龍志平， 王彥祺， 周玉倉， 賀 慶， 劉廣慶

(1.中國石化華東油氣分公司石油工程技術(shù)研究院，江蘇 南京 210031； 2.華東石油技師學(xué)院，江蘇 揚州 225129)

1 地層特點及技術(shù)難點

平橋南區(qū)位于涪陵頁巖氣田一期產(chǎn)建區(qū)的西南部，區(qū)塊地層自上而下依次為：雷口坡組、嘉陵江組、飛仙關(guān)組、長興組、龍?zhí)督M、茅口組、棲霞組、梁山組、黃龍組、韓家店組、小河壩組、龍馬溪組、五峰組等[1-4]。地表出露主要為下三疊統(tǒng)的嘉陵江組，主要鉆井完井難點包括以下幾個方面。

(1)鉆井井場選址困難，平臺建設(shè)成本高。平橋地區(qū)地表出露為嘉陵江組灰?guī)r地層，屬喀斯特地貌，山體溝壑較多。在該區(qū)域沒有大面積的平整場地可供鉆井使用，只有在規(guī)定的范圍內(nèi)選擇相對平緩的場地開山后作為井場及生活營地使用，鉆前費用較高。

(2)目的層加深，地質(zhì)條件復(fù)雜，鉆井安全與提速對技術(shù)要求更加苛刻。相比涪陵一期，平橋南區(qū)頁巖氣水平井目的層埋深更深，平均埋深達(dá)到了3300 m，最大埋深超過4000 m。同時發(fā)育北東向逆斷層，多集中在背斜東西兩翼，東翼斷裂結(jié)構(gòu)較西翼更復(fù)雜，地層裂縫較發(fā)育，鉆井過程中發(fā)生井壁失穩(wěn)及漏失的風(fēng)險可能性較大。

(3)叢式水平井組三維井眼軌道設(shè)計與軌跡控制難度大。受井場選址和大小的限制，平橋南區(qū)通常采用叢式井組部署，相比常規(guī)單水平井，具有大偏移距和大靶前位移的特點。同時，焦頁8HF井實鉆表明頁巖氣層上部標(biāo)志層“濁積砂”不明顯，進(jìn)一步加大了水平井軌跡預(yù)測、控制和調(diào)整的難度。

(4)二疊系龍?zhí)督M、茅口組，志留系韓家店、小河壩組地層可鉆性差異大，PDC鉆頭適應(yīng)性差，機械鉆速低，鉆頭選型難，影響了單只鉆頭進(jìn)尺和鉆井進(jìn)度。

(5)水平井固井難度大。平橋南頁巖氣區(qū)塊處于典型的喀斯特地貌區(qū)，地層裂隙、縫洞發(fā)育，承壓能力低且漏失與氣竄并存，同時需要滿足后期大型壓裂的需求，固井質(zhì)量難以保證。

2 鉆井設(shè)計優(yōu)化方案

2.1 叢式井位部署優(yōu)化

前期勘探階段鉆井主要以單平臺布井方式為主，存在鉆前工程難度大、成本高等問題。在開發(fā)階段，采用叢式井組部署，可平攤公共成本，實現(xiàn)單井降本。為進(jìn)一步實現(xiàn)整體開發(fā)降本，首先需要在叢式井井位部署方面進(jìn)行優(yōu)化。

通常頁巖氣水平井鉆井井眼方位是沿著最小水平主應(yīng)力方向鉆進(jìn)的，這樣更有利于增加壓裂改造體積，提高產(chǎn)量。在水平段長度方面，根據(jù)涪陵一期的經(jīng)驗，要平衡鉆井施工難度與最大產(chǎn)氣量的關(guān)系，水平段長在1500～1800 m時最為合理[2]。以井距500 m為例，提出了3種布井方案(以6井式為例)：(1)常規(guī)型布井方式，每個平臺鉆6口井，中間井靶前距為350 m；(2)交叉型布井方式，每個平臺鉆6口井，中間井靶前距為750 m；(3)魚鉤型布井方式，每個平臺鉆6口井，中間井靶前距≯200 m。布井示意圖見圖1所示。

圖1 布井方式示意圖

對不同布井方式靶前距、平均鉆井進(jìn)尺、造斜段長等方面參數(shù)進(jìn)行對比分析，結(jié)果見表1。

表1 不同布井方式對比分析

由表2可知，3種布井方式平均井深略有差距，可以通過調(diào)整造斜點井深來優(yōu)化進(jìn)尺。但是從扭方位角度和定向段長對比來看，魚鉤型井型工作量最大，且最大摩阻相比其他兩類軌道增加39%左右。但常規(guī)型布井方式存在靶前距范圍地層不能充分利用的弊端，綜合鉆井成本以及鉆井施工難度等方面考慮，平橋地區(qū)宜采用交叉型布井方式，對于平臺選擇難度大的井，可適當(dāng)采用魚鉤型布井方式。

2.2 平臺井型優(yōu)化設(shè)計

在布井較少區(qū)域，構(gòu)造落實程度較低，為了盡可能降低由于地層不確定性給鉆井帶來的難度，在鉆水平井前通常選擇合適的井作為基準(zhǔn)井，對其測、錄井項目進(jìn)行補充和優(yōu)化，提高對地層的認(rèn)識，實現(xiàn)對平橋構(gòu)造主體頁巖氣分布的整體控制。

2.2.1 實施導(dǎo)眼井

導(dǎo)眼井通常設(shè)計采用二級井身結(jié)構(gòu)，完井方式為雙井徑裸眼方式，即二開采用?311.2 mm與?215.9 mm復(fù)合井眼，以增強井漏預(yù)防能力和降低鉆井成本。一開與水平井一開設(shè)計原則相同，水平井二開則在?311.2 mm井眼內(nèi)側(cè)鉆，完成二開及三開作業(yè)施工。導(dǎo)眼井的實施，能夠為后期水平井的卡層和水平段軌跡控制提供更加精確的數(shù)據(jù)。

2.2.2 部署基準(zhǔn)井

對于不實施導(dǎo)眼井的平臺，優(yōu)選平臺其中一口井作為基準(zhǔn)井，但不改變其井身結(jié)構(gòu)。通常平臺其他井只需三開井段進(jìn)行完井組合測井，一開、二開、完井固井井段需進(jìn)行聲放磁測井。而基準(zhǔn)井需要額外在一開、二開井段進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)測井，如有較好氣顯示，還加測補償中子測井。這樣可以最大限度降低成本的同時，提高地層縱向識別率，為水平段鉆進(jìn)提供更可靠的數(shù)據(jù)。

2.3 “井工廠”鉆井模式優(yōu)化

平橋南區(qū)地處山區(qū)，由于地形限制，單平臺鉆井井?dāng)?shù)控制在3口及以上，井口間距10 m左右。采用三開井身結(jié)構(gòu)，相同井段鉆井方式和鉆井液體系一致?？刹捎谩熬S”鉆井模式進(jìn)行施工，主要流程如下：(1)導(dǎo)管與表層段作業(yè)；(2)二開井段作業(yè)；(3)三開井段作業(yè)；(4)完井作業(yè)[5]。但由于每個平臺受井?dāng)?shù)、井場大小、井型等因素各異的影響，并不能完全按照上述4個流程來執(zhí)行。為最大限度地減少中完作業(yè)、完井作業(yè)時間，提高鉆井時效，對“井工廠”鉆井模式優(yōu)化如下。

2.3.1 單鉆機“井工廠”模式

當(dāng)平臺井位部署呈“一”字型時，推薦采用一部橫向移動鉆機進(jìn)行施工。該類移動式鉆機能充分利用“井工廠”鉆井模式進(jìn)行交叉、無鉆機作業(yè)。表套與技套測固井質(zhì)量、裝套管頭、油管頭只有一口井占用鉆機時間，剩余井可進(jìn)行無鉆機作業(yè)，不占用鉆機時間。如果在鉆機運移條件允許的前提下，可以準(zhǔn)備二套防噴器系統(tǒng)，減少每個開次的防噴器安裝與試壓占用鉆機的時間。

2.3.2 雙鉆機“井工廠”模式

當(dāng)平臺井位部署雙排井時，為實現(xiàn)盡快投產(chǎn)的目的，推薦采用兩部縱向移動鉆機進(jìn)行施工，以最大限度減少井場占地面積。采用此類鉆井模式更能夠充分借鑒“學(xué)習(xí)曲線法”提高速度和效率，主要體現(xiàn)在井隊與井隊之間、井與井之間的學(xué)習(xí)和總結(jié)。

2.3.3 “鉆井-試氣”同臺作業(yè)模式

若為了加快產(chǎn)建進(jìn)度和對地層的認(rèn)識，實現(xiàn)當(dāng)年完成鉆井、試氣、投產(chǎn)的要求，推薦“鉆井-試氣”同臺作業(yè)模式。通常為單排布井方式，推薦采用橫向移動鉆機，能夠為同臺壓裂試氣提供最大的空間，同時能夠?qū)崿F(xiàn)交叉作業(yè)。

2.4 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

井身結(jié)構(gòu)的優(yōu)化需要綜合考慮多方面的因素，在保證井下安全的情況下一方面要利于提高鉆速，另一方面要降低成本。平橋南初期主要為預(yù)探水平井，井身結(jié)構(gòu)主要側(cè)重于安全成井，在后期開發(fā)階段，結(jié)合前期實鉆經(jīng)驗，從井眼尺寸和套管下深方面均進(jìn)行了優(yōu)化，具體見表2。

表2 平橋南區(qū)頁巖氣井井身結(jié)構(gòu)

井身結(jié)構(gòu)具體優(yōu)化思路如下。

(1)導(dǎo)管段：采用?609.6 mm鉆頭鉆至井深60.00 m，下入?473.1 mm導(dǎo)管。導(dǎo)管段若鉆遇溶洞，則鉆穿溶洞后進(jìn)入下部基巖至少10 m下導(dǎo)管，平臺其他井應(yīng)根據(jù)第1口井的情況調(diào)整下深。

(2)表層套管：采用?406.4 mm鉆頭，以封飛仙關(guān)組飛三段及以上地層為原則確定中完深度，下?339.7 mm表層套管。

(3)技術(shù)套管：二開用?311.2 mm鉆頭，中完井深以進(jìn)入龍馬溪組至少50 m為原則，若發(fā)生漏失則以鉆穿漏失層為原則，下入?244.5 mm套管固井。

(4)生產(chǎn)套管：三開使用?215.9 mm鉆頭、油基鉆井液，完成大斜度井段和水平段鉆井作業(yè)，下入?139.7 mm套管完井。

2.5 三維井眼軌道優(yōu)化

平橋南區(qū)頁巖氣水平井采用交叉型和魚鉤型叢式井組部署方式，相比常規(guī)叢式平井，具有偏移距大、靶前位移大和井眼防碰難度大的特點[10-12]。

(1)偏移距大。對于六井式平臺，外側(cè)四口井偏移距達(dá)到300～700 m，對于四井式平臺，各井偏移距在100～400 m。偏移距的增大會導(dǎo)致水平井扭方位工作量的大大增加。

(2)靶前位移大。對于采用交叉型布井方式的井，靶前位移通常在750～900 m。較大的靶前位移一方面增加了穩(wěn)斜段長，另一方面長造斜段導(dǎo)致整個井眼摩阻加大。

(3)井眼防碰難度大。采用交叉型和魚鉤型布井，不僅要考慮同平臺鄰井之間直井段的防碰，還需考慮相鄰平臺各井造斜段和水平井著陸段的防碰。

為解決以上難題，從以下3方面優(yōu)化軌道設(shè)計。

(1)井眼剖面設(shè)計。對于二維或者接扭方位<30°的頁巖氣水平井，采用空間五段制設(shè)計剖面即可滿足要求，即“直-增-穩(wěn)-增-平”剖面。對于三維頁巖氣水平井，扭方位通常>30°，采用空間六段制設(shè)計剖面，即“直-增-穩(wěn)-扭-變增-平”剖面，設(shè)置的第四段為扭方位井段。

(2)軌道參數(shù)設(shè)計。造斜點的選擇在滿足靶點垂深和靶前位移要求的前提下，通常選擇二疊系下統(tǒng)以下地層進(jìn)行定向較為容易，造斜段設(shè)計造斜率控制在4°～5.5°/30 m，第一穩(wěn)斜段井斜角控制在26°～40°，水平段造斜率控制在3°/30 m以內(nèi)。

(3)井眼防碰設(shè)計。對于同平臺相鄰井之間的防碰，在設(shè)計階段首先盡可能避免各井在平面上相交叉，然后再通過錯開造斜點深度進(jìn)行防碰。對于相鄰平臺井之間的防碰，為避免前后相鄰的兩井在水平段著陸時發(fā)生相碰，如果僅僅通過改變軌道設(shè)計參數(shù)則不能有效防碰，需要在井網(wǎng)部署時便考慮井眼的防碰。其做法是將前后相鄰的兩井A靶點左右各拉開30 m以上，這樣在著陸時兩井便有60 m以上的防碰距離。

2.6 鉆頭選型優(yōu)化

平橋區(qū)塊龍?zhí)督M、茅口組地層為含粉砂巖、硅質(zhì)條帶及燧石團(tuán)塊灰?guī)r地層，PDC鉆頭適應(yīng)性較差。韓家店和小河壩組地層為灰色泥巖和灰色粉砂質(zhì)泥巖互層，粉砂質(zhì)含量高，研磨性強，使用PDC鉆頭機械鉆速低，單只進(jìn)尺少。從前期應(yīng)用情況來看，平橋區(qū)塊龍?zhí)督M、茅口組平均垂厚249 m，平均消耗PDC鉆頭3只，韓家店、小河壩組平均垂厚1100 m，平均消耗PDC鉆頭6只。

綜合考慮地層巖性、巖石力學(xué)參數(shù)，通過平穩(wěn)切削控制技術(shù)、力平衡優(yōu)化切削結(jié)構(gòu)等研究，對鉆頭選型進(jìn)行以下優(yōu)化。

(1)二疊系龍?zhí)督M、茅口組鉆頭選型。PDC結(jié)構(gòu)特征：六刀翼、中密度布齒、大后傾角(漸變)、減震托(齒)、復(fù)合保徑。切削齒要求：外錐段主切削齒采用抗研磨齒，整體可混布。鉆具組合：縱向“減震”、鉆壓穩(wěn)定加載。本階段地層以PDC鉆頭為主，采用牙輪鉆頭過渡，可獲取較高的機械鉆速。推薦鉆頭：S1665FGA、MDSi616LBPX、HJT617GL型等。

(2)志留系韓家店組、小河壩組鉆頭選型。本段地層需要兼顧定向需求，PDC選型以提高鉆頭的穩(wěn)定性和抗沖擊性為主。PDC結(jié)構(gòu)特征：六刀翼16 mm(副切)+六刀翼13 mm(單排+減震)的PDC序列。鉆具組合：減少扭矩波動或防粘滑。推薦鉆頭：MDSi616LMEBPX、KPM1633DST、U516M型等。

2.7 鉆井液及固井工藝優(yōu)化

2.7.1 鉆井液工藝優(yōu)化設(shè)計

為快速鉆穿淺層大漏失層，降低泥漿成本消耗，優(yōu)化一開、二開直井段采用清水鉆進(jìn)，二開造斜段采用KCl聚合物潤滑鉆井液體系鉆進(jìn)，三開井段采用油基鉆井液鉆進(jìn)[13-14]。同時采用“井工廠”鉆井模式，當(dāng)批量施工同一井段時，鉆井液可以重復(fù)利用。尤其是三開井段鉆進(jìn)過程中，油基鉆井液的重復(fù)利用能夠大大降低油基鉆井液的使用成本，同時降低對環(huán)境的污染。

2.7.2 固井工藝優(yōu)化設(shè)計

對于表層和技術(shù)套管固井，采用泡沫水泥固井技術(shù)，可有效避免固井井漏和預(yù)防環(huán)空帶壓。為了滿足后期大型分段壓裂需要，生產(chǎn)套管固井采用雙凝雙密度水泥漿柱結(jié)構(gòu)，領(lǐng)漿采用低密度水泥漿，尾漿采用彈性防氣竄水泥漿[15-16]。為有效清除井內(nèi)環(huán)空壁上殘留的油基鉆井液，優(yōu)化采用三級油基沖洗工藝，并使用清水和水基鉆井液進(jìn)行水泥漿的頂替，降低后期通探洗作業(yè)成本。

3 結(jié)論及建議

(1)合理的井位部署和井型優(yōu)化對于地處山地工區(qū)的頁巖氣區(qū)塊實現(xiàn)降本開發(fā)至關(guān)重要，交叉型和魚鉤型布井方式可作為平橋南區(qū)頁巖氣開發(fā)階段的布井方式。

(2)單鉆機、雙鉆機、“鉆井-試氣”同臺作業(yè)三類鉆井模式豐富了“井工廠”鉆井模式，可最大限度地減少中完作業(yè)及各工種輔助時間，提高鉆井時效。

(3)針對頁巖氣叢式水平井井眼軌道偏移距大、靶前位移大和井眼防碰難度大等特點，優(yōu)化了軌道設(shè)計參數(shù)，形成了三維六段制剖面設(shè)計和相鄰平臺井之間的防碰等技術(shù)方案。

(4)建議開展韓家店、小河壩、龍馬溪組等地層鉆井及固井過程中防漏堵漏技術(shù)的研究，以實現(xiàn)平橋頁巖氣的高效開發(fā)。

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