馬振鋒，于小龍，楊全枝，楊先倫，李紅梅，趙 毅

(1.陜西延長(zhǎng)石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司研究院延安分院，陜西延安 716001；2.陜西延長(zhǎng)石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司研究院，陜西西安 710075)

陸相頁(yè)巖氣水平井鉆井提速技術(shù)

馬振鋒1，于小龍2，楊全枝2，楊先倫2，李紅梅2，趙 毅2

(1.陜西延長(zhǎng)石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司研究院延安分院，陜西延安 716001；2.陜西延長(zhǎng)石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司研究院，陜西西安 710075)

針對(duì)延長(zhǎng)油田頁(yè)巖氣水平井大井眼井段較長(zhǎng)、造斜困難、多層位易漏、井壁易失穩(wěn)、地層可鉆性差的難題，本文開(kāi)展了鉆井提速研究。從井身結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化、頁(yè)巖井壁坍塌時(shí)變性規(guī)律、優(yōu)選合適鉆井液體系、優(yōu)選鉆頭并設(shè)計(jì)新型鉆頭穩(wěn)定器等方面開(kāi)展了技術(shù)攻關(guān)。研究表明，將技術(shù)套管下深由“A”點(diǎn)提至井斜15°左右，可有效縮短大井眼造斜段長(zhǎng)度，提高鉆井效率；復(fù)合堵漏劑YC-1橋堵、充填都可以起到良好的堵漏效果；表面活性劑KZ-1能短時(shí)間內(nèi)在巖屑表面形成吸附膜，加速巖屑脫離井底的過(guò)程；白油基鉆井液具有較強(qiáng)的抑制性，有利于保持井壁穩(wěn)定；“PDC+新型近鉆頭穩(wěn)定器”組合能顯著提高鉆頭破巖效率，降低鉆井液的“壓持效應(yīng)”?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，在鉆遇地層相同、鉆井難度增加的情況下，鉆井周期分別縮短了10.77%和37.38%。

陸相頁(yè)巖氣；井身結(jié)構(gòu)；井壁穩(wěn)定；鉆井液；機(jī)械鉆速；壓持效應(yīng)

鄂爾多斯盆地東南部三疊系延長(zhǎng)組及二疊系山西組具有頁(yè)巖氣成藏的有利條件[1-3]。延長(zhǎng)油田于2009年開(kāi)始在該區(qū)域進(jìn)行頁(yè)巖氣勘探，取得了一定成果。目前頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)仍以直井、定向井為主，水平井存在鉆井復(fù)雜、事故多發(fā)、機(jī)械鉆速慢、鉆井周期長(zhǎng)等問(wèn)題。本文從地質(zhì)和工程角度分析了陸相頁(yè)巖氣水平井鉆井的技術(shù)難點(diǎn)，通過(guò)一系列室內(nèi)試驗(yàn)研究，提出了針對(duì)鄂爾多斯盆地陸相頁(yè)巖氣的水平井鉆井提速技術(shù)。

1 地質(zhì)背景

鄂爾多斯盆地伊陜斜坡地層平緩，區(qū)域構(gòu)造為東高西低的單斜構(gòu)造，局部發(fā)育小型鼻狀隆起。盆地東南部第四系主要為灰黃色粉砂質(zhì)黃土，易發(fā)生失返性漏失，與下伏地層不整合接觸。白堊系地層以塊狀中—粗砂巖為主，厚度較大，易漏易塌。侏羅系地層主要為灰綠色、棕紅色泥巖與灰白色中細(xì)砂巖不等厚互層。三疊系上部地層以砂巖、砂泥巖為主，易發(fā)生井漏等復(fù)雜事故；中部地層較為穩(wěn)定，以砂巖為主；下部劉家溝組承壓能力較差，易發(fā)生反復(fù)性漏失。二疊系上部石千峰組穩(wěn)定性差，井漏較為普遍，中下部地層穩(wěn)定。延長(zhǎng)組長(zhǎng)7段與山西組山1段泥頁(yè)巖層理發(fā)育，為頁(yè)巖氣主要儲(chǔ)集層。

2 技術(shù)難點(diǎn)

(1)大井眼井段較長(zhǎng)，造斜困難。研究區(qū)水平井鉆井二開(kāi)一般采用12-1/4 in鉆頭，井眼尺寸大，且造斜段主要在二開(kāi)，鉆進(jìn)過(guò)程中滑動(dòng)鉆進(jìn)多、復(fù)合鉆進(jìn)少，機(jī)械鉆速低。

(2)地層壓力低，多層位易漏；井壁易失穩(wěn)。延長(zhǎng)組地層水敏性強(qiáng)且地層壓力較低，地層微裂縫發(fā)育，在水力尖劈作用下，裂縫不斷延伸，井漏現(xiàn)象時(shí)常發(fā)生。同時(shí)，泥頁(yè)巖與鉆井液濾液接觸發(fā)生水化膨脹，導(dǎo)致井壁失穩(wěn)。

(3)第四系以下地層可鉆性差。該區(qū)地層巖石硬度達(dá)1500 MPa以上，可鉆性級(jí)值達(dá)7.5以上，部分井段地層可鉆性極差，單只鉆頭進(jìn)尺僅為20～36 m，純鉆時(shí)間為15～30 h，平均機(jī)械鉆速約為1 m/h。

(4)鉆井液壓持效應(yīng)對(duì)機(jī)械鉆速影響大。當(dāng)鉆頭牙齒切下地層巖屑時(shí)，需要鉆井液迅速將巖屑攜帶出井底，實(shí)現(xiàn)鉆頭繼續(xù)破巖。但由于噴嘴射流速度較高，在井底形成正壓力，阻止已脫離母體的巖屑脫離，導(dǎo)致巖屑反復(fù)破碎，影響機(jī)械鉆速。

3 技術(shù)措施

3.1 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是鉆井工程設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容之一[4-6]，合理的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)既可最大限度地避免漏、噴、塌、卡等事故的發(fā)生，又能最大限度地降低鉆井成本。從延長(zhǎng)油田地層壓力剖面及已鉆井鉆井液密度可知，二開(kāi)井身結(jié)構(gòu)能滿足鉆探要求，但由于鉆遇易漏層較多且鉆開(kāi)儲(chǔ)層采用油基鉆井液，出于安全和經(jīng)濟(jì)考慮，施工采用三開(kāi)井身結(jié)構(gòu)。因此，井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于二開(kāi)井深的確定。

根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)對(duì)漏失層位的精確把握，對(duì)井身結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，將技術(shù)套管下深由“A”點(diǎn)提至井斜15°左右，將有效縮短大井眼造斜段長(zhǎng)度，節(jié)約套管500 m以上，提高鉆井作業(yè)效率。

3.2 井壁穩(wěn)定性控制

泥頁(yè)巖地層強(qiáng)度具有明顯的各向異性[7]。實(shí)踐證明，井壁穩(wěn)定性不僅與地應(yīng)力有關(guān)，而且與井眼軌跡(井斜角、方位角)相關(guān)。根據(jù)摩爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則建立地層坍塌壓力的計(jì)算模型，得到延長(zhǎng)陸相頁(yè)巖氣儲(chǔ)層坍塌壓力當(dāng)量鉆井液密度在0.85～1.05 g/cm3之間，且各井之間差異較大。結(jié)合地應(yīng)力及地層強(qiáng)度參數(shù)，對(duì)延長(zhǎng)陸相頁(yè)巖氣儲(chǔ)層坍塌壓力隨井斜角和方位角的變化規(guī)律進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖1所示。

圖1 頁(yè)巖氣儲(chǔ)層坍塌壓力風(fēng)險(xiǎn)分布圖Fig.1 Risk distribution of collapse pressure in continental shale gas reservoir

由圖可知，受地層各向異性性質(zhì)及地應(yīng)力的影響，沿不同方位和井斜鉆進(jìn)，頁(yè)巖氣儲(chǔ)層坍塌風(fēng)險(xiǎn)差別較大。沿不同方位向頁(yè)巖氣儲(chǔ)層鉆進(jìn)，當(dāng)井斜角小于某一臨界值時(shí)，井斜角對(duì)坍塌壓力的影響不大，但當(dāng)井斜角超過(guò)這一臨界值時(shí)，坍塌壓力將突然增大，這一角度大致在50°左右；沿方位75°左右鉆進(jìn)時(shí)，井眼坍塌風(fēng)險(xiǎn)最小，沿方位155°鉆進(jìn)時(shí)，井眼坍塌風(fēng)險(xiǎn)最大，主要是因?yàn)榈貙悠茐姆绞桨l(fā)生了由斜交層理面的剪切破壞向沿層理面的剪切破壞及彎曲失穩(wěn)的改變。

造成井壁失穩(wěn)的原因主要為鉆井液侵入引發(fā)井周附加應(yīng)力，降低井壁的有效支撐力，同時(shí)流體侵入削弱了地層的強(qiáng)度。為此，首先研究了流體滲透引起的孔隙壓力變化和附加應(yīng)力。實(shí)際地層中鉆井液主要沿裂縫面和層理面滲流，存在很大的隨機(jī)性，為方便計(jì)算將地層簡(jiǎn)化成各向同性的均質(zhì)連續(xù)介質(zhì)，可利用多孔介質(zhì)線性單相滲流基本方程評(píng)價(jià)地層孔隙壓力分布情況：

1r??rr?p?r=ΦμCK?p?t

(1)

式中r——滲流半徑，m；p——地層壓力，MPa；Φ——地層孔隙度，%；μ——流體黏度，mPa·s；C——地層及其所含流體的綜合壓縮系數(shù)，MPa-1；

K——地層滲透率，mD；

t——時(shí)間，h。

依據(jù)孔隙彈性理論，滲流作用對(duì)井周地層的拖曳力及孔隙壓力變化引起的巖石骨架應(yīng)力變化，將引發(fā)井周附加應(yīng)力場(chǎng)。假設(shè)井眼處于平面應(yīng)變狀態(tài)，孔隙流體向井眼內(nèi)流動(dòng)引發(fā)的井周附加應(yīng)力場(chǎng)可由下列公式計(jì)算：

σrr=α(1-2v)1-v1r2∫rrwpf(r,t)rdr

(2)

σθθ=-α(1-2v)1-v1r2∫rrwpf(r,t)rdr-pf(r,t)

(3)

σzz=α(1-2v)1-vpf(r,t)

(4)

其中：

pf(r,t)=p(r,t)-p0

式中p0——地層原始孔隙壓力，MPa；σrr、σθθ、σzz——井眼周?chē)膹较?、周向和垂向?yīng)力，MPa；

r——滲流半徑，m；

α——地層Biot系數(shù)；

v——地層泊松比。

將孔隙壓力計(jì)算模式及孔隙壓力引發(fā)的附加應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算模式引入井周應(yīng)力狀態(tài)計(jì)算方程。假設(shè)在井壁坍塌壓力最高的水平最小地應(yīng)力方向鉆井，井壁坍塌壓力隨井眼鉆開(kāi)時(shí)間的變化規(guī)律預(yù)測(cè)如圖2所示。

圖2 頁(yè)巖氣水平井井壁坍塌壓力隨井眼鉆開(kāi)時(shí)間的變化圖Fig.2 Variation of collapse pressure with time in continental shale gas horizontal well

由圖可知，井眼鉆開(kāi)后，短時(shí)間內(nèi)井壁坍塌壓力降低，但隨后坍塌壓力隨井眼鉆開(kāi)時(shí)間快速增加。3d左右坍塌壓力即恢復(fù)到初始坍塌壓力水平。之后坍塌壓力的增加速率逐漸降低，10d左右增加至1.30。

3.3 鉆井液技術(shù)

3.3.1 復(fù)合堵漏劑YC-1

延長(zhǎng)油田地層壓力復(fù)雜，同一井段地層壓力系數(shù)相差懸殊，地層漏失壓力較低[8]，導(dǎo)致安全密度窗口較窄，甚至出現(xiàn)負(fù)安全密度窗口。頁(yè)巖儲(chǔ)層微裂縫發(fā)育，易發(fā)生裂縫性漏失，鉆井過(guò)程中常采用橋接堵漏的方法。室內(nèi)用瀝青和石英砂進(jìn)行復(fù)配組合，形成了適合延長(zhǎng)油田地層特性的復(fù)合堵漏劑YC-1，將YC-1粗顆粒(40～80目)和細(xì)顆粒(80～120目)以1∶1的比例加入鉆井液中進(jìn)行鉆井液高溫高壓封堵試驗(yàn)(表1)。

試驗(yàn)結(jié)果表明：復(fù)合堵漏劑YC-1具有良好的高溫高壓封堵效果，在加壓到500psi后基本實(shí)現(xiàn)了完全封堵。YC-1粗顆粒和細(xì)顆粒的加量比例為1∶1，但總濃度不應(yīng)超過(guò)5%。

3.3.2 表面活性劑KZ-1

鉆頭鉆入地層會(huì)在周?chē)纬闪芽p，鉆井液會(huì)沿裂縫侵入地層并與巖屑發(fā)生作用，在鉆井液作用下巖屑離開(kāi)井底。巖屑離開(kāi)井底的時(shí)間越短，鉆頭的破巖效果越好，機(jī)械鉆速越高。

表1 YC-1高溫高壓封堵試驗(yàn)數(shù)據(jù)表Table 1 Sealing test data with high temperatureand pressure of YC-1

注：①1 psi=6.895×10-3MPa。

通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)鉆井液性能進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，優(yōu)選出具有強(qiáng)潤(rùn)濕性的表面活性劑KZ-1，能夠迅速進(jìn)入地層裂縫，使巖屑表面發(fā)生潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)，快速脫離井底。室內(nèi)試驗(yàn)以濕接觸角和表面張力來(lái)評(píng)價(jià)KZ-1的潤(rùn)濕性。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)：表面活性劑KZ-1能顯著降低巖屑的表面張力，短時(shí)間內(nèi)在巖屑表面形成吸附膜，改變巖屑表面的潤(rùn)濕性，加速巖屑脫離井底的過(guò)程。

3.3.3 油基鉆井液技術(shù)

為解決水平段鉆進(jìn)過(guò)程中大段泥頁(yè)巖裸眼段易發(fā)生井壁失穩(wěn)垮塌事故的難題，必須保證鉆井液具有較強(qiáng)的抑制性，有利于保持井壁穩(wěn)定，同時(shí)具有較好的體系黏度和潤(rùn)滑性，實(shí)現(xiàn)巖屑攜帶的同時(shí)防止卡鉆發(fā)生。通過(guò)單劑篩選和大量試驗(yàn)調(diào)整優(yōu)化配方，優(yōu)選出適合的有機(jī)土、乳化劑和潤(rùn)濕劑及其加量，形成了室內(nèi)試驗(yàn)性能良好的白油基鉆井液配方(表2)，其具有較強(qiáng)的抑制泥頁(yè)巖水化膨脹性能，且滿足環(huán)保要求。

3.4 提高鉆頭破巖效率

3.4.1 鉆頭優(yōu)選

對(duì)鄰近直井巖心分別進(jìn)行硬度、抗壓強(qiáng)度和可鉆性試驗(yàn)，得到了地層可鉆性級(jí)值，依據(jù)可鉆性?xún)?yōu)選出適合地層的鉆頭，并在實(shí)鉆中根據(jù)單只鉆頭進(jìn)尺和壽命對(duì)鉆頭做出進(jìn)一步的優(yōu)選，建立了適合延長(zhǎng)油田陸相頁(yè)巖氣水平井的鉆頭數(shù)據(jù)庫(kù)(表3)。

表2 油基鉆井液性能參數(shù)表Table 2 Performance parameters of oil-based drilling fluid

注：①PV—塑性黏度；YP—屈服值。

表3 巖石力學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)及鉆頭選型數(shù)據(jù)表Table 3 Mechanical parameters of rocks and bit type selection

3.4.2 近鉆頭穩(wěn)定器

為解決鉆井過(guò)程中壓持效應(yīng)引起的巖屑重復(fù)破碎[9-10]，設(shè)計(jì)了一種新型近鉆頭穩(wěn)定器(圖3)。通過(guò)在近鉆頭穩(wěn)定器上增加若干個(gè)上返通道并安裝噴嘴，使部分鉆井液在鉆井過(guò)程中向上噴出，在井底形成負(fù)壓脈動(dòng)，減小“壓持效應(yīng)”，提高了鉆頭破巖效率。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

4.1 現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)應(yīng)用

YA3井為一口水平井，目的層為中生界三疊系延長(zhǎng)組。通過(guò)井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，縮短大井眼造斜

段232 m。二開(kāi)斜井段鉆井液中加入0.5%的KZ-1，進(jìn)入長(zhǎng)2+3后(井深約910 m)加入2%復(fù)合堵漏劑YC-1，順利鉆進(jìn)至井深1206 m，發(fā)生井漏；后加入15t隨鉆堵漏劑YC-1、1 t LV-CMC及12 t膨潤(rùn)土，繼續(xù)鉆進(jìn)8 h后，隨鉆堵漏成功。二開(kāi)平均機(jī)械鉆速達(dá)3.9 m/h。三開(kāi)水平段鉆柱中加入近鉆頭穩(wěn)定器，優(yōu)選適合地層的PDC鉆頭，平均機(jī)械鉆速達(dá)13.17 m/h。

YB1-1井為該區(qū)另一口水平井，目的層為山西組。通過(guò)井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，縮短大井眼造斜段533 m。二開(kāi)鉆井液中加入0.5% KZ-1及2%YC-1；鉆進(jìn)過(guò)程中分別在井深1080 m、1837 m及2015 m時(shí)發(fā)生滲透性井漏，及時(shí)加入復(fù)合堵漏劑YC-1、LV-CMC及膨潤(rùn)土，采用隨鉆堵漏的方式成功堵漏。三開(kāi)鉆具中加入近鉆頭穩(wěn)定器，平均機(jī)械鉆速達(dá)到6.2 m/h。

4.2 應(yīng)用效果分析

水平井鉆井提速技術(shù)成功應(yīng)用于鄂爾多斯盆地中生界及古生界陸相頁(yè)巖氣鉆井，三開(kāi)鉆井過(guò)程中未發(fā)生井漏、卡鉆等復(fù)雜事故，鉆井提速效果明顯，中生界和古生界水平井鉆井周期分別減少了10.77%和37.38%

在鉆遇地層相同、鉆井難度明顯增加的情況下，YA3井鉆井周期為58d，較同井場(chǎng)YA1井縮短7d；YB1-1井二開(kāi)過(guò)程中發(fā)生井漏3次，鉆井周期67d，較同井場(chǎng)YB1井減少井漏4次，縮短鉆井周期40d(表4)。

表4 鉆井提速技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果表Table 4 Application of drilling speed improving technology

注：①YA3井為三維水平井。

5 結(jié)論

(1)三開(kāi)井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠滿足延長(zhǎng)陸相頁(yè)巖氣水平井鉆井需求，合理縮短二開(kāi)井眼長(zhǎng)度；能大幅降低鉆井難度，提高機(jī)械鉆速。

(2)井眼鉆開(kāi)后，短時(shí)間內(nèi)井壁坍塌壓力迅速降低，隨后坍塌壓力緩慢增加至初始坍塌壓力，增加速率逐漸降低并趨于一恒值。

(3)復(fù)合堵漏劑YC-1橋堵、充填都可以起到良好的堵漏效果；表面活性劑KZ-1能短時(shí)間內(nèi)在巖屑表面形成吸附膜，加速巖屑脫離井底的過(guò)程；白油基鉆井液具有較強(qiáng)的抑制性，有利于保持井壁穩(wěn)定，且滿足環(huán)保要求。

(4)“PDC+新型近鉆頭穩(wěn)定器”組合能顯著提高鉆頭破巖效率，降低鉆井液的“壓持效應(yīng)”，鉆井提速效果明顯。

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TheTechnologyofImprovingRateofPenetrationinContinentalShaleGasHorizontalWell

Ma Zhenfeng1, Yu Xiaolong2, Yang Quanzhi2, Yang Xianlun2,Li Hongmei2, Zhao Yi2

(1.ResearchInstituteofShaanxiYanchangPetroleum(Group)Co.,Ltd.,Yan＇anBranch,Yan＇an,Shaanxi716001,China; 2.ResearchInstituteofShaanxiYanchangPetroleum(Group)Co.,Ltd.,xi＇an,Shaanxi710075,China)

Research on improving the rate of penetration has been carried out, aimed at long big hole, difficulty in building, loss of multilayer, poor stability of borehole and poor formation drillability in shale gas horizontal well Yanchang oil. The key technologies were casing programme optimization, shale collapse regularity, selection of drilling fluid system, bit selection and design a new type stabilizer. The results showed that changing the depth of intermediate casing from point “A” to inclination about 15°could shorten the length of big hole and improve the drilling efficiency; YC-1 had a good effect in plugging and filling; KZ-1 could form adsorption film on the surface of the cuttings quickly and accelerate the cuttings out from the bottom; white oil-based fluid had strong inhibition property which was helpful to the borehole stability; combination PDC and new stabilizer could improve rock-breaking efficiency significantly and reduce the chip hold-down effect. The practices showed that drilling cycle was shortened by 10.77% and 37.38% when the drilling formation was the same and the drilling difficulty was increased.

continental shale gas; well configuration; borehole stability; drilling fluid; rate of penetration; chip hold down effect

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)項(xiàng)目“頁(yè)巖氣鉆完井及儲(chǔ)層評(píng)價(jià)與產(chǎn)能預(yù)測(cè)技術(shù)研究”(2013AA064501)、陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計(jì)劃課題“陸相頁(yè)巖氣水平井鉆完井工藝技術(shù)攻關(guān)”(2012KTZB03-03-02)聯(lián)合資助。

馬振鋒(1984—)，男，工程師，主要從事石油油氣井力學(xué)、信息與控制方面的科研工作。郵箱：249690334@qq.com.

TE242

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