吳鵬程 汪瑤 付利 陳燁 王元 張震 張恒

(1.中國(guó)石油西南油氣田分公司頁(yè)巖氣研究院 2.中國(guó)石油西南油氣田分公司 3.中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院有限公司 4.油氣鉆完井技術(shù)國(guó)家工程研究中心)

0 引 言

我國(guó)海相頁(yè)巖氣有利區(qū)主要位于四川盆地，主力層系為上奧陶統(tǒng)五峰組-下志留統(tǒng)龍馬溪組，埋深3 500～4 500 m。在川南地區(qū)，埋深4 500 m以淺的頁(yè)巖氣資源量超10×1012m3，其中埋深3 500～4 500 m的深層頁(yè)巖氣資源量超過(guò)8×1012m3，占比超80%[1-3]。根據(jù)中石油頁(yè)巖氣發(fā)展規(guī)劃，“十四五”期間3 500～4 500 m的深層頁(yè)巖氣區(qū)成為當(dāng)前勘探開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)，產(chǎn)量占比將由2%提高至47%。在鉆井作業(yè)中，2020年川南地區(qū)完鉆水平井313口，深層頁(yè)巖氣區(qū)完鉆94口，占比約30%；2021年川南地區(qū)累計(jì)完鉆水平井212口，深層頁(yè)巖氣區(qū)完鉆85口，占比約40%。相較于淺層頁(yè)巖氣，深層頁(yè)巖氣在儲(chǔ)層埋深、溫度、壓力、地應(yīng)力等方面發(fā)生了顯著變化，鉆完井配套技術(shù)仍處于探索階段[4-5]。2021年川南深層頁(yè)巖氣區(qū)完鉆85口水平井，平均井深6 076 m、平均鉆井周期111 d、平均趟鉆數(shù)為21.4趟。其中215.9 mm井段平均長(zhǎng)度3 233 m、平均鉆井周期52 d、平均趟鉆數(shù)9.3趟。川南深層頁(yè)巖氣鉆井周期長(zhǎng)、趟鉆數(shù)多、工程成本高，與鉆井提質(zhì)提效目標(biāo)及國(guó)外水平相比存在較大差距，深層頁(yè)巖氣規(guī)模效益開(kāi)發(fā)面臨巨大挑戰(zhàn)。

2014年，國(guó)際油價(jià)暴跌并持續(xù)低位運(yùn)行，北美各大油氣公司為擺脫低油價(jià)帶來(lái)的經(jīng)營(yíng)困境，掀起了一場(chǎng)旨在“大幅提高單井產(chǎn)量、努力降低建井成本”的頁(yè)巖油氣開(kāi)發(fā)革命，使美國(guó)非常規(guī)油氣產(chǎn)量占到油氣總產(chǎn)量的60%。如一口垂深為2 000～3 000 m、水平段長(zhǎng)2 000～3 000 m的水平井，鉆井周期約為15～25 d[6]。北美頁(yè)巖油氣革命得以成功的一個(gè)重要途徑就是廣泛推行水平井“一趟鉆”技術(shù)[7]。所謂“一趟鉆”，即鉆頭一次下井打完一個(gè)開(kāi)次的所有進(jìn)尺。在我國(guó)，鉆頭一次下井打完某個(gè)井段，例如水平段、造斜-水平段，也通常稱為“一趟鉆”。2016年，美國(guó)Eclipse資源公司在Utica頁(yè)巖氣區(qū)完鉆一口井深達(dá)8 244.2 m的水平井，水平段長(zhǎng)度為5 652.2 m，創(chuàng)造了當(dāng)時(shí)美國(guó)陸上水平井水平段長(zhǎng)度新紀(jì)錄，該井鉆井周期僅為17.6 d，執(zhí)行124段壓裂用時(shí)23.5 d，鉆完井成本為1 583.7萬(wàn)美元，創(chuàng)該地區(qū)鉆井成本新低[8]。在美國(guó)頁(yè)巖油氣水平井鉆井中，單井段“一趟鉆”已成常態(tài)，雙井段“一趟鉆”也已得到推廣應(yīng)用，多井段“一趟鉆”正在持續(xù)增加，目前“一趟鉆”完成的進(jìn)尺紀(jì)錄已突破6 000 m。“一趟鉆”完成的進(jìn)尺不斷增加，很大程度地促進(jìn)了美國(guó)頁(yè)巖油氣長(zhǎng)水平段水平井的推廣應(yīng)用。2019年，在美國(guó)頁(yè)巖油氣水平井中，水平段長(zhǎng)度大于4 800 m的井占6%，水平段長(zhǎng)度大于3 200 m的井占比為45%[9]。

國(guó)內(nèi)頁(yè)巖氣水平井“一趟鉆”技術(shù)尚處于探索階段，截至2021年6月，川南頁(yè)巖氣僅在3 500 m以淺的中淺層頁(yè)巖氣區(qū)約16口井實(shí)現(xiàn)了215.9 mm井段“一趟鉆”，約占完鉆井?dāng)?shù)量比為1.3%，其中“一趟鉆”最低進(jìn)尺為1 942 m、最高進(jìn)尺為3 700 m。隨著頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)向地質(zhì)條件更為復(fù)雜的深層推進(jìn)，鉆井難度大幅增加，水平段大幅加長(zhǎng)，“一趟鉆”技術(shù)面臨新的挑戰(zhàn)[10-11]。為此，借鑒北美和川南中淺層頁(yè)巖氣水平井“一趟鉆”開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，在川南深層頁(yè)巖氣區(qū)瀘州區(qū)塊率先開(kāi)展龍馬溪組造斜-水平段“一趟鉆”技術(shù)探索，助力鉆井效率提升、鉆井成本降低，實(shí)現(xiàn)深層頁(yè)巖氣經(jīng)濟(jì)高效開(kāi)發(fā)。

1 技術(shù)難點(diǎn)與挑戰(zhàn)

川南深層頁(yè)巖氣瀘州區(qū)塊海拔200～800 m，位于四川盆地南部，區(qū)域構(gòu)造位于川南低褶皺帶陽(yáng)高寺構(gòu)造群，該構(gòu)造-群位于川東南中隆高陡構(gòu)造區(qū)，區(qū)內(nèi)以長(zhǎng)條形背斜為主，隆起幅度相對(duì)較高，大多數(shù)構(gòu)造軸向?yàn)闁|北向，低幅斷裂發(fā)育[12]。相比中深層乃至北美頁(yè)巖氣田，川南深層頁(yè)巖氣儲(chǔ)層溫度和壓力系數(shù)更高，水平應(yīng)力差更高，地質(zhì)構(gòu)造更復(fù)雜，導(dǎo)致高溫、高壓，伴隨局部小尺度斷層/斷裂以及微幅構(gòu)造發(fā)育，從而給“一趟鉆”工程帶來(lái)了一系列的技術(shù)難點(diǎn)與挑戰(zhàn)[13]。

1.1 優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層薄且微幅構(gòu)造發(fā)育、褶皺斷裂裂縫多

與中淺層頁(yè)巖儲(chǔ)集層相比，川南深層頁(yè)巖構(gòu)造復(fù)雜多樣[14]。以瀘州區(qū)塊為例，區(qū)內(nèi)發(fā)育背斜6個(gè)、向斜17個(gè)、斜坡13個(gè)，微幅構(gòu)造和斷裂裂縫發(fā)育，鉆完井難度大。

(1)深層頁(yè)巖優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層靶體厚度薄(2～3 m)，地層傾角變化大，儲(chǔ)層預(yù)測(cè)精度低，實(shí)鉆與設(shè)計(jì)偏差大，常導(dǎo)致造斜段無(wú)法順利入靶、水平段穿層入五峰組等問(wèn)題出現(xiàn)。

(2)造斜鉆進(jìn)遇到地層比預(yù)測(cè)提前時(shí)，為了確保水平段準(zhǔn)確入靶，需大幅調(diào)整造斜段井眼軌跡，但由于增斜空間有限，常常鉆穿五峰組、寶塔組而導(dǎo)致脫靶，并造成井下復(fù)雜。如Z201H1-4井五峰組埋深比地震預(yù)測(cè)提前61 m，Z201H2-4井五峰組頂埋深比地震預(yù)測(cè)提前55 m，均無(wú)法正常入靶導(dǎo)致填眼[15]。

(3)對(duì)比中淺層頁(yè)巖氣，志留系下統(tǒng)龍馬溪組甜點(diǎn)儲(chǔ)層巖石更加致密、地層研磨性強(qiáng)，其中，L203井區(qū)龍馬溪組可鉆性級(jí)值分別比N209井區(qū)高約56%。當(dāng)井眼軌跡在龍一段1砂組1小層優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層與五峰組交接面穿行時(shí)，PDC鉆頭先期磨損嚴(yán)重，導(dǎo)致頻繁起下鉆。

1.2 儲(chǔ)層溫度高，導(dǎo)向工具失效率高

瀘州深層頁(yè)巖氣龍馬溪組目的層平均埋深為3 700～4 100 m，儲(chǔ)層溫度比中淺層高24～35 ℃；水平井段井底循環(huán)溫度一般在135～155 ℃，最高為167 ℃，超過(guò)常規(guī)工具穩(wěn)定工作溫度。加之地層壓實(shí)強(qiáng)、鉆進(jìn)中工具振動(dòng)大，導(dǎo)致耐150 ℃旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具常出現(xiàn)導(dǎo)向頭失聯(lián)、測(cè)斜故障及地層伽馬異常等情況，故障率高達(dá)50%，嚴(yán)重制約儲(chǔ)層“一趟鉆”效率。例如，Y101H2-8井設(shè)計(jì)水平段長(zhǎng)2 000 m，鉆至接近1 500 m時(shí)儀器故障、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具多次失效，導(dǎo)致起下鉆14次。

1.3 地層壓力高、高密度鉆井液易導(dǎo)致鉆速慢

四川盆地深層頁(yè)巖氣普遍超壓，瀘州區(qū)塊壓力系數(shù)1.94～2.42。為了防止高壓地層井眼失穩(wěn)、確保井筒安全，深層頁(yè)巖氣鉆井常用高密度油基鉆井液體系，通常采用的鉆井液密度為2.00～2.35 g/cm3。如L203井水平段鉆井液密度2.17 g/cm3、Y101H3平臺(tái)井水平段鉆井液密度2.20 g/cm3[16]。受高密度鉆井液的影響，井底壓持效應(yīng)明顯，導(dǎo)致巖屑重復(fù)破碎，影響機(jī)械鉆速；其次，巖屑的重復(fù)破碎導(dǎo)致油基鉆井液固相含量高，對(duì)井下儀器產(chǎn)生沖蝕破壞，同時(shí)鉆井液散熱性能差，導(dǎo)致鉆井循環(huán)系統(tǒng)降溫效果差，進(jìn)一步導(dǎo)致井底高溫；此外，深層頁(yè)巖儲(chǔ)層裂縫、層理發(fā)育，鉆井液密度過(guò)高易引發(fā)鉆井液漏失，而漏失復(fù)雜將導(dǎo)致被迫起鉆，無(wú)法實(shí)現(xiàn)“一趟鉆”。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 井眼軌跡優(yōu)化設(shè)計(jì)

針對(duì)深層頁(yè)巖氣優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層薄且微幅構(gòu)造發(fā)育、褶皺斷裂裂縫多對(duì)鉆井帶來(lái)的挑戰(zhàn)，將地質(zhì)研究、地質(zhì)建模、鉆前與鉆中軌跡優(yōu)化、著陸導(dǎo)向、水平段軌跡精細(xì)控制相結(jié)合，開(kāi)展基于地質(zhì)工程一體化的優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要內(nèi)容包括精細(xì)三維地質(zhì)建模技術(shù)、關(guān)鍵層位標(biāo)定與軌跡控制技術(shù)、水平段軌跡預(yù)調(diào)預(yù)判技術(shù)。

(1)精細(xì)三維地質(zhì)建模技術(shù)：通過(guò)已鉆井資料進(jìn)行地層對(duì)比分析，結(jié)合三維地震層面解釋成果與各小層厚度建立儲(chǔ)層精細(xì)地質(zhì)模型，并在鉆中及鉆后不斷修正，提高模型精度。

(2)關(guān)鍵層位標(biāo)定與軌跡控制技術(shù)：通過(guò)平臺(tái)尺度的精細(xì)地質(zhì)模型，在鉆進(jìn)過(guò)程中通過(guò)巖屑、鉆時(shí)變化和地層相對(duì)厚度對(duì)層位垂深進(jìn)行實(shí)時(shí)標(biāo)定，并以此為依據(jù)對(duì)井眼軌跡進(jìn)行優(yōu)化，降低工程風(fēng)險(xiǎn)。

(3)水平段軌跡預(yù)調(diào)預(yù)判技術(shù)：在水平段鉆進(jìn)過(guò)程中，依據(jù)精細(xì)三維模型對(duì)于微構(gòu)造的刻畫，準(zhǔn)確判斷井眼軌跡處于靶體的位置以及與地層的相切關(guān)系，預(yù)測(cè)前方地層微構(gòu)造發(fā)育與地層傾角變化趨勢(shì)，為地質(zhì)導(dǎo)向?qū)崟r(shí)軌跡控制提供依據(jù)，實(shí)現(xiàn)軌跡預(yù)調(diào)預(yù)判，提高鉆井綜合時(shí)效。

2.2 鉆頭優(yōu)化技術(shù)

龍馬溪組頁(yè)巖地層上部為綠灰色泥、頁(yè)巖夾泥質(zhì)粉砂巖，下部為灰色、深灰色頁(yè)巖，底部為灰黑色、黑色頁(yè)巖。龍馬溪組地層單軸抗壓強(qiáng)度55.90～216.50 MPa，彈性模量21.60～98.86 GPa，泊松比0.15～0.26，整體而言，地層巖石力學(xué)特性縱向變化大[17]?；诘貙涌摄@性、研磨性試驗(yàn)與分析，難以優(yōu)選出適合對(duì)本層段“一趟鉆”的高效鉆頭。因此，本文基于大數(shù)據(jù)鉆頭效能評(píng)價(jià)機(jī)制，利用“黃金分割優(yōu)化線法”進(jìn)行科學(xué)優(yōu)選。

“黃金分割優(yōu)化線法”優(yōu)選步驟如下：①獲取指定地層中所使用的N種鉆頭的多次使用參數(shù)；②對(duì)每一種鉆頭的平均機(jī)械鉆速v和平均進(jìn)尺L進(jìn)行運(yùn)算；③以平均機(jī)械鉆速v和平均進(jìn)尺L作為笛卡爾坐標(biāo)系的橫縱坐標(biāo)，將每一種鉆頭的參數(shù)呈現(xiàn)在坐標(biāo)系中；④利用黃金分割法得到優(yōu)化函數(shù)曲線；⑤將優(yōu)化函數(shù)曲線呈現(xiàn)在坐標(biāo)系中，選取坐標(biāo)系中優(yōu)化曲線上方的點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的鉆頭型號(hào)為優(yōu)選鉆頭型號(hào)[18-19]。

統(tǒng)計(jì)龍馬溪組與旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具串搭配的鉆頭型號(hào)94種，共441只，平均進(jìn)尺512.46 m，平均機(jī)械鉆速5.58 m/h。根據(jù)“黃金分割優(yōu)化線法”得到龍馬溪組推薦鉆頭型號(hào)為兼具強(qiáng)攻擊性和高穩(wěn)定性的5刀翼PDC鉆頭，包括貝克休斯的DD505系列和國(guó)民油井的TK56鉆頭，以及史密斯Z516錐型齒和K507孕鑲金剛石鉆頭，如圖1所示。

圖1 基于“黃金分割優(yōu)化線法”的龍馬溪組鉆頭優(yōu)選圖版

2.3 地面鉆井液降溫技術(shù)

為降低井筒鉆井液溫度、提高常規(guī)井下工具的適應(yīng)能力，國(guó)內(nèi)外現(xiàn)場(chǎng)大多采用鉆井液地面降溫裝置對(duì)鉆井液進(jìn)行強(qiáng)制冷卻。鉆井液地面降溫裝置的工作原理以風(fēng)冷、噴淋和交互式換熱方式為主。其中，采用“板式/空氣換熱器+噴淋(強(qiáng)制冷)”的組合降溫模式，鉆井液降溫處理能力滿足大排量(>30 L/s)的要求，鉆井液地面溫度能夠降低20 ℃以上[20-22]。該模式主要通過(guò)冷水循環(huán)降低板式換熱器中油基鉆井液的溫度，然后循環(huán)水進(jìn)入涼水塔并通過(guò)噴淋(強(qiáng)制冷)方式將所吸收的熱量耗散至空氣中成為冷水，然后再次循環(huán)進(jìn)入板式換熱器。

在鉆井液地面降溫裝置輔助下，應(yīng)用“旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向+螺桿”的鉆井方式，鉆井速度大幅提高。以L203井區(qū)為例，?215.9 mm井眼段由2019年的平均10趟鉆降低為目前的平均6趟鉆完成，平均機(jī)械鉆速提高27.82%。

2.4 高溫儲(chǔ)層旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具優(yōu)選配套技術(shù)

川南深層頁(yè)巖氣水平井造斜段-水平段主要采用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具鉆進(jìn)。高溫鉆井環(huán)境致使常規(guī)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具電子元件等加速老化、井下工作時(shí)間短、趟鉆次數(shù)多。瀘州區(qū)塊前期采用斯倫貝謝Archer、貝克休斯ATC等耐150 ℃高溫旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具組合標(biāo)準(zhǔn)模式，單井平均趟鉆為7.5趟。針對(duì)抗高溫的挑戰(zhàn)，后期引進(jìn)斯倫貝謝耐165 ℃高溫的Orbit675推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具，實(shí)現(xiàn)單井趟鉆次數(shù)下降至6趟以下。如在L203H2-3井2趟鉆完成造斜段和水平段，進(jìn)尺2 693 m。哈里伯頓耐175 ℃高溫的Geo-Pilot指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具在少量井次得到了試驗(yàn)應(yīng)用，其中Y101H56-1井在未安裝鉆井液地面降溫裝置的情況下，實(shí)現(xiàn)了最高井底循環(huán)溫度167 ℃的2 000 m長(zhǎng)水平段安全鉆進(jìn)。國(guó)產(chǎn)高溫旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向裝備也取得重大突破，航天深拓研制的靜態(tài)推靠式A4旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)穩(wěn)定耐溫能力已達(dá)到165 ℃，在Y101H29-4井底溫度超過(guò)140 ℃、最高155.7 ℃工況下，實(shí)現(xiàn)造斜段和水平段旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆進(jìn)2 495 m，其中水平段1 900 m，平均機(jī)械鉆速11.05 m/h，作業(yè)周期29 d，優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層鉆遇率達(dá)到100%。川南深層頁(yè)巖氣區(qū)常用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具性能參數(shù)如表1所示。

表1 川南深層頁(yè)巖氣區(qū)?215.9 mm井段常用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具性能參數(shù)

2.5 儲(chǔ)層降密度欠平衡鉆井技術(shù)

根據(jù)文獻(xiàn)研究結(jié)果，降低鉆井液密度能有效降低井底循環(huán)溫度[23]?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，鉆井液密度降低0.10 g/cm3，井底循環(huán)溫度降低約2 ℃，且鉆井液密度越低，循環(huán)溫度降幅越大。此外，由于深層頁(yè)巖氣儲(chǔ)層裂縫發(fā)育，易出現(xiàn)溢漏同存，應(yīng)用降密度欠平衡鉆井技術(shù)能夠防止出現(xiàn)鉆井液漏失。例如在L203H62-1井水平段采用密度為2.18 g/cm3鉆井液，井漏頻繁，經(jīng)多次堵漏均無(wú)改善；將密度下調(diào)至1.99 g/cm3并采用欠平衡鉆井，不僅解決了井漏問(wèn)題而且提高了機(jī)械鉆速，實(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具單趟最高進(jìn)尺516 m，機(jī)械鉆速達(dá)到8.32 m/h，比平均機(jī)械鉆速提高66.4%。

針對(duì)儲(chǔ)層降密度欠平衡鉆井，首先要明確頁(yè)巖儲(chǔ)層安全鉆井的鉆井液密度窗口。頁(yè)巖儲(chǔ)層低孔低滲，傳統(tǒng)的壓實(shí)理論不適于頁(yè)巖儲(chǔ)層孔隙壓力的預(yù)測(cè)，通過(guò)開(kāi)展頁(yè)巖儲(chǔ)層異常高壓機(jī)制判識(shí)和孔隙壓力計(jì)算模型優(yōu)選，確定更為合理的頁(yè)巖儲(chǔ)層孔隙壓力。針對(duì)頁(yè)巖層理發(fā)育特性，建立裂縫性頁(yè)巖儲(chǔ)層的流固熱耦合坍塌壓力計(jì)算模型，預(yù)測(cè)坍塌壓力和井壁失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)合地震反演屬性約束和井區(qū)走滑應(yīng)力狀態(tài)，建立井區(qū)尺度三維地層壓力和坍塌壓力模型，明確了井區(qū)、平臺(tái)、單井尺度的三壓力及鉆井液安全密度窗口。以此鉆井液安全密度窗口作為欠平衡鉆井時(shí)鉆井液密度值的設(shè)計(jì)依據(jù)，而非地質(zhì)設(shè)計(jì)給出的地層壓力系數(shù)。

其次，基于地層-鉆井液-鉆具傳熱機(jī)理建立井筒瞬態(tài)溫度場(chǎng)剖面計(jì)算模型[24-25]，揭示鉆井液密度、頂驅(qū)轉(zhuǎn)速、鉆井液排量對(duì)井底循環(huán)溫度的影響規(guī)律，以優(yōu)化控制井底循環(huán)溫度、降低井下儀器工具失效率、提高趟鉆進(jìn)尺為目的，實(shí)時(shí)指導(dǎo)不同鉆井參數(shù)和鉆井工況條件下的鉆井液密度調(diào)整。最后，根據(jù)確定的鉆井液安全密度窗口計(jì)算合理的欠平衡鉆井欠壓值，配套旋轉(zhuǎn)控制頭、專用節(jié)流管匯等欠平衡鉆井工具，按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[26]實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)降密度欠平衡鉆井作業(yè)。作業(yè)工藝地面流程布置如圖2所示。

圖2 降密度欠平衡鉆井工藝地面流程布置示意圖

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

為探索川南深層頁(yè)巖氣水平井造斜-水平段“一趟鉆”可行性，2021年9月在瀘州深層Y101井區(qū)Y101H65-7井?215.9 mm井眼龍馬溪組造斜-水平段開(kāi)展“一趟鉆”技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

3.1 試驗(yàn)井基本情況

Y101H65-7井位于川南低褶帶陽(yáng)高寺構(gòu)造群，屬于深層頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)的核心區(qū)域，鄰井存在井漏復(fù)雜頻發(fā)、部分地層可鉆性差、機(jī)械鉆速低、高地溫導(dǎo)致定向工具儀器故障率高等工程地質(zhì)難點(diǎn)。Y101H65-7井設(shè)計(jì)井深6 015 m，水平段長(zhǎng)1 800 m，箱體垂厚5 m，其中包括龍一段1砂組1小層頂部0.5 m及龍一段1砂組2小層中下部4.5 m。

3.2 基于地質(zhì)工程一體化的優(yōu)化設(shè)計(jì)

通過(guò)鄰井鉆井情況修正三維地質(zhì)模型，進(jìn)行靶點(diǎn)垂深實(shí)時(shí)迭代，鉆前預(yù)測(cè)A靶點(diǎn)垂深3 850 m，較地質(zhì)設(shè)計(jì)的4 005 m提前約150 m。實(shí)鉆過(guò)程中根據(jù)井眼軌跡、伽馬和巖屑特征不斷修正靶點(diǎn)垂深，最終以垂深3 860 m順利入靶。實(shí)鉆過(guò)程中井眼軌跡優(yōu)化如圖3所示，藍(lán)色軌跡線為原鉆井設(shè)計(jì)軌跡，紅色軌跡線為優(yōu)化軌跡。同時(shí)，對(duì)水平段地層展布、深度偏移剖面和螞蟻體深度疊合剖面進(jìn)行實(shí)時(shí)迭代，預(yù)測(cè)微幅構(gòu)造及裂縫發(fā)育情況，進(jìn)行軌跡優(yōu)化和鉆井復(fù)雜預(yù)警。該井鉆遇的水平段儲(chǔ)層穩(wěn)定，微幅構(gòu)造/斷層少，利于井眼軌跡控制、卡鉆漏失風(fēng)險(xiǎn)低。

圖3 井眼軌跡優(yōu)化

3.3 降溫提速工具配套

綜合考慮旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的造斜能力、抗高溫能力和平均進(jìn)尺，結(jié)合本井預(yù)測(cè)井底循環(huán)溫度，優(yōu)選抗高溫能力165 ℃的航天深拓A4旋導(dǎo)。基于“黃金分割優(yōu)化線法”大數(shù)據(jù)進(jìn)行鉆頭優(yōu)選，選擇平均進(jìn)尺、平均機(jī)械鉆速表現(xiàn)相對(duì)穩(wěn)定、使用量較多的國(guó)民油井的TK56鉆頭。實(shí)現(xiàn)單趟鉆進(jìn)尺2 330 m，純鉆時(shí)間164 h，機(jī)械鉆速14.21 m/h。

優(yōu)選地面降溫裝置，采用“板式/空氣換熱器+噴淋(強(qiáng)制冷)”的組合降溫模式，現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展降溫裝置處理量試驗(yàn)，確保處理量滿足鉆進(jìn)排量，實(shí)現(xiàn)鉆井液100%降溫處理。優(yōu)化管線布局，冷卻后鉆井液直接進(jìn)入上水罐，確保降溫裝置出口鉆井液溫度和入井鉆井液溫度的溫差控制在2～3 ℃以內(nèi)。鉆井過(guò)程中降溫裝置工作穩(wěn)定，降溫裝置出入口溫差保持在15 ℃以上，Y101H65-7井完鉆井底循環(huán)溫度136 ℃，確保了導(dǎo)向工具穩(wěn)定，為實(shí)現(xiàn)造斜-水平段“一趟鉆”提供保障。

3.4 儲(chǔ)層降密度欠平衡鉆井

根據(jù)聲波-密度交匯情況，龍馬溪組地層密度隨深度繼續(xù)增大，而縱波速度減小，聲波-密度散點(diǎn)偏離正常趨勢(shì)線，趨于縱波速度減小方向發(fā)展，表明其孔隙壓力機(jī)制為流體膨脹導(dǎo)致的異常高壓。因此，采用Bowers提出的卸載導(dǎo)致的異常高壓的計(jì)算公式，并利用測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)和巖心試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸出的Bowers模型系數(shù)，建立單井地層壓力模型。根據(jù)裂縫性頁(yè)巖儲(chǔ)層的流固熱耦合坍塌壓力計(jì)算模型，建立單井坍塌壓力模型。結(jié)合疊前反演巖石力學(xué)屬性，建立了三維地質(zhì)力學(xué)模型，明確了井區(qū)尺度的孔隙壓力和坍塌壓力分布規(guī)律。Y101井區(qū)龍一段1砂組1小層孔隙壓力主要集中在75～92 MPa、平均值83.2 MPa，當(dāng)量密度1.92～2.08 g/cm3、平均2.02 g/cm3；龍一段1砂組1小層坍塌壓力主要集中在58～70 MPa、平均值65 MPa，當(dāng)量密度為1.48～1.58 g/cm3。根據(jù)Y101H65-7井設(shè)計(jì)軌跡，提取沿井剖面的三壓力和鉆井液安全密度窗口剖面，確定合理欠壓值。Y101H65-7井龍馬溪組坍塌壓力當(dāng)量密度在1.50～1.60 g/cm3之間，破裂壓力當(dāng)量密度在2.40～2.60 g/cm3之間，孔隙壓力當(dāng)量密度在1.98～2.01 g/cm3之間。

基于能量平衡原理，建立了井筒動(dòng)靜態(tài)傳熱模型，結(jié)合油基鉆井液熱物理性試驗(yàn)獲得的井底循環(huán)溫度數(shù)值模擬關(guān)鍵參數(shù)，分析了鉆井液密度和鉆井參數(shù)對(duì)井底循環(huán)溫度影響規(guī)律。預(yù)測(cè)采用2.14 g/cm3鉆井液密度實(shí)施水平段鉆進(jìn)，Y101H65-7井完鉆井底循環(huán)溫度將超過(guò)140 ℃，影響旋導(dǎo)工具穩(wěn)定性，通過(guò)降密度欠平衡鉆井方式，優(yōu)化鉆井液密度至1.85 g/cm3，完鉆井底循環(huán)溫度約135 ℃，對(duì)于實(shí)現(xiàn)造斜-水平段“一趟鉆”較為有利。

基于三壓力剖面和井底循環(huán)溫度預(yù)測(cè)，結(jié)合水平段斷層裂縫發(fā)育情況，制定了儲(chǔ)層降密度欠平衡鉆井技術(shù)方案，水平段鉆進(jìn)200 m后鉆井液密度降至1.83 g/cm3，并維持至完鉆。在以上技術(shù)組合基礎(chǔ)上，Y101H65-7井首次在川南深層頁(yè)巖氣井區(qū)實(shí)現(xiàn)了龍馬溪組造斜-水平段“一趟鉆”，單趟鉆進(jìn)尺達(dá)2 330 m。Y101H65-7井215.9 mm井段鉆井周期17.6 d，較鄰井縮短67%、較瀘州區(qū)塊縮短68%；水平段機(jī)械鉆速15.78 m/h，較鄰井提高129%、較瀘州區(qū)塊提高141%；龍馬溪組造斜-水平段全程使用“旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向+螺桿”工具組合，完鉆井底循環(huán)溫度136 ℃，如圖4所示，井底循環(huán)溫度相比鄰井降低6～8 ℃。

圖4 Y101H65-7井井底循環(huán)溫度

4 結(jié)論和建議

(1)北美頁(yè)巖油氣廣泛推行水平井“一趟鉆”技術(shù)，促進(jìn)了頁(yè)巖油氣革命成功，而國(guó)內(nèi)頁(yè)巖氣水平井“一趟鉆”技術(shù)尚處于起步階段。瀘州深層頁(yè)巖氣地質(zhì)復(fù)雜，難點(diǎn)突出，探索并實(shí)踐“一趟鉆”技術(shù)將有利于降低鉆井成本，提高頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)效益和我國(guó)鉆完井工程核心競(jìng)爭(zhēng)力。

(2)在Y101H65-7井215.9 mm井眼開(kāi)展“一趟鉆”技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，并首次實(shí)現(xiàn)了造斜-水平段“一趟鉆”完鉆。試驗(yàn)表明，基于地質(zhì)工程一體化的井眼軌跡設(shè)計(jì)及實(shí)時(shí)優(yōu)化是提高儲(chǔ)層鉆遇率、降低鉆井復(fù)雜的關(guān)鍵技術(shù)，在此基礎(chǔ)上，通過(guò)“黃金分割優(yōu)化線法”優(yōu)選國(guó)民油井TK56鉆頭，并選配抗溫165 ℃的A4旋導(dǎo)工具，實(shí)現(xiàn)單趟鉆進(jìn)尺2 330 m，平均機(jī)械鉆速達(dá)14.21 m/h。

(3)“板式/空氣換熱器+噴淋(強(qiáng)制冷)”的地面降溫模式和儲(chǔ)層降密度欠平衡的井下降溫模式是深層高溫儲(chǔ)層鉆井降溫提速的有效措施。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)過(guò)程中，地面降溫模式實(shí)現(xiàn)鉆井液降溫15 ℃以上，井下降溫模式實(shí)現(xiàn)井底循環(huán)溫度相比鄰井降低6～8 ℃，鉆井周期較鄰井縮短67%、較瀘州區(qū)塊縮短68%。

(4)“一趟鉆”是系統(tǒng)化鉆井工程的全面升級(jí)，為加快“一趟鉆”技術(shù)的成熟推廣，建議從鉆井方案優(yōu)化設(shè)計(jì)、自動(dòng)化鉆機(jī)、高效長(zhǎng)壽命鉆頭、個(gè)性化優(yōu)質(zhì)鉆井液、強(qiáng)化參數(shù)鉆井、常規(guī)導(dǎo)向鉆井或旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井、隨鉆地質(zhì)導(dǎo)向、遠(yuǎn)程專家決策支持中心等關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)展研發(fā)與集成應(yīng)用，助推中國(guó)非常規(guī)油氣的規(guī)模效益開(kāi)發(fā)。