袁明進(jìn)，童勝寶，丁錦鶴，何能舉

（中國(guó)石化華東分公司石油工程技術(shù)研究院，江蘇 南京 210031）

1 地質(zhì)特點(diǎn)及鉆井技術(shù)難點(diǎn)

渝東南彭水區(qū)塊構(gòu)造位于四川盆地東南緣，彭頁(yè)1井為該區(qū)塊的第一口頁(yè)巖氣參數(shù)井。該井自上而下鉆遇的地層依次為第四系，三疊系大冶組，二疊系長(zhǎng)興組、吳家坪組、茅口組、棲霞組、梁山組，志留系韓家店組、小河壩組、龍馬溪組，奧陶系五峰組、臨湘組、寶塔組，龍馬溪組為主要目的層位。

通過(guò)彭頁(yè)1井的鉆探，在龍馬溪組獲得良好的氣顯示。按照“直井取參數(shù)，水平井求產(chǎn)能”的部署思路，優(yōu)選了彭頁(yè)1井優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖段作為水平井靶窗，側(cè)鉆施工了彭頁(yè)HF-1井。通過(guò)彭頁(yè)1井以及彭頁(yè)HF-1井的鉆探，總結(jié)出該區(qū)塊存在以下鉆井技術(shù)難點(diǎn)。

1.1 地層可鉆性差，機(jī)械鉆速低

根據(jù)彭頁(yè)1井的鉆井及測(cè)井資料以及相關(guān)的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究，繪制了該區(qū)塊地層的可鉆性曲線，總體來(lái)說(shuō)彭水區(qū)塊巖石可鉆性級(jí)值呈現(xiàn)上、下部高，中間低的特點(diǎn)。其中上部的長(zhǎng)興組、茅口組地層由于富含燧石團(tuán)塊，是導(dǎo)致上部地層級(jí)值高、可鉆性較差的根本原因。龍馬溪組巖石屬于中高硬度、輕脆性巖石，可鉆性級(jí)值較高，達(dá)到7。

彭頁(yè)1井一開(kāi)?444.5 mm×86.16m，平均機(jī)械鉆速0.9m/h；二開(kāi)?311.1 mm×893.78m，平均機(jī)械鉆速2.03m/h；三開(kāi)?215.9 mm×2 208m，平均機(jī)械鉆速3.46m/h，全井平均機(jī)械鉆速僅2.62m/h。

1.2 灰?guī)r縫洞發(fā)育，堵漏難度大

彭水區(qū)塊二疊系、三疊系地層巖性以灰?guī)r及泥質(zhì)灰?guī)r為主，常規(guī)鉆井液鉆進(jìn)過(guò)程中很容易發(fā)生井漏現(xiàn)象。彭頁(yè)2HF井原井眼鉆進(jìn)過(guò)程中于井深132m處鉆遇大型裂縫性漏失，強(qiáng)鉆堵漏過(guò)程中漏失鉆井液3 028m3，清水5 890m3；井深345 ～ 379m處出現(xiàn)三次放空現(xiàn)象。

1.3 地層傾角大，井斜控制難

彭水區(qū)塊位于武陵褶皺帶的彭水—德江褶皺帶，處在“槽—檔”過(guò)渡區(qū)，構(gòu)造形態(tài)以NE向復(fù)向斜和復(fù)背斜相間分布為主。區(qū)塊內(nèi)地層普遍存在10°～48°的地層傾角，其中韓家店和小河壩組地層傾角較大。

彭頁(yè)1井實(shí)鉆過(guò)程中由于地層傾角大、地層造斜能力強(qiáng)，導(dǎo)致井斜控制難，最終井深1 270m處井斜角達(dá)到相對(duì)最大值15.829°，井底位移達(dá)240m（完鉆井深2 208m）。

1.4 頁(yè)巖層水平井鉆進(jìn)，井壁垮塌風(fēng)險(xiǎn)大

彭頁(yè)1井主要目的層段龍馬溪組巖性主要為黑色碳質(zhì)頁(yè)巖、灰黑色頁(yè)巖，其中夾少量粉砂巖及泥巖，礦物含量主要以黏土礦物（18%～50%）、石英（26.6%～73.1%）為主。其中黏土礦物主要以伊利石（34% ～65%）、伊/蒙混層（24% ～57%）為主，綠泥石含量5%～15%，不含高嶺石。

結(jié)合黏土晶體的化學(xué)結(jié)構(gòu)特征和特性，認(rèn)為在龍馬溪組鉆水平井時(shí)，其主要的井壁穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)是因伊利石及伊蒙混層礦物晶體分散及表面吸水而產(chǎn)生的剝落掉塊[1]。

2 鉆井優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 井身結(jié)構(gòu)

彭頁(yè)1井、彭頁(yè)2HF井原井眼鉆井過(guò)程中遇到的主要問(wèn)題是淺表地層的溶洞性漏失以及上部灰?guī)r層段的縫洞性漏失。通過(guò)對(duì)彭水區(qū)塊地質(zhì)地層特點(diǎn)以及鉆井技術(shù)難點(diǎn)的綜合分析，認(rèn)為彭水區(qū)塊一開(kāi)井深宜鉆穿上部灰?guī)r地層進(jìn)入韓家店組50m，采用空氣鉆井方式，解決淺表地層以及上部灰?guī)r地層存在的井漏問(wèn)題，下表層套管封固，為二開(kāi)鉆進(jìn)提供一個(gè)穩(wěn)定的井眼；二開(kāi)鉆進(jìn)至造斜點(diǎn)上部30m，以降低施工風(fēng)險(xiǎn)，避開(kāi)大尺寸造斜井段，提高二開(kāi)鉆進(jìn)效率；三開(kāi)鉆進(jìn)至完鉆井深，井身結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 彭水區(qū)塊頁(yè)巖氣水平井井身結(jié)構(gòu)Fig.1 Well bore configuration of horizontal wells in Pengshui shale gas

2.2 鉆井方式

從該區(qū)塊的地質(zhì)特點(diǎn)分析以及彭頁(yè)1井、彭頁(yè)2HF井原井眼的鉆井過(guò)程來(lái)看，彭水區(qū)塊在淺表地層存在縫洞性漏失的可能性較大，同時(shí)該區(qū)塊上部地層主要為灰?guī)r，鉆進(jìn)過(guò)程中也很容易發(fā)生裂縫性漏失。進(jìn)入志留系韓家店組，地層傾角較大，造斜能力強(qiáng)，井斜難以控制。而采用空氣鉆井方式不僅能很好的解決該區(qū)塊的井漏問(wèn)題，同時(shí)在防斜打直、提速提效方面有很好的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。因此，彭頁(yè)2HF、3HF、4HF等井在一開(kāi)、二開(kāi)井段均設(shè)計(jì)采用空氣/空氣錘鉆井。

2.3 軌跡控制

水平井施工，井眼軌跡控制是一個(gè)難題，控制不好井眼軌跡不在目的層穿行會(huì)給后期施工造成困難。國(guó)外頁(yè)巖氣水平井施工為了提高井眼軌跡控制精度，降低鉆井過(guò)程中的扭矩磨阻，一般采用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)[2-4]。彭頁(yè)HF-1井在借鑒國(guó)外成功開(kāi)發(fā)頁(yè)巖氣的基礎(chǔ)上采用了旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)，取得了良好的井眼軌跡控制和鉆井效果。為了對(duì)比旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向與滑動(dòng)導(dǎo)向（LWD）控制井眼軌跡的效果，彭頁(yè)2HF設(shè)計(jì)采用了LWD控制井眼軌跡。

2.4 井壁穩(wěn)定

由于頁(yè)巖層層理結(jié)構(gòu)特征，在地層應(yīng)力被破壞后，很容易因應(yīng)力的釋放而產(chǎn)生剝落掉塊，也就是地層應(yīng)力失去平衡。從彭頁(yè)1井龍馬溪組頁(yè)巖取出的巖心觀察，可以看到很明顯的層理結(jié)構(gòu)，以及因地層應(yīng)力釋放后產(chǎn)生的橫向裂縫和巖心敲擊后產(chǎn)生的整體的剝落掉塊。

從彭頁(yè)1井龍馬溪組頁(yè)巖的特點(diǎn)可以看出，在龍馬溪組施工頁(yè)巖氣水平井，保持井壁穩(wěn)定需從兩個(gè)方面入手：①選擇強(qiáng)抑制性鉆井液體系，減少因鉆井液失水而造成的泥頁(yè)巖地層吸水膨脹而產(chǎn)生的剝落、掉塊；②確定合理的鉆井液密度，有效平衡上覆地層壓力，防止因地層被打開(kāi)后而產(chǎn)生的應(yīng)力不平衡，導(dǎo)致井壁不穩(wěn)定。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

3.1 井身結(jié)構(gòu)

通過(guò)彭頁(yè)2HF、3HF、4HF三口井的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，該區(qū)塊采用優(yōu)化后的井身結(jié)構(gòu)方案能夠滿(mǎn)足區(qū)塊勘探開(kāi)發(fā)要求（表1）。

3.2 鉆井方式

彭頁(yè)2HF、3HF、4HF井在一開(kāi)、二開(kāi)井段均設(shè)計(jì)采用空氣/空氣錘鉆井。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，取得了良好的應(yīng)用效果?，F(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明：?444.5井眼常規(guī)鉆井機(jī)械鉆速1～3.6m/h，空氣鉆井機(jī)械鉆速4～7m/h，相比提高了1～3倍。泡沫鉆井機(jī)械鉆速3.6m/h。? 311.1井眼常規(guī)鉆井機(jī)械鉆速2～3m/h，空氣鉆井機(jī)械鉆速12.5～15m/h，相比提高了3.2～6.5倍。泡沫鉆井機(jī)械鉆速5m/h，相比常規(guī)鉆井提高了0.7～1.5倍（圖2、圖3）。

表1 設(shè)計(jì)與實(shí)鉆井身結(jié)構(gòu)對(duì)比Table 1 Well bore configuration comparison of design wells and real drilling wells

圖2 ?444.5井眼機(jī)械鉆速Fig.2 ROP of?444.5 well bore

圖3 ?311.1井眼機(jī)械鉆速Fig.3 ROP of?311.1 well bore

同時(shí)采用空氣/空氣錘鉆井方式，井身質(zhì)量也得到了很好的控制。相比相同井段的彭頁(yè)1井采用常規(guī)鉆井液鉆進(jìn)，于井深1 540m處井斜角達(dá)15.84°，而彭頁(yè)2HF、3HF、4HF三口井直井段最大井斜角均小于4°。

3.3 軌跡控制

彭頁(yè)HF-1、2HF、3HF、4HF四口井水平段采用不同方式控制井眼軌跡，使用效果見(jiàn)表2。從井身質(zhì)量上來(lái)看，彭頁(yè)HF-1、3HF二口井采用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向，狗腿度普遍要比采用滑動(dòng)導(dǎo)向（LWD）高，主要是由于在實(shí)鉆過(guò)程中目的層的變化導(dǎo)致井眼軌跡調(diào)整?？傮w來(lái)看，采用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向和滑動(dòng)導(dǎo)向（LWD）都能夠很好的滿(mǎn)足井眼軌跡控制質(zhì)量要求，井眼軌跡均較光滑。但在機(jī)械鉆速方面，采用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向機(jī)械鉆速普遍要比采用滑動(dòng)導(dǎo)向（LWD）高，是其1～2倍。

3.4 水平段鉆井液

彭頁(yè)HF-1、2HF、3HF、4HF各井三開(kāi)井段均采用油基鉆井液。其中彭頁(yè)HF-1、4HF采用的是進(jìn)口油基鉆井液（體系1），彭頁(yè)2HF、3HF采用的是國(guó)產(chǎn)油基鉆井液（體系2）。從現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況來(lái)看，4口井鉆井過(guò)程中油基鉆井液均表現(xiàn)出較好的性能（表3），特別是抗失水性、抑制頁(yè)巖膨脹、潤(rùn)滑性方面表現(xiàn)出優(yōu)越的性能，保證了鉆井過(guò)程的順利進(jìn)行。

表2 水平段旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向與滑動(dòng)導(dǎo)向（LWD）使用效果對(duì)比Table 2 Usage effects comparison of rotary steering and slide-and-guide in horizontal sections

表3 不同油基鉆井液性能對(duì)比Table 3 Performance comparison of different oil base drilling fluids

4 存在問(wèn)題

4.1 漏失嚴(yán)重

彭頁(yè)HF-1、2HF、3HF和4HF各井三開(kāi)井段均發(fā)生井漏現(xiàn)象，其中彭頁(yè)HF-1漏失19次，漏失油基鉆井液357.7m3；彭頁(yè)2HF漏失15次，漏失油基鉆井液293.68m3；彭頁(yè)4HF漏失12次，漏失油基鉆井液489.5m3。從漏失的井深和層位分析，漏失主要發(fā)生在目的層龍馬溪組中下部灰質(zhì)泥巖及粉砂質(zhì)泥巖段。

4.2 地層出水

彭頁(yè)3HF井一開(kāi)鉆至37.14m處地層出水，隨后轉(zhuǎn)成泡沫鉆進(jìn)，鉆至74.17m處地層出水量增大至32m3/h，泡沫鉆井不能正常施工，轉(zhuǎn)換成常規(guī)鉆井液鉆進(jìn)。二開(kāi)后采用空氣鉆進(jìn)+空氣錘施工，鉆至井深1 890m后起鉆換空氣錘，下鉆到底后開(kāi)氣循環(huán)，發(fā)現(xiàn)返砂成團(tuán)，判斷井下存在出水情況。繼續(xù)鉆進(jìn)至1 961m時(shí)，鉆時(shí)升高，起出空氣錘，發(fā)現(xiàn)空氣錘泥包，為了避免出現(xiàn)復(fù)雜事故，二開(kāi)余下井段轉(zhuǎn)換成常規(guī)鉆井液施工。

5 結(jié)論及建議

1）彭水區(qū)塊頁(yè)巖氣水平井采用三級(jí)井身結(jié)構(gòu)、空氣鉆井方式、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向/滑動(dòng)導(dǎo)向（LWD）、油基鉆井液等方法，很好地解決了前期鉆井過(guò)程中的灰?guī)r縫洞性漏失、頁(yè)巖層井壁穩(wěn)定等問(wèn)題。但目前將技術(shù)套管下至造斜點(diǎn)上部，三開(kāi)井段鉆進(jìn)過(guò)程中油基鉆井液漏失嚴(yán)重，需進(jìn)一步對(duì)井身結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和研究，為鉆井作業(yè)安全、高效、順利進(jìn)行進(jìn)一步提供支持。

2）彭頁(yè)3HF井由于處于構(gòu)造的低部位，地層埋深較深，在采用空氣鉆井過(guò)程中地層出水嚴(yán)重，導(dǎo)致空氣鉆井無(wú)法進(jìn)行。因此，需進(jìn)一步深化認(rèn)識(shí)該區(qū)塊的地質(zhì)構(gòu)造特點(diǎn)及地層含水特點(diǎn)，為空氣鉆井在該區(qū)塊的合理應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

3）彭水區(qū)塊頁(yè)巖氣水平井采用油基鉆井液能很好的滿(mǎn)足頁(yè)巖層水平鉆進(jìn)需要，但漏失嚴(yán)重，且成本較高，需進(jìn)一步開(kāi)展水基鉆井液以及聚胺仿油基鉆井液的室內(nèi)研究和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)工作，為該區(qū)塊降本增效，實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖氣商業(yè)開(kāi)發(fā)提供保障。

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[4]姜政華，童勝寶，丁錦鶴.彭頁(yè)HF-1頁(yè)巖氣水平井鉆井關(guān)鍵技術(shù)[J].石油鉆探技術(shù),2012，40（4）：28-31.