彭 興，周玉倉，龍志平，張樹坤

（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.中石化勝利石油工程有限公司固井技術(shù)服務(wù)中心，山東東營 257000）

南川地區(qū)位于涪陵頁巖氣田西南部，受多期構(gòu)造作用，呈現(xiàn)“四隆四凹”構(gòu)造格局，南部志留系頁巖出露，處于高壓—常壓過渡帶[1]。目前有3 個頁巖氣開發(fā)區(qū)塊，分別為平橋南區(qū)塊、焦頁10 井區(qū)和東勝區(qū)塊。2018 年末完成了平橋南區(qū)塊頁巖氣產(chǎn)能建設(shè)工作，累計完鉆30 余口井，測試平均產(chǎn)氣量28.7×104m3/d，建成頁巖氣產(chǎn)能6.5×108m3。平橋南區(qū)塊開發(fā)初期主要借鑒涪陵頁巖氣田鉆井技術(shù)和經(jīng)驗，進行了井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化、個性化高效鉆頭優(yōu)選、井眼軌道設(shè)計優(yōu)化、固井完井方式優(yōu)化和組合鉆機“井工廠”鉆井模式等方面的探索研究，形成了南川地區(qū)頁巖氣水平井優(yōu)快鉆井技術(shù)[2-5]，鉆井周期由開發(fā)初期的93.00 d 縮短至79.67 d，優(yōu)質(zhì)儲層鉆遇率平均在98%以上。盡管南川地區(qū)的水平井機械鉆速整體有了大幅提升，但仍有部分井及井段受復(fù)雜地質(zhì)條件和鉆井工具的限制，周期偏長。為此，筆者在總結(jié)、分析該地區(qū)優(yōu)快鉆井技術(shù)的基礎(chǔ)上，統(tǒng)計了各開次的鉆井指標(biāo)，從井身結(jié)構(gòu)、淺表層溶洞漏失、目的層導(dǎo)向方式等方面分析了鉆井存在的問題，并針對構(gòu)造相對復(fù)雜的焦頁10 井區(qū)和東勝區(qū)塊的鉆井技術(shù)難點提出了攻關(guān)建議，以實現(xiàn)南川地區(qū)頁巖氣井鉆井提速提效。

1 南川頁巖氣水平井鉆井難點

南川地區(qū)目的層埋深2800.00～4200.00 m，其中龍馬溪組屬高壓—常壓過渡帶，壓力系數(shù)1.10～1.35。該地區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，差異性大，平橋南區(qū)塊地表以嘉陵江組為主，焦頁10 井區(qū)和東勝區(qū)塊地表以須家河組或雷口坡組為主。該地區(qū)前期鉆井中存在以下技術(shù)難點：

1）大尺寸井段長，制約了機械鉆速提高。一開φ406.4 mm 井段長600.00～1200.00 m，鉆進中蹩跳鉆嚴(yán)重，一趟鉆完成程度低，嚴(yán)重影響了鉆井時效；二開φ311.1 mm 井段長1500.00～2300.00 m，韓家店組和小河壩組為砂泥巖互層，定向難度大，機械鉆速低，鉆井周期長。

2）關(guān)鍵井段鉆頭選型不夠合理。二疊系龍?zhí)督M、茅口組和志留系韓家店組、小河壩組可鉆性差異大，PDC 鉆頭適應(yīng)性差，機械鉆速低，鉆頭選型難度大，影響了單只鉆頭進尺和鉆井速度。

3）叢式水平井組三維井眼軌道設(shè)計和井眼軌跡控制難度大。受井場選址和井場面積的限制，頁巖氣水平井通常采用叢式井組形式。相比常規(guī)單水平井，叢式井組具有偏移距和靶前位移大的特點。同時，實鉆表明，平橋南區(qū)塊頁巖氣層上部標(biāo)志層“濁積砂”不明顯，地層預(yù)判困難，進一步加大了水平井井眼軌跡預(yù)測、控制和調(diào)整的難度，采用常規(guī)導(dǎo)向鉆井技術(shù)鉆進時托壓嚴(yán)重。

4）水平井固井難度大。地層裂隙、縫洞發(fā)育，承壓能力低，漏失與氣竄并存，完井承壓時間長，采用常規(guī)水泥漿固井，固井質(zhì)量難以保證；同時，后期大型壓裂施工后，環(huán)空帶壓比例高。

5）常規(guī)“井工廠”鉆井模式影響鉆機使用效率。常規(guī)“井工廠”鉆井模式下，單排井僅使用單鉆機進行施工，所有施工工序均由大型鉆機完成，嚴(yán)重制約了鉆機的使用效率。

2 優(yōu)快鉆井關(guān)鍵技術(shù)進展

南川地區(qū)產(chǎn)能建設(shè)借鑒了涪陵頁巖氣田的鉆井方案和安全鉆井相關(guān)經(jīng)驗，進行了井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化、個性化高效鉆頭優(yōu)選、井眼軌道設(shè)計優(yōu)化、固井完井方式優(yōu)化和組合鉆機“井工廠”鉆井模式研究，形成了適合該地區(qū)的頁巖氣水平井優(yōu)快鉆井技術(shù)。

2.1 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

南川地區(qū)開發(fā)初期頁巖氣水平井采用了導(dǎo)管段+三開的井身結(jié)構(gòu)[6-7]，與涪陵頁巖氣田一期基本一致。經(jīng)過一段時間的實踐后，為滿足優(yōu)快鉆井需要，對井身結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化。

2.1.1 預(yù)探井（帶導(dǎo)眼）

導(dǎo)眼井優(yōu)化后采用二開井身結(jié)構(gòu)，雙井徑裸眼完井，即二開采用φ311.1 mm 和φ215.9 mm 復(fù)合井眼，以增強井漏預(yù)防能力、降低鉆井成本。水平井施工視導(dǎo)眼井韓家店組和小河壩組的漏失情況決定：若未發(fā)生漏失，則提前下入技術(shù)導(dǎo)管后在φ215.9 mm井眼內(nèi)側(cè)鉆；若發(fā)生漏失，則在φ311.1 mm 井眼內(nèi)側(cè)鉆，并完成后續(xù)施工作業(yè)。

2.1.2 開發(fā)井

在前期優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)和滿足鉆井安全需求的基礎(chǔ)上，通過進一步縮小井眼直徑、縮短大直徑井段長度，來實現(xiàn)鉆井提速（見圖1）。具體的優(yōu)化措施為：

1）一開中完層位由飛仙關(guān)組飛三段優(yōu)化為飛仙關(guān)組飛一段，使大直徑井段長度縮短100.00 m。

2）二開中完層位由龍馬溪組上部優(yōu)化為韓家店組或小河壩組上部，使定向大直徑井段長度縮短350.00～1000.00 m，機械鉆速提高約30%。

3）優(yōu)化完井參數(shù)。完井口袋由45.00 m 減至23.00 m，縮短無效進尺；局部調(diào)整完井管柱結(jié)構(gòu)，由“浮箍+長套管+浮箍”調(diào)整為“浮箍+套管短節(jié)+浮箍”，充分利用實鉆進尺。

2.2 個性化高效鉆頭優(yōu)選

圖1 開發(fā)井井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案示意Fig.1 Optimization scheme of development well casing program

1）龍?zhí)督M、茅口組鉆頭選型。龍?zhí)督M、茅口組為含粉砂巖、硅質(zhì)條帶及燧石團塊灰?guī)r地層，PDC鉆頭適應(yīng)性較差。為此，將PDC 鉆頭結(jié)構(gòu)特征優(yōu)化為六刀翼、中密度布齒、大后傾角（漸變）、減振托（齒）和復(fù)合保徑，外錐段主切削齒采用抗研磨齒，整體可混布，研制了φ311.1 mm HD616Y 型PDC 鉆頭，并在焦頁10 井茅口組—梁山組進行了應(yīng)用，進尺376.28 m，機械鉆速達到7.89 m/h，實現(xiàn)了單只鉆頭鉆穿茅口組，機械鉆速提高29.1%；優(yōu)選了斧形齒PDC 鉆頭，在焦頁XX-3HF 井中配合高強度大扭矩等壁厚螺桿，一趟鉆穿越龍?zhí)督M進入茅口組，平均機械鉆速7.27 m/h，改變了之前龍?zhí)督M、茅口組使用牙輪鉆頭過渡的情況。這2 類PDC 鉆頭都能使該層段鉆井“減少1 只鉆頭、減少1 次起下鉆”，可以推廣應(yīng)用。

2）志留系韓家店組、小河壩組鉆頭選型。韓家店組、小河壩組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。在該段地層選擇鉆頭時，主要考慮鉆頭的穩(wěn)定性和抗沖擊性，兼顧定向需求，因此，PDC 鉆頭需要具有φ16.0 mm（副切）六刀翼+φ13.0 mm（單排+減振）六刀翼的結(jié)構(gòu)特征，推薦選用MDSi616LMEBPX 型、KPM1633DST 型和U516M 型PDC 鉆頭。另外，通過現(xiàn)場實踐發(fā)現(xiàn)，KPM 加強型混合鉆頭也是該地層定向段很好的選擇，平均壽命可達70 h 以上，平均機械鉆速達到6.70 m/h，相比前期所用鉆頭提高23.6%。

2.3 井眼軌道設(shè)計優(yōu)化

南川地區(qū)頁巖氣水平井多采用交叉形和魚鉤形叢式井組布井方式，相比常規(guī)叢式（水平）井，具有偏移距和靶前位移大的特點，鉆井過程中存在扭方位工作量、滑動鉆進摩阻和井眼防碰壓力大、地層預(yù)判難等問題[8]。為解決這些問題，從以下幾方面進行優(yōu)化：

1）井眼軌道。對于二維或扭方位角小于30°的頁巖氣水平井，采用空間五段制井眼軌道即可滿足要求，即“直—增—穩(wěn)—增—平”軌道；對于三維頁巖氣水平井，扭方位角通常大于30°，采用空間六段制井眼軌道，即“直—增—穩(wěn)—扭—變增—平”軌道，第四段為扭方位井段。

2）軌道參數(shù)。在靶點垂深和靶前位移滿足要求的前提下，選擇在二疊系下統(tǒng)以深地層進行定向較為容易，造斜段的造斜率設(shè)計在（4.0°～5.5°）/30m，第一穩(wěn)斜段井斜角設(shè)計在26°～40°，水平段設(shè)計造斜率小于3°/30m。

3）斜導(dǎo)眼取心技術(shù)。斜導(dǎo)眼有利于認(rèn)識側(cè)鉆水平井著陸段地層，減小中靶誤差。但斜導(dǎo)眼取心工藝應(yīng)用較少，井斜角超過30°時取心難度較大，采用常規(guī)取心工具無法保證內(nèi)筒居中。為此，優(yōu)選了適用于中硬、硬地層定向井取心的Db-8100 型取心工具，選用了機械鉆速較快的SCM306 型取心鉆頭。上述取心工具在2 口井的斜導(dǎo)眼取心作業(yè)均取得了成功：焦頁XX-2HF 井在井斜角40°的井段取心10 回次，進尺72.10 m，巖心長59.57 m，收獲率82.62%；焦頁XX-3HF 井總共取心作業(yè)9 回次，取心進尺90.04 m，巖心長88.09 m，收獲率97.83%。

2.4 固井完井方式優(yōu)化

為解決南川地區(qū)產(chǎn)層固井承壓能力低、易漏失等問題，優(yōu)化了固井施工流程和水泥漿漿柱結(jié)構(gòu)設(shè)計，引入了泡沫水泥漿[9-12]。優(yōu)化后的具體措施為：對于不發(fā)生漏失的井，進行試壓驗證，不單獨承壓；對于鉆井過程中易漏失或承壓能力低的井，采用泡沫水泥漿固井，減少承壓工作量，縮短固井作業(yè)時間。焦頁XX-1HF 井、彭頁XXHF 井和隆頁XXHF井等8 口井三開鉆進時多次發(fā)生漏失，漏層難以確定，采用泡沫水泥漿成功完成了目的層固井，節(jié)約了堵漏作業(yè)時間，固井優(yōu)良率達到100%。

與此同時，采取多項措施預(yù)防環(huán)空帶壓：

1）技術(shù)套管由長圓扣套管改為氣密封扣套管，對技術(shù)套管及油層套管與技術(shù)套管重疊段進行氣密封檢測，以保證套管的密封有效性。

2）技術(shù)套管固井時，因地層承壓能力低，采用泡沫水泥漿；生產(chǎn)套管固井時，以常規(guī)密度的彈韌性、柔性水泥漿為尾漿，封固裸眼井段，在滿足高強度要求的條件下，要求水泥石的彈性模量小于6 GPa，以提高壓裂及生產(chǎn)期間的井筒完整性。推廣應(yīng)用預(yù)應(yīng)力固井技術(shù)，一是采用清水頂替，降低套管內(nèi)替漿液柱壓力；二是環(huán)空憋壓，要求憋壓12～18 MPa，采取逐級憋壓的方式。

3）目前南川地區(qū)頁巖氣水平井油層套管固井返高為1000.00 m，根據(jù)現(xiàn)場實踐和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，將水泥返高優(yōu)化在二開造斜點以上300.00 m。

10 口井采取上述措施固井，壓裂前未發(fā)現(xiàn)環(huán)空帶壓情況，壓裂后也無帶壓現(xiàn)象，有效解決了環(huán)空帶壓問題。

2.5 組合鉆機“井工廠”鉆井模式

組合鉆機“井工廠”鉆井模式，是指先用小型鉆機（車載鉆機或小型石油鉆機）鉆導(dǎo)管段和一開井段，然后將小型鉆機移到同井場的下一口井進行同樣的操作，直至完成同井場各井的導(dǎo)管段及一開井段鉆井作業(yè)[13-14]；隨后，用大型鉆機依次完成二開造斜段和水平段鉆井作業(yè)，接著下油層套管并進行固井。其具體施工流程如圖2 所示。

圖2 組合鉆機“井工廠”鉆井模式施工流程Fig.2 Construction flow of multi-well pad mode with combined drilling rig

組合鉆機“井工廠”鉆井模式的技術(shù)優(yōu)勢是，用小型鉆機完成淺地層鉆井，減小大型鉆機的使用占比，以提高鉆速、降低鉆井成本。例如，勝頁2 平臺采用了“ZJ40 型+ZJ50 型”組合鉆機運行模式，用ZJ40 型鉆機鉆進6 口井的導(dǎo)管段和一開井段，用ZJ50 型鉆機鉆進二開井段，機械鉆速有較大幅度提高，單井節(jié)約成本139 萬元。

3 平橋南區(qū)塊鉆井時效分析

截至目前，頁巖氣水平井優(yōu)快鉆井技術(shù)已在南川地區(qū)平橋南區(qū)塊應(yīng)用了30 余口井，平均完鉆井深5358.00 m，水平段長1587.00 m，平均鉆井周期由開發(fā)初期的93.00 d 縮短至79.67 d，其中最短鉆井周期37.02 d，一趟鉆進尺大于1000.00 m 的井超過60%，提速提質(zhì)效果顯著。下面對平橋南區(qū)塊已完鉆30 余井的鉆井時效進行具體分析。

3.1 各開鉆進時間及機械鉆速分析

導(dǎo)眼段最長鉆進時間1.79 d，最短鉆進時間0.35 d，平均鉆進時間1.12 d，中完時間2.45 d；一開最長鉆進時間13.94 d，最短鉆進時間1.02 d，平均鉆進時間3.96 d，中完時間4.21 d；二開最長鉆進時間83.21 d，最短鉆進時間14.83 d，平均鉆進時間31.03 d，中完時間7.62 d；三開最長鉆進時間98.32 d，最短鉆進時間11.58 d，平均鉆進時間29.28 d。

導(dǎo)眼段最高機械鉆速16.25 m/h，最低機械鉆速1.37 m/h，平均機械鉆速5.50 m/h；一開最高機械鉆速27.25 m/h，最低機械鉆速7.19 m/h，平均機械鉆速16.98 m/h；二開最高機械鉆速10.27 m/h，最低機械鉆速3.74 m/h，平均機械鉆速6.45 m/h；三開最高機械鉆速15.69 m/h，最低機械鉆速5.08 m/h，平均機械鉆速9.45 m/h；水平段最高機械鉆速17.55 m/h，最低機械鉆速6.60 m/h，平均機械鉆速9.85 m/h。

其中，焦頁XX-1HF 井完鉆井深4667 m，實際鉆井周期37.12 d，機械鉆速11.72 m/h，創(chuàng)造了平橋南區(qū)塊4500.00～5000.00 m 頁巖氣井鉆井周期最短、機械鉆速最高紀(jì)錄；焦頁XX-4HF 井實際完鉆井深5303.00 m，三開單趟鉆進尺2556.00 m，機械鉆速16.90 m/h，刷新了平橋南區(qū)塊三開鉆井單趟鉆進尺最大、機械鉆速最高的紀(jì)錄。

3.2 三開鉆井時效分析

平橋南區(qū)塊頁巖氣水平井三開井段的平均鉆進時間為29.28 d（剔除3 口復(fù)雜井后，三開平均鉆進時間為22.12 d），平均機械鉆速為9.45 m/h（其中，水平段機械鉆速為9.85 m/h）。4 口井實現(xiàn)了水平段一趟鉆完成（其中2 口井實現(xiàn)了三開井段一趟鉆完成），多數(shù)井在3 趟鉆以上。另外，統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，一趟鉆進尺大于1000.00 m 的井超過60%，主要采用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具鉆進。

4 面臨的挑戰(zhàn)及技術(shù)發(fā)展建議

頁巖氣水平井優(yōu)快鉆井技術(shù)在南川地區(qū)平橋南區(qū)塊取得了較好的提速效果，但隨著該地區(qū)的開發(fā)向地質(zhì)條件更加復(fù)雜的焦頁10 井區(qū)和東勝區(qū)塊拓展，鉆遇井下復(fù)雜情況更頻繁、鉆井提速難度更大，該技術(shù)的應(yīng)用效果開始變差。因此，需要進一步開展技術(shù)攻關(guān)研究。分析認(rèn)為，應(yīng)重點解決淺表層破碎帶縫洞穿越、龍馬溪組井眼失穩(wěn)問題，并合理選擇目的層導(dǎo)向工具。

4.1 穿越淺表層破碎帶縫洞

焦頁10 井區(qū)和東勝區(qū)塊的淺層主要為雷口坡組—嘉陵江組，裂縫、溶洞發(fā)育，鉆井過程中極易發(fā)生漏失，并且堵漏難度大、成功率低。根據(jù)前期鉆進淺表層積累的經(jīng)驗，對穿越淺表層大型縫洞提出如下建議：

1）平臺選址要避開溶洞、破碎帶。已在該地區(qū)完成了多個平臺淺表層裂縫、溶洞發(fā)育情況的微動探測，測試結(jié)果與部分已鉆平臺的裂縫、溶洞發(fā)育情況基本吻合，可作為平臺選址的依據(jù)。

2）若無法規(guī)避破碎帶和漏層，可采取以下技術(shù)措施：鉆遇破碎帶前，注入高黏度速凝水泥漿（黏度高，是為了減少水泥徑向流動；速凝，是為了減小流動范圍），提前穩(wěn)固地層；嘗試應(yīng)用對復(fù)雜地層適應(yīng)性強、循環(huán)介質(zhì)上返速度高、攜巖能力強的空氣反循環(huán)鉆井技術(shù)，以減少巖屑重復(fù)破碎與砂卡的發(fā)生。

4.2 解決龍馬溪組井眼失穩(wěn)問題

焦頁10 井區(qū)龍馬溪組地質(zhì)條件復(fù)雜，水平段鉆進過程中垮塌掉塊嚴(yán)重、阻卡頻繁，鉆井周期長，嚴(yán)重制約了該區(qū)塊頁巖氣資源的高效開發(fā)。通過單一提高鉆井液密度的措施無法解決井眼失穩(wěn)難題，因此，建議進行以下技術(shù)攻關(guān)：1）分析不同井區(qū)龍馬溪組儲層巖性物性特征，建立對應(yīng)的水平段井眼失穩(wěn)力學(xué)模型；2）通過開展已使用油基鉆井液對儲層井壁穩(wěn)定性影響的試驗，建立力學(xué)-化學(xué)耦合井眼失穩(wěn)模型；3）基于井眼失穩(wěn)模型，研制或改良油基鉆井液，實現(xiàn)井壁加固或穩(wěn)定。

4.3 優(yōu)選目的層導(dǎo)向工具

統(tǒng)計并分析了常規(guī)LWD、近鉆頭地質(zhì)導(dǎo)向和旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向等3 種導(dǎo)向工具在南川地區(qū)頁巖氣開發(fā)中的綜合應(yīng)用成本，結(jié)果見表1。

表1 3 種導(dǎo)向工具的綜合應(yīng)用成本Table 1 Comprehensive application cost of three steering tools

從表1 可以看出，南川地區(qū)頁巖氣開發(fā)逐漸向焦頁10 井區(qū)和東勝區(qū)塊拓展后，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的優(yōu)勢在逐步減弱，主要體現(xiàn)在以下3 方面：1）旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具供不應(yīng)求，導(dǎo)致價格上漲；2）工具使用頻次高，維護保養(yǎng)不及時，造成故障率提高；3）隨著頁巖氣開發(fā)不斷深入，靠近構(gòu)造邊緣及復(fù)雜構(gòu)造帶的井越來越多，水平段井漏、垮塌風(fēng)險逐漸增大，井下不安全因素給旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的使用帶來了很大障礙。因此，對于導(dǎo)向工具的選擇提出以下建議：

1）設(shè)計水平井靶點時，要注意工程風(fēng)險，同時綜合考慮地質(zhì)甜點和工程甜點，尋找最優(yōu)甜點。

2）針對地層不清晰、產(chǎn)狀變化大的水平井，優(yōu)先采用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具控制井眼軌跡，以提高中靶率及施工效率；對于地層走向清楚、產(chǎn)狀穩(wěn)定的水平井，可選用常規(guī)LWD 進行導(dǎo)向，以降低鉆井成本。

3）無論采用何種導(dǎo)向工具，都要遵循“減少調(diào)整、及時調(diào)整、增大復(fù)合鉆進比例、兼顧工程甜點和地質(zhì)甜點”的原則，以保證井眼平滑，降低工程風(fēng)險。

5 結(jié)論與建議

1）在借鑒涪陵頁巖氣田鉆井方案和安全鉆井相關(guān)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，進行了井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化、個性化高效鉆頭優(yōu)選、井眼軌道設(shè)計優(yōu)化、固井完井方式優(yōu)化和組合鉆機“井工廠”鉆井模式研究，形成了南川地區(qū)頁巖氣水平井優(yōu)快鉆井技術(shù)，鉆井周期大幅縮短，機械鉆速和鉆井質(zhì)量得到進一步提高。

2）針對南川地區(qū)焦頁10 井區(qū)和東勝區(qū)塊地表條件、地質(zhì)構(gòu)造相對于平橋南更加復(fù)雜，鉆井作業(yè)井下復(fù)雜情況更加頻繁、鉆井提速難度更大的情況，提出應(yīng)重點解決淺表層破碎帶縫洞穿越、龍馬溪組井眼失穩(wěn)問題，并合理選擇目的層導(dǎo)向工具。

3）已有實踐證明，組合鉆機“井工廠”鉆井模式能夠大幅提高鉆機運行效率、降低生產(chǎn)費用，建議在南川地區(qū)頁巖氣水平井鉆井中全面推廣應(yīng)用。