喬李華, 范生林, 齊 玉

(1中國石油川慶鉆探工程公司鉆采工程技術研究院 2國家能源頁巖氣研發(fā)中心鉆完井技術研發(fā)部)

Haynesville頁巖氣區(qū)塊位于美國阿肯色州南部、路易斯安娜州西北部、田納西州東部，其產(chǎn)層埋藏深度在3 600～4 500 m之間[1]，最高井底溫度超過180℃，地層壓力系數(shù)1.6～2.07左右[2]，是目前美國埋藏最深、地層溫度、壓力最高的頁巖氣區(qū)塊。相對美國其他具有高可鉆性地層、使用低密度鉆井液鉆井的頁巖氣區(qū)塊，Haynesville區(qū)塊與國內(nèi)長寧、威遠等頁巖氣區(qū)塊井下地質(zhì)、鉆井條件更為相似。2009年以前，Haynesville頁巖氣區(qū)塊鉆井周期在100 d以上[3]，森林油公司曾在該區(qū)塊鉆探了第一口井，鉆井過程中發(fā)現(xiàn)開發(fā)這里的頁巖氣在經(jīng)濟性、鉆井效率和安全方面面臨嚴峻桃戰(zhàn)[4]。

一、主要地層特點、鉆井井身結(jié)構及鉆井難點簡介

Haynesville頁巖氣區(qū)塊上部Glenrose、ROdessa等地層巖性以泥巖、膏巖為主，孔隙壓力系數(shù)在1.0左右；中間Hosston、Cottonvalley、Knowles地層巖性分別為高研磨性石英砂巖、含礫砂巖、灰?guī)r，厚約800～1 200 m，單軸抗壓強度70～315 MPa[5]，軟硬交錯、可鉆性差、研磨性強，地層孔隙壓力系數(shù)在1.1左右。下部Bossier為含氣頁巖層，裂縫較發(fā)育，Haynesville為目的頁巖氣層，該段地層壓力系數(shù)1.6～2.07，最高井底溫度超過180℃[6]。

Haynesville頁巖氣區(qū)塊典型的井身結(jié)構如圖1所示。一開?343 mm鉆頭鉆至約600 m，下?273 mm表層套管，二開?250 mm鉆頭一般鉆至Bossier地層頂，井深約3 150～4 050 m,下?194 mm套管封固上部低壓易漏地層，三開?165.1 mm鉆頭鉆至完鉆井深約4 950～5 550 m,下?127 mm套管固井完成，三開井段造斜，造斜率達10°/30 m左右[7]。

圖1 Haynesville頁巖氣區(qū)塊典型井身結(jié)構

上述特點造成2009年以前該區(qū)塊存在以下主要鉆井難點：

(1)二開Hosston、Knowles、Cottonvalley層段鉆頭機械鉆速低、單只鉆頭進尺少、壽命低，2008年，殼牌公司鉆Hosston、Cottonvalley等地層平均機械鉆速2～5 m/h左右，需要8～11只鉆頭[7]。

(2)頁巖層段裂縫發(fā)育，埋藏深，溫度高，地層孔隙壓力大，鉆井液密度高，造成該井段鉆井工具、儀器易失效，機械鉆速低，易發(fā)生井漏溢流等[3,6]。

(3)頁巖段下套管時，環(huán)空間隙小，套管下入困難[3]。

二、采用的主要鉆井優(yōu)化技術

1.研磨性硬地層快速鉆井技術

通過分析前期研磨性硬地層鉆井資料，殼牌等石油公司認識到在Haynesville頁巖氣區(qū)塊研磨性硬地層鉆井，由于鉆頭、鉆井參數(shù)等原因造成的縱橫向等震動對鉆頭的先期破壞是鉆井速度慢、鉆頭進尺短的主要原因，需要從鉆頭、井下工具、鉆井參數(shù)控制等方面進行優(yōu)化，主要的優(yōu)化技術措施：

(1)在PDC鉆頭上采用經(jīng)脫鈷等工藝處理的抗沖擊抗研磨復合片，PDC鉆頭采用雙排齒結(jié)構，后排切削齒限制前排切削齒切削深度，以避免鉆頭吃入較深，所需切削扭矩過大而造成崩齒等，優(yōu)化水力設計提高鉆頭切削齒部冷卻效果，提高切削齒熱穩(wěn)定性，通過采用以上措施，鉆頭平均機械鉆速提高25%左右，進尺也有一定提高[8]。

(2)為避免PDC鉆頭因井下切削扭矩不夠，扭轉(zhuǎn)震動而造成鉆頭先期破換，在鉆頭上采用7/8頭的井下低速大扭矩螺桿，配合破巖，大幅減少扭轉(zhuǎn)震動發(fā)生幾率[3]。

(3)針對前期在硬地層采用高鉆壓(140～180 kN)、低轉(zhuǎn)速(60 r/min)等鉆井參數(shù)易造成井下鉆具屈曲、縱橫向、扭轉(zhuǎn)震動等，使用機械比能(MSE)軟件、扭轉(zhuǎn)震動預警(SSA)等軟件，指導司鉆控制或軟件自動控制鉆井參數(shù)，保持井下鉆頭工作穩(wěn)定，效果十分顯著。2008年，本段60%的使用鉆頭會因井下震動造成不可修復，2009年后，采用扭轉(zhuǎn)震動預警等軟件后，相關數(shù)據(jù)降低至15%[8]。

通過采用上述措施，2009～2011年，殼牌公司開展了70口井的試驗，每口井中間井段的鉆井相關數(shù)據(jù)為：耗費鉆頭由此前的10只左右降低至2～3只，鉆井周期降低了20 d，節(jié)約費用約100萬元[3]。

2.頁巖層段鉆井提速技術

(1)儀器、工具廠家在室內(nèi)建立模擬實驗設備，模擬嚴苛的井下工況，檢測、改進入井儀器，以滿足高溫高壓高頻振動環(huán)境長壽命工作?，F(xiàn)場使用時，使用方和儀器方協(xié)調(diào)，通過改變鉆井參數(shù)和儀器門限設置等確保儀器正常工作，對失效的儀器進行溯源分析，找到導致失效的根本原因并加以解決。維修保養(yǎng)時，采用專用程序軟件測試儀器，確保再次入井儀器狀態(tài)良好，通過采用系統(tǒng)性方法，提高了頁巖層段儀器工具可靠性。2009～2011年，隨著本區(qū)鉆井垂深的不斷增加，儀器、工具的井下工作溫度由140℃上升至160℃，但其失效率卻從每鉆進1 000 m進尺發(fā)生1.2次降低0.23次[6]。

(2)采用欠平衡/控壓鉆井技術，提高井下溢流、井漏處理能力，發(fā)生溢流，不輕易提高鉆井液密度，一般通過控壓循環(huán)排氣、點火的方式釋放局部高壓氣層壓力。殼牌公司采用哈里伯頓的自動控壓系統(tǒng)在本區(qū)試驗，將水平段當量循環(huán)密度由前期完鉆井的1.92～1.97 g/cm3降低至 1.71 g/cm3，該段機械鉆速由3～6 m/h，提高至15～24 m/h[1]。

(3)優(yōu)選高效鉆頭，針對頁巖地層單軸抗壓強度低、可鉆性好的特點，本區(qū)一些公司將以前的6刀翼小直徑雙排切削齒鋼體鉆頭優(yōu)化為5刀翼單排大直徑切削齒鋼體鉆頭。

通過采用上述措施，本段鉆井機械鉆速提高了300%以上，大量井實現(xiàn)一趟鉆完成，鉆井周期降低20 d以上[3]。

3.高效下套管技術

殼牌公司本區(qū)前期完鉆井，為滿足高壓壓裂等施工對套管強度的需要，需要采用?127 mm氣密封扣生產(chǎn)套管。由于頁巖層段井眼尺寸為?165.1 mm，接箍尺寸較大，兩者間隙較小，下生產(chǎn)套管仍然十分困難，后采用特殊設計了相對小接箍外徑的半過盈氣密封扣生產(chǎn)套管，雖然接箍抗壓強度相對以前降低了30%，但在滿足施工等強度需要的前提下，配套頂驅(qū)下套管技術，高效的完成了下套管作業(yè)。通過采用上述技術，單井節(jié)約周期超過11天[6]。

三、應用效果

通過采用上述主要優(yōu)化鉆井技術，2011年，Haynesville頁巖氣區(qū)塊鉆井周期相對2008年降低60%以上[6]，本區(qū)完鉆井深5 250 m的水平井，鉆井周期≤32 d的井占10%，平均鉆井周期鉆井周期≤42 d的占50%，鉆井周期≤63 d的井占90%[5]。

四、認識與建議

(1)Haynesville是目前發(fā)現(xiàn)與國內(nèi)長寧、威遠等頁巖氣區(qū)塊地質(zhì)、鉆井特點最為相似的區(qū)塊，因此該區(qū)系統(tǒng)優(yōu)化的鉆井技術對國內(nèi)鉆井提速提效有很強的借鑒意義。

(2)Haynesville區(qū)塊等鉆井實踐表明，研磨性硬地層鉆井，井下各類震動造成PDC鉆頭先期破壞，是相關地層鉆井速度慢、單只鉆頭進尺低的最主要原因，應從鉆頭、井下提速工具、鉆井參數(shù)優(yōu)化軟件等方面科學、系統(tǒng)解決井下震動問題。在這類地層單純地優(yōu)選鉆頭、井下提速工具效果有限，盲目強化鉆井參數(shù)，提速效果可能適得其反

(3)美國Haynesville區(qū)塊、殼牌富順區(qū)塊等大量頁巖氣區(qū)塊鉆井實踐表明，欠平衡/控壓鉆井技術能夠在頁巖氣鉆井提速提效中起到重要的作用，尤其在高壓頁巖層段，未來進一步增加水平段長度后，有利于控制井底壓力平穩(wěn)、處理井下復雜，有望成為革命性提速利器。

(4)Haynesville區(qū)塊頁巖儲層埋藏垂深遠超過國內(nèi)相似區(qū)塊，采用?127 mm生產(chǎn)套管的井身結(jié)構可滿足壓裂、生產(chǎn)等需要，相對國內(nèi)現(xiàn)行井身結(jié)構在鉆井提速、節(jié)約周期、套管、油基鉆井液等方面更具優(yōu)勢，因此探索定向井段鉆頭外徑稍微增大、隨鉆微擴眼器、下入小接箍或小直徑生產(chǎn)套管，能有效改善生產(chǎn)套管下入,值得認真思考。