楊 芳 覃 軍 李兆豐 唐守勇 李燕燕

中國(guó)石油浙江油田公司

0 引言

昭通示范區(qū)是“十二五”期間國(guó)家設(shè)立的長(zhǎng)寧——威遠(yuǎn)、昭通、涪陵、延安等4個(gè)國(guó)家級(jí)頁(yè)巖氣示范區(qū)之一，目前已完成頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)水平井97口，分布在黃金壩——紫金壩——大寨——云山壩。隨著頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)的不斷深入，鉆遇的地層趨于復(fù)雜，存在很多鉆井難點(diǎn)問(wèn)題，嘉陵江組、飛仙關(guān)組、茅口組、棲霞組為碳酸鹽巖地層，溶洞裂縫發(fā)育，易漏；韓家店組、石牛欄組巖石硬、強(qiáng)度高，可鉆性差；龍馬溪組裂縫發(fā)育，易漏且井壁不穩(wěn)定易引發(fā)阻卡，給鉆井施工帶來(lái)一定的挑戰(zhàn)[1-6]。本文針對(duì)這些問(wèn)題，研究其解決對(duì)策和措施，旨在提高鉆井速度，提升鉆井工程質(zhì)量。

1 昭通示范區(qū)頁(yè)巖氣水平井鉆井技術(shù)現(xiàn)狀

通過(guò)數(shù)十年的勘探開(kāi)發(fā)建設(shè)，逐步形成昭通頁(yè)巖氣示范區(qū)水平井鉆井工藝配套技術(shù)。采用“直——增——穩(wěn)——增——穩(wěn)”五段式井眼軌跡，分別在二開(kāi)、三開(kāi)上部造斜使三維軌跡二維化；采用三層井身結(jié)構(gòu)，一開(kāi)至飛仙關(guān)組上部，二開(kāi)至韓家店組上部，三開(kāi)至完鉆；水平段采用油基鉆井液或者高潤(rùn)強(qiáng)抑性水基鉆井液；三完采用韌性水泥漿體系。至2017年底，平均機(jī)械鉆速5.51 m/h，鉆井周期73.19 d，生產(chǎn)時(shí)效87.3%，與初期相比，取得了較好的效果。但頁(yè)巖氣水平井鉆井綜合水平與美國(guó)相比還有較大的差距，提速提效工作需要不斷取得進(jìn)展，鉆井周期需要不斷縮短[7]。

2 昭通頁(yè)巖氣水平井鉆井難點(diǎn)分析

2.1 機(jī)械鉆速低

昭通頁(yè)巖氣示范區(qū)上部地層為三疊系和二疊系，地層老，巖石硬、強(qiáng)度高，中下部韓家店——石牛欄組地層非均質(zhì)性強(qiáng)、軟硬交錯(cuò)，地層巖石可鉆性差，鉆頭適應(yīng)性差[8]。各地層機(jī)械鉆速低，單井機(jī)械鉆速普遍較低，從2014年至2017年，機(jī)械鉆速上升不明顯（表1、圖1）。

2.2 阻卡頻發(fā)

2014年至2017年共有25口井發(fā)生33井次阻卡，損失時(shí)間552.96 d。阻卡發(fā)生在嘉陵江組、茅口組、棲霞組、峨眉山玄武巖、韓家店組、石牛欄組、龍馬溪組7個(gè)地層；主要發(fā)生在龍馬溪組、棲霞組、茅口組、嘉陵江組；其中龍馬溪組占比66.67%（圖2）。

處理卡鉆的方法大致有8種。其中打水泥塞提前完井及側(cè)鉆填井占24.24%，震擊解卡占33.3%，其余依次為活動(dòng)鉆具解卡、短起下解卡、泡解卡劑解卡、注水封固井壁等（圖3）。可見(jiàn)阻卡對(duì)鉆井工程施工影響較大。

表1 各層鉆頭平均機(jī)械鉆速表

圖1 2014-2017年完成井單井井機(jī)械鉆速圖

圖2 各地層卡鉆頻率和損失時(shí)間占比圖

2.3 井漏頻發(fā)

圖3 卡鉆處理措施圖

表2 昭通頁(yè)巖氣區(qū)漏失層位統(tǒng)計(jì)表（按地層從上往下的順序排列）

2014——2017年共有56口井的217井次漏失層位進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（表2）[9-12]，結(jié)果顯示在昭通頁(yè)巖氣示范區(qū)，所有鉆遇的地層中均發(fā)生了不同程度的井漏，主要漏層為茅口組、龍馬溪組、棲霞組、嘉陵江組。中上層主要以溶洞性漏失和裂縫性漏失為主，下部地層以裂縫性和滲透性漏失為主。滲透性漏失56井次，占比25.8%；裂縫性漏失80井次，占比36.87%；溶洞性漏失81井次，占比37.33（圖4）。

在鉆進(jìn)情況下最容易發(fā)生井漏，漏失202井次，占比93.08%，其次是劃眼情況下，漏失6井次，占比2.76%。在循環(huán)、下套管、固井、起鉆、下鉆、短起下等工況下發(fā)生的漏失，共16井次，占比4.14%（圖 5）。

3 昭通頁(yè)巖氣水平井鉆井提速對(duì)策與應(yīng)用

3.1 提高機(jī)械鉆速對(duì)策

眾所周知，鉆進(jìn)過(guò)程中，鉆壓、轉(zhuǎn)速、水力因素、鉆井液性能以及鉆頭的牙齒磨損等是影響鉆速的主要因素。除此之外，鉆頭質(zhì)量的優(yōu)劣及其與其他鉆井工藝條件是否適應(yīng)，也直接影響鉆井速度[13]。

1）強(qiáng)化鉆井參數(shù)

強(qiáng)化鉆壓、排量、扭矩等鉆井參數(shù)，排量由20～24 L/s優(yōu)化為30～35 L/s；鉆壓由8～10 t優(yōu)化為12～15 t；轉(zhuǎn)速由30～40 r/min優(yōu)化為60～70 r/min。并對(duì)鉆機(jī)配套設(shè)備進(jìn)行升級(jí)改造，以適應(yīng)鉆井參數(shù)施工需要，達(dá)到提高機(jī)械鉆速的目的。①泥漿泵：鉆機(jī)配備3臺(tái)1600型泥漿泵，耐壓52 MPa以滿足大排量、高泵壓鉆進(jìn)工況需要；采用“兩用一備”模式實(shí)現(xiàn)泥漿泵無(wú)停鉆檢保時(shí)間，提升作業(yè)效率。②循環(huán)系統(tǒng)、立管：均使用52 MPa，為高泵壓施工提供裝備保障。③鉆桿：全井采用139.7 mm鉆桿，增大水眼，降低施工泵壓以提高排量的要求。④固控設(shè)備：強(qiáng)化固控，降低固相含量。

圖4 各地層井漏類型統(tǒng)計(jì)圖

圖5 井漏發(fā)生時(shí)的工況分布圖

2）優(yōu)選鉆頭型號(hào)

用模糊優(yōu)化理論對(duì)鉆頭效益指數(shù)法的3個(gè)量進(jìn)行無(wú)量綱化、數(shù)量級(jí)統(tǒng)一化處理，同時(shí)引入評(píng)價(jià)權(quán)重，改造完善鉆頭效益指數(shù)法，綜合考慮了鉆頭近期經(jīng)濟(jì)效益和遠(yuǎn)期經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)已鉆井的實(shí)際鉆頭使用資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，根據(jù)使用情況，選取效果較好的鉆頭類型（表3）[14-17]。

3）開(kāi)展難鉆地層提速攻關(guān)試驗(yàn)

針對(duì)韓家店——石牛欄地層可鉆性差，先后開(kāi)展了優(yōu)選鉆頭、優(yōu)選鉆井方式、開(kāi)展扭力沖擊器試驗(yàn)及低密度鉆井液等試驗(yàn)，已經(jīng)取得較好的效果（圖6）。但開(kāi)展的低密度鉆井液存在井控風(fēng)險(xiǎn)，新平臺(tái)需內(nèi)前期弄清氣測(cè)顯示、上竄速度，做好井控預(yù)案才能應(yīng)用。

表3 各開(kāi)次推薦鉆頭使用型號(hào)表

3.2 應(yīng)用實(shí)例

1）強(qiáng)化鉆井參數(shù)

在YS112H6平臺(tái)3口井H6-3、H6-4、H6-7井“三開(kāi)”鉆進(jìn)過(guò)程中強(qiáng)化鉆井參數(shù)，排量由20～24 L/s優(yōu)化為30～35 L/s、鉆壓由8～10 t優(yōu)化為12～15 t、轉(zhuǎn)速由30～40 r/min優(yōu)化為60～70 r/min，“三開(kāi)”平均機(jī)械鉆速7.86 m/h，最長(zhǎng)一趟鉆進(jìn)尺1 985 m。與鄰平臺(tái)YS112H7相比，“三開(kāi)”平均機(jī)械鉆速提高了87.9%，一趟鉆進(jìn)尺提高了62.3%（圖 7）。

圖6 韓家店石牛欄組機(jī)械鉆速圖

2）優(yōu)選鉆頭

2018年完成井YS112H2-5井“一開(kāi)”采用406.4 mm慧靈豐HS5164SBZ，機(jī)械鉆速達(dá)15.17 m/h；YS112H2-1井“二開(kāi)”采用311.1 mm川石SJT537GK鉆頭，機(jī)械鉆速達(dá)10.95 m/h；YS112H2-3井“三開(kāi)”采用215.9 mm HCCAT505S，機(jī)械鉆速達(dá)13.34 m/h。與優(yōu)化前相比較，“一開(kāi)”、“二開(kāi)”、“三開(kāi)”機(jī)械鉆速分別提高了6.12%、23.44%、60.14%（圖 8）。

圖7 “三開(kāi)”鉆井優(yōu)化前、后機(jī)械鉆速對(duì)比圖

圖8 各次開(kāi)鉆優(yōu)化前、后機(jī)械鉆速對(duì)比圖

3）低密度試驗(yàn)

2018年在YS112H2平臺(tái)開(kāi)展低密度試驗(yàn)。H2-3、H2-5在韓家店、石牛欄組采用1.01～1.03 g/cm3鉆井液密度鉆進(jìn)， H2-1井采用1.48 cm3鉆井液密度鉆進(jìn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用低密度鉆井液鉆進(jìn)，韓家店組機(jī)械鉆速平均提高80.56%，石牛欄組機(jī)械鉆速平均提高86.39%（圖9）。

圖9 韓家店、石牛欄組低密度試驗(yàn)圖

4 減少阻卡對(duì)策

昭通示范區(qū)頁(yè)巖氣水平井阻卡主要由于井壁不穩(wěn)定掉塊引起的[18]。阻卡主要發(fā)生在龍馬溪、棲霞、茅口、嘉陵江，其中龍馬溪組占66.67%，同時(shí)這四個(gè)地層井漏頻發(fā)，尤其龍馬溪組以滲漏為主，止而復(fù)漏的情況多，處理周期長(zhǎng)，鉆井液浸泡久，易引起井壁不穩(wěn)定。

4.1 優(yōu)化鉆井液性能

鉆井液密度過(guò)高液壓傳遞造縫易引起垮塌惡化。鉆井液濾液沿著裂縫或者層理面優(yōu)先侵入引起頁(yè)巖水化，水化膜楔入作用使得微裂縫開(kāi)裂、擴(kuò)展、分叉、再擴(kuò)展，最后可能與主縫貫通，沿著力學(xué)性質(zhì)較弱的裂縫發(fā)生破壞，造成井壁掉塊。因此，要適當(dāng)降低鉆井液密度，減少液體侵入量（封堵性）、減弱離子水化、減少荷電離子數(shù)量（抑制性），同時(shí)降低流體pH值、控制反應(yīng)條件抑制堿蝕。

針對(duì)不同地區(qū)，鉆井液性能要求各有側(cè)重點(diǎn)。紫金壩、大寨地區(qū)的頁(yè)巖地層，黏土中含30%左右伊蒙混層，易膨脹，中等或弱分散，鉆井液強(qiáng)調(diào)封堵性、表面及層間抑制性。黃金壩地區(qū)的頁(yè)巖地層，以伊利石為主，不含或含少量伊蒙有序同層，弱膨脹，弱分散，裂縫發(fā)育，塌塊大，鉆井液強(qiáng)調(diào)封堵性、表面水化抑制。

4.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)施工參數(shù)

優(yōu)化“三開(kāi)”井眼尺寸，由215.90 mm優(yōu)化為220 mm鉆頭，降低卡鉆機(jī)率，同時(shí)有利于采用大排量、大鉆壓等強(qiáng)化鉆井參數(shù)的措施。

采取合理的井身結(jié)構(gòu)，針對(duì)龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖層段較為破碎、裂縫極為發(fā)育的地區(qū)，技術(shù)套管下深可從韓家店組上部?jī)?yōu)化為A點(diǎn)。

嚴(yán)格控制起下鉆速度，減少對(duì)地層的外力干擾。一般速度控制在每下一根立柱3～5 min，中途遇阻不能超過(guò)50 kN，遇阻或井口不返鉆井液時(shí)，應(yīng)立即起出2～3個(gè)立柱，小排量開(kāi)泵循環(huán)保持井壁穩(wěn)定，待形成通道后再逐漸加大排量和動(dòng)作幅度，徹底帶出垮塌物并控制新的垮塌。確保環(huán)空返速大于0.8 m/s，使鉆屑充分的攜帶出來(lái)。

4.3 優(yōu)化鉆具組合

水平井鉆井過(guò)程中，在入窗后將旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具組合優(yōu)化為“LWD或近鉆頭伽馬+螺桿+水力振蕩器+PR扭擺系統(tǒng)” ，開(kāi)展水平段鉆井。

4.4 應(yīng)用實(shí)例

2018年，水平段優(yōu)化鉆具組合共6口，合計(jì)水平段進(jìn)尺10 858 m，占水平段進(jìn)尺的33.71%。凡簡(jiǎn)化組合井均未發(fā)生卡鉆事件。

5 減少井漏對(duì)策

昭通頁(yè)巖氣水平井發(fā)生井漏主要有以下幾個(gè)原因：

1）大多數(shù)井由于地層裂縫發(fā)育或者鉆遇溶洞、斷層發(fā)生井漏。雷口坡組——嘉陵江組由于受到地表水淋濾作用或淺層地下水作用，易形成巖溶。茅口組——棲霞組碳酸鹽巖地層脆性較好，斷層或裂縫在地層中延伸較遠(yuǎn)，當(dāng)延伸至碳酸鹽巖地層或含方解石膠結(jié)物較多的砂、泥巖地層，地層水作用后，易形成大的空隙或溶洞[9-12]；個(gè)別井韓家店組、石牛欄組存在天然裂縫，導(dǎo)致井漏；龍馬溪組承壓能力低，小型裂縫、孔隙發(fā)育，且存在破碎帶及裂縫帶，易發(fā)生井漏。

2）少數(shù)井由于操作不當(dāng)引起地層壓力激動(dòng)，發(fā)生井漏。如YS108H6-4井在棲霞組鉆具上提下放、開(kāi)泵升壓、鱉泵使上部漏失井段的裂縫再次張開(kāi)，復(fù)漏；YS108H21-5井鉆進(jìn)時(shí)沒(méi)發(fā)生井漏，但上提鉆具后排量降低、停止上提后，排量突然恢復(fù)，產(chǎn)生的激動(dòng)壓力使井底發(fā)生井漏。

3）少數(shù)井由于鉆井液當(dāng)量密度大，發(fā)生井漏。如YS118井固井過(guò)程中由于水泥漿密度較高，導(dǎo)致棲霞組漏層復(fù)漏；YS108H21-5井完鉆固井時(shí)水泥漿密度高，造成井底壓力增加，發(fā)生井漏。

5.1 使用溶洞探測(cè)技術(shù)

鉆前踏勘井場(chǎng)時(shí)，用溶洞探測(cè)技術(shù)探測(cè)表層裂縫、溶洞的分布情況，布井時(shí)盡量避開(kāi)裂縫、溶洞發(fā)育地帶，做到提前預(yù)防。

5.2 上部地層堵漏措施

針對(duì)上部嘉陵江組和飛仙關(guān)組等存在大裂縫、大溶洞造成失返性漏失，普通的堵漏材料、水泥堵漏均無(wú)明顯效果的現(xiàn)狀，提出清水強(qiáng)鉆的措施。由于鉆遇裂縫、溶洞開(kāi)口大小走向不同，會(huì)導(dǎo)致液體進(jìn)入漏層，而破碎的巖屑無(wú)法大量進(jìn)入即“漏水不漏砂”[19-20]。為防止“漏水不漏砂”造成沉砂卡鉆，“一開(kāi)”井眼由444.5 mm優(yōu)化為406.4 mm，簡(jiǎn)化鉆具，優(yōu)化大尺寸鉆鋌數(shù)量，不用扶正器。根據(jù)井下沉砂并兼顧供水情況確定合理的排量，保證“一開(kāi)”鉆井排量達(dá)到4 m3/min。

5.3 中下部地層堵漏措施

加強(qiáng)地層壓力的預(yù)測(cè)和分析，制定合理的鉆井液密度窗口。水平段采用油基鉆井液鉆進(jìn)，在井壁穩(wěn)定的前提下，首選采用降低鉆井液密度的措施。

對(duì)于漏速小于30 m3/h，通常是由于小裂縫或者孔隙引起，可采用隨鉆堵漏，根據(jù)井下漏失情況，在鉆井液中加入4%～10%的橋接材料（以中細(xì)為主）；漏速在30～100 m3/h時(shí)，采用綜合堵漏漿（細(xì)+中粗顆粒，以中粗為主）。中粗顆粒進(jìn)入裂縫，產(chǎn)生了堵漏效果，細(xì)顆粒在井壁上形成封門(mén)效果，堵漏效果比較明顯。在漏速較大且調(diào)整鉆井液性能和鉆井參數(shù)無(wú)效時(shí)，基于目前油基鉆井液堵漏材料的限制及成本考慮，推薦采用水泥堵漏。

5.4 應(yīng)用實(shí)例

1）清水強(qiáng)鉆

YS115H1-1井在35 m處發(fā)生失返性漏失，打膠質(zhì)水泥堵漏10 m3、打大顆粒堵漏漿8 m3、打水泥漿8.5 m3。下鉆鉆塞至導(dǎo)管鞋處又發(fā)生失返性漏失，繼續(xù)堵漏打大顆粒堵漏泥漿9 m3、膠質(zhì)水泥漿4 m3、水泥漿3.5 m3候凝。鉆塞至導(dǎo)管鞋仍漏失，決定清水強(qiáng)鉆，開(kāi)始鉆進(jìn)較困難，漏水不漏砂，后期將“一開(kāi)”井眼由444.5 mm優(yōu)化為406.4 mm，鉆具組合由：?444.5 mmPDC＋ ?244 mm 螺 桿（1°） ＋ ?228 mm減震器＋?444.5 mm扶正器＋?203 mmDC×1根 ＋ ?203 mmMWD ＋ ?203 mmDC×7根 ＋631×410+?177.8 mmDC×3根 ＋ ?127 mmDP×9根 ＋ ?127 mmDP簡(jiǎn) 化 為 ?406 mmPDC＋ ?228 mm直螺桿+浮閥+定位接頭＋?203 mmDC×3根＋ 631×410＋ ?177.8 mmDC×6根 +411×520＋?139 mmDP，排量由3.6 m3/min優(yōu)化為4 m3/min，情況好轉(zhuǎn)，清水強(qiáng)鉆至364 m一開(kāi)完鉆。瘦身和簡(jiǎn)化鉆具后，同鄰井YS118H1-1相比，機(jī)械鉆速提高了21.3%。

2）降低鉆井液密度

2017年YS108H19平臺(tái)南半支水平井在龍馬溪組均由于鉆遇破碎帶，發(fā)生不同程度的井漏，漏速4.2～18.4m3/h。在各井分別采用不同濃度橋漿堵漏無(wú)果后，降密度后井漏停止。YS108H19-2井鉆井液密度由2.09 g/cm3降至2.00 g/cm3；YS108H19-6井密度由1.94 g/cm3將至1.91 g/cm3；平均處理龍馬溪組井漏平均耗時(shí)219 h。以此為鑒，2018年完鉆的YS112H2-5井龍馬溪組存在破碎帶，鉆進(jìn)至2919 m時(shí)發(fā)生井漏，漏速4.8 m3/h，當(dāng)時(shí)鉆井液密度1.8 g/cm3，降密度至1.76 g/cm3，并降低排量（由29～30 L/s降至27～28 L/s），控制起下鉆速度，循環(huán)鉆井液觀察后，停止井漏，處理井漏耗時(shí)4 h。

6 結(jié)論

1）通過(guò)強(qiáng)化鉆井參數(shù)、優(yōu)化鉆頭型號(hào)、開(kāi)展難鉆地層攻關(guān)試驗(yàn)措施，鉆井機(jī)械鉆速有所上升，措施效果較好。在摸透地層壓力系數(shù)以及地層含氣量的前提下，可以在韓家店、石牛欄甚至龍馬溪組開(kāi)展低密度鉆井液試驗(yàn)，既提高機(jī)械鉆速，又減少井漏。

2）卡鉆主要由于井壁不穩(wěn)定掉塊引起的。鉆井液性能對(duì)井壁穩(wěn)定至關(guān)重要，優(yōu)化鉆井液性能，并輔以優(yōu)化施工參數(shù)、優(yōu)化鉆具組合，是解決卡鉆問(wèn)題的關(guān)鍵。

3）昭通頁(yè)巖氣區(qū)大多數(shù)井漏是因?yàn)榈貙恿芽p發(fā)育或者鉆遇溶洞、斷層，少數(shù)井漏是由于操作不當(dāng)引起地層壓力激動(dòng)、或者鉆井液當(dāng)量密度大造成的。上部地層采用溶洞探測(cè)技術(shù)選擇合適的井口位置預(yù)防井漏發(fā)生，當(dāng)發(fā)生井漏時(shí)采用清水強(qiáng)鉆，并輔以井眼“瘦身”和簡(jiǎn)化鉆具、優(yōu)化排量防止沉砂以及舉砂措施。龍馬溪組采用隨鉆堵漏+堵漏漿堵漏、降低鉆井液密度、注水泥堵漏、規(guī)范鉆井施工操作等措施。