樊好福

(中石化中原石油工程有限公司鉆井一公司，河南 濮陽 457331)

作為新興非常規(guī)能源，頁巖氣在中國能源結構中占有重要地位。近幾年，隨著涪陵、長寧-威遠等頁巖氣田的高效勘探開發(fā)，國內頁巖氣開發(fā)已經進入快速發(fā)展階段[1-4]。頁巖氣井因地質構造條件、儲層物性、壓裂改造方式等原因，產能控制因素復雜，對鉆完井和開發(fā)方式提出了極高的要求。

中原石油工程公司是國內較早進入頁巖氣勘探開發(fā)領域的工程服務公司之一，通過自主攻關、集成配套以及現場應用，形成了較為成熟的頁巖氣安全高效鉆井、井筒工作液、水平井固井、大型壓裂及裝備配套等非常規(guī)頁巖氣工程配套技術，已完成頁巖氣施工140余口井，覆蓋了國內主要頁巖氣勘探開發(fā)區(qū)域，為頁巖氣勘探開發(fā)提供了堅強有力的技術支持。

1 頁巖氣水平井鉆井技術難點分析

1.1 地質構造復雜，優(yōu)質儲層識別難度大，三維井軌跡控制要求高

為降低成本，涪陵、長寧-威遠、黃金壩等區(qū)塊布井多采用小型平臺式鉆井模式，為使水平井眼段沿最小水平主應力方向鉆進，平臺式鉆井具有側向位移大，井間距離小、靶前距大等特點[5]。井眼軌跡的要求更高，主要體現在以下幾點：

(1)井間距離小，防碰難度大。黃金壩工區(qū)平臺井間距在5 m左右，實鉆中為了追求進尺，往往在鉆井參數或鉆具組合方面多追求快速鉆進，導致上部直井段易井斜，鄰井易碰。

(2)裸眼段長，方位變化大，井下摩阻扭矩大。多數井軌道設計呈裸眼段長(1500～2000 m)、扭方位大(部分井方位變化>80°)等特點，同時，為了便于后期的開發(fā)，多采用魚鉤型水平井(水平段井斜角>90°)，因鉆具組合滑動鉆進過程中的摩阻扭矩大，導致定向效率低。前期涪陵頁巖氣水平井施工中，二開?311 mm井眼定向段雖只占全井的40%左右，但定向周期卻占全井的60%左右。

(3)水平段長，實鉆效率低。為提高單井的產量和控制儲量，以及滿足中深層頁巖氣開發(fā)需求，水平段的長度和完鉆井深在逐步增加。川渝工區(qū)目的層垂深2700～4000 m，斜深4800～5600 m，部分完鉆井深甚至超過6000 m，水平段長>1500 m，最長達到3000 m，受制于地層物性非均性強、井下環(huán)境的復雜，也對高效儲層的有效識別和快速鉆進提出了更高的要求。

1.2 漏失問題嚴重

四川盆地的地質構造復雜，井漏是鉆井工程的一大技術難題，具有漏失頻繁、類型多樣、損失嚴重的特點。淺表層多溶洞、暗河，裂縫發(fā)育且呈不規(guī)則分布，失返性漏失頻繁，部分井清水漏失量超過2000 m3。

二疊系的長興組、龍?zhí)督M、茅口組等裂縫氣發(fā)育，且部分含氣層含有硫化氫，中深層裂縫性漏失，并且淺層氣發(fā)育，易導致噴漏同存。漏失類型表現為裂縫性漏失，漏失點多，漏失速度中等。

目的層呈頁巖層理裂縫和誘導型漏失，漏失次數多、漏速低，多為滲透性漏失。油基鉆井液條件下，常規(guī)堵漏材料的堵漏效果差，漏失成本較高。同時，不同工區(qū)，儲層的壓力系數差異大，長寧-威遠工區(qū)的地層壓力系數1.85～2.20，斷層發(fā)育，井壁穩(wěn)定和漏失難以兼顧。

1.3 儲層差異性大，完井要求高

頁巖氣井多采用油基鉆井液，受油基鉆井液的長時間浸泡一二界面嚴重影響了固井水泥漿的膠結強度，影響界面的固井質量。頁巖氣屬于自生自儲儲層，呈低孔隙度、低滲透率特點，為獲較高的商業(yè)開發(fā)價值多采用大型分段壓裂增產技術。常規(guī)水泥漿膠結形成的水泥石因其脆性高，耐沖擊能力差，無法滿足大型分段壓裂的需要。

1.4 川渝地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，環(huán)保要求更高

川渝工區(qū)多以山地為主，人口密集而又相對散居，水源地交錯分布、水系發(fā)達使主要大江大河的上游、環(huán)境和生態(tài)脆弱，對鉆井施工提出了較高的環(huán)保要求。特別是鉆完井過程中廢渣、污水的無害化處理，井場噪聲的控制，耕地、林地的生態(tài)保護等都是環(huán)保工作的重中之重。

2 主要關鍵技術

2.1 三維大偏移距長水平段水平井軌跡控制技術[6-9]

2.1.1 預彎曲動力學防斜打快鉆井技術

預彎曲動力學防斜打快鉆具組合由兩個穩(wěn)定器和一個預彎曲短節(jié)(使用單彎螺桿)組成，通過預彎曲設置使鉆頭偏向造成的側向合力盡可能消失或達到最小，當鉆頭的降斜力超過地層增斜力時，將起到降斜目的[8]。該鉆具組合使用單彎螺桿，充分發(fā)揮螺桿的轉速高、扭矩大、過載能力強的特性，具有較好的防斜能力，并可以采用高于鐘擺鉆具的極限鉆壓(鐘擺鉆具不增斜時可以施加的最大鉆壓)50%以上的鉆壓值，從而有效地提高機械鉆速。預彎曲動力學防斜打快鉆具組合在焦頁42-2HF等井實鉆平均機械鉆速高達14.21 m/h，較鐘擺防斜鉆具組合提高了2.19倍(見表1)，井斜基本控制在1°以內(見圖1)。

表1 焦頁42平臺一開不同鉆具組合使用效果統(tǒng)計

圖1 焦頁42平臺一開井斜數據

2.1.2 大尺寸長井段實鉆軌道優(yōu)化控制技術

涪陵工區(qū)原鉆井設計的“直-增-穩(wěn)-增-平”剖面有較長的穩(wěn)斜段，因地層自然造斜率高，導致穩(wěn)斜的控制難度大。圖2為焦石壩區(qū)塊二開?311 mm井眼實鉆地層自然造斜率統(tǒng)計。從圖中可以看出，地層復合造斜率相對較高，1.25°單彎螺桿鉆具組合復合增斜率在(5°～10°)/100 m，1°單彎螺桿復合造斜率在(2°～5°)/100 m。與常規(guī)地層相比，其復合鉆進自然造斜率相對較高，因此焦石壩二開長穩(wěn)斜段穩(wěn)斜控制難度相對較大，實鉆過程中多通過大段的滑動定向保持井斜。

圖2 焦石壩二開井段地層復合造斜率統(tǒng)計

針對雙驅鉆進自然增斜較快的情況，對焦石壩頁巖氣水平井的軌跡設計進行優(yōu)化(參見圖3)，將穩(wěn)斜段壓縮，設計為“直-增-微增-穩(wěn)斜-增斜-水平”剖面。該剖面具有以下特點：采用(8°～10°)/100 m左右造斜率定向，保證井眼具有一定的初始井斜；當井斜增至15°～20°后，依靠復合鉆進自然造斜率，一方面減少了定向滑動進尺，另外一方面避免了井斜的過快增長；需設計一段復合鉆(不低于60 m)穿過濁積砂井段，以避開濁積砂井段定向。鉆穿濁積砂標志層后，實鉆垂深與實際儲層垂深相差不大，采用大的造斜率，準確地探知目的層頂的位置后，再根據需要增至設計井斜，這樣能夠有效克服地層不確定度，提高進層控制的成功率。

2.1.3 長穩(wěn)斜(微增)段軌跡控制技術

針對焦石壩工區(qū)大尺寸長穩(wěn)斜(微增)段復合鉆進增斜的特點，根據地層平衡側向力和平衡曲率的原理，以復合鉆進比例最大和井眼軌跡粗糙度最低為雙重優(yōu)化目標，分析了單彎單穩(wěn)定器底部鉆具組合不同參數條件下的軌跡控制效果(見圖4)。優(yōu)選用1°螺桿和?305 mm近鉆頭穩(wěn)定器、鉆壓控制在100kN時，軌跡控制效果較好。焦頁42-2HF井在1593.2～2012.6 m穩(wěn)斜段采用這種軌跡控制思路，井斜角控制在34.7°～37.1°、方位角控制在8.5°～12.3°，井眼曲率平均值3.87°/100 m，復合鉆進進尺比例74.73%，平均機械鉆速達7.23 m/h。

圖4 穩(wěn)斜角35°時，單彎螺桿、單穩(wěn)定器BHA軌跡控制效果對比

2.1.4 增斜扭方位井段軌跡控制技術

(1)鉆具組合設計。針對三維井方位變化大，大尺寸剛性鉆柱軌跡不易控制等問題，優(yōu)化了底部鉆具組合，采用無磁承壓鉆桿代替部分鉆鋌，降低鉆柱的剛性，減少井下摩阻；針對下部地層壓實程度高，自然造斜率相對較高，采用小彎角螺桿(1°或者1.25°)。

(2)降摩減阻工具的研制與應用。為了解決三維復雜井眼滑動鉆進時的托壓問題，研制和應用了系列水力振蕩器，利用振動破除鉆具和井壁之間的靜摩阻，降低滑動鉆進粘卡趨勢，減少定向托壓。在焦頁50-5HF井2793～2897.95 m(井斜由47°增至69°，方位由210°降至195°)井段同比鉆速提高64%(見圖5)，摩阻減小31%。

2.1.5 長水平段穩(wěn)平控制技術

針對頁巖氣井水平段長的特點，基于大變形、變截面/變剛度縱橫彎曲梁理論，以及彎外殼螺桿動力鉆具組合導向能力的研究，設計了“小角度單彎螺桿+欠尺寸雙扶”穩(wěn)平鉆具組合，提高長水平段的穩(wěn)平控制能力和復合鉆進比例，滑動鉆進比例降低40%，有效提高了長水平段軌跡的精細控制。采用常規(guī)定向方式先后在焦石壩和川南工區(qū)完成了1500 m以上水平段頁巖氣水平井12口，其中，焦頁56-6HF、焦頁37-4HF井水平段長度超過2000 m。

圖5 焦頁50-5HF井鉆時曲線(水力振蕩器應用井段：2790～2898 m)

為減少水平段起下鉆等時間，提高鉆進效率，通過優(yōu)選匹配地層特性的PDC鉆頭、大扭矩螺桿鉆具、旋轉導向等匹配的模塊化動力馬達，形成了“等壽命”鉆具組合設計方案，提高了行程進尺與機械鉆速；通過鉆井參數與水力參數優(yōu)化，配套應用巖屑床清除工具，有效降低了粘滑振動時間，提高了清砂效果，保證了長水平段井眼穩(wěn)定，形成了水平段“一趟鉆”技術，并在長寧H19-4等井實現了水平段“一趟鉆”施工。

2.2 防漏堵漏技術

2.2.1 淺層縫洞性惡性漏失堵漏技術[9-10]

在淺層縫洞型惡性漏失地層成功應用了新型可控膠凝堵漏劑。該堵漏劑是由膠凝材料、觸變劑、纖維增韌劑、膨脹劑及表面調節(jié)劑組成。適應溫度30～80 ℃，凝結時間60～270 min可調。固化體的強度發(fā)展快，形成堵層后4 h具有10 MPa以上強度，低溫40 ℃以下施工結束后4 h就可以下鉆鉆進；該堵劑阻水效果好、耐水侵能力強，與地層水1∶1混合后仍可快速固結；駐留封堵強度高，在5～20目沙床和10～30 mm石子漏層中封堵強度分別達14.2、17.7 MPa(見表2)。在焦石壩、蜀南地區(qū)鉆井過程中失返性漏失堵漏作業(yè)成功率高達90%，基本解決了裂縫、溶洞性地層惡性漏失問題。

2.2.2 裂縫性地層封堵技術

針對裂縫性漏層采用橋塞堵漏和水泥漿堵漏一次成功率低，且易重復漏失的技術難題，研發(fā)了速封堵漏劑ZYSD和配套速封堵漏技術。該體系在漏失壓差下能夠形成韌性封堵層，在漏層中10～30 s，承壓能力>0.7 MPa；通過優(yōu)選堵漏材料，纖維成網、顆粒逐級架橋，實現對于縫寬<10 mm的快速封堵；膠結材料快速固化，堵漏強度>15 MPa。對裂縫性地層、破碎型誘導裂縫地層實現快速、高強度堵漏，避免重復漏失，一次堵漏成功率高達87.5%，重復漏失率<10.5%，中完固井漏失率<33.3%。

表2 封堵能力

2.2.3 油基鉆井液防漏堵漏技術

針對常規(guī)防漏封堵材料與油基鉆井液配伍性不強、防漏封堵效果不理想的問題，研制球狀凝膠防漏材料，復合親油性剛性粒子和柔性材料，形成了油基鉆井液專用封堵劑配方；防漏漿封堵效果好，可以快速形成封堵層，承壓能力由2 MPa提高至17 MPa(見圖6)。由圖7可知，在漏層深處4.5 cm處可以見到球狀凝膠，表明其變形封堵能力強。

圖6 封堵漿在沙床中的擠注封堵實驗

圖7 封堵層端面及封堵層內部

2.3 頁巖氣井壁穩(wěn)定技術 [11-14]

2.3.1 高性能油基乳化鉆井液體系

在全油基鉆井液研究基礎上，為進一步降低綜合成本，研發(fā)了梳型弧狀乳化劑和流型調節(jié)劑，有效降低了油基鉆井液對溫度的敏感性，提高了高溫條件下的動切力和動塑比，保證了體系的攜巖能力；針對油基鉆井液日損耗量大的問題，利用反相乳液聚合法合成了納、微米級凝膠微球，提高了油基鉆井液的裂縫封堵能力，承壓達到11 MPa；優(yōu)化老漿回收處理工藝，提高了老漿性能的長期穩(wěn)定性。采用乳化劑、凝膠微球、纖維封堵材料、不同粒徑的超細碳酸鈣等處理劑進行配伍性試驗，形成了油水比9.5∶0.5～7∶3，抗溫80～180 ℃，密度0.9～2.2 g/cm3油基鉆井液體系(見表3)。高性能油基乳化鉆井液體系在川渝工區(qū)應用200余井次，滿足了頁巖氣鉆井對井壁穩(wěn)定、潤滑防卡和井眼清潔的要求，鉆井液回收率80%左右，利用率100%，井眼損耗量<0.15 m3/m。

表3 不同油水比油基鉆井液基本性能

2.3.2 高性能油基乳化鉆井液體系

無土相油基鉆井液作為一種新型油基鉆井液體系，具有剪切稀釋性好，粘滯性低等性能優(yōu)勢。通過自主研發(fā)剛性核柔性殼結構劑、異構長鏈乳化劑、油膨脹聚合物降濾失劑等高性能處理劑，形成了無土相油基鉆井液體系。該體系具有較高的流變性能(摩阻系數<0.05，柴油中動塑比>0.5)，較高的抗溫性能(抗溫達180 ℃)。

2.3.3 頁巖氣水基鉆井液體系

針對頁巖油氣地層特點、長水平段鉆井要求，研發(fā)了以烷基糖苷衍生物為主的ZY-APD水基鉆井液體系。采用烷基糖苷衍生物嵌入及拉緊晶層、吸附成膜；采用納-微米小粒徑封堵劑封堵微裂縫的機理，提高了頁巖的抑制性和裂縫的封堵能力，頁巖相對回收率99.11%，相對抑制率100%。長寧等工區(qū)3口井的現場應用，滿足了水平井的井壁穩(wěn)定、長水平段潤滑防卡和攜巖帶砂需求，實現了頁巖氣水平井水基鉆井液體系的突破。

2.4 頁巖氣隨鉆解釋評價技術

研發(fā)形成了光譜、數字成像、三維定量熒光技術，解決了錄井細巖屑、油基鉆井液油氣可視化、自動化評價技術難題。

運用地質、錄井、隨鉆測量、工程信息隨鉆分析及井眼軌跡三維調控技術，自主研發(fā)了FOCUS綜合地質導向系統(tǒng)(見圖8)，建立鉆井工程、隨鉆測量、錄井作業(yè)三方信息有效融合的平臺，快速、智能地對井身軌跡預測和軌跡優(yōu)化方案做指導，提高了優(yōu)質頁巖儲層鉆遇率。長寧、黃金壩等工區(qū)15口井的成功應用中，12口井的優(yōu)質頁巖儲層的鉆遇率達100%，3口井的優(yōu)質頁巖儲層的鉆遇率大于95%，解決了隨鉆巖性、地層、油氣產狀要素及井身軌跡實時監(jiān)測、調控等技術難題[15]。

圖8長寧XX井完鉆地質導向建模圖

Fig.8Geo-steering modeling map of Well Changning-XX completion

2.5 高效長效密封固井技術

2.5.1 油基鉆井液高效沖洗技術

針對油基鉆井液環(huán)境下，一二界面油膜沖洗困難，固井質量不高的難題，采用陰離子、非離子表面活性劑螯合反應，再復合高效滲透劑、分散劑，形成了油基沖洗液，具有較強滲透、剝離作用，使油膜分散懸浮于沖洗隔離液中，利于清除；同時針對水平井的流體分布，形成了“導漿+親油基沖洗液+驅油隔離液+低密度水泥漿”四級沖洗隔離技術，沖洗率由過去最高的86%提高到98%以上，顯著提高了水泥石膠結質量[16]。

2.5.2 非滲透彈韌性水泥漿體系

為滿足頁巖氣大型水力壓裂增產措施及儲氣庫反復注采的要求，研發(fā)了非滲透彈韌性水泥漿體系[17]，自主研發(fā)的新型彈韌性材料由顆粒和纖維共同組成，改變了纖維單一材料塑性擴展區(qū)大的缺陷，提高了水泥石的彈韌性，水泥石在大型壓裂作用下不發(fā)生破裂，保持了水泥環(huán)的完整性，減少氣竄發(fā)生(見圖9)。

圖9 水泥石性能對比(左：彈韌性水泥石；右：常規(guī)水泥石)

2.6 大型環(huán)保壓裂技術

2.6.1 井工廠“拉鏈式”壓裂技術

針對頁巖氣大規(guī)模壓裂的特點，優(yōu)化設計了壓裂液連續(xù)混配技術、大規(guī)模連續(xù)供砂技術，實時多點取樣檢測，保證配液質量和速度。針對頁巖氣微裂縫發(fā)育、儲層對砂比變化敏感、加砂困難的特性，研究形成了“板凳加砂”段塞加砂方式、“膠液+滑溜水”頂替，降低頂替附加液量，確保井筒替砂干凈，順利泵送和坐封橋塞。研制了高壓分流注入管匯，采用壓裂機組和泵送橋塞機組分別連接高壓注入管線至壓裂井口，實現壓裂施工的同時，對其他井進行泵送橋塞施工；低壓管匯采用壓裂雙混配連續(xù)在線配液供液系統(tǒng)，配套多級供液體系，滿足現場供液需求[18]。

集成配套形成了“井工廠拉鏈式”壓裂施工工藝(見圖10)，采用一套壓裂設備不動位置對多口井多個層段進行連續(xù)的壓裂施工，即一口井壓裂作業(yè)的同時，另一口配對井進行射孔、下橋塞等作業(yè)，二口井交互施工、逐段壓裂?？赏瑫r交替進行4口井拉鏈施工；最高施工壓力達95.9 MPa； 最大施工排量16.1 m3/min。

圖10 “井工廠拉鏈式”壓裂施工地面流程圖

2.6.2 壓裂液重復利用技術

開發(fā)了耐鹽滑溜水體系，聚合物分子在鹽溶液中具有較好的溶解性及柔韌性。該體系使得返排水能夠代替清水配制壓裂液，減少了對淡水資源的需求，分散時間小于國外降阻劑，更適宜現場混配工藝，耐鹽性能更好，表面活性更高。

針對壓裂返排液采用臭氧氧化、絮凝處理和過濾吸附廢水中的有害組分，處理后的返排液可實現配制滑溜水和線性膠的目的；且工藝簡單，連續(xù)操作、快速高效，實現了壓裂返排液的重復利用，提高了水資源的利用率。

2.7 35 kV高壓網電配套工程技術

為積極響應國家節(jié)能減排，降低鉆井成本，充分利用當地電力資源較為充足的有利條件，利用工業(yè)網電作為鉆井動力，通過對常規(guī)鉆機設備的改造，配套變頻無級變速，利用電控系統(tǒng)配諧波治理和無功補償裝置；并結合涪陵、長寧等山地特點，基于能量的高效利用和預算總投資及效益產出，合理調節(jié)變電站增容、優(yōu)化線路走向、線徑、負荷分配等，形成了較為完善的35 kV高壓網電配套工程技術。

通過綜合應用，使用高壓網電進行鉆井，鉆井成本節(jié)約率平均達到38.6%，同時實現了大氣污染物的零排放，提高了清潔生產水平；鉆機噪聲由110 dB降低至70 dB，改善了工作環(huán)境，減少了對井場附近居民生活的影響，有利于節(jié)約、安全、清潔高效生產，并使“綠色鉆井”變?yōu)榱爽F實。

3 應用效果

相關技術成果在中石化、中石油、中海油、江西贛投、湖南神華、貴州頁巖氣等單位的焦石壩、丁山、彭水、川西、蜀南等工區(qū)142口井上的應用，覆蓋了國內主要頁巖氣勘探開發(fā)區(qū)域，先后完成焦頁1HF等14口“1”字號探井，創(chuàng)高指標、新紀錄35項，其中焦頁1井的高質量鉆成，揭開了焦石壩地區(qū)頁巖氣大開發(fā)的序幕；施工的丁頁2HF井，創(chuàng)新了高溫超高壓壓裂技術，并獲得高產氣流。配套技術的應用基本解決了涪陵二期南部、平橋、永川等中深層頁巖氣井施工鉆井深度增加(垂深約3500 m、井深5500 m)、水平段更長(2000 m)等施工難題，施工質量、技術水平不斷提升，有效提高了頁巖氣水平井鉆完井效率和后期的開發(fā)效果。

4 結論與認識

(1)通過關鍵技術攻關和產能建設示范應用，形成了一套適用于我國頁巖氣開發(fā)的鉆井工程技術體系，形成了一批重要技術成果，培育了一支具有國際影響力的技術創(chuàng)新團隊和施工隊伍，極大地推動了頁巖氣鉆井工程技術的進步。

(2)我國深層、常壓等類型頁巖氣的地質條件更為復雜，配套的工具、儀器和鉆井液體系等尚不完善，今后應集中攻關近鉆頭測量、旋轉導向、高效PDC鉆頭等“瓶頸”技術，加快水力振蕩器、短彎螺桿、高溫高密度油基鉆井液以及泡沫固井等自主技術的應用和推廣，持續(xù)優(yōu)化井身結構和鉆井提速工藝，開展一體化技術示范，以盡快形成適用于不同類型頁巖氣特征的較為完善的的鉆完井工藝技術，為我國頁巖氣開發(fā)發(fā)展提供強有力的技術支撐。