袁建強(qiáng)

（中石化石油工程技術(shù)服務(wù)股份有限公司,北京 100020）

超長(zhǎng)水平段水平井一般指水平段長(zhǎng)度大于3000 m 的水平井。當(dāng)前，超長(zhǎng)水平段水平井已經(jīng)成為北美頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)的主要手段之一，3000～6000 m長(zhǎng)水平段已經(jīng)成為Appalachia、Fayetteville 和Haynesville 三大區(qū)域的主流開(kāi)發(fā)模式。研究可知，單井水平段長(zhǎng)度增加20%，開(kāi)發(fā)成本降低10.7%[1–3]，且采用超長(zhǎng)水平段水平井開(kāi)發(fā)，可使用1.3 口井的成本完成近2 口井的產(chǎn)能。據(jù)統(tǒng)計(jì)，北美頁(yè)巖氣水平井水平段長(zhǎng)度逐年增長(zhǎng)，單井成本逐漸降低，2017—2018 年水平段長(zhǎng)度突破至6366.00 m，Marcellus 區(qū)塊2018 年水平段長(zhǎng)度超過(guò)4267.20 m的井占比達(dá)18%，Outlaw C11H 井水平段長(zhǎng)度達(dá)到5943.60 m；Purple Hayes 1H 井水平段長(zhǎng)度達(dá)5652.21 m[4–5]。2019 年，Utica 地區(qū)完鉆水平段長(zhǎng)度大于4500 m 的水平井18 口，水平段長(zhǎng)度在4721～6288 m[6]。超長(zhǎng)水平段水平井鉆井技術(shù)為頁(yè)巖氣高效開(kāi)發(fā)提供了技術(shù)支持。

近年來(lái)，中國(guó)石化通過(guò)持續(xù)的理論研究與技術(shù)攻關(guān)，在涪陵、南川等區(qū)塊已經(jīng)完成了多口超長(zhǎng)水平段水平井施工，水平段長(zhǎng)度由開(kāi)發(fā)初期的1500～2000 m 增至3000～4000 m，目前累計(jì)完成水平段長(zhǎng)度2700 m 以上的水平井15 口。其中，2017 年完鉆的JY2-5HF 井水平段長(zhǎng)度達(dá)到3065 m[7]，2021 年完鉆的SY9-6HF 井水平段長(zhǎng)度3601 m[8]，2022 年完鉆的SY9-3HF 井水平段長(zhǎng)度4035 m，JY18-S12HF井水平段長(zhǎng)度4286 m。通過(guò)持續(xù)優(yōu)化長(zhǎng)水平段水平井鉆井工藝，目前已經(jīng)初步形成了4000 m 超長(zhǎng)水平段水平井鉆井技術(shù)。筆者系統(tǒng)總結(jié)了中國(guó)石化超長(zhǎng)水平段水平井鉆井技術(shù)的新進(jìn)展，結(jié)合勘探開(kāi)發(fā)實(shí)踐分析了當(dāng)前存在的主要技術(shù)難點(diǎn)，并討論了頁(yè)巖氣超長(zhǎng)水平段水平井鉆井技術(shù)發(fā)展前景，以期促進(jìn)中國(guó)石化超長(zhǎng)水平段水平井技術(shù)的發(fā)展。

1 超長(zhǎng)水平段水平井鉆井技術(shù)新進(jìn)展

中國(guó)石化針對(duì)頁(yè)巖氣超長(zhǎng)水平段水平井鉆井中的井位優(yōu)選、井眼軌跡控制、摩阻扭矩控制和井筒長(zhǎng)效密封等主要難題，從地質(zhì)評(píng)價(jià)選區(qū)、關(guān)鍵工具、井筒工作液等方面開(kāi)展了技術(shù)攻關(guān)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，使頁(yè)巖氣水平井水平段長(zhǎng)度取得新突破，初步形成了適用于具有中國(guó)頁(yè)巖氣地質(zhì)特征的超長(zhǎng)水平段水平井鉆井技術(shù)，并完鉆了5 口超長(zhǎng)水平段頁(yè)巖氣水平井，為頁(yè)巖氣的高效開(kāi)發(fā)提供了技術(shù)支撐。

1.1 地質(zhì)選區(qū)評(píng)價(jià)技術(shù)

地質(zhì)選區(qū)評(píng)價(jià)是超長(zhǎng)水平段水平井高效開(kāi)發(fā)的核心關(guān)鍵之一，為解決超長(zhǎng)水平段水平井井位部署、裝備配套、地質(zhì)建模等難題，開(kāi)展了以構(gòu)造單元評(píng)價(jià)、微構(gòu)造及斷裂體系評(píng)價(jià)、地層傾角評(píng)價(jià)、埋深評(píng)價(jià)、儲(chǔ)層非均質(zhì)性評(píng)價(jià)和各向異性評(píng)價(jià)等為核心的超長(zhǎng)水平段頁(yè)巖氣水平井選區(qū)評(píng)價(jià)研究，形成了超長(zhǎng)水平段水平井地質(zhì)評(píng)價(jià)選區(qū)原則：1）具備穩(wěn)定構(gòu)造單元，構(gòu)造寬緩，變形弱；2）避開(kāi)斷層發(fā)育區(qū)，盡量規(guī)避天然裂縫發(fā)育破碎帶；3）具備合理的埋深條件；4）沉積環(huán)境穩(wěn)定，儲(chǔ)層平面分布穩(wěn)定，非均質(zhì)性弱；5）避開(kāi)高應(yīng)力區(qū)，應(yīng)力各向異性弱。

涪陵工區(qū)進(jìn)行了超長(zhǎng)水平段水平井部署與實(shí)施驗(yàn)證，一是在焦石壩主體區(qū)完成了超長(zhǎng)水平段試驗(yàn)井JY18-S12HF 井的部署論證，完鉆水平段長(zhǎng)4286 m；二是在東勝區(qū)塊鉆成了SY9-3HF 井、SY9-6HF 井，水平段長(zhǎng)度分別為4035 和3601 m。例如，JY18-S12HF井完鉆井深7161 m，水平段長(zhǎng)4286 m，其所在構(gòu)造位于焦石壩主體北東緣，西鄰江東斷鼻構(gòu)造，構(gòu)造整體寬緩、地層視傾角3.33°～7.68°，水平段埋深2600～2800 m，中大尺度斷裂不發(fā)育，水平段方位平行構(gòu)造與斷裂走向；地震曲率以空白、斑點(diǎn)特征為主，天然裂縫欠發(fā)育，實(shí)鉆未發(fā)生大型漏失，應(yīng)力場(chǎng)以弱拉張應(yīng)力環(huán)境為主，應(yīng)力集中效應(yīng)弱，具備較好的井壁穩(wěn)定條件，目的層發(fā)育一套深水陸棚相硅質(zhì)頁(yè)巖、黏土質(zhì)硅質(zhì)頁(yè)巖，沉積厚度穩(wěn)定。

1.2 超長(zhǎng)水平段水平井裝備配套優(yōu)化技術(shù)

為適應(yīng)超長(zhǎng)水平段水平井強(qiáng)化參數(shù)需要，以地層破裂壓力當(dāng)量密度、鉆井水力參數(shù)、鉆井設(shè)備功率和鉆井工具強(qiáng)度等性能參數(shù)為邊界約束條件，建立了超長(zhǎng)水平段水平井延伸能力評(píng)價(jià)模型[9–10]，分析了水平段延伸過(guò)程中懸重、泵壓、扭矩等參數(shù)對(duì)鉆井裝備的性能要求，對(duì)鉆井泵及頂驅(qū)等核心裝備進(jìn)行了優(yōu)化升級(jí)，初步確立了超長(zhǎng)水平段水平井裝備的配套方案。

通過(guò)分析水平段長(zhǎng)度與大鉤提升能力的關(guān)系，優(yōu)選70 型鉆機(jī)，最大鉤載4500 kN；通過(guò)分析長(zhǎng)水平段轉(zhuǎn)速、水平段長(zhǎng)度與扭矩，優(yōu)選500/750 t 雙電機(jī)頂驅(qū)，最大載荷4500 kN，工作扭矩50 kN·m（0～110 r/min 連續(xù)），最大扭矩75 kN·m（間斷）。為滿足長(zhǎng)水平段井筒清潔需求，提高環(huán)空返速，優(yōu)選額定泵壓為52 MPa 的F1600HL 高壓鉆井泵；根據(jù)井深及強(qiáng)化參數(shù)需求，優(yōu)選壓力等級(jí)52 MPa 或70 MPa的鵝頸管、沖管、中心管和上下旋塞等管匯。

1.3 長(zhǎng)水平段降摩減阻技術(shù)

針對(duì)長(zhǎng)水平段鉆井施工時(shí)摩阻高、巖屑易堆積、鉆井液潤(rùn)滑性差和流態(tài)不穩(wěn)定等難點(diǎn)[11–13]，研究應(yīng)用了高性能油基鉆井液及高效降摩減阻工具，保證了井下安全，提高了機(jī)械鉆速。

1.3.1 高性能油基鉆井液

利用研制的高效提切劑、高性能油基鉆井液潤(rùn)滑劑，構(gòu)建適用于超長(zhǎng)水平段水平井的高性能油基鉆井液。

1）高效提切劑。為增強(qiáng)鉆井液的攜巖能力，提高井眼清潔效率，研發(fā)了SSC-HyMod 提切劑，該提切劑通過(guò)高分子合成，將清水基團(tuán)與憎水基團(tuán)合成具有R1-X-R2 結(jié)構(gòu)的油溶性聚合物材料，其中清水基團(tuán)主要為酰胺基或酰基基團(tuán)，該結(jié)構(gòu)在油基鉆井液中將通過(guò)靜電引力或氫鍵與其他基團(tuán)相互作用形成比表面積大的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，而分子中的長(zhǎng)烷基直鏈之間也可以通過(guò)締合作用形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)增黏、提切的目的，可維持油基鉆井液塑性黏度穩(wěn)定，應(yīng)用過(guò)程中，動(dòng)塑比可提至0.35～0.45，具有充分?jǐn)y巖、高效清潔井眼等優(yōu)點(diǎn)，在JY18-S12HF 井等10 口井中應(yīng)用后，動(dòng)切力提高50%以上，動(dòng)塑比提高30%～40%，提切效果良好。

2）高性能油基鉆井液潤(rùn)滑劑。為降低長(zhǎng)水平段摩阻、減小管柱磨損，采用外循環(huán)高壓反應(yīng)技術(shù)，以油酸為主劑，加入含有硫、磷、氯的化合物，形成具有極壓功能基團(tuán)的抗磨材料，再與潤(rùn)滑液基液混配，研制了高性能油基鉆井液潤(rùn)滑劑，其中極壓抗磨劑成分在載荷面的凸起點(diǎn)上，由于極壓高溫及新暴露的金屬表面的高活性分子中的活性元素硫、磷、氯與金屬產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)形成硫化物、氯化物等低熔點(diǎn)物質(zhì)，形成牢固的極壓膜，降低了抗剪切強(qiáng)度，從而達(dá)到降低摩擦系數(shù)的目的。潤(rùn)滑系數(shù)可降低42.19%，滑塊摩阻系數(shù)≤0.0439，在涪陵、川渝、宜昌等地區(qū)應(yīng)用20 余井次，鉆進(jìn)摩阻降低15%，起鉆摩阻降低30%，潤(rùn)滑效果良好。

3）強(qiáng)封堵、強(qiáng)抑制性油基鉆井液。針對(duì)四川盆地目的層龍馬溪組—五峰組頁(yè)巖層理及裂縫發(fā)育、部分層段存在斷層破碎帶和井壁失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)高等特點(diǎn)，研發(fā)了強(qiáng)封堵、強(qiáng)抑制性油基鉆井液，其配方為基礎(chǔ)油相+2.4% 主乳化劑+0.8% 輔乳化劑+氧化鈣+有機(jī)土+26.0%CaCl2溶液+納米級(jí)封堵劑+氧化瀝青+SSC-HyMod 提切劑+潤(rùn)濕劑+承壓封堵降濾失劑+井眼強(qiáng)化劑+重晶石。室內(nèi)評(píng)價(jià)試驗(yàn)表明，與原用鉆井液相比，巖心回收率由97.94% 提高至99.24%，膨脹率由0.38%降低至0.25%，濾失量降低60.9%，表明該鉆井液具有良好的防塌抑制性，可有效地維護(hù)超水平段井壁的穩(wěn)定，保障施工安全。該鉆井液在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用20 余口井，其中JY147-2HF 井完鉆井深7006 m，水平段長(zhǎng)度2621 m，完鉆井徑擴(kuò)大率為4.23%，較鄰井降低52.6%，實(shí)鉆過(guò)程中未發(fā)生垮塌掉塊，上提摩阻穩(wěn)定在176.4～215.6 kN，較鄰井降低32%，施工期間起下鉆作業(yè)順利。

1.3.2 降摩減阻工具

為實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)水平段巖屑高效返出，降低井下摩阻，研制了雙螺旋隨鉆井壁修整器和清砂鉆桿。

1）雙螺旋隨鉆井壁修整器。為了提高水平段巖屑返出效率，實(shí)現(xiàn)降摩減阻，結(jié)合V 形葉片的造渦攜砂能力和螺旋葉片的導(dǎo)流能力，分析了螺旋線數(shù)、螺距與擴(kuò)孔效果、井壁摩擦力的關(guān)系，在保證微擴(kuò)孔效果的基礎(chǔ)上，以接觸摩擦力最小為目標(biāo)，研制了雙螺旋隨鉆井壁修整器（見(jiàn)圖1）。螺旋結(jié)構(gòu)錐度為12°～18°，2 個(gè)螺旋，4 個(gè)螺旋翼，螺距390 mm，螺旋翼上布置倒劃眼齒，實(shí)現(xiàn)了對(duì)井底巖屑床的抽汲及有效切削；采用偏心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高了鉆柱旋轉(zhuǎn)作用下的巖屑床清理效果，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用30 余井次，應(yīng)用效果較好。例如，JY30-S7HF 井應(yīng)用該工具后，返砂量是理論返砂量的1.67 倍，完鉆起鉆水平段上提摩阻最大280 kN，下放摩阻最大240 kN，比同平臺(tái)JY30-S6HF 井降低13%，且水平段連續(xù)鉆進(jìn)1836 m未進(jìn)行短起下作業(yè)，節(jié)約了2 趟短起下作業(yè)時(shí)間；JY20-S1HF 井應(yīng)用該工具后，返砂量是理論返砂量的1.50 倍，完鉆起鉆水平段上提摩阻最大240 kN，下放摩阻最大200 kN，比同平臺(tái)JY20-S2HF 井降低15%。

圖1 雙螺旋隨鉆井壁修整器Fig. 1 Double helix wall trimmer with drilling

2）清砂鉆桿。為了提高環(huán)空鉆井液攜巖效果，預(yù)防巖屑床的形成，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，在鉆桿外壁設(shè)置了螺旋槽道，環(huán)空鉆井液切向速度沿徑向逐漸增大。同時(shí)，流體動(dòng)壓力升高，井壁處流體的動(dòng)能增加，環(huán)空鉆井液流速增大形成紊流，高效清除貼近井壁的巖屑。JY13-S4HF 井鉆進(jìn)2875～4724 m井段時(shí)，每隔450 m 加入清砂鉆桿，通井順利，下鉆摩阻58.8～78.4 kN，起鉆摩阻117.6～147.0 kN。

1.4 低成本高效地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)

針對(duì)超長(zhǎng)裸眼水平段存在的軌跡控制難度大、地質(zhì)導(dǎo)向困難和導(dǎo)向技術(shù)成本高等難點(diǎn)，中國(guó)石化在涪陵頁(yè)巖氣田大力推進(jìn)了導(dǎo)向工具的研選與適應(yīng)性研究以及國(guó)產(chǎn)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的研制，并取得了3 個(gè)方面的重要進(jìn)展。

1）通過(guò)綜合考慮構(gòu)造、傾角變化、水平段延伸能力和工具費(fèi)用等因素，形成了涪陵頁(yè)巖氣田的導(dǎo)向工具研選標(biāo)準(zhǔn)和方法。

3）為了解決井下鉆具的精確控制難、井下信噪比低等問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了多扇區(qū)矢量分解方法，設(shè)計(jì)了組合編碼方法，研制了“經(jīng)緯領(lǐng)航”Ⅰ型旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)，控制精度達(dá)到±0.22°，信號(hào)上傳解碼率達(dá)94%，下傳解碼率達(dá)91%，儀器國(guó)產(chǎn)化率94%。該系統(tǒng)在JY70-S2HF 井中“一趟鉆”完成水平段進(jìn)尺1980 m，純鉆時(shí)間209 h，平均機(jī)械鉆速9.47 m/h，不但實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具在頁(yè)巖氣井中應(yīng)用的實(shí)質(zhì)性突破，而且驗(yàn)證了國(guó)產(chǎn)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具在頁(yè)巖氣井的適應(yīng)性和可靠性，為后續(xù)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具應(yīng)用和升級(jí)優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。

1.5 鉆井參數(shù)分層優(yōu)化

為了充分發(fā)揮裝備、工具的提速潛力，實(shí)現(xiàn)不同參數(shù)搭配下鉆機(jī)輸入能量的最大化使用，建立了強(qiáng)化參數(shù)模型，形成了分層強(qiáng)化參數(shù)推薦圖版。

1）強(qiáng)化參數(shù)模型?；诮?jīng)典鉆速方程，利用多元非線性回歸方法，分層段擬合形成鉆速指數(shù)、鉆壓指數(shù)、轉(zhuǎn)速指數(shù)等關(guān)鍵參數(shù)，建立了分層強(qiáng)化參數(shù)模型[15–16]，模型符合率86%。

2）分層強(qiáng)化參數(shù)推薦圖版。通過(guò)分析已鉆井?dāng)?shù)據(jù)，優(yōu)選各層位強(qiáng)化參數(shù)原則，差異化強(qiáng)化鉆壓、轉(zhuǎn)速或排量，選取最優(yōu)機(jī)械鉆速目標(biāo)，形成分層強(qiáng)化參數(shù)推薦圖版（見(jiàn)圖2）。在涪陵工區(qū)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后，機(jī)械鉆速提高39.6%，鉆井周期縮短38.5%。例如，SY9-2HF 井三開(kāi)鉆壓121.5 kN，排量28.94 L/s，較JY2-5HF 井鉆壓提高25.3%，排量提高10.0%，全井鉆井周期45.5 d，全井平均機(jī)械鉆速11.03 m/h，機(jī)械鉆速大幅提升。

圖2 分層強(qiáng)化參數(shù)推薦圖版Fig. 2 Stratified reinforcement parameter recommended chart

1.6 長(zhǎng)壽命高效破巖工具

針對(duì)頁(yè)巖氣水平段頁(yè)巖地層硬度較高、含夾層等特點(diǎn)，研制應(yīng)用了高效鉆頭和長(zhǎng)壽命、大扭矩螺桿等關(guān)鍵破巖工具。

1）高效鉆頭。為提高水平段碳質(zhì)頁(yè)巖地層的鉆進(jìn)速度，針對(duì)易鉆的龍馬溪組⑤–⑧小層，研制了攻擊性強(qiáng)、機(jī)械鉆速快的?215.9 mm KSD1652AGR 高效PDC 鉆頭，采用淺錐形雙圓弧擊碎線形、斧形齒與三棱齒的異形齒組合[17–18]，控制PDC 當(dāng)量布齒密度為39～40；針對(duì)龍馬溪組③小層及五峰組地層，優(yōu)選高性能復(fù)合片，研制了耐磨性強(qiáng)、吃入能力好和定向可操控性強(qiáng)的?215.9 mm KMD1652ADGR 高效PDC 鉆頭，控制PDC 當(dāng)量布齒密度為46～47，采用五刀翼結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明，高效PDC 鉆頭平均純鉆時(shí)間132.56 h，使用壽命增長(zhǎng)30%以上，平均機(jī)械鉆速10.36 m/h，提速40%。

2）長(zhǎng)壽命、大扭矩螺桿。為解決常規(guī)螺桿扭矩小、壽命短，難以滿足超長(zhǎng)水平段水平井高效鉆進(jìn)需求的問(wèn)題，研發(fā)了?172.0 mm 長(zhǎng)壽命大扭矩螺桿，采用修正線型設(shè)計(jì)，點(diǎn)接觸處橡膠壓縮量最大達(dá)33.9%，定子橡膠襯套與轉(zhuǎn)子的接觸面積減小約47.5%，定子橡膠襯套應(yīng)力降低33.0%，顯著延長(zhǎng)了橡膠疲勞壽命；選用短鏈結(jié)構(gòu)丁腈橡膠和金屬離子活化劑等關(guān)鍵配合劑，攻克了低門(mén)尼超高硬度橡膠配方技術(shù)，研選了超高硬度油基橡膠材料，橡膠邵氏硬度達(dá)到HA90，耐油耐水溫度為150 ℃；開(kāi)發(fā)了基于多元強(qiáng)化復(fù)合材料的高耐磨TC 軸承，較普通軸承磨損量平均降低36.3%。應(yīng)用該螺桿后，最大扭矩21.5 kN·m，使用時(shí)間最長(zhǎng)達(dá)484 h，平均300 h。與常規(guī)等壁厚螺桿相比，在最大效率點(diǎn)處扭矩提高50.6%，總效率提高28.1%；在任選壓差相同點(diǎn)處，扭矩提高58.9%，總效率提高29.4%。

1.7 高效固井技術(shù)

為有效解決超長(zhǎng)水平段水平井套管下入困難和水泥環(huán)長(zhǎng)久密封完整性難以保證等難題，研發(fā)了以非金屬纖維彈性材料為基礎(chǔ)的抗高交變載荷水泥漿，形成了高強(qiáng)度漂浮接箍+雙漂浮下套管工藝。

例如2016年，S鎮(zhèn)年度節(jié)慶持續(xù)8天，每天有不同的主題和相應(yīng)的活動(dòng)。其中，第4天的主題是“返鄉(xiāng)僑民日”；第5天的活動(dòng)是“S鎮(zhèn)香港菲僑聯(lián)合會(huì)游行+選美比賽”，這兩天的活動(dòng)均與海外僑民直接相關(guān)。①其余主題還包括：教師之夜、變裝選美大賽、婦女之夜、菲律賓獨(dú)立教派日、天主教會(huì)日、宗教慶典（感恩）日等。又如，Y鎮(zhèn)為期7天的年度節(jié)慶中包含了兩項(xiàng)與海外僑民相關(guān)的活動(dòng)：“Y鎮(zhèn)學(xué)院校友返校之夜”和“返鄉(xiāng)僑民社交舞會(huì)”。結(jié)合其它鎮(zhèn)的情況，可以觀察到與海外僑民直接相關(guān)的節(jié)慶活動(dòng)共有三類(lèi)目的和性質(zhì)：社交聯(lián)誼、募捐籌款、綜合展示。

1）抗高交變載荷水泥漿。針對(duì)產(chǎn)層壓裂段數(shù)增多對(duì)彈韌性水泥石在交變載荷條件下完整性要求高的情況，采用有機(jī)纖維改性與合理復(fù)配的方式自主研制了彈韌劑Deform，利用纖維橋接方式阻礙裂縫延展的機(jī)理提高水泥石的韌性，形成了抗高交變載荷水泥漿，其基本配方為嘉華G 級(jí)水泥+1.5%～2.5%降濾失劑+0.5%～1.0%膨脹劑+0.3%～0.5%分散劑+1.0%～1.5% 增強(qiáng)劑+2.0%～2.5% Deform+水+0～0.13% 緩凝劑+0.13% 消泡劑，密度1.45～2.35 kg/L 靈活可調(diào)，彈性模量5.58 GPa，交變載荷大于70 次條件下軸向形變0.63%、塑性形變0.39%。該水泥漿在涪陵、宜昌、瀘州、紅星等地區(qū)的75 口井進(jìn)行應(yīng)用，壓裂后環(huán)空均不帶壓，實(shí)現(xiàn)了水平段最長(zhǎng)4286 m、溫度最高130 ℃、密度最高2.25 kg/L。涪陵工區(qū)應(yīng)用抗高交變載荷水泥漿后，環(huán)空帶壓率由2016 年的61.1%降至2020 年的8.8%，解決了儲(chǔ)層壓裂改造條件下水泥環(huán)的長(zhǎng)久密封完整性難題。

2）高強(qiáng)度漂浮接箍+雙漂浮下套管工藝。在實(shí)鉆摩阻系數(shù)較高的長(zhǎng)水平段水平井采用常規(guī)滑動(dòng)下套管方式時(shí)存在螺旋屈曲自鎖風(fēng)險(xiǎn)，難以保證套管順利下至設(shè)計(jì)井深，而漂浮下套管工藝可以解決套管不能順利下入設(shè)計(jì)井深的問(wèn)題。但是，常規(guī)漂浮接箍存在破裂盤(pán)承壓能力不足、破裂盤(pán)打開(kāi)情況下循環(huán)建立不穩(wěn)定和破裂盤(pán)碎屑循環(huán)困難的問(wèn)題，為此，自主研發(fā)了高強(qiáng)度漂浮接箍，采用非金屬盲板，承壓能力達(dá)70 MPa，破碎后的粒徑小于8.0 mm，不影響后續(xù)作業(yè)，保證了漂浮下套管工藝的安全實(shí)施。同時(shí)，采用雙漂浮下套管工藝顯著降低套管下入摩阻，滿足實(shí)鉆摩阻系數(shù)較高情況下套管的安全下入。中國(guó)石化在SY9-3HF 井中應(yīng)用該技術(shù)后，下套管時(shí)從A靶點(diǎn)至井底無(wú)遇阻現(xiàn)象，懸重波動(dòng)范圍588.0～705.6 kN，成功解決了該井4035 m 長(zhǎng)水平段套管安全下入的難題。

2 超長(zhǎng)水平段水平井鉆井存在的問(wèn)題

“十四五”時(shí)期，我國(guó)能源結(jié)構(gòu)持續(xù)優(yōu)化，為實(shí)現(xiàn)2025 年天然氣年產(chǎn)量達(dá)到 2300×108m3以上的目標(biāo)，需加快頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)力度，而超長(zhǎng)水平段水平井是提高頁(yè)巖氣產(chǎn)量的重要技術(shù)手段。近年來(lái)，中國(guó)石化頁(yè)巖氣水平井水平段不斷增長(zhǎng)，目前水平段最長(zhǎng)為JY18-S12HF 井的4286 m，但國(guó)外最長(zhǎng)水平段紀(jì)錄達(dá)到6366 m[19]，國(guó)內(nèi)水平段長(zhǎng)度3000 m以上的超長(zhǎng)水平段水平井占比遠(yuǎn)低于國(guó)外，國(guó)內(nèi)頁(yè)巖氣區(qū)塊地質(zhì)條件復(fù)雜、非均質(zhì)性強(qiáng)，在地質(zhì)選區(qū)評(píng)價(jià)體系、工具裝備性能、降摩減阻技術(shù)和固井配套體系與工藝方面仍存在諸多挑戰(zhàn)與難題。

1）頁(yè)巖氣超長(zhǎng)水平段水平井地質(zhì)選區(qū)與評(píng)價(jià)體系不完善。超長(zhǎng)水平段水平井地質(zhì)評(píng)價(jià)主要面臨3 個(gè)問(wèn)題：一是需要進(jìn)一步優(yōu)化目前的地質(zhì)評(píng)價(jià)體系，區(qū)別于常規(guī)水平井鉆井，超長(zhǎng)水平段水平井隨著水平段長(zhǎng)度延伸，與之相對(duì)應(yīng)的斷縫體系、應(yīng)力變化、井壁穩(wěn)定性等不確定性進(jìn)一步增強(qiáng)，需要思考如何建立基于系統(tǒng)性思維的評(píng)價(jià)體系；二是評(píng)價(jià)手段單一，目前的評(píng)價(jià)手段基本借鑒常規(guī)的地質(zhì)評(píng)價(jià)工具，采用分散式單項(xiàng)評(píng)價(jià)，多要素定性分析進(jìn)行綜合地質(zhì)評(píng)價(jià)，針對(duì)性不強(qiáng)，各影響因素?zé)o法量化，需要進(jìn)一步豐富完善評(píng)價(jià)手段；三是實(shí)驗(yàn)方法及評(píng)價(jià)工具技術(shù)薄弱，缺乏超長(zhǎng)水平段水平井工藝、參數(shù)的物模、數(shù)模相關(guān)軟硬件基礎(chǔ)設(shè)施配套。

2）關(guān)鍵提速工具的使用壽命和性能存在較大差距。頁(yè)巖氣超長(zhǎng)水平段水平井鉆井工具與裝備主要在以下方面存在差距：a.國(guó)外提速工具的使用壽命長(zhǎng)、性能穩(wěn)定，螺桿鉆具的轉(zhuǎn)速達(dá)1000 r/min、使用壽命達(dá)1000 h 以上[20]，而中國(guó)石化目前研制應(yīng)用的螺桿轉(zhuǎn)速550 r/min、使用壽命200～300 h，與國(guó)外的螺桿相比存在較大差距；b.目前國(guó)內(nèi)的鉆頭單趟鉆進(jìn)尺最長(zhǎng)達(dá)4225 m，而國(guó)外的鉆頭單趟鉆進(jìn)尺早已突破5000 m[21]；c.國(guó)外旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的造斜率可達(dá)到（16°～18°）/30m，而國(guó)內(nèi)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具在造斜率、安全可靠性等方面仍有較大差距。

3）降摩減阻技術(shù)有待提高。a.鉆井液方面，與國(guó)外油服公司相比，在相同密度情況下國(guó)內(nèi)油基鉆井液普遍存在黏度高、切力較低和流變性能差等問(wèn)題，高端油基鉆井液處理劑較少，性能指標(biāo)存在較大差距；b.降摩減阻工具方面，國(guó)外以振蕩類(lèi)降摩減阻工具為主，產(chǎn)品類(lèi)型豐富、性能穩(wěn)定，對(duì)改善定向控制、提高機(jī)械鉆速和井眼清潔具有顯著效果，目前中國(guó)石化研制的水力振蕩器在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中雖然取得了較好的降摩減阻效果，但在可靠性、使用壽命等方面還有待提升，需要對(duì)工具設(shè)計(jì)、在鉆具組合中的安放位置等方面開(kāi)展更加深入的研究。

4）下套管工藝與水泥漿配套不足。a.下套管工藝方面，國(guó)外頁(yè)巖氣超長(zhǎng)水平段水平井中廣泛應(yīng)用漂浮下套管技術(shù)，而中國(guó)石化僅有1 口超長(zhǎng)水平段頁(yè)巖氣水平井應(yīng)用了該技術(shù)，漂浮工具在非金屬材料承壓能力、精準(zhǔn)打開(kāi)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面存在差距；b.水泥漿方面，國(guó)外研發(fā)的泡沫水泥漿已廣泛用于北美的頁(yè)巖氣超長(zhǎng)水平段水平井固井，實(shí)現(xiàn)了頁(yè)巖氣井全生命周期環(huán)空封固，而國(guó)內(nèi)泡沫水泥漿在頁(yè)巖氣井中的應(yīng)用尚處于初期階段。

3 超長(zhǎng)水平段水平井鉆井發(fā)展建議

超長(zhǎng)水平段水平井技術(shù)是國(guó)內(nèi)外實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖氣大規(guī)模開(kāi)發(fā)降本增效的重要方向，通過(guò)加強(qiáng)超長(zhǎng)水平段水平井地質(zhì)評(píng)價(jià)技術(shù)、關(guān)鍵提速工具和裝備、超長(zhǎng)水平段降摩減阻技術(shù)、套管下入與長(zhǎng)效封固技術(shù)等方面的研究攻關(guān)，以經(jīng)濟(jì)、安全、高效為原則，逐步形成成熟的頁(yè)巖氣超長(zhǎng)水平段水平井高效鉆井技術(shù)方案，全面提升頁(yè)巖氣超長(zhǎng)水平段水平井工程技術(shù)水平，為頁(yè)巖氣高效開(kāi)發(fā)提供強(qiáng)力的技術(shù)支撐。

1）加強(qiáng)對(duì)超長(zhǎng)水平段水平井地質(zhì)評(píng)價(jià)技術(shù)的研究與攻關(guān)，建立相適應(yīng)的評(píng)價(jià)體系，豐富評(píng)價(jià)手段；同時(shí)加大相關(guān)實(shí)驗(yàn)裝備與軟件配套技術(shù)的攻關(guān)研發(fā)，如長(zhǎng)水平段井壁穩(wěn)定性技術(shù)攻關(guān)、井震結(jié)合動(dòng)態(tài)預(yù)控技術(shù)、地質(zhì)工程一體化評(píng)價(jià)手段等，形成完善的超長(zhǎng)水平段水平井地質(zhì)評(píng)價(jià)技術(shù)體系，精確評(píng)價(jià)分析超長(zhǎng)水平段水平井部署井位。

2）強(qiáng)化關(guān)鍵提速工具研發(fā)力度，重點(diǎn)開(kāi)展工具關(guān)鍵材料和機(jī)械結(jié)構(gòu)的研究，開(kāi)發(fā)低成本高造斜率旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)、高性能螺桿、扭力沖擊器、井下動(dòng)態(tài)參數(shù)控制工具、切深自調(diào)節(jié)PDC 鉆頭及智能參數(shù)采集PDC 鉆頭等工具，并加快超長(zhǎng)水平段水平井鉆井裝備配套，不斷提高工具與裝備性能，形成超長(zhǎng)水平段水平井關(guān)鍵提速工具和裝備產(chǎn)品系列，實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)水平段水平井超長(zhǎng)裸眼段一趟鉆完成，大幅縮短鉆井周期。

3）加強(qiáng)高效降摩減阻技術(shù)研究，基于地層地質(zhì)、工程要求，開(kāi)展清潔油基鉆井液體系構(gòu)建，開(kāi)展油基鉆井液提切劑、高效潤(rùn)滑劑、高性能乳化劑、多尺度封堵劑研選，對(duì)鉆井液配方進(jìn)行優(yōu)化與評(píng)價(jià)，形成適用于超長(zhǎng)水平段水平井的清潔鉆井液。同時(shí)，對(duì)國(guó)內(nèi)外水力振蕩器、扭力沖擊器和清砂短節(jié)等降摩減阻工具進(jìn)行研選并進(jìn)行相關(guān)的攻關(guān)研制，以降低摩阻扭矩為目標(biāo)函數(shù)確定降摩減阻工具最優(yōu)安放位置，形成最佳的降摩減阻設(shè)計(jì)方案，提高超長(zhǎng)水平段水平井定向鉆井效率。

4）加強(qiáng)固井液體系和下套管工具研究，借鑒國(guó)外頁(yè)巖氣超長(zhǎng)水平段水平井廣泛應(yīng)用漂浮下套管技術(shù)的經(jīng)驗(yàn)，大力開(kāi)展高承壓破碎式漂浮下套管工具、可精準(zhǔn)打開(kāi)的漂浮下套管工具、高效偏心自旋轉(zhuǎn)引鞋研制，加強(qiáng)高精度套管下入計(jì)算軟件開(kāi)發(fā)。同時(shí)，大力開(kāi)展固井液及其添加劑的基礎(chǔ)理論研究，研發(fā)高效沖洗前置液、泡沫水泥漿等高性能固井液體系，設(shè)計(jì)適用于超長(zhǎng)水平段水平井的多級(jí)沖洗工藝，實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖氣超長(zhǎng)水平段水平井全生命周期的高效封固。

4 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)多年來(lái)的技術(shù)攻關(guān)與實(shí)踐探索，中國(guó)石化頁(yè)巖氣超長(zhǎng)水平段水平井鉆井技術(shù)裝備配套、工具和工藝等取得重大進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的國(guó)產(chǎn)化，初步形成了頁(yè)巖氣超長(zhǎng)水平段水平井鉆井技術(shù)，有力支撐了國(guó)內(nèi)頁(yè)巖氣超長(zhǎng)水平段水平井的實(shí)踐探索。但是，國(guó)內(nèi)頁(yè)巖氣區(qū)塊地質(zhì)條件復(fù)雜、非均質(zhì)性強(qiáng)，頁(yè)巖氣超長(zhǎng)水平段水平井的延伸能力、工具裝備的作業(yè)效率及關(guān)鍵指標(biāo)等方面與國(guó)外還存在較大的差距。因此，建議在完善現(xiàn)有超長(zhǎng)水平段水平井鉆井技術(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開(kāi)展關(guān)鍵技術(shù)工藝的攻關(guān)研究，推動(dòng)國(guó)內(nèi)頁(yè)巖氣超長(zhǎng)水平段水平井鉆井技術(shù)發(fā)展完善，實(shí)現(xiàn)國(guó)內(nèi)頁(yè)巖氣規(guī)模效益開(kāi)發(fā)。