劉衍前

（中石化江漢石油工程有限公司鉆井一公司，湖北潛江 433100）

涪陵頁(yè)巖氣田是我國(guó)首個(gè)大型頁(yè)巖氣田，地表屬山地喀斯特地貌，海拔300.00～1000.00 m[1-4]。為進(jìn)一步提高資源儲(chǔ)量動(dòng)用率，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)增效，涪陵頁(yè)巖氣田在焦石壩主體區(qū)塊部署了200 余口加密井。根據(jù)涪陵頁(yè)巖田儲(chǔ)層特征，涪陵頁(yè)巖氣田加密井主要有井間加密和層間加密2 種部署方式。涪陵頁(yè)巖氣田焦石壩區(qū)塊的目的層主要為五峰組和龍馬溪組暗色碳質(zhì)、硅質(zhì)泥頁(yè)巖地層，厚度在80.00～110.00 m，地質(zhì)上劃分為①～⑨小層，分為2 套開發(fā)氣層。井間加密井主要針對(duì)下部①～⑤小層，該氣層為前期開發(fā)的主要目的層，探明地質(zhì)儲(chǔ)量1593.3×108m3。由于前期開發(fā)井水平段間距為600.00 m，兩井水平段中間部分儲(chǔ)層資源未能動(dòng)用，在目前一次井網(wǎng)和壓裂改造條件下，初步評(píng)價(jià)下部氣層儲(chǔ)量動(dòng)用程度為36.7%～41.9%，未動(dòng)用儲(chǔ)量達(dá)（801.5～874.1） ×108m3，提高儲(chǔ)量動(dòng)用率和采收率的潛力較大。為此，涪陵頁(yè)巖氣田將井間加密井的間距縮短為300.00 m，以提高下部?jī)?chǔ)層資源動(dòng)用率；層間加密井則針對(duì)上部⑥～⑨小層，即當(dāng)前未動(dòng)用儲(chǔ)層，探明地質(zhì)儲(chǔ)量1227.87×108m3；前期已部署5 口加密評(píng)價(jià)井，測(cè)試日產(chǎn)氣量為（5.3～28.0）×104m3，證實(shí)了加密井具有良好的經(jīng)濟(jì)可采性[5]。

加密井多處于頁(yè)巖氣壓裂區(qū)，且井網(wǎng)密集，特殊的地質(zhì)及工程特征給安全鉆井帶來(lái)了一系列技術(shù)挑戰(zhàn)，且國(guó)內(nèi)外沒有可供借鑒的經(jīng)驗(yàn)。為此，筆者在分析涪陵頁(yè)巖氣田加密井鉆井技術(shù)難點(diǎn)的基礎(chǔ)上開展了技術(shù)攻關(guān)，構(gòu)建了壓裂區(qū)加密井地層壓力計(jì)算模型，建立了加密井鉆井液安全密度窗口設(shè)計(jì)方法，提出了防壓裂干擾井眼軌道設(shè)計(jì)方法，研發(fā)了壓裂區(qū)加密井防漏堵漏技術(shù)，制定了壓裂區(qū)加密井溢漏同存防控技術(shù)措施，形成了適用于涪陵頁(yè)巖氣田的加密井鉆井關(guān)鍵技術(shù)，以期為涪陵頁(yè)巖氣田二期產(chǎn)能建設(shè)提供技術(shù)支撐，并為國(guó)內(nèi)同類頁(yè)巖氣田的開發(fā)提供技術(shù)參考和借鑒。

1 加密井鉆井技術(shù)難點(diǎn)

1.1 壓裂裂縫導(dǎo)致井壁垮塌和井漏等井下故障

1.2 易發(fā)生氣侵、溢流，井控風(fēng)險(xiǎn)大

壓裂會(huì)對(duì)地層產(chǎn)生增壓作用，導(dǎo)致壓裂區(qū)地層的孔隙壓力升高。在孔隙壓力作用下，鄰井儲(chǔ)層內(nèi)的氣體通過(guò)壓裂裂縫進(jìn)入正鉆井，導(dǎo)致壓裂后地層壓力體系紊亂，地層對(duì)鉆井參數(shù)敏感度高，如改變鉆井工況或調(diào)整鉆井參數(shù)，易發(fā)生氣侵、溢流等井下故障。

1.3 壓裂裂縫串通導(dǎo)致正鉆井鉆井液污染

加密井鉆井過(guò)程中，如鄰井同時(shí)進(jìn)行壓裂作業(yè)，鄰井的壓裂裂縫會(huì)與正鉆井之間出現(xiàn)井間連通，造成鄰井壓裂液污染正鉆井的油基鉆井液，影響鉆井液的流動(dòng)性、濾失量和破乳電壓等性能，以及鉆井施工和井下安全。

1.4 同平臺(tái)井位增多，防碰壓力增大

在已有密集井網(wǎng)內(nèi)部署加密井時(shí)，存在直井段防碰壓力大、鉆遇壓裂干擾區(qū)后鉆井風(fēng)險(xiǎn)高、繞障軌道設(shè)計(jì)難度大和井眼軌跡控制難等問(wèn)題。

2 加密井安全鉆井關(guān)鍵技術(shù)

2.1 地層孔隙壓力計(jì)算模型的建立

頁(yè)巖地層具有納米孔隙、超低滲特點(diǎn)，基質(zhì)內(nèi)的頁(yè)巖氣基本不流動(dòng)，天然裂縫為頁(yè)巖氣的主要流動(dòng)通道。已鉆頁(yè)巖氣井表明：鉆井及壓裂過(guò)程中向地層補(bǔ)充了能量，提高了波及區(qū)的滲透率，導(dǎo)致孔隙壓力升高。為此，基于定容封閉氣藏物質(zhì)平衡理論[6]，根據(jù)焦石壩主體龍馬溪組①～⑤小層含氣性等儲(chǔ)層特性、壓裂規(guī)模和壓裂前地層孔隙壓力測(cè)試結(jié)果等，應(yīng)用氣體狀態(tài)方程，估算了壓裂動(dòng)用的頁(yè)巖氣儲(chǔ)量?？紤]壓裂范圍內(nèi)的壓裂工作液體積對(duì)地層氣體體積的擠占效應(yīng)，估算不同壓裂有效性地層壓裂后的孔隙壓力，發(fā)現(xiàn)當(dāng)壓裂施工規(guī)模為設(shè)計(jì)規(guī)模的70%時(shí)，與主體區(qū)壓裂前的地層壓力測(cè)試結(jié)果吻合度高，壓裂效果與工程實(shí)踐認(rèn)識(shí)或微地震測(cè)試結(jié)果一致。例如，焦石壩區(qū)塊壓裂液體積為3×104m3，壓裂前孔隙壓力當(dāng)量密度為1.37 kg/L，估算壓裂后地層壓力當(dāng)量密度為1.54 kg/L，測(cè)試其為1.55 kg/L。

基于有效應(yīng)力原理，考慮壓裂誘導(dǎo)裂縫系統(tǒng)對(duì)有效應(yīng)力的降低作用，建立了考慮地層裂縫滲透率變化影響、沿水平井軌跡動(dòng)態(tài)變化的孔隙壓力求取模型：

本文通過(guò)分析了普通傳統(tǒng)公路養(yǎng)護(hù)的弊端，突出了同步碎石封層技術(shù)的優(yōu)秀之處，并且該項(xiàng)技術(shù)在我國(guó)公路養(yǎng)護(hù)中的比重越來(lái)越大，越來(lái)越成熟。該項(xiàng)技術(shù)完美的將節(jié)省投資成本、縮短作業(yè)時(shí)間結(jié)合，并且通過(guò)層層檢測(cè)，保證了同步碎石封層技術(shù)在后期使用過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題能及時(shí)解決，總得來(lái)說(shuō)，相比較于傳統(tǒng)的普通公路養(yǎng)護(hù)方法，該項(xiàng)技術(shù)大大提高了工作效率，既環(huán)保又省時(shí)省力，獲得了良好的經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，贏得了良好的社會(huì)效益，已逐漸成為我國(guó)公路交通建設(shè)的重點(diǎn)發(fā)展項(xiàng)目，成為今后很長(zhǎng)一段時(shí)間里的公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)的主要發(fā)展方向和發(fā)展趨勢(shì)。

式中：pp為地層孔隙壓力，MPa；σv為上覆巖石壓力，MPa；vp為縱波速度，m/s；vs為橫波速度，m/s；υ為泊松比，K''為滲透率動(dòng)態(tài)變化參數(shù)，表示裂縫系統(tǒng)對(duì)有效應(yīng)力的降低效果，為經(jīng)驗(yàn)值；A，b，C，d，E和f為系數(shù)。

應(yīng)用考慮滲透率變化影響的動(dòng)態(tài)孔隙壓力分析方法，對(duì)涪陵頁(yè)巖氣田某平臺(tái)鉆井的水平段進(jìn)行了地層壓力分析。分析結(jié)果表明：鄰井壓裂前鉆井過(guò)程中孔隙壓力當(dāng)量密度為1.10～1.30 kg/L，局部受地層裂縫的影響略大于地層原始?jí)毫Γ粔毫押?，孔隙壓力?dāng)量密度升至1.40～1.60 kg/L。

2.2 合理鉆井液密度窗口設(shè)計(jì)

2.2.1 鉆井液密度窗口確定準(zhǔn)則

確定合理鉆井液密度窗口是壓裂區(qū)加密井安全鉆井的基礎(chǔ)，對(duì)防控溢漏具有重要作用。頁(yè)巖氣壓裂區(qū)儲(chǔ)層為裂縫性儲(chǔ)層，前期研究結(jié)果表明：裂縫性儲(chǔ)層在較大負(fù)壓差下只發(fā)生溢流，在較大正壓差下只發(fā)生漏失，在平衡和近平衡條件下同時(shí)發(fā)生溢流和漏失，即溢漏同存。裂縫性地層存在重力置換窗口，在重力置換窗口內(nèi)溢流與漏失并存，壓力處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)[7]。

物理模擬試驗(yàn)結(jié)果表明，頁(yè)巖裂縫性地層存在氣侵、置換和井漏等3 種動(dòng)態(tài)界面形態(tài)[8]。隨著地層與井筒之間壓差的變化，裂縫中地層流體流動(dòng)呈現(xiàn)出明顯的3 個(gè)區(qū)間，3 個(gè)區(qū)間內(nèi)存在2 個(gè)臨界點(diǎn)，分別為上臨界點(diǎn)（氣液分界面與裂縫上緣平齊）與下臨界點(diǎn)（氣液分界面與裂縫下緣平齊）。物理模擬分析結(jié)果表明：壓裂區(qū)鉆井時(shí)無(wú)嚴(yán)格意義的安全密度窗口，因此提出了壓裂區(qū)鉆井微過(guò)平衡鉆井液密度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，即在保證井控安全的前提下允許微量漏失，此時(shí)井筒內(nèi)的壓力略過(guò)于上臨界點(diǎn)。

2.2.2 合理鉆井液密度窗口確定方法

按照微過(guò)平衡鉆井液密度窗口設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，需確定漏失壓力與漏失量之間的關(guān)系，即建立符合涪陵頁(yè)巖氣壓裂區(qū)的漏失方程。鉆井液漏失與鉆井液密度、鉆井液黏度及地層漏失通道特性等多個(gè)因素有關(guān)，其中壓差與漏失速率存在明顯的關(guān)聯(lián)性，壓差與漏失速率的數(shù)學(xué)關(guān)系表達(dá)式為[9]：

式中：Q為漏失速率，m3/h；K為漏失系數(shù)；Δp為壓差，MPa；n為表述鉆井液滲漏狀態(tài)的系數(shù)，地層為中等孔隙地層時(shí)，n=1，地層為微孔隙地層時(shí)，n=2。

根據(jù)該區(qū)域的鉆井實(shí)踐，采用統(tǒng)計(jì)分析回歸法確定漏失方程的系數(shù)。該區(qū)域的鉆井液漏失擬合曲線如圖1 所示，漏失壓差可表示為：

圖1 涪陵頁(yè)巖氣田壓裂區(qū)鉆井液漏失擬合曲線Fig.1 Drilling fluid leakage fitting curve of fracturing zones in the Fuling Shale Gas Field

由式（1）確定頁(yè)巖氣壓裂區(qū)的孔隙壓力，JY22-3HF井的漏失壓差計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 JY22-3HF 井不同井深漏失特征統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics on leakage characteristics of well JY22-3HF at different depths

按照上述鉆井液密度窗口確定方法，以JY21-S2井和JY5-S1 井為例進(jìn)行說(shuō)明。安全窗口下限為裂縫性地層孔隙壓力，按式（1）計(jì)算孔隙壓力；安全窗口上限為漏失壓力，設(shè)置允許漏失量為0.5 m3/h。根據(jù)漏失方程式（3），確定最小壓差為2.34 MPa，垂深2300.00～2500.00 m，折算當(dāng)量密度為0.09～0.10 kg/L（見表2）。JY21-S2 井和JY5-S1 井采用上述方法設(shè)計(jì)鉆井液密度窗口，未發(fā)生溢漏等井下故障。

表2 壓裂區(qū)加密井鉆井液密度設(shè)計(jì)方法應(yīng)用情況Table 2 Application of drilling fluid density design method for infill wells in fracturing zones

2.3 防壓裂干擾井眼軌道設(shè)計(jì)

2.3.1 壓裂干擾安全距離的確定

利用數(shù)值模擬方法，結(jié)合鉆井工程實(shí)踐，確定頁(yè)巖儲(chǔ)層壓裂區(qū)的范圍及井眼軌道避讓距離。對(duì)于天然裂縫，水平段盡量平行于斷層，水平井眼軌道與斷層的距離在300.00 m 以上；同一平臺(tái)的2 口交叉平行井，一口井的A靶點(diǎn)與另一口井B靶點(diǎn)（井底）的距離在80.00 m 以上。對(duì)于人工裂縫（壓裂裂縫），井眼軌道應(yīng)避開已壓裂井生產(chǎn)壓力下降不超過(guò)10 MPa 的壓裂裂縫區(qū)（裂縫半長(zhǎng)+50.00 m）；與同一水平線上的已壓裂井軌道距離大于縫高（約50.00 m）；2 口先后施工的相鄰井，一口井A靶點(diǎn)距另一口井B靶點(diǎn)或A靶點(diǎn)的垂向和水平方向避讓距離分別為50.00 和80.00 m，以此進(jìn)行三維空間繞障設(shè)計(jì)，并盡可能避免鄰井同步進(jìn)行壓裂和鉆井施工。

2.3.2 防壓裂干擾井眼軌道設(shè)計(jì)

確定壓裂干擾安全距離后，需對(duì)壓裂區(qū)加密井進(jìn)行井眼軌道設(shè)計(jì)，在常規(guī)井眼軌道設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，還需避開壓裂干擾區(qū)。頁(yè)巖氣井壓裂區(qū)井眼的防壓裂干擾設(shè)計(jì)主要有繞障軌道設(shè)計(jì)和微調(diào)靶點(diǎn)（靶點(diǎn)軸移和平移）2 種方法。通過(guò)分析繞障軌道和靶點(diǎn)微調(diào)與鉆井工程參數(shù)間的關(guān)系，評(píng)價(jià)了壓裂區(qū)繞障技術(shù)的工程適用性，結(jié)果見表3 和表4。

表3 繞障軌道對(duì)工程參數(shù)的影響Table 3 Influence of obstacle-bypassing track on engineering parameters

表4 靶點(diǎn)調(diào)整對(duì)工程參數(shù)的影響Table 4 Influence of target point adjustment on engineering parameters

從表3 和表4 可以看出：繞障軌道的工程實(shí)踐難度高，鉆井效率低，嚴(yán)重影響鉆井周期；采用微調(diào)靶點(diǎn)方法，同樣可以避開壓裂區(qū)，且對(duì)鉆井工程實(shí)踐難度影響較小：軌道井深增加深度小于100.00 m，扭方位角增大量小于20°，增加的摩阻小于40 kN。因此，壓裂區(qū)加密井的繞障軌道設(shè)計(jì)技術(shù)思路為：在地質(zhì)條件允許的情況下，以微調(diào)靶點(diǎn)為主，以繞障軌道設(shè)計(jì)為輔[10-13]。例如，JYXX-5HF 井采用靶點(diǎn)平移避開壓裂區(qū)，將A靶點(diǎn)前移100.00 m，最近防碰距離由31.30 m 增大為83.70 m，井深增加約60.00 m，施工難度與調(diào)整前相當(dāng)。

2.4 壓裂區(qū)防漏堵漏技術(shù)

壓裂區(qū)地層裂縫發(fā)育，裂縫尺寸差異較大，裂縫分布無(wú)規(guī)律，針對(duì)壓裂區(qū)地質(zhì)及工程特征，從優(yōu)化改善加密井油基鉆井液基本性能、研發(fā)隨鉆防漏堵漏鉆井液等方面入手[14-16]，形成了壓裂區(qū)加密井防漏堵漏技術(shù)。

通過(guò)室內(nèi)評(píng)價(jià)試驗(yàn)，優(yōu)化了加密井油基鉆井液基本性能，確定了影響油基鉆井液基本性能關(guān)鍵添加劑的最優(yōu)加量，其配方為柴油+3%～5%主乳化劑+2%～3%輔乳化劑+3%～5%生石灰+4%～6%有機(jī)土+2%～4%油基降濾失劑+4%～8%油基封堵劑+10%～50%CaCl2溶液。

研發(fā)了隨鉆防漏油基鉆井液，優(yōu)選了剛性材料與柔性材料相結(jié)合的堵漏材料，以JHCarb 為剛性隨鉆封堵材料、以HIFLEX 為柔性顆粒材料，針對(duì)不同漏失特征，形成了不同配比關(guān)系的隨鉆防漏油基鉆井液，并制定了隨鉆防漏技術(shù)方案。

HIFLEX 柔性顆粒材料的粒徑分布范圍大，可封堵各類滲透地層，因此以HIFLEX 柔性顆粒材料為堵漏劑，以H-Seal 彈性石墨材料為橋堵劑，研發(fā)了加密井承壓堵漏油基鉆井液，形成了承壓堵漏技術(shù)方案。根據(jù)合理粒徑配比關(guān)系，形成了承壓堵漏漿配方：油基鉆井液+15%～20% DualGUARD+5%～8%H-Seal+5%～10%JHCarb1400+3%～8%JHCarb450+15%～18%JHCarb250+5%～10%HIFLEX150+5%～10%HIFLEX250。

2.5 溢漏同存防控技術(shù)方案

從鉆井井位部署開始就介入，通過(guò)確定壓裂干擾區(qū)影響范圍，評(píng)價(jià)溢漏復(fù)雜情況的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)，分析繞障設(shè)計(jì)的必要性，提出風(fēng)險(xiǎn)控制對(duì)策，實(shí)現(xiàn)全周期防控方案的最優(yōu)化設(shè)計(jì)，以達(dá)到最大程度地降低裂縫發(fā)育區(qū)鉆井發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)的目的；同時(shí)，制定壓裂區(qū)溢漏同存防控的詳細(xì)技術(shù)方案。

針對(duì)壓裂區(qū)易發(fā)生漏失和溢流，且溢流時(shí)間短、溢流量大和井控作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)高的問(wèn)題，研發(fā)了出入口流量定量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)溢流早監(jiān)測(cè)、早發(fā)現(xiàn)、早處理，降低井控作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。基于不同氣侵強(qiáng)度特征，兼顧地層裂縫漏失條件，制定不同控壓設(shè)備配置與技術(shù)方案，保障了井筒壓力控制安全。氣侵強(qiáng)度較低時(shí)，采用常規(guī)欠平衡鉆井工藝處理；氣侵強(qiáng)度較大時(shí)，需增加自動(dòng)控制節(jié)流系統(tǒng)進(jìn)行主動(dòng)控制；強(qiáng)氣侵情況下，需增加回壓泵、PWD 等裝備儀器，實(shí)施全過(guò)程的地面井下一體化監(jiān)測(cè)和自動(dòng)精細(xì)控制；漏失嚴(yán)重時(shí)，還需增加環(huán)空液面監(jiān)測(cè)和灌漿裝置，以確保井筒液面穩(wěn)定[17-19]。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

壓裂區(qū)加密井鉆井關(guān)鍵技術(shù)已在涪陵頁(yè)巖氣田應(yīng)用31 口井，其中層間加密井15 口，井間加密井16 口，水平段平均長(zhǎng)1933.25 m，平均鉆井周期52.4 d，平均機(jī)械鉆速10.31 m/h；與前期相比，機(jī)械鉆速提高了15.3%，鉆井周期縮短了10.7%。同時(shí)，形成的加密井防漏堵漏技術(shù)在涪陵頁(yè)巖氣田推廣應(yīng)用20 余口井，一次堵漏成功率達(dá)87.3%。下面以JYX6-5 井為例介紹技術(shù)應(yīng)用情況。

JYX6-5 井是部署在川東高陡褶皺帶萬(wàn)縣復(fù)向斜焦石壩背斜帶焦石壩段背斜的一口井間加密井，設(shè)計(jì)井深5220.00 m，其井身結(jié)構(gòu)見表5。

表5 頁(yè)巖氣水平井JYX6-5 井的井身結(jié)構(gòu)Table 5 Casing program of shale gas horizontal well JYX6-5

該井集成應(yīng)用了上述地層孔隙壓力計(jì)算方法及壓裂干擾距離合理確定方法、鉆井工程優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)和加密井防漏堵漏技術(shù)等技術(shù)方法。

根據(jù)鉆遇裂縫計(jì)算該井地層孔隙壓力系數(shù)為1.33，防壓裂干擾安全距離為靶點(diǎn)空間避讓50.00 m×80.00 m；通過(guò)優(yōu)化鉆井工程設(shè)計(jì)，確定了合理鉆井液密度窗口，鉆井液密度窗口為1.42～1.50 kg/L，實(shí)鉆鉆井液密度為1.43～1.45 kg/L；通過(guò)靶點(diǎn)平移，該井與壓裂后的鄰井防碰掃描最小間距107.00 m，繞開了壓裂干擾區(qū)，鉆井過(guò)程中未發(fā)生溢漏等井下故障。該井完鉆井深4313.00 m（垂深2608.00 m），水平段長(zhǎng)2002.00 m，鉆井周期45.5 d，平均機(jī)械鉆速10.94 m/h。

4 結(jié)論與建議

1）加密井多部署在壓裂區(qū)內(nèi)，頁(yè)巖氣井壓裂后會(huì)在局部范圍內(nèi)產(chǎn)生壓裂干擾區(qū)，干擾正鉆井施工，并且加密井井網(wǎng)部署密集，在鉆井工程特征上表現(xiàn)為：地應(yīng)力場(chǎng)紊亂，合理鉆井液密度窗口確定難度大；井壁坍塌、井漏、氣侵、溢流等井下故障多發(fā)；密集井網(wǎng)條件下直井段及A靶點(diǎn)附近井段防碰難度大。

2）針對(duì)壓裂區(qū)加密井鉆井技術(shù)難點(diǎn)，建議采用考慮地層滲透率的計(jì)算模型計(jì)算壓裂區(qū)孔隙壓力，提高計(jì)算的準(zhǔn)確性；采用微過(guò)平衡方法設(shè)計(jì)鉆井液安全密度窗口，即允許微小漏失；采取靶點(diǎn)平移的方法設(shè)計(jì)井眼軌道以避開壓裂區(qū)，同時(shí)不增加鉆井工程難度；采用溢漏同存防控技術(shù)方案應(yīng)對(duì)壓裂區(qū)加密井井控風(fēng)險(xiǎn)。

3）建議進(jìn)一步推廣應(yīng)用壓裂區(qū)加密井鉆井關(guān)鍵技術(shù)，完善并深化壓裂區(qū)調(diào)整加密井的鉆井優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)，開展加密井高效鉆井技術(shù)攻關(guān)，在安全鉆井的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)加密井提速降本。