宋保健, 孫 凱，樂守群，蘭 凱，明 鑫

(1中石化中原石油工程有限公司 2中石化中原石油工程有限公司鉆井一公司 3中石化中原石油工程有限公司鉆井工程技術(shù)研究院 4中石化中原石油工程有限公司管具公司)

涪陵頁巖氣田是我國第一個(gè)進(jìn)入商業(yè)化開發(fā)的國家級(jí)頁巖氣產(chǎn)能建設(shè)示范區(qū)[1-2]。歷經(jīng)2013年的開發(fā)評價(jià)試驗(yàn)階段及2014～2015年的一期產(chǎn)能建設(shè)階段，圓滿完成一期年50×108m3產(chǎn)能建設(shè)任務(wù)。2016年以來，啟動(dòng)了涪陵二期江東和平橋兩個(gè)區(qū)塊的產(chǎn)能建設(shè)[3]，但從前期鉆井施工看，由于涪陵頁巖氣田二期江東和平橋區(qū)塊頁巖儲(chǔ)層埋深增加，地質(zhì)構(gòu)造更加復(fù)雜，鉆井垮、斜、漏、慢等難題更加突出，嚴(yán)重制約了鉆井提速提效。為總結(jié)涪陵頁巖氣田二期優(yōu)快鉆井技術(shù)的積極進(jìn)展，筆者結(jié)合前期施工經(jīng)驗(yàn)，對鉆井難題的技術(shù)對策和攻關(guān)思路進(jìn)行了闡述，總結(jié)了涪陵頁巖氣水平井優(yōu)快鉆井技術(shù)的完善與應(yīng)用效果，為頁巖氣水平井鉆井技術(shù)攻關(guān)提供了指導(dǎo)和借鑒。

一、鉆井過程中遇到的技術(shù)難點(diǎn)

1.導(dǎo)眼2復(fù)雜情況頻發(fā)

江東區(qū)塊導(dǎo)眼1設(shè)計(jì)井深40 m，導(dǎo)眼2設(shè)計(jì)井深400 m，在導(dǎo)眼2鉆進(jìn)中，鉆遇地層為須家河組、雷口坡組，一旦發(fā)生漏失，采用清水搶鉆，地層經(jīng)清水浸泡后容易發(fā)生垮塌，形成“漏垮同存”，無法攜帶掉塊，造成井下復(fù)雜。

2.上部直井段井斜控制困難

一期焦石壩構(gòu)造為鼻狀寬緩背斜，二期平橋構(gòu)造為狹長的斷背斜構(gòu)造，在東西逆沖斷層影響下，地層產(chǎn)狀較陡、次生斷層發(fā)育[4]。江東區(qū)塊西南部地層傾角一般10°～20°，東北部20°～30°；平橋區(qū)塊核部地層傾角5°～15°，兩翼20°～45°。平橋區(qū)塊發(fā)育17條北東走向逆斷層；江東區(qū)塊發(fā)育北東向斷裂。平橋北區(qū)塊的焦頁8HF井韓家店組及以上地層造斜率1°/30 m，常規(guī)鉆井方法井斜難以控制；江東區(qū)塊焦頁74平臺(tái)，嘉陵江組地層傾角70°以上，直井段最大井斜達(dá)5.3°。

3.二開部分地層可鉆性差，鉆頭消耗大，鉆速慢

(1)二開龍?zhí)?、茅口組以灰?guī)r為主，夾碳質(zhì)泥巖、硅質(zhì)泥巖，局部含黃鐵礦，地層軟硬交錯(cuò)，可鉆性極差，PDC鉆頭進(jìn)尺少，涪陵一期及二期早期采用江鉆HJT537GK三牙輪鉆頭，保徑齒和內(nèi)排齒出現(xiàn)大量斷齒，個(gè)別鉆頭起鉆后發(fā)現(xiàn)軸承卡死、曠動(dòng)。表1給出了江東區(qū)塊前期兩口井在該段使用的牙輪鉆頭效果，平均進(jìn)尺65.43 m，機(jī)械鉆速2.70 m/h。

表1 江東區(qū)塊前期兩口井龍?zhí)?、茅口組段牙輪鉆頭使用情況

(2)平橋區(qū)塊小河壩組地層巖性以灰色泥巖為主，夾深灰色粉砂質(zhì)泥巖薄層及灰色粉砂質(zhì)泥巖薄層，粉砂巖占比為10%～30%，與一期相比，地層研磨性更強(qiáng)，單只PDC鉆頭進(jìn)尺短，機(jī)械鉆速低。表2給出了平橋區(qū)塊初期3口井在小河壩組的PDC鉆頭指標(biāo)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，單只鉆頭平均進(jìn)尺75.75 m，平均鉆速4.64 m/h；鉆頭失效形式以肩部磨損為主，伴存環(huán)磨、縮徑。

表2 平橋區(qū)塊前期三口井小河壩組PDC鉆頭使用指標(biāo)

4. 三維井井眼軌跡復(fù)雜，定向作業(yè)托壓嚴(yán)重

焦石壩工區(qū)多采用叢式井組布井方式[5]，靶前位移大多超過900 m[6]，造斜段長2 000～3 000 m，部分魚鉤型井眼剖面扭方位工作量達(dá)100°～120°，摩阻大，托壓嚴(yán)重，?311.1 mm井眼井徑擴(kuò)大率僅為1%～3%，雙扶復(fù)合鉆進(jìn)時(shí)蹩鉆嚴(yán)重甚至蹩停頂驅(qū)[6]。焦頁103-2HF 井造斜段管柱摩阻大，在2 539～2 934 m井段，下入7趟PDC鉆頭，單趟最大進(jìn)尺僅為41 m。

5.中深部井段井漏頻發(fā)

二期構(gòu)造斷層多，斷裂發(fā)育變形強(qiáng)，地層破碎，二期井平均單井漏失次數(shù)比一期主體構(gòu)造多1倍以上，尤其集中在二開韓家店、小河壩組及三開龍馬溪組，井漏頻繁，漏層多且段長，部分漏層存在惡性漏失，堵漏難度大，易復(fù)漏。例如平橋區(qū)塊焦頁198-2HF井，三開井深3 176.62～4 124 m，因井漏堵漏17次，漏失油基鉆井液541.93 m3，損失時(shí)間46.36 d。

二、采用的主要技術(shù)對策

1.江東區(qū)塊雷口坡組地層“塌漏同存”應(yīng)對措施

(1)采用PDC+?286 mm大尺寸螺桿復(fù)合鉆井技術(shù)，提高鉆導(dǎo)眼2機(jī)械鉆速,縮短周期，爭取在垮塌周期內(nèi)完成鉆探任務(wù)。在焦頁64-7HF井導(dǎo)眼2首次試驗(yàn)使用PDC+螺桿鉆具組合復(fù)合鉆井，平均機(jī)械鉆速達(dá)到了9.69 m/h，較常規(guī)牙輪鉆具組合提高了3倍以上。

(2)堵漏、防垮具體技術(shù)措施。導(dǎo)眼2采用膨潤土漿鉆進(jìn)，出現(xiàn)井漏采用橋漿堵漏及堵漏漿鉆進(jìn)，漏速大(膨潤土漿跟不上)或失返則采用水泥漿堵漏，若堵漏成功，繼續(xù)膨潤土漿鉆進(jìn)至中完，若堵漏不成功，直接實(shí)施清水搶鉆，由于清水黏切低，攜砂能力不足,接立柱或停泵起鉆前，打高黏度膨潤土漿至井底懸浮大塊巖屑，防止卡鉆。

2. 上部直井段防斜打快鉆井技術(shù)

2.1 預(yù)彎曲防斜打快技術(shù)

在地層傾角小于30°的井，采用預(yù)彎曲防斜打快鉆具組合，利用彎曲鉆具在井眼中的渦動(dòng)特征，在鉆頭上形成一個(gè)遠(yuǎn)大于鐘擺降斜力的防斜力，從而使井眼保持垂直。該技術(shù)充分發(fā)揮螺桿的轉(zhuǎn)速高、扭矩大、過載能力強(qiáng)的特點(diǎn)，并可以采用高于鐘擺鉆具的極限鉆壓50%以上的鉆壓，具有較好防斜能力的同時(shí)提高機(jī)械鉆速。該技術(shù)的關(guān)鍵是合理設(shè)計(jì)上下穩(wěn)定器的尺寸及安裝位置，通過分析螺桿彎度、穩(wěn)定器尺寸及安裝位置等對鉆頭側(cè)向力的影響，設(shè)計(jì)了如下鉆具組合：PDC+?244 mm 0.5°螺桿+水力加壓器+穩(wěn)定器(一開為?402 mm，二開為?308 mm)+?228.6 mm DC×3根+?203 mm NDC+MWD+?203 mm DC×5根+?139.7 mm HWDP×12根+?139.7 mm DP。該技術(shù)在25口井推廣應(yīng)用，井斜控制在2°以內(nèi)，平均機(jī)械鉆速相比鄰井提高17%。

2.2 單彎螺桿+MWD(EMWD)糾斜鉆井技術(shù)

對于采用預(yù)彎曲防斜打快鉆具組合，防斜效果不好的井，采用單彎螺桿+MWD糾斜鉆具組合：PDC+?244 mm 1.25°螺桿+水力加壓器+穩(wěn)定器(一開為?402 mm，二開為?308 mm ) +?203.2 mm NDC+MWD+?139.7 mm HWDP×15根+?139.7 mm DP。對于上部失返性漏失，常規(guī)測量工具無法實(shí)時(shí)監(jiān)測井斜時(shí)，則采用?244 mm 1.25°單彎螺桿+ EMWD鉆井技術(shù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)軌跡控制，焦頁86-6HF井使用該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了一趟鉆鉆完一開進(jìn)尺，鉆進(jìn)進(jìn)尺1 023 m，純鉆時(shí)間86.75 h，平均機(jī)械鉆速 12.21m/h，且將井斜控制在設(shè)計(jì)要求以內(nèi)。

2.3 垂直鉆井技術(shù)

針對采用常規(guī)防斜、糾斜鉆具組合控制井斜效果差地層，選擇應(yīng)用垂直鉆井技術(shù)。焦頁74平臺(tái)地層傾角大，其中嘉陵江組地層傾角70°以上，最大井斜達(dá)5.3°，采用常規(guī)技術(shù)井斜難以控制,焦頁74-2HF井應(yīng)用垂直鉆井技術(shù)，應(yīng)用井段51～1 003 m，井斜控制在1°以內(nèi)，平均鉆速較鄰井提高59%。

3. 二開部分可鉆性差地層鉆頭優(yōu)選

3.1 龍?zhí)丁⒚┛诮M采用改進(jìn)的牙輪鉆頭

常規(guī)的江鉆HJT537GK牙輪鉆頭采用勺型齒,露齒高，攻擊性雖強(qiáng),但韌性不足，抗沖擊性差，在鉆該地層時(shí)，由于軟硬夾層多，吃入不均，鉆頭易斷齒，軸承壽命短，觀察巖屑發(fā)現(xiàn)該段地層分布硅質(zhì)條帶及結(jié)核，在總結(jié)HJT537GK鉆頭缺點(diǎn)基礎(chǔ)上，研制了抗沖擊HJT637GL牙輪鉆頭，采用耐磨性與韌性較好的梯度合金切削齒，將外排齒設(shè)計(jì)為圓偏楔形齒,主切削齒設(shè)計(jì)為凸頂楔形齒,并降低切削齒的高度，布齒密度更密，以提高切削齒的抗沖擊性抗，馬達(dá)軸承采用高速金屬密封軸承，使用壽命長，可配合螺桿鉆具快速鉆進(jìn),目前在涪陵二期廣泛推廣使用，可見應(yīng)用HJT637GL較HJT537GK，單只鉆頭進(jìn)尺提高2.82倍，機(jī)械鉆速提高2.38倍。

3.2 優(yōu)選大扭矩螺桿+混合鉆頭鉆平橋區(qū)塊小河壩組地層

平橋區(qū)塊的小河壩地層含砂量高,研磨性強(qiáng),PDC鉆頭因磨損而失效快,而采用牙輪鉆頭機(jī)械鉆速極低,進(jìn)尺少,因此需要改變破巖方式和提高PDC復(fù)合片切削齒的抗磨能力。再配合低轉(zhuǎn)速、大扭矩螺桿，增大鉆頭破巖扭矩，消除因扭矩積聚而產(chǎn)生的鉆頭黏滑振動(dòng)。

在平橋區(qū)塊焦頁195-5HF井、焦頁198-3HF等10井，應(yīng)用低轉(zhuǎn)速、大扭矩螺桿+混合鉆頭鉆井技術(shù)鉆小河壩組地層，共計(jì)進(jìn)尺2 462.4 m，單只鉆頭進(jìn)尺148 m，平均機(jī)械鉆速5.2 m/h。相比表2中常規(guī)PDC鉆頭，單趟鉆頭進(jìn)尺提高95.38%，平均機(jī)械鉆速提高12%。

4.定向防托壓技術(shù)實(shí)踐

4.1 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)

與傳統(tǒng)馬達(dá)相比，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向具備更強(qiáng)的工程能力，主要體現(xiàn)在：將滑動(dòng)摩阻轉(zhuǎn)化成滾動(dòng)摩阻，摩阻更?。桓叩脑煨甭?；更強(qiáng)的軌跡控制能力[7]。在焦頁188-2HF、焦頁68-2HF、焦頁68-3HF井進(jìn)行試驗(yàn)應(yīng)用，平均機(jī)械鉆速達(dá)9.11 m/h，比常規(guī)定向鉆具平均機(jī)械鉆速提高21.47%，并且井眼軌跡平滑，為后期施工奠定安全基礎(chǔ)。

4.2 應(yīng)用水力振蕩器緩解定向托壓問題

使用水力振蕩器加常規(guī)螺桿，振蕩短接產(chǎn)生高頻振動(dòng)，使上下的鉆具產(chǎn)生縱向的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，鉆具在井底暫時(shí)的靜摩擦變成動(dòng)摩擦，摩擦阻力大大降低，提高鉆壓傳遞效率，工具面更加容易控制。在涪陵二期使用效果明顯，解決了鉆井中定向托壓問題[8]，如圖1所示，焦頁84-3HF井在井段2 753～3 171 m加入水力振蕩器之后，有效地緩解了定向托壓問題，機(jī)械鉆速達(dá)8.00 m/h；較之前井段2 503～2 753 m的平均機(jī)械鉆速5.94 m/h，提高了34.68%。

圖1 焦頁84-3井二開使用水力振蕩器前后效果對比

4.3 使用7頭3.8級(jí)大扭矩螺桿，配合混合鉆頭，緩解定向托壓

涪陵二期多口井大井斜扭方位井段使用混合鉆頭，配合大扭矩低速螺桿(7/8頭)，由于混合鉆頭具有牙輪鉆頭的特點(diǎn)，定向反扭角較小，工具面較PDC穩(wěn)定，很大程度上解決了定向托壓難題。焦頁188-3HF使用PDC鉆頭定向托壓嚴(yán)重，定向鉆時(shí)是復(fù)合鉆時(shí)的3～5倍，來回上提下放，進(jìn)入小河壩后使用混合鉆頭，解決托壓問題，定向鉆時(shí)是復(fù)合鉆時(shí)的2～2.5倍。

5.涪陵二期防漏堵漏認(rèn)識(shí)及實(shí)踐

針對地層壓力系數(shù)低、鉆井液密度窗口窄的技術(shù)難點(diǎn)，從鉆井液密度控制、鉆井液性能優(yōu)化及隨鉆封堵防漏等方面，樹立“預(yù)防為主、防堵結(jié)合”的防漏堵漏理念。主要技術(shù)對策有：①合理控制鉆井液密度，優(yōu)化鉆井液性能，保持鉆井液較好的流變性，降低循環(huán)壓耗，緩解井底壓力;②針對裂縫誘導(dǎo)敏感性強(qiáng)帶來的堵漏難度大、重復(fù)漏失嚴(yán)重問題，首先，合理控制鉆井液排量和機(jī)械鉆速，減少對井壁沖刷、防止高環(huán)空壓耗造成的高液柱壓力壓漏地層；其次，做到緩慢開泵，控制起下鉆速度，堅(jiān)持分段循環(huán)，防止激動(dòng)壓力過大造成人為井漏;③提高鉆井液濾餅質(zhì)量，提前加足抑制劑、降濾失劑、隨鉆封堵材料進(jìn)行預(yù)封堵，使鉆井液能夠在鉆開地層瞬時(shí)形成致密濾餅封堵層，阻滯濾液侵入層理、裂縫，緩解液相傳遞誘導(dǎo)作用;④二開進(jìn)入韓家店漏層前50～100 m，加入2%～3%磺化瀝青、1%石墨和2%PZ-7提高封堵性；3%超細(xì)目碳酸鈣、超細(xì)目碳酸鈣300目和600目混合使用；2%油溶性暫堵劑，1%隨鉆堵漏劑。三開提前加入3%超細(xì)鈣，1%瀝青，橡膠顆粒含量2%，利用橡膠顆粒在柴油中溶脹效應(yīng)使微孔隙徹底堵住。

針對低壓裂縫誘導(dǎo)敏感性強(qiáng)，堵漏難度大，堵后復(fù)漏嚴(yán)重的問題，首先優(yōu)先選擇具有膠結(jié)性的封堵材料，提高抗破能力。其次優(yōu)化粒徑級(jí)配及材料形狀(顆粒、片狀、纖維)組合，提高封堵層密實(shí)度和結(jié)構(gòu)力[9]。同時(shí)強(qiáng)化堵漏工藝:①采取間歇擠注，提高堵漏材料進(jìn)入漏層的量和密實(shí)程度;②延長靜堵時(shí)間，尤其是水基鉆井液堵漏，堵漏材料在漏層中有一個(gè)吸水膨脹密實(shí)的過程，實(shí)踐表明堵漏后充分靜止堵漏，可以有效提高封堵層致密性，延長封堵有效期。焦頁198-1HF井鉆井過程中自小河壩組2 758 m至龍馬溪組2 943 m井漏8次，橋塞堵漏見效快，但復(fù)漏嚴(yán)重，為解決漏層易復(fù)漏問題，通過優(yōu)化粒徑級(jí)配及材料形狀組合，實(shí)行了全裸眼承壓堵漏，鞏固上部井段，后期上部無復(fù)雜漏失出現(xiàn)，承壓堵漏成功。

三、現(xiàn)場整體應(yīng)用效果

提速技術(shù)在涪陵二期現(xiàn)場推廣應(yīng)用31口井，與二期工區(qū)第一輪次鉆井相比，平均井深增加132.96 m，平均機(jī)械鉆速提高8%，平均鉆井周期縮短35.53 d，井漏復(fù)雜時(shí)效減少12%。其中焦頁188-1HF井完鉆井深5 295 m ，水平段長2 083 m，水平位移3 578.55 m，創(chuàng)中原工程公司頁巖氣水平井水平位移最高紀(jì)錄。焦頁84-2HF井，實(shí)現(xiàn)二開單只鉆頭，單趟鉆從穩(wěn)井段鉆進(jìn)至二開中完，進(jìn)尺766 m，機(jī)械鉆速9.74 m/h。焦頁84-1HF井一趟鉆進(jìn)尺1 651 m，平均機(jī)械鉆速9.1 m/h，創(chuàng)下了重慶涪陵頁巖氣田江東區(qū)塊單只鉆頭進(jìn)尺最高紀(jì)錄。

四、認(rèn)識(shí)與建議

(1)針對涪陵二期施工直井段易斜難題，應(yīng)用了彎曲動(dòng)力學(xué)鉆井技術(shù)、垂直鉆井技術(shù)及單彎螺桿+ EMWD鉆井技術(shù)等防斜打快鉆井方式，在直井段應(yīng)用取得了良好的防斜打快效果。

(2)大井斜定向扭方位是三維水平井軌跡控制關(guān)鍵，消除定向托壓是提速的重點(diǎn)，需通過實(shí)時(shí)優(yōu)化軌跡設(shè)計(jì)，增加復(fù)合鉆進(jìn)進(jìn)尺比例，同時(shí)仍然需要借助防托壓技術(shù)，現(xiàn)場應(yīng)用了旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向、水力振蕩器、低速大扭矩螺桿配合混合鉆頭，較好地解決定向難問題，很大程度提高了鉆進(jìn)速度。

(3)涪陵二期外圍構(gòu)造更復(fù)雜，難點(diǎn)在于裂縫誘導(dǎo)敏感性更強(qiáng)，導(dǎo)致非鉆進(jìn)工況漏失、重復(fù)漏失嚴(yán)重，復(fù)漏后處理難度大，針對區(qū)域地質(zhì)井漏特征，認(rèn)為堅(jiān)持“預(yù)防為主、防堵結(jié)合”的井漏處理思路，可有效提高井漏處理效率。

(4)針對龍?zhí)?茅口組、小河壩組地層研磨性強(qiáng)，雖然應(yīng)用了新型牙輪和混合鉆頭，提高了機(jī)械鉆速，但機(jī)械鉆速較其他地層依然較低，仍有較大的提速空間，建議繼續(xù)開展技術(shù)攻關(guān)，試驗(yàn)其他高效PDC及其他先進(jìn)工具。