塌地層。

(2)涪陵龍馬溪工區(qū):該工區(qū)井漏的主要原因在于小河壩組地層裂縫發(fā)育。堵漏的難點在于井漏與定向作業(yè)同井段，定向鉆具中MWD儀器間隙小限制了隨鉆堵漏劑的加量和堵漏劑顆粒的大小，造成隨鉆堵漏效果差。EMWD儀器采用電池供電，無需渦輪發(fā)電，因此允許通過的固體顆粒較大，對隨鉆堵漏材料的適用性較常規(guī)MWD強。在工區(qū)可以采用EMWD+隨鉆堵漏的方法解決定向井漏的技術(shù)難題。

(3)彭水地區(qū):該工區(qū)漏失的主要層位是龍馬溪組，井漏的主要原因是地層裂縫、層理發(fā)育，堵漏的難點是油基鉆井液條件下的堵漏成功率低。

3.4 加強空氣鉆防斜打直工具的研發(fā)

相關(guān)研究表明[12]，塔式鉆具組合和低壓吊打是現(xiàn)場空氣鉆井防斜的主要方法，且取得了良好的使用效果，但卻影響了空氣鉆井的提速效果?？諝饴輻U在提速和防斜打直方面具有一定效果，但效果不明顯，還有待于不斷研究和試驗?？諝忮N現(xiàn)場應(yīng)用證明不但能提高機械鉆速，而且在防斜打直方面發(fā)揮著巨大作用，但其價格不菲。因此與泥漿鉆防斜打直工具相比，適用于空氣鉆的高效、低成本防斜打直工具相對缺乏，有待于進一步攻關(guān)研發(fā)。

3.5 頁巖氣水平井固井對策

3.5.1 水泥漿體系優(yōu)選

針對射孔、多級壓裂等作業(yè)對水泥環(huán)的損傷，從提高水泥環(huán)抗沖擊能力和水泥石動態(tài)力學(xué)性能方面出發(fā)，國內(nèi)外形成了適用于頁巖氣水平井的水泥漿體系，如，哈里伯頓公司的 ElastiCem○RCement，斯倫貝謝的Flexstone，BJ公司的DuraSe，中石化工程院的SEP水泥漿體系，以及BJ公司的Automated Foam Cement泡沫水泥漿體系。

3.5.2 油基沖洗液優(yōu)選與研發(fā)[10]

采用多種表面活性劑復(fù)合，增加洗油和潤濕反轉(zhuǎn)效果，優(yōu)選或研發(fā)油基鉆井液沖洗液，用于清洗粘附在界面處的油漿、油膜及濾餅，改善環(huán)空界面的膠結(jié)環(huán)境，同時通過優(yōu)化前置液結(jié)構(gòu)和用量，有效循環(huán)鉆井液，提高不規(guī)則井眼頂替效率技術(shù)，提高固井膠結(jié)質(zhì)量。

3.5.3 固井施工工藝[10]

通過分析水平井下套管面臨的問題，優(yōu)選、優(yōu)化套管扶正器的類型和安放位置，確保套管居中度達到70%以上;制定頁巖氣水平井套管下入技術(shù)措施，在優(yōu)化通井程序、采用漂浮接箍和套管抬頭技術(shù)等方面確保水平段套管順利下入，從而提高水平井固井質(zhì)量。

3.6 加快“井工廠”鉆井作業(yè)模式攻關(guān)與應(yīng)用

“井工廠”作業(yè)理念的核心是在一個地區(qū)部署大批井，以整體化、系統(tǒng)化的部署與設(shè)計;標準化、模塊化的裝備與操作;程序化、流水化的作業(yè)與施工;規(guī)模化、批量化的生產(chǎn)運行與管理為指導(dǎo)而進行鉆井和完井的一種高效低成本的作業(yè)模式，從而極大地降低鉆井成本、提高壓裂效果，實現(xiàn)效益最大化。國外在常規(guī)鉆完井技術(shù)改進升級的基礎(chǔ)上，通過關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)與工藝配套，形成了一套較成熟的“井工廠”鉆井作業(yè)模式，且已在美國Marcellus地區(qū)、加拿大Pembina地區(qū)進行了推廣應(yīng)用。通過“井工廠”技術(shù)的應(yīng)用，Marcellus地區(qū)垂深2500 m、水平段長1300 m的水平井平均單井鉆井周期27 d;Pembina地區(qū)井深3384 m、水平段長1217 m的水平井平均單井鉆井周期7.94 d，較應(yīng)用前18.0 d降低了56%。截止 2011年底，Marcellus頁巖氣藏超過83%的井采用“井工廠”鉆井模式。國外“井工廠”技術(shù)在非常規(guī)特別是頁巖氣開發(fā)中發(fā)揮了重要的降本、提速、增效作用。

4 結(jié)語

(1)定向段機械鉆速低、且與井漏同井段，提速難度大;直井段地層出水氣體鉆井受限;韓家店組空氣鉆易發(fā)生井斜;水平段油基鉆井液固井質(zhì)量差是四川盆地及周緣頁巖氣水平井面臨的主要挑戰(zhàn)，也是該地區(qū)優(yōu)快鉆井亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)難題。

(2)從淺層水控制、泡沫定向鉆井技術(shù)試驗、井漏的預(yù)防與處理、空氣鉆防斜打直工具研發(fā)、頁巖氣水平井油基鉆井液固井對策以及“井工廠”鉆井作業(yè)模式攻關(guān)與應(yīng)用等6個方面提出了克服四川盆地及周緣頁巖氣水平井面臨挑戰(zhàn)的技術(shù)對策，為后期技術(shù)方案優(yōu)化和科研攻關(guān)提供了參考與借鑒。

(3)頁巖氣水平井鉆井裝備和施工經(jīng)驗相對缺乏，需開展廣泛的對外合作，通過“產(chǎn)－學(xué)－研”相結(jié)合的方法，加大研究力度，力爭短期內(nèi)掌握頁巖氣水平井優(yōu)快鉆井的核心技術(shù)，打破北美國家技術(shù)壟斷的局面，為我國頁巖氣的商業(yè)化開發(fā)提供有效的技術(shù)支撐。

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