岳江河肖喬剛

（1.中國海洋石油國際有限公司； 2.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術分公司）

美國德州Eagle Ford組頁巖油氣水平井鉆井關鍵技術措施及其實施效果

岳江河1肖喬剛2

（1.中國海洋石油國際有限公司； 2.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術分公司）

美國德州鷹灘頁巖油氣項目是中海油在海外投資的最大非常規(guī)油氣項目之一，該項目面臨儲層埋藏深、水平井段長、斷層發(fā)育、上覆低壓層漏失等難題。為此，在Eagle Ford組頁巖地層水平井鉆井作業(yè)中，通過鉆井模式優(yōu)選、井身結構優(yōu)化、鉆頭及鉆具組合優(yōu)選、鉆井液優(yōu)化等一系列關鍵技術措施的有效實施，成功完成了Eagle Ford組頁巖地層10口水平井的鉆井作業(yè)，實現(xiàn)了單個鉆頭一趟鉆完大曲率造斜井段及水平井段，鉆井成本顯著降低，可為其他頁巖油氣水平井鉆井作業(yè)提供借鑒。

鷹灘頁巖油氣；Eagle Ford組；鉆井模式；井身結構；鉆頭；鉆具組合；鉆井液；鉆井成本

1 Eagle Ford組頁巖地層水平井鉆井作業(yè)面臨的困難與挑戰(zhàn)

美國德州西南部鷹灘頁巖油氣項目是中海油在海外投資的最大非常規(guī)油氣項目之一，其中南部區(qū)塊Eagle Ford組頁巖大約沉積于89 Ma前的晚白堊紀［1-2］，是在Buda組灰?guī)r之上沉積的一套富含有機質(zhì)頁巖，埋深范圍為1 200～4 300 m，具有從西到東、從南向北不斷增加的特點，該組頁巖主要由灰黑色有裂縫的灰?guī)r、泥灰?guī)r、灰質(zhì)頁巖，并夾有灰白色的泥質(zhì)灰?guī)r組成，巖石頁理較發(fā)育；鈣質(zhì)含量為49%～64%，石英含量為8%～16%，粘土含量為17%～29%，頁巖脆性大［3-4］。

在Eagle Ford組頁巖地層水平井鉆井過程中，由于目的層埋藏深，泥頁巖發(fā)育，地層結構復雜，需要穿過上覆的已開發(fā)生產(chǎn)幾十年的Austin Chalk地層等，給鉆井工程帶來了很大的困難與挑戰(zhàn)，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1）儲層埋藏深，平均井深4 300 m，垂深2 500 m，水平段長度約為1 600 m，對鉆井設備、定向井技術、鉆井液技術等都提出嚴峻考驗。

2）造斜點深，造斜率（12°～15°）／30 m，造斜井段扭矩及摩阻大，深部地層滑動鉆進困難。

3）水平井段長，定向水平井軌跡控制要求高。

4）造斜井段泥巖厚度大，斷層發(fā)育，井壁不穩(wěn)定等問題突出，鉆井施工存在較大風險。

5）地層非均質(zhì)性強，機械鉆速變化大，對鉆頭穩(wěn)定性要求高。

6）全井鉆井和建井周期長，鉆井成本高。以1口井深4 200～4 500 m，水平段長度1 600 m的井為例，單井鉆井周期15 d，單井鉆井成本在250萬～300萬美元（約660美元／m）。

7）租地地表面積的限制（土地的有效使用），對定向井軌跡的要求。

8）上覆地層Austin Chalk低壓層的漏失和井壁失穩(wěn)對批鉆作業(yè)的影響［4］。

針對上述困難與挑戰(zhàn)，中海油與美國A公司通過科學的鉆井模式選擇、井身結構優(yōu)化、鉆頭及鉆具組合優(yōu)選、鉆井液優(yōu)選和優(yōu)化等一系列關鍵技術措施，在Eagle Ford組頁巖地層成功完成了10口水平井鉆井作業(yè)，使得鉆井工期明顯縮短，鉆井作業(yè)費用明顯降低，取得了顯著的經(jīng)濟效益。

2 水平井鉆井關鍵技術措施及其實施效果

2.1 鉆井模式優(yōu)選

2.1.1鉆井模式研究與制定

鉆井作業(yè)開始之前，鉆井部門會同土地、地質(zhì)、油藏、開發(fā)生產(chǎn)、銷售、財務等部門，分別從Eagle Ford組頁巖儲層厚度、巖性特征、鉆完井工藝技術要求、生產(chǎn)管線及設施等方面進行綜合研究，決定采用在1個Pad上鉆多口水平井的布井方式（圖1），多口井依次進行一開、二開的“批鉆”作業(yè)。

圖1 Pad鉆井模式布井方式示意圖

采用Pad鉆井模式具有以下優(yōu)點：

1）減少單井井場占用土地面積，保護自然環(huán)境。

2）實現(xiàn)“批鉆”作業(yè)，多口井依次一開、固井，依次二開、固井，從而使鉆井、固井、測井設備連續(xù)運轉，減少非生產(chǎn)時間，提高作業(yè)效率。

3）鉆井液重復利用，減少鉆井液的交替。該地區(qū)作業(yè)時，上部井段選用水基鉆井液，下部采用油基鉆井液。采用Pad模式作業(yè)后，批鉆井一開、二開鉆井液體系相同，可重復利用；尤其是對油基鉆井液的重復利用特別重要，減少了油基鉆井液回收及巖屑處理的時間，降低了單井鉆井液費用。

4）節(jié)省鉆井時間，降低單井的鉆井作業(yè)周期，降低單井作業(yè)費用。

2.1.2Pad鉆井模式的具體實施過程

1）Pad鉆井模式鉆機選擇。根據(jù)Pad鉆井模式“連續(xù)一開、連續(xù)二開”的作業(yè)特點，分別選用不同類型的鉆機，實施不同井段的鉆井作業(yè)。

表層鉆井作業(yè)具有周期短、作業(yè)風險可控、地下地質(zhì)情況明確且相對簡單、鉆機搬遷頻率高等特點，優(yōu)先選用車載鉆機進行表層鉆井作業(yè)。在滿足表層鉆進、下套管作業(yè)要求的同時，車載鉆機易于在不同井間進行搬遷作業(yè)，鉆機日費相對較低。實際作業(yè)表明，選用車載鉆機作業(yè)可使單井平均鉆機搬遷及安裝時間降低30%。

上部直井段、大曲率造斜井段及水平段鉆進時，由于作業(yè)井段長、地層深、地質(zhì)情況復雜等因素，故選用7 000 m大功率鉆機并配備頂驅(qū)系統(tǒng)，鉆機提升、旋轉能力增強，泥漿泵性能也能滿足深部地層作業(yè)需要。大功率鉆機增加了設備處理復雜情況的能力，能夠保證鉆井作業(yè)順利高效地進行。

2）Pad鉆井模式作業(yè)流程。Pad作業(yè)模式主要指的是“批鉆”作業(yè)模式，與中海油渤海使用的“優(yōu)快鉆井技術”相通［5-6］，即同一個Pad上，多口井依次一開、下套管、固井，依次二開、下套管、固井，作業(yè)過程如同“工廠式流水線”作業(yè)，作業(yè)過程程序化，作業(yè)效率得到大幅度提高；同時，鉆井液材料、同一趟鉆具組合等可以得到重復利用，鉆井成本也相應的降低。Pad鉆井模式作業(yè)流程如圖2所示。

圖2 Pad鉆井模式作業(yè)流程圖

2.1.3Pad鉆井模式效果分析

Pad鉆井模式與一般的一個井場鉆2～4口水平井鉆井模式的平均鉆機搬遷安裝時間、平均鉆井周期（從開鉆至鉆機復原時間）對比如圖3所示。從圖3可以看出，采用Pad鉆井模式作業(yè)，10口井平均鉆機搬遷安裝時間為0.73 d，平均鉆井周期為9.4 d，而采用2～4口井鉆井模式作業(yè)5口井平均鉆機搬遷安裝時間為3.4 d，平均鉆井周期為14.1 d。由此可見，相比較于2～4口井鉆井模式，采用Pad鉆井模式可使單井作業(yè)周期（從搬遷至鉆機復原時間）縮短42%。

圖3 Pad鉆井模式與一般的一個井場鉆2～4口水平井鉆井模式效果對比

2.2 井身結構優(yōu)化

鷹灘地區(qū)Eagle Ford組頁巖地層鉆井作業(yè)早期，由于地層情況的不確定性，生產(chǎn)套管強度低，導致下入深度受限制，多級壓裂完井技術不成熟等因素的影響，大多數(shù)作業(yè)者選擇4級套管（包括表層導管）的井身結構設計完成鉆完井作業(yè)。采用該4級井身結構設計，主要面臨以下問題：

1）單井平均機械鉆速低，尤其是φ155.6 mm井段；

2）φ155.6 mm井段鉆進過程中，由于環(huán)空間隙小，出現(xiàn)憋壓蹩扭矩復雜情況頻率高；

3）全井套管費用高。

針對上述問題，參考井身結構優(yōu)化方法［7-8］，通過對該地區(qū)早期作業(yè)資料以及鉆井、完井、壓裂現(xiàn)場作業(yè)數(shù)據(jù)進行分析對比，采取以下技術措施對井身結構進行優(yōu)化：

1）優(yōu)選高抗彎曲的特殊扣型CDC生產(chǎn)套管；

2）優(yōu)化技術套管下入深度，在二開作業(yè)時加深技術套管下入深度；

3）三開作業(yè)直接采用φ215.9 mm鉆頭鉆至目的層深度，下入φ139.7 mm高抗彎曲的特殊扣型CDC套管；

4）選用油基鉆井液體系，確保生產(chǎn)套管順利下到井底。

通過上述技術措施的有效實施，減少了1層技術套管，成功實現(xiàn)簡化井身結構的目的，優(yōu)化后的井身結構參數(shù)見表1。Eagle Ford頁巖地層10口水平井鉆井作業(yè)采取優(yōu)化后的井身結構設計，使全井平均機械鉆速提高了20%，全井段套管費用降低約15%。

表1 Eagle Ford組頁巖地層某水平井井身結構參數(shù)

2.3 鉆頭優(yōu)選

為了提高作業(yè)效率，選用PDC鉆頭進行Eagle Ford組頁巖地層鉆井作業(yè)［9］。按照“優(yōu)先選用PDC鉆頭，提高機械鉆速；增加單個鉆頭總進尺，確保3個鉆頭3趟鉆具組合完成整個井眼鉆井作業(yè)”的優(yōu)選原則，在實際作業(yè)過程中根據(jù)表層、上部直井段（造斜點之前）、大曲率造斜井段及水平段的不同選用不同的PDC鉆頭。

表層作業(yè)時，由于上部地層比較疏松，地層可鉆性高，選用φ311.2 mm、6刀翼、19 mm切削齒PDC鉆頭能提高機械鉆速，10口井平均機械鉆速達80 m／h，與其他作業(yè)者相比機械鉆速提高44%。

上部直井段（造斜點之上）作業(yè)時，考慮到地層傾角、地層巖性、可鉆性、單個鉆頭機械鉆速、單個鉆頭進尺等情況，選用φ311.2 mm、5刀翼、19 mm切削齒PDC鉆頭，10口井單個鉆頭都順利鉆進至造斜點以上、單只鉆頭平均進尺達1 450 m、平均機械鉆速55 m／h，與16 mm切削齒PDC鉆頭相比機械鉆速提高61%。

大曲率造斜井段及水平段作業(yè)時，既要滿足造斜率的要求，又要滿足單個鉆頭一趟鉆進進尺的要求，選用φ215.9 mm、6刀翼、16 mm切削齒、短保徑、短拋物線PDC鉆頭，10口井作業(yè)中有8口井用單個鉆頭完成大曲率造斜井段和水平段作業(yè)的井（另2口井由于馬達故障，起鉆后更換鉆頭），單個鉆頭平均進尺達2 150 m、平均機械鉆速35 m／h，與采用2個鉆頭相比機械鉆速提高43%。

2.4 鉆具組合優(yōu)化

1）表層作業(yè)。優(yōu)選直馬達＋PDC鉆頭鉆具組合［10］，提高表層鉆井作業(yè)效率。

2）上部直井段。由于上部直井段地層傾角較大，直井段要防斜打直，加強井斜控制，確保井壁穩(wěn)定。在直井段作業(yè)時，優(yōu)選1.5°可調(diào)彎角馬達＋PDC鉆具組合［11］，每鉆進30 m監(jiān)測一次井斜及方位，根據(jù)監(jiān)測結果及時合理地調(diào)整鉆具組合和鉆進參數(shù)，必要情況下采取滑動鉆進進行糾斜。實踐表明，使用該鉆具組合結構有效地保證了防斜打直，同時還能有效提高鉆井速度，實現(xiàn)單趟鉆具組合結構成功鉆進至設計井深（造斜點以上），降低了鉆井風險。

3）大曲率造斜井段＋水平井段。由于租地地表面積的限制（最大化利用租地），在總井深不增加的情況下，為保證盡可能長的水平段長度和后期較多的壓裂級數(shù)，造斜井段設計全角變化率（12°～15°）／30 m，造斜井段設計長度控制在200～300 m內(nèi)。實際作業(yè)過程中，根據(jù)地層及井眼軌跡要求，優(yōu)化鉆具組合，選用倒裝的鉆具組合：大曲率造斜井段，調(diào)整馬達高邊，全力造斜，采取滑動鉆進15 m、旋轉鉆進2 m的方式，防止鉆具粘卡，保證井眼軌跡平滑；每鉆進10 m監(jiān)測一次井斜及方位，根據(jù)監(jiān)測結果及時合理地調(diào)整鉆進參數(shù)，確保大曲率造斜成功；鉆進至著陸點后，進行水平段鉆進作業(yè)時，每鉆進30 m監(jiān)測一次井斜及方位，根據(jù)監(jiān)測結果及時合理的調(diào)整鉆進參數(shù)，減少滑動鉆井，盡量使用復合鉆進，提高機械鉆速。

Eagle Ford組頁巖地層10口水平井鉆井作業(yè)表明，經(jīng)過鉆具組合優(yōu)化，單井平均起下鉆3.5趟，比一般鉆具組合降低了20%。

2.5 鉆井液優(yōu)化

上部井段作業(yè)時，優(yōu)選采用水基鉆井液。提高鉆井液的攜砂性能，保證井眼清洗效率，實現(xiàn)快速鉆進。

大曲率造斜井段及水平段作業(yè)時，由于儲層的層理或者裂縫發(fā)育、蒙脫石等吸水膨脹性礦物組分含量高，而且水平段設計方位要沿最小主應力方向，（最不利于井眼穩(wěn)定的方向），優(yōu)先選用油基鉆井液，防止粘土膨脹。鉆井液油水比維持在75∶25左右，保持高的鉆井液流變性能，加強井眼穩(wěn)定性，預防鉆井液漏失，減少摩阻和扭矩，提高機械鉆速，確保了安全快速地完成該井段作業(yè)。

3 結束語

通過鉆井模式優(yōu)選、井身結構優(yōu)化、鉆頭及鉆具組合優(yōu)選、鉆井液優(yōu)選和優(yōu)化等關鍵技術的應用，Eagle Ford組頁巖地層10口水平井鉆井作業(yè)效率得到了極大的提高，鉆井成本由590.4美元／m降低至359.16美元／m左右，與周邊鄰井對比單井鉆井總費用降低約80萬～100萬美元，成功實現(xiàn)了單個鉆頭1趟鉆完大曲率造斜井段及水平井段，為類似頁巖油氣地層水平井鉆井作業(yè)提供了借鑒。

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Key horizontal drilling technology and operation effect for Texas Eagle Ford shale oil and gas in US

Yue Jianghe1Xiao Qiaogang2
（1.CNOOC International Limited.Beijing，100010；2.CNOOC Energy Technology&Services-Drilling& Production Co.，Tianjin，300452）

CNOOC LTD’s America Eagle Ford shale oil and gas assets is one of the biggest CNOOC overseas unconventional resource investment in USA．For this project，there are a lot of challenges when drilling horizontal wells，such as deeper target reservoir，longer horizontal lateral，faults，lost circulation pressure depleted zone，etc．Through the effective implementation of pad drilling model optimization，well structure optimization，drill bit and BHA selection and optimizing drilling fluid，10 horizontal wells are drilled successfully in Eagle Ford，and it’s a greatest successful to achieve a single bit drilling operation the curve and horizontal section，the drilling operation cost is reduced significantly．This special case will provide good reference for other operator’s horizontal well drilling of shale oil and gas．

Eagle Ford shale oil and gas；Eagle Ford；drilling model；well structure；bit；bottom hole assembly；drilling fluid；drilling cost

2013-10-24改回日期：2013-12-10

（編輯：孫豐成）

岳江河，男，教授級高級工程師，1983年畢業(yè)于原西南石油學院，現(xiàn)主要從事鉆完井工程方面的研究工作。E-mail：yuejianghe＠gmail．com。