臧艷彬，白彬珍，李新芝，牛新明，張金成

(1.中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101;2.中測(cè)新圖〈北京〉遙感技術(shù)有限責(zé)任公司，北京 100039)

0 引言

頁巖油氣開采已成為全球油氣資源開發(fā)的一個(gè)熱點(diǎn)，特別是頁巖氣資源的高效開發(fā)，改變了全球能源供應(yīng)格局。美國(guó)是全球最早開發(fā)頁巖氣資源的國(guó)家，擁有頁巖氣資源潛力盆地50多個(gè)，其中40多個(gè)已被不同程度地勘探，目前已實(shí)現(xiàn)了規(guī)?；虡I(yè)開發(fā)。美國(guó)頁巖氣的年產(chǎn)量由1998年的104.2×108m3，躍升為2011年的1800×108m3，占當(dāng)年該國(guó)天然氣產(chǎn)量的34%;美國(guó)非常規(guī)天然氣產(chǎn)量的增加，使全球天然氣期貨價(jià)格隨之下降，打破了俄羅斯的氣價(jià)權(quán)。產(chǎn)量的大幅增加主要得益于頁巖氣藏開采技術(shù)的發(fā)展，特別是2002年水平井鉆井與分段壓裂技術(shù)的推廣應(yīng)用[1～4]。

近幾年，中國(guó)石化在四川盆地及周緣的涪陵、彭水、建南等地區(qū)進(jìn)行了頁巖氣勘探與開發(fā)實(shí)踐，完成了涪頁HF－1、建頁HF－1、彭頁 HF－1、焦頁1HF等頁巖氣水平井，其中彭頁HF－1井龍馬溪組壓裂測(cè)試后氣產(chǎn)量穩(wěn)定在2×104m3/d、焦頁1HF井龍馬溪組壓裂測(cè)試后產(chǎn)量穩(wěn)定在11.2×104m3/d。前期鉆探實(shí)踐展示了四川盆地及周緣良好的頁巖氣勘探開發(fā)潛力，四川盆地及周緣地區(qū)將是未來幾年中國(guó)石化頁巖氣勘探開發(fā)的重點(diǎn)和熱點(diǎn)地區(qū)[5～8]。

由于該地區(qū)頁巖油氣藏地質(zhì)條件復(fù)雜，部分地區(qū)水平井鉆井時(shí)井漏頻繁發(fā)生、井壁穩(wěn)定問題突出、定向段機(jī)械鉆速慢、鉆井周期長(zhǎng)、成本高、效率低，嚴(yán)重制約著該地區(qū)頁巖氣藏的商業(yè)化開發(fā)進(jìn)度。為此，本文旨在對(duì)四川盆地及周緣頁巖氣水平井鉆井面臨的挑戰(zhàn)進(jìn)行總結(jié)分析，并提出相應(yīng)的技術(shù)對(duì)策，給頁巖氣鉆井技術(shù)研究與攻關(guān)指明方向。

1 頁巖氣水平井鉆井概述

自2011年7月中國(guó)石化第一口頁巖氣水平井建頁HF－1井完鉆以來，截止2013年5月31日，中國(guó)石化在四川盆地及周緣的涪陵大安寨、涪陵龍馬溪、彭水、建南等4個(gè)地區(qū)先后完鉆了15口頁巖氣水平井，平均完鉆井深3501.87 m，平均水平段長(zhǎng)1093 m，平均機(jī)械鉆速3.99 m/h，平均鉆井周期108.71 d，平均建井周期141.98 d，完鉆井具體情況見表1。

表1 中國(guó)石化四川盆地及周緣頁巖氣水平井鉆井情況

1.1 涪陵大安寨區(qū)塊

涪陵大安寨頁巖氣藏位于四川盆地川東高陡褶皺帶內(nèi)，黃泥堂－云安場(chǎng)和大池干井高陡構(gòu)造帶所夾持的拔山寺復(fù)向斜，主要目的層為自流井組大安寨段。截止目前該地區(qū)已完鉆頁巖氣水平井7口，平均井深3590 m，平均水平段長(zhǎng)1030 m，平均鉆井周期131.3 d，平均建井周期163.07 d，平均機(jī)械鉆速3.98 m/h，其中涪頁6－2HF井鉆井周期最短，為76.04 d，涪頁9－2HF井鉆井周期最長(zhǎng)，為212.58 d。

1.2 涪陵龍馬溪區(qū)塊

涪陵龍馬溪組頁巖氣藏位于包鸞－焦石壩背斜帶焦石壩構(gòu)造，主要目的層為龍馬溪組下部的優(yōu)質(zhì)頁巖層段。截止目前該地區(qū)已完鉆頁巖氣水平井2口，平均井深3727 m，平均水平段長(zhǎng)1001 m，平均鉆井周期89.69 d，平均建井周期108.65 d，平均機(jī)械鉆速2.55 m/h。該地區(qū)2013年共部署頁巖氣水平井20口(其中，評(píng)價(jià)井17口，探井3口)，正在鉆進(jìn)的鉆井12口。

1.3 彭水區(qū)塊

彭水頁巖氣藏位于上揚(yáng)子盆地武陵褶皺帶彭水德江褶皺帶桑拓坪向斜，主要目的層為下志留系龍馬溪組頁巖地層。截止目前該地區(qū)已完鉆頁巖氣水平井4口，平均井深3820 m，平均水平段長(zhǎng)1294 m，平均鉆井周期97.61 d，平均建井周期125.49 d，平均機(jī)械鉆速4.92 m/h。除側(cè)鉆井彭頁HF－1外，彭頁3HF井鉆井周期最短，為94.29 d，彭頁2HF井鉆井周期最長(zhǎng)，為125.88 d。

1.4 建南區(qū)塊

建南頁巖氣藏位于上揚(yáng)子地臺(tái)川東褶皺帶石柱復(fù)向斜中部建南構(gòu)造，主要目的層為侏羅系下統(tǒng)自流井組東岳廟段。截止目前該地區(qū)已完鉆頁巖氣水平井2口，平均井深2333 m，平均水平段長(zhǎng)1012 m，平均鉆井周期70.81 d，平均建井周期117.86 d，平均機(jī)械鉆速5.93 m/h。

2 水平井鉆井面臨的挑戰(zhàn)

目前，中國(guó)石化在四川盆地及周緣頁巖氣水平井鉆井過程中面臨的主要挑戰(zhàn)是淺部地層出水空氣鉆受限、定向井段機(jī)械鉆速低、井漏頻繁、空氣鉆易井斜以及水平段油基鉆井液固井質(zhì)量差。

2.1 淺部地層出水空氣鉆受限

涪陵大安寨、涪陵龍馬溪和彭水地區(qū)頁巖氣鉆井過程中在淺部地層普遍鉆遇水層，部分井區(qū)地層水量較大，被迫轉(zhuǎn)為泥漿鉆進(jìn)，從而限制了空氣/泡沫鉆井技術(shù)的實(shí)施，嚴(yán)重影響了上部大尺寸井眼的機(jī)械鉆速，增加了鉆井周期。中國(guó)石化四川盆地及周緣頁巖氣鉆井過程氣體出氣情況統(tǒng)計(jì)見表2。

統(tǒng)計(jì)表明，涪陵大安寨、涪陵龍馬溪和彭水地區(qū)淺部地層氣體鉆出水情況較為普遍，其中涪陵大安寨工區(qū)完鉆的7口井中有4口井發(fā)生了氣體鉆出水;涪陵龍馬溪工區(qū)完鉆的焦頁1井和焦頁1－3HF井均發(fā)生了氣體鉆出水，正鉆井焦頁9－2HF、焦頁5－2HF、焦頁12－2HF等多口井也發(fā)生了氣體鉆出水，特別是焦頁5號(hào)平臺(tái)井區(qū)地層出水量較大，焦頁5－2HF和焦頁12－2HF井均因出水量過大被迫轉(zhuǎn)為清水鉆進(jìn);彭水地區(qū)彭頁3HF氣體鉆過程中發(fā)生地層出水，彭頁2HF和彭頁4HF未發(fā)生氣體鉆出水。

表2 氣體鉆井地層出水情況統(tǒng)計(jì)

2.2 定向段機(jī)械鉆速低

四川盆地及周緣的涪陵大安寨、涪陵龍馬溪、彭水以及建南等地區(qū)完鉆井分井段平均機(jī)械鉆速統(tǒng)計(jì)對(duì)比見圖1。統(tǒng)計(jì)表明，二開直井段平均機(jī)械鉆速最高(14.54 m/h);二開定向段平均機(jī)械鉆最低(1.74 m/h)，一開直井段平均機(jī)械鉆速為5.39 m/h，主要與部分井地層出水氣體鉆井受限有關(guān)。

圖1 完鉆井分段平均機(jī)械鉆速統(tǒng)計(jì)

圖2 定向段不同井眼尺寸鉆速對(duì)比

2.3 井漏頻繁

涪陵大安寨、涪陵龍馬溪和彭水區(qū)塊鉆井過程中井漏普遍發(fā)生，完鉆井井漏情況統(tǒng)計(jì)見表3。其中涪陵大安寨地區(qū)完鉆的7口水平井中5口井發(fā)生了井漏，漏失層位主要是上部的沙溪廟組，涪頁8－1HF井漏失最多，共計(jì)漏失1595.6 m3;涪陵龍馬溪組鉆經(jīng)小河壩組的井(焦頁1HF、焦頁1－3HF、焦頁9－2HF)均發(fā)生了漏失，焦頁1HF漏失最多，共計(jì)漏失2116.6 m3;彭水地區(qū)已經(jīng)完鉆的4口水平井均發(fā)生了漏失，其中彭頁4HF井漏失最多，共計(jì)漏失646.4 m3。

表3 完鉆井井漏情況統(tǒng)計(jì)

2.4 韓家店組空氣鉆井易井斜

涪陵龍馬溪地區(qū)和彭水地區(qū)采用空氣鉆鉆穿韓家店組地層易發(fā)生井斜，如，彭頁1井在韓家店組1270 m井斜達(dá)到了15.83°、焦頁9－2HF井在韓家店組底部1840 m井斜達(dá)到了14.7°，焦頁7－2HF在韓家店組底部1800 m井斜達(dá)到了7.23°。

2.5 固井難度大

頁巖氣水平井油基鉆井液固井難度大主要體現(xiàn)在3個(gè)方面:(1)水平段長(zhǎng)，大多在1000 m以上，套管的下入和居中困難;(2)油基鉆井液的有效頂替難度大;(3)射孔和大型壓裂對(duì)水泥環(huán)的抗沖擊能力要求高[10]。

3 技術(shù)對(duì)策

3.1 淺層水的控制措施

(1)綜合利用鉆井、測(cè)井、錄井等資料，對(duì)工區(qū)水層分布規(guī)律進(jìn)行精細(xì)描述，建立地層出水量橫向和縱向分布規(guī)律。根據(jù)地層出水描述結(jié)果優(yōu)化井位，盡量避免井位選擇在地層出水量比較大的地方。

(2)優(yōu)化導(dǎo)管和表層套管下入深度:在地勢(shì)高點(diǎn)井位導(dǎo)管下入深度20～30 m;地勢(shì)低洼井位導(dǎo)管下入深度約50 m，以有效封固地表水。表層套管封固淺部地層水層，為二開空氣鉆進(jìn)提供條件。

(3)根據(jù)裸眼井段的地層巖性、井壁穩(wěn)定性和裸眼井段是否有漏失層等條件，合理確定氣體鉆井地層出水限定值，當(dāng)氣體鉆井中遇到地層出水超過限定值后就要轉(zhuǎn)化為霧化鉆井或者泡沫鉆井。國(guó)外推薦在地層出水超過2 m3/h時(shí)就要轉(zhuǎn)，國(guó)內(nèi)采用空氣鉆井時(shí)通常做法是地層出水超過5 m3/h后才轉(zhuǎn)為霧化鉆井或泡沫鉆井[11]。

(4)優(yōu)化泡沫鉆井中所使用泡沫的性能，提高泡沫的攜水能力和抑制性，增強(qiáng)泡沫對(duì)大出水量的適應(yīng)性。

3.2 探索試驗(yàn)泡沫定向鉆井技術(shù)

針對(duì)頁巖氣水平井鉆井定向段機(jī)械鉆速低、施工周期長(zhǎng)，常規(guī)鉆井液鉆進(jìn)提速手段有限的技術(shù)難題，開展定向段泡沫鉆井技術(shù)可行性探索。圍繞定向段泡沫鉆井技術(shù)重點(diǎn)開展以下幾個(gè)方面的工作。

(1)開展定向段泡沫鉆井井壁穩(wěn)定性分析，優(yōu)先在井壁穩(wěn)定性較好的工區(qū)開展泡沫定向鉆井試驗(yàn)。

(2)空氣螺桿優(yōu)選:傳統(tǒng)的螺桿鉆具使用鉆井液作為動(dòng)力，同時(shí)鉆井液也用來潤(rùn)滑和散熱。但用霧化或泡沫作為循環(huán)介質(zhì)就會(huì)有很大的局限性，同時(shí)由于泡沫的可壓縮性，在注入壓力突然增加時(shí)馬達(dá)的腔室不會(huì)有明顯的變化，不像傳統(tǒng)的鉆井液會(huì)有顯著的變化，這種變化可以通過突然的轉(zhuǎn)速降低反映出來。馬達(dá)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理或現(xiàn)場(chǎng)操作不當(dāng)均會(huì)造成馬達(dá)的速度會(huì)超過額定速度，對(duì)馬達(dá)內(nèi)部造成損壞。

(3)隨鉆測(cè)量系統(tǒng)優(yōu)選:在泡沫介質(zhì)條件下，傳統(tǒng)的MWD儀器無法工作，要實(shí)現(xiàn)隨鉆井眼軌跡測(cè)量就必須采用電磁波隨鉆測(cè)量?jī)x器(EMWD)。泡沫鉆井條件下的振動(dòng)和大排量對(duì)EMWD將產(chǎn)生重要影響。

(4)鉆進(jìn)參數(shù)優(yōu)化:綜合考慮空氣螺桿輸入輸出特性、井壁穩(wěn)定、工具面穩(wěn)定等因素，合理確定鉆壓、注氣量、注液量等參數(shù)。

3.3 井漏的預(yù)防與處理

(1)涪陵大安寨工區(qū):該工區(qū)井漏的客觀原因是沙溪廟組地層承壓能力低，主觀原因是井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，特別是涪頁8－1HF和涪頁9－2HF井身結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化后造成沙溪廟低承壓層和大安寨高壓層同處一個(gè)裸眼段，造成反復(fù)承壓堵漏。因此，該工區(qū)的井漏可通過井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化解決，具體做法為:二開技術(shù)套管下入深度增加至涼高山組底部，即井斜60°～70°，封固沙溪廟組低承壓層和涼高山易坍塌地層。

(2)涪陵龍馬溪工區(qū):該工區(qū)井漏的主要原因在于小河壩組地層裂縫發(fā)育。堵漏的難點(diǎn)在于井漏與定向作業(yè)同井段，定向鉆具中MWD儀器間隙小限制了隨鉆堵漏劑的加量和堵漏劑顆粒的大小，造成隨鉆堵漏效果差。EMWD儀器采用電池供電，無需渦輪發(fā)電，因此允許通過的固體顆粒較大，對(duì)隨鉆堵漏材料的適用性較常規(guī)MWD強(qiáng)。在工區(qū)可以采用EMWD+隨鉆堵漏的方法解決定向井漏的技術(shù)難題。

(3)彭水地區(qū):該工區(qū)漏失的主要層位是龍馬溪組，井漏的主要原因是地層裂縫、層理發(fā)育，堵漏的難點(diǎn)是油基鉆井液條件下的堵漏成功率低。

3.4 加強(qiáng)空氣鉆防斜打直工具的研發(fā)

相關(guān)研究表明[12]，塔式鉆具組合和低壓吊打是現(xiàn)場(chǎng)空氣鉆井防斜的主要方法，且取得了良好的使用效果，但卻影響了空氣鉆井的提速效果?？諝饴輻U在提速和防斜打直方面具有一定效果，但效果不明顯，還有待于不斷研究和試驗(yàn)?？諝忮N現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用證明不但能提高機(jī)械鉆速，而且在防斜打直方面發(fā)揮著巨大作用，但其價(jià)格不菲。因此與泥漿鉆防斜打直工具相比，適用于空氣鉆的高效、低成本防斜打直工具相對(duì)缺乏，有待于進(jìn)一步攻關(guān)研發(fā)。

3.5 頁巖氣水平井固井對(duì)策

3.5.1 水泥漿體系優(yōu)選

針對(duì)射孔、多級(jí)壓裂等作業(yè)對(duì)水泥環(huán)的損傷，從提高水泥環(huán)抗沖擊能力和水泥石動(dòng)態(tài)力學(xué)性能方面出發(fā)，國(guó)內(nèi)外形成了適用于頁巖氣水平井的水泥漿體系，如，哈里伯頓公司的 ElastiCem○RCement，斯倫貝謝的Flexstone，BJ公司的DuraSe，中石化工程院的SEP水泥漿體系，以及BJ公司的Automated Foam Cement泡沫水泥漿體系。

3.5.2 油基沖洗液優(yōu)選與研發(fā)[10]

采用多種表面活性劑復(fù)合，增加洗油和潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)效果，優(yōu)選或研發(fā)油基鉆井液沖洗液，用于清洗粘附在界面處的油漿、油膜及濾餅，改善環(huán)空界面的膠結(jié)環(huán)境，同時(shí)通過優(yōu)化前置液結(jié)構(gòu)和用量，有效循環(huán)鉆井液，提高不規(guī)則井眼頂替效率技術(shù)，提高固井膠結(jié)質(zhì)量。

3.5.3 固井施工工藝[10]

通過分析水平井下套管面臨的問題，優(yōu)選、優(yōu)化套管扶正器的類型和安放位置，確保套管居中度達(dá)到70%以上;制定頁巖氣水平井套管下入技術(shù)措施，在優(yōu)化通井程序、采用漂浮接箍和套管抬頭技術(shù)等方面確保水平段套管順利下入，從而提高水平井固井質(zhì)量。

3.6 加快“井工廠”鉆井作業(yè)模式攻關(guān)與應(yīng)用

“井工廠”作業(yè)理念的核心是在一個(gè)地區(qū)部署大批井，以整體化、系統(tǒng)化的部署與設(shè)計(jì);標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的裝備與操作;程序化、流水化的作業(yè)與施工;規(guī)?；⑴炕纳a(chǎn)運(yùn)行與管理為指導(dǎo)而進(jìn)行鉆井和完井的一種高效低成本的作業(yè)模式，從而極大地降低鉆井成本、提高壓裂效果，實(shí)現(xiàn)效益最大化。國(guó)外在常規(guī)鉆完井技術(shù)改進(jìn)升級(jí)的基礎(chǔ)上，通過關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)與工藝配套，形成了一套較成熟的“井工廠”鉆井作業(yè)模式，且已在美國(guó)Marcellus地區(qū)、加拿大Pembina地區(qū)進(jìn)行了推廣應(yīng)用。通過“井工廠”技術(shù)的應(yīng)用，Marcellus地區(qū)垂深2500 m、水平段長(zhǎng)1300 m的水平井平均單井鉆井周期27 d;Pembina地區(qū)井深3384 m、水平段長(zhǎng)1217 m的水平井平均單井鉆井周期7.94 d，較應(yīng)用前18.0 d降低了56%。截止 2011年底，Marcellus頁巖氣藏超過83%的井采用“井工廠”鉆井模式。國(guó)外“井工廠”技術(shù)在非常規(guī)特別是頁巖氣開發(fā)中發(fā)揮了重要的降本、提速、增效作用。

4 結(jié)語

(1)定向段機(jī)械鉆速低、且與井漏同井段，提速難度大;直井段地層出水氣體鉆井受限;韓家店組空氣鉆易發(fā)生井斜;水平段油基鉆井液固井質(zhì)量差是四川盆地及周緣頁巖氣水平井面臨的主要挑戰(zhàn)，也是該地區(qū)優(yōu)快鉆井亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)難題。

(2)從淺層水控制、泡沫定向鉆井技術(shù)試驗(yàn)、井漏的預(yù)防與處理、空氣鉆防斜打直工具研發(fā)、頁巖氣水平井油基鉆井液固井對(duì)策以及“井工廠”鉆井作業(yè)模式攻關(guān)與應(yīng)用等6個(gè)方面提出了克服四川盆地及周緣頁巖氣水平井面臨挑戰(zhàn)的技術(shù)對(duì)策，為后期技術(shù)方案優(yōu)化和科研攻關(guān)提供了參考與借鑒。

(3)頁巖氣水平井鉆井裝備和施工經(jīng)驗(yàn)相對(duì)缺乏，需開展廣泛的對(duì)外合作，通過“產(chǎn)－學(xué)－研”相結(jié)合的方法，加大研究力度，力爭(zhēng)短期內(nèi)掌握頁巖氣水平井優(yōu)快鉆井的核心技術(shù)，打破北美國(guó)家技術(shù)壟斷的局面，為我國(guó)頁巖氣的商業(yè)化開發(fā)提供有效的技術(shù)支撐。

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