王運(yùn)海,賀 慶,朱智超,龍志平,彭 興,曹建山

1.中國(guó)石化 華東油氣分公司,南京 210019;2. 中國(guó)石化 華東油氣分公司 石油工程技術(shù)研究院,南京 210019

中國(guó)海相常壓頁(yè)巖氣是當(dāng)前及未來(lái)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)的重要接替領(lǐng)域,其有利區(qū)主要位于四川盆地及其周緣,主力層系為上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組[1-2],目前在四川盆地東部的南川、白馬、綦江等地區(qū)常壓頁(yè)巖氣已取得突破,探明地質(zhì)儲(chǔ)量近2 000×108m3,發(fā)現(xiàn)了我國(guó)首個(gè)常壓頁(yè)巖氣田,展示了常壓頁(yè)巖氣巨大的勘探開(kāi)發(fā)潛力[3-4]。

南川地區(qū)是常壓頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)重點(diǎn)地區(qū),該區(qū)頁(yè)巖儲(chǔ)層地層壓力系數(shù)0.9～1.3。與涪陵地區(qū)高壓頁(yè)巖氣藏相比,該區(qū)常壓頁(yè)巖氣藏具有構(gòu)造復(fù)雜、保存條件差、壓力系數(shù)低、單井初產(chǎn)與EUR低等特點(diǎn)[5-6],效益開(kāi)發(fā)難度大,對(duì)鉆井提速提效降本要求高。前期該區(qū)鉆井經(jīng)過(guò)攻關(guān)實(shí)踐,鉆井效率整體有大幅提升,但受地質(zhì)條件復(fù)雜、工具配套等方面的限制,仍面臨復(fù)雜多、速度慢、周期長(zhǎng)、成本高等諸多難題,鉆井提速提效總體成效與常壓頁(yè)巖氣規(guī)模效益開(kāi)發(fā)的目標(biāo)還不匹配[7]。

美國(guó)是世界上率先實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖氣高效開(kāi)發(fā)的國(guó)家,其鉆井配套工藝技術(shù)達(dá)到非常成熟和先進(jìn)的水平,通過(guò)井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化、提速工具(如高效PDC、超大扭矩螺桿、智能旋導(dǎo)等)研發(fā)、工廠化模式、信息化等手段,充分發(fā)揮系統(tǒng)優(yōu)化鉆井技術(shù)的優(yōu)勢(shì),大幅縮短了建井周期,降低了鉆井成本。通常垂深為2～3 km,水平段長(zhǎng)為2～3 km的水平井鉆井周期15～25 d,將每桶油成本控制在遠(yuǎn)低于國(guó)際油價(jià)水平[8]。國(guó)內(nèi)涪陵頁(yè)巖氣田是我國(guó)首個(gè)投入商業(yè)開(kāi)發(fā)的大型頁(yè)巖氣田[9-10],累計(jì)產(chǎn)氣量日前已突破600億立方米,經(jīng)過(guò)10余年的開(kāi)發(fā),投產(chǎn)790多口頁(yè)巖氣水平井,鉆井工程工藝技術(shù)也取得了巨大的進(jìn)步,形成了基于全井段“PDC+螺桿”復(fù)合鉆井技術(shù)、國(guó)產(chǎn)油基鉆井液技術(shù)、山地“井工廠”鉆井模式等技術(shù)系列,最短鉆井周期由開(kāi)發(fā)初期的80 d縮短至28.5 d,但與國(guó)外先進(jìn)技術(shù)及指標(biāo)相比仍存在較大差距[11]。

示范井工程是針對(duì)中國(guó)石化“十四五”油氣增儲(chǔ)上產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)的工程技術(shù)難點(diǎn)開(kāi)展的攻關(guān)項(xiàng)目。鑒于常壓頁(yè)巖氣對(duì)開(kāi)創(chuàng)我國(guó)頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)新局面和保障國(guó)家能源安全具有重要戰(zhàn)略意義,示范井工程選定南川地區(qū)陽(yáng)春溝區(qū)塊陽(yáng)頁(yè)54-3HF井作為中國(guó)石化首口常壓頁(yè)巖氣示范井,旨在通過(guò)淺表層穿漏、井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化、提速工具優(yōu)選、軌跡控制、低密度強(qiáng)封堵油基鉆井液、優(yōu)快完井等單項(xiàng)工藝及技術(shù)的攻關(guān)突破,形成區(qū)域優(yōu)快鉆井提速示范性技術(shù),大幅縮短鉆完井周期,為實(shí)現(xiàn)該區(qū)常壓頁(yè)巖氣規(guī)模效益開(kāi)發(fā)提供技術(shù)支撐。本文在梳理南川地區(qū)示范井主要鉆井技術(shù)難點(diǎn)的基礎(chǔ)上,開(kāi)展單項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)理論研究與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐分析,以期為今后常壓頁(yè)巖氣鉆井提速提效發(fā)揮示范指導(dǎo)作用。

1 鉆井技術(shù)難點(diǎn)

1.1 漏失風(fēng)險(xiǎn)高

各層系均面臨不同程度的漏失風(fēng)險(xiǎn)。淺表層二疊系雷口坡組、三疊系嘉陵江組巖溶發(fā)育,尤其是嘉陵江組二段以上、井深500m以淺地層,存在溶洞、暗河、裂縫、礫石層和破碎帶等復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造體,漏失多表現(xiàn)為縫洞—溶洞失返性漏失,漏失量大,部分區(qū)塊伴隨有井壁破碎掉塊現(xiàn)象,卡鉆、埋鉆等復(fù)雜情況多發(fā);三疊系飛仙關(guān)組、二疊系茅口組等灰?guī)r地層裂縫發(fā)育,多發(fā)生裂縫性漏失;志留系韓家店組、小河壩組和龍馬溪組砂泥巖互層,層理發(fā)育,地層承壓能力弱,井漏頻繁,且發(fā)生漏失后,漏點(diǎn)難以判斷,堵漏效果差,復(fù)雜時(shí)效長(zhǎng)[12-13]。

1.2 機(jī)械鉆速慢

上部地層井眼尺寸大、配套工具不完善,鉆進(jìn)過(guò)程中憋跳鉆嚴(yán)重,排量等鉆井參數(shù)受漏失影響難以釋放,平均機(jī)械鉆速低;中部二疊系龍?zhí)督M巖性軟硬交錯(cuò),含燧石團(tuán)塊,抗壓強(qiáng)度高,茅口組以泥粉晶灰?guī)r、泥晶硅質(zhì)灰?guī)r為主,可鉆性差,鉆頭選型困難,機(jī)械鉆速未有整體提高;深部韓家店組和小河壩組砂泥互層,研磨性強(qiáng),定向難度大,鉆頭使用數(shù)量多、單只鉆頭進(jìn)尺少;水平段龍馬溪組軌跡調(diào)整頻繁,工具面擺放困難,滑動(dòng)鉆進(jìn)效率低[14-15]。

1.3 儲(chǔ)層鉆遇率低

龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖儲(chǔ)層厚度薄,地層產(chǎn)狀變化幅度大,部分區(qū)域斷層發(fā)育,地質(zhì)導(dǎo)向難度大,井眼軌跡控制難度大,優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖鉆遇率難以保證[16-17]。為提升優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層鉆遇率,井眼軌道需要頻繁調(diào)整,導(dǎo)致井眼呈波浪狀和W形,摩阻扭矩增大,鉆具延伸困難,井下卡鉆風(fēng)險(xiǎn)升高。

1.4 固井難度大

志留系地層承壓能力低,完井承壓堵漏時(shí)間長(zhǎng);龍馬溪組采用油基鉆井液體系,井壁油膜清洗困難,影響固井膠結(jié)質(zhì)量,對(duì)沖洗效率及水泥漿頂替效率要求高;水平井氣測(cè)顯示好,易發(fā)生氣竄,影響膠結(jié)質(zhì)量。后期大型壓裂易破壞水泥石完整性,導(dǎo)致環(huán)空密封失效,環(huán)空帶壓,對(duì)水泥環(huán)物理性能要求較高[18-19]。

2 示范應(yīng)用評(píng)價(jià)

2.1 淺表層穿漏技術(shù)

2.1.1 淺表工勘預(yù)測(cè)

陽(yáng)頁(yè)54平臺(tái)周緣出露地層為灰?guī)r,結(jié)合鄰井施工情況,淺表易發(fā)生裂縫性漏失,漏失量大且處理效果不理想。為有效預(yù)測(cè)示范井所屬平臺(tái)陽(yáng)頁(yè)54平臺(tái)淺表復(fù)雜特征,應(yīng)用音頻大地電磁法進(jìn)行工勘解釋[20],強(qiáng)化對(duì)淺表地質(zhì)工程風(fēng)險(xiǎn)的識(shí)別,指導(dǎo)工程實(shí)踐技術(shù)優(yōu)選與預(yù)警。根據(jù)工勘資料顯示,本井場(chǎng)周緣主要風(fēng)險(xiǎn)區(qū)貫穿飛仙關(guān)組、長(zhǎng)興組、龍?zhí)督M和茅口組,深度范圍為0～110 m,350～660 m,其破碎程度相對(duì)較高,施工中發(fā)生漏失風(fēng)險(xiǎn)高(圖1)。

2.1.2 大排量清水搶鉆工藝

為有效解決淺表地層失返性漏失帶來(lái)的攜砂難題,以提高鉆井液舉升攜巖能力為目標(biāo),基于壓裂供水管線提前鋪設(shè)優(yōu)勢(shì),形成了以“連續(xù)供水+大排量鉆進(jìn)+稠漿間斷攜砂”為特點(diǎn)的清水搶鉆工藝。供水轉(zhuǎn)變?yōu)楣﹥?chǔ)結(jié)合,清水供應(yīng)量能力大于200m3/h;排量由50～55m3/s提升至65～70m3/s;鉆具組合由雙扶鉆具組合優(yōu)化為無(wú)扶鉆具組合;抽砂由小泵優(yōu)化為大泵抽砂,多泵備用;攜砂由中完稠漿攜砂優(yōu)化為間斷高粘切凝膠鉆井液攜砂。

2.1.3 應(yīng)用評(píng)價(jià)

陽(yáng)頁(yè)54-3HF井實(shí)鉆過(guò)程中分別在105～138m、317～615 m井段發(fā)生復(fù)雜井漏,與工勘預(yù)測(cè)相符。實(shí)施過(guò)程中,清水供應(yīng)能力大于200 m3/h,并儲(chǔ)備1 000 m3清水,排量達(dá)到60～70 m3/s水平;每鉆進(jìn)50～100 m和下套管前采用黏度為80～150 mPa·s稠漿攜帶井底沉砂,鉆井和套管下入順利;固井時(shí)采用正注反擠工藝,實(shí)現(xiàn)了固井段“穿鞋帶帽”。

2.2 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)

南川地區(qū)陽(yáng)春溝區(qū)塊前期部署實(shí)施的4口頁(yè)巖氣水平井,均采用“導(dǎo)管+三開(kāi)”四級(jí)井身結(jié)構(gòu)(圖2)。施工過(guò)程中未發(fā)生掉塊、失穩(wěn)、卡鉆等復(fù)雜故障,整體施工順利,驗(yàn)證了四級(jí)井身結(jié)構(gòu)在陽(yáng)春溝區(qū)塊的可行性,但該結(jié)構(gòu)層次多,鉆速慢,成本高,需要進(jìn)一步優(yōu)化。

2.2.1 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

示范井平臺(tái)出露地層為飛仙關(guān)組,工勘顯示飛仙關(guān)組與茅口組存在漏失風(fēng)險(xiǎn),井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案采用專(zhuān)打?qū)７馑悸?結(jié)合大排量清水搶鉆工藝,應(yīng)用導(dǎo)管和表層套管分別封固上下兩個(gè)漏失層段,較前期井身結(jié)構(gòu)節(jié)省一層Φ473.1 mm套管。陽(yáng)春溝區(qū)塊志留系地層壓力剖面分析表明,韓家店組、小河壩組和龍馬溪組地層漏失壓力、坍塌壓力存在一定安全窗口[21-22],通過(guò)提承壓、降密度攻關(guān),具備同一裸眼段施工的可行性,故將Φ244.5 mm技術(shù)套管下深由進(jìn)入龍馬溪組上提至進(jìn)入韓家店組,優(yōu)化形成“導(dǎo)管+二開(kāi)”三級(jí)井身結(jié)構(gòu)方案:

(1)導(dǎo)管:采用Φ406.4 mm鉆頭開(kāi)孔,下入Φ339.7 mm導(dǎo)管封固淺表漏層;

(2)一開(kāi):采用Φ311.2 mm鉆頭鉆穿棲霞組,進(jìn)入韓家店組50 m,下入Φ244.5 mm表層套管,封固二疊系不穩(wěn)定地層;

(3)二開(kāi):采用Ф215.9 mm鉆頭鉆至完鉆井深。下入Φ139.7 mm生產(chǎn)套管完井。

2.2.2 應(yīng)用評(píng)價(jià)

陽(yáng)頁(yè)54-3HF井采用“導(dǎo)管+二開(kāi)”三級(jí)井身結(jié)構(gòu)有效實(shí)現(xiàn)了上部淺表漏失層的準(zhǔn)確封固,同時(shí)縮短大尺寸井段進(jìn)尺實(shí)現(xiàn)了降本提速。該井身結(jié)構(gòu)方案套管用量節(jié)約明顯,較前期減少一級(jí)Φ473.1 mm套管;Φ339.7 mm套管用量減少232 m,Φ244.5 mm套管用量減少1 130 m。

2.3 提速工具優(yōu)選技術(shù)

2.3.1 地層巖石可鉆性分析

通過(guò)巖石力學(xué)試驗(yàn)與測(cè)井資料分析,陽(yáng)春溝區(qū)塊地層巖石可鉆性特點(diǎn)為:龍?zhí)督M—茅口組灰?guī)r為主,局部含硅質(zhì)泥巖和燧石,可鉆性極值4.15～7.62,地層軟硬交錯(cuò);小河壩組以粉砂巖為主,可鉆性極值6.14～7.42,地層壓實(shí)度高、研磨性較強(qiáng);龍馬溪組以黑色頁(yè)巖為主,可鉆性極值4.37～5.87,與五峰組交界處可鉆性極值6.0～8.5,波動(dòng)幅度較大[23]。

2.3.2 鉆頭優(yōu)選技術(shù)

(1)Φ406.4 mm井段鉆遇地層為飛仙關(guān)組,可鉆性好。優(yōu)選采用六刀翼單排齒KS1662AFGRS鉆頭,該型號(hào)鉆頭具有攻擊性強(qiáng)、抗沖擊能力強(qiáng)的特點(diǎn),適應(yīng)強(qiáng)化鉆進(jìn)參數(shù)施工。

(2)Φ311.2 mm井段鉆遇長(zhǎng)興組—梁山組,地層軟硬交錯(cuò)、可鉆性差,易造成PDC鉆頭崩齒磨損。優(yōu)選采用六刀翼雙排齒KSD1663DFRT鉆頭,該型號(hào)鉆頭具有抗沖擊能力強(qiáng)、穿夾層能力好的特點(diǎn)。

(3)Φ215.9 mm定向段鉆遇韓家店和小河壩組,地層砂泥交替、研磨性強(qiáng),易造成PDC鉆頭磨損。優(yōu)選采用六刀翼雙排齒KSD1662DFRT鉆頭,該型號(hào)鉆頭具有攻擊性強(qiáng)、定向工具面穩(wěn)定、造斜能力高等特點(diǎn)。

(4)Φ215.9 mm水平段鉆遇龍馬溪組,產(chǎn)狀變化大,軌跡調(diào)整頻繁,定向易拖壓,定向鉆進(jìn)效率低,配合強(qiáng)化參數(shù)鉆進(jìn)鉆頭肩部易崩齒磨損。優(yōu)選采用六刀翼單排齒KSD1662RT鉆頭,該型號(hào)鉆頭攻擊性強(qiáng),鉆頭保徑設(shè)計(jì)小于主切削齒的切削直徑,減小側(cè)向支撐阻力、扭矩波動(dòng)小,便于鉆頭側(cè)向運(yùn)動(dòng)和迎合導(dǎo)向系統(tǒng)軌跡控制鉆進(jìn)。

陽(yáng)頁(yè)54-3HF井全井段消耗5只鉆頭,全井平均機(jī)械鉆速24.88 m/h,刷新了陽(yáng)春溝工區(qū)全井平均機(jī)械鉆速記錄,各井段較同平臺(tái)提速21.52%～61.55%,鉆頭應(yīng)用效果顯著,鉆頭優(yōu)選方案可進(jìn)一步推廣應(yīng)用(表1)。

表1 渝東南南川地區(qū)陽(yáng)頁(yè)54-3HF井鉆頭使用分析

2.3.3 螺桿優(yōu)選技術(shù)

大扭矩螺桿較常規(guī)螺桿輸出扭矩更大,能夠?yàn)殂@頭提供穩(wěn)定且充足的破巖扭矩,可滿足高鉆壓、大排量、高扭矩、高轉(zhuǎn)速的強(qiáng)化參數(shù)鉆井需求,是目前實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖氣鉆井提速提效的重要工具[24]。針對(duì)示范井強(qiáng)化參數(shù)鉆井需求,優(yōu)選國(guó)產(chǎn)H7LZ244×7.0-5R和HY7LZ172-5.5R兩種尺寸超大扭矩螺桿,最大工作扭矩分別達(dá)到56kN·m和25kN·m。

陽(yáng)頁(yè)54-3HF井采用國(guó)產(chǎn)化大扭矩螺桿配合高效PDC鉆頭提速效果明顯,其中Φ311.2 mm井眼、Φ215.9 mm井眼機(jī)械鉆速達(dá)到30 m/h以上,較設(shè)計(jì)預(yù)測(cè)機(jī)械鉆速分別提高76.4%、124.9%。螺桿出井后未出現(xiàn)明顯磨損,使用強(qiáng)度、壽命滿足預(yù)期要求,具有較好的推廣應(yīng)用前景。

2.4 軌跡控制與導(dǎo)向技術(shù)

2.4.1 軌跡控制技術(shù)

(1)井眼軌道設(shè)計(jì)技術(shù)

為降低施工摩阻和減少定向施工難度,在對(duì)比多種軌道設(shè)計(jì)模型曲率變化、工具面設(shè)置的基礎(chǔ)上,以井口、靶點(diǎn)空間關(guān)系為基礎(chǔ),優(yōu)選采用自適應(yīng)三維軌道剖面設(shè)計(jì)方法[25]。大尺寸段結(jié)合地層漂移小曲率設(shè)計(jì)提高復(fù)合比,深部避開(kāi)難鉆地層段設(shè)計(jì)造斜段,提高鉆進(jìn)速度。該種設(shè)計(jì)方法,施工摩阻較雙二維軌道設(shè)計(jì)方法降低5%,施工效率較空間五段制軌道設(shè)計(jì)方法提高7%。

(2)鉆具組合優(yōu)化

針對(duì)不同地層特點(diǎn)、井眼尺寸大小和軌道剖面特征,開(kāi)展鉆具組合優(yōu)化,配套“鉆具+參數(shù)”的一體化控制技術(shù),提升軌跡控制精度和效率。

一開(kāi)繞障段:大部分井段可鉆性好,但井眼尺寸大,叢式井平臺(tái)繞障造斜難度高,軌道設(shè)計(jì)采用小造斜率(2°/30 m)進(jìn)行定向施工,優(yōu)化采用Φ244 mm×1.25°單彎螺桿+Φ285 mm扶正器鉆具組合形式,實(shí)現(xiàn)定向與復(fù)合穩(wěn)斜的效果。

二開(kāi)定向段:主要穿行層位為韓家店組、小河壩組和龍馬溪組,巖性復(fù)雜,為保證定向與穩(wěn)斜效果,優(yōu)化采用Φ172 mm×1.5°單彎螺桿+Φ206 mm扶正器鉆具組合。

二開(kāi)水平段:考慮目的層產(chǎn)狀變化大、施工摩阻大的特點(diǎn),優(yōu)化采用Φ172 mm×1.5°無(wú)扶單彎螺桿鉆具組合,降低井下摩阻,減少扭矩波動(dòng)。導(dǎo)向工具設(shè)計(jì)采用常規(guī)LWD+螺桿組合形式,能夠有效釋放鉆井參數(shù),提高機(jī)械鉆速,降低施工成本。

2.4.2 地質(zhì)工程一體化導(dǎo)向技術(shù)

在地質(zhì)參數(shù)分析基礎(chǔ)上,對(duì)導(dǎo)向目標(biāo)進(jìn)行整體優(yōu)化與精細(xì)描述,工程技術(shù)結(jié)合地質(zhì)要求開(kāi)展導(dǎo)向方案與措施的優(yōu)化,同時(shí)在導(dǎo)向過(guò)程中通過(guò)地質(zhì)、工程上認(rèn)識(shí)的不斷加深,相互借鑒、融合,實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向質(zhì)量與效率的最大提升。

(1)導(dǎo)向技術(shù)

導(dǎo)向施工前,采用“井—震”結(jié)合、“井—井”結(jié)合,對(duì)照鄰近測(cè)錄井剖面、地震預(yù)測(cè)進(jìn)行了詳細(xì)對(duì)比,優(yōu)化調(diào)整待鉆軌道。導(dǎo)向過(guò)程中,基于儲(chǔ)層地質(zhì)工程參數(shù)差異性規(guī)律,利用伽馬、氣測(cè)等地質(zhì)參數(shù)和鉆壓、鉆時(shí)、扭矩等工程參數(shù)進(jìn)行判層,提高判層速度與準(zhǔn)確性。

基于地質(zhì)、工程參數(shù)結(jié)合,尋求地質(zhì)—工程雙甜點(diǎn)段,在保障優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖層鉆遇率上找到鉆時(shí)與小層的響應(yīng)規(guī)律,利用工程參數(shù)輔助識(shí)別小層界面,提高地層識(shí)別及時(shí)性。結(jié)合鉆井參數(shù)變化下目的層小層定向與自然造斜規(guī)律,優(yōu)選低鉆時(shí)段穿行,優(yōu)化軌跡控制策略,提高水平段鉆井速度,減少定向調(diào)整頻次,提高水平段穿行效率。

(2)導(dǎo)向儀器

示范井優(yōu)選采用恒泰LWD導(dǎo)向儀器,配備2.0版探管,與傳統(tǒng)導(dǎo)向儀器相比,該儀器有定向鉆進(jìn)和復(fù)合鉆進(jìn)兩種工作模式,能夠根據(jù)不同鉆井狀態(tài)自由設(shè)置數(shù)據(jù)序列,提高傳輸信息使用效率:

定向模式:定向鉆進(jìn)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)更加全面,包括井斜、方位數(shù)據(jù)、伽馬地質(zhì)參數(shù),為定向人員提供更精準(zhǔn)的軌跡變化趨勢(shì)和幅度。

復(fù)合模式:復(fù)合鉆進(jìn)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)只保留伽馬數(shù)據(jù),能有效釋放鉆進(jìn)參數(shù),在高機(jī)械鉆速下,為導(dǎo)向人員提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),為導(dǎo)向調(diào)整提供依據(jù)。

2.4.3 井眼軌跡控制效果

陽(yáng)頁(yè)54-3HF井全井復(fù)合占比達(dá)83%,其中水平段軌跡控制以②小層作為標(biāo)志層,圍繞②小層伽馬高尖特征鉆進(jìn),靶窗①-③小層總長(zhǎng)2 096 m,優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層鉆遇率100%,復(fù)合占比92%,水平段平均機(jī)械鉆速22.37 m/h。

2.5 低密度強(qiáng)封堵油基鉆井液技術(shù)

2.5.1 四壓力剖面預(yù)測(cè)

以多孔彈性力學(xué)理論為基礎(chǔ),結(jié)合硬脆性頁(yè)巖井壁失穩(wěn)特點(diǎn),分析結(jié)構(gòu)弱面特征、頁(yè)巖水化、非均質(zhì)性等影響,綜合利用測(cè)井?dāng)?shù)據(jù),開(kāi)展巖石力學(xué)參數(shù)分析,建立壓力剖面模型,形成了四壓力剖面,指導(dǎo)了目的層鉆井液密度的選擇。

通過(guò)陽(yáng)頁(yè)54-3HF井四壓力剖面分析可知(圖3),坍塌壓力當(dāng)量密度變化大,最大值1.28 g/cm3,坍塌壓力小于孔隙壓力,井壁失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)小;漏失壓力明顯高于孔隙壓力,存在安全密度窗口。設(shè)計(jì)鉆井液密度窗口為1.31～1.52 g/cm3。

圖3 渝東南南川地區(qū)陽(yáng)頁(yè)54-3HF井地層壓力剖面曲線

2.5.2 油基鉆井液性能優(yōu)化

陽(yáng)春溝區(qū)塊龍馬溪組頁(yè)巖富含石英和黏土礦物,黏土礦物以伊利石、綠泥石以及伊/蒙間層礦物為主,有一定水化膨脹和分散性,具有典型的硬脆性頁(yè)巖水化膨脹特征。電鏡掃描巖心顯示頁(yè)巖層理及微裂縫發(fā)育,裂縫開(kāi)度介于0.241～2.5 μm,采用適配尺寸分布原則來(lái)選取封堵材料,封堵劑粒徑主要為0.003～0.03 μm,對(duì)微裂縫起填充作用。

基于龍馬溪組頁(yè)巖礦物學(xué)、物性及理化特征,優(yōu)化油基鉆井液配方:基礎(chǔ)油+3%～5%乳化劑+1%～2%潤(rùn)濕劑+2%～2.5%增黏劑+8%CaO+3.5%～4%有機(jī)土+3%降濾失劑+5%高效封堵劑(3%剛性封堵劑、1%可變形封堵劑、1%微納米封堵劑)+20%～30%水(濃度為20～30%的CaCl2溶液)。隨鉆過(guò)程中補(bǔ)充納米封堵劑,提高鉆井液封堵性,強(qiáng)化井壁,保障低密度鉆井液施工下井下安全。

2.5.3 應(yīng)用評(píng)價(jià)

水平段油基鉆井液密度1.35～1.45 g/cm3之間,低于鄰井的1.50～1.60 g/cm3,井眼整體穩(wěn)定,未出現(xiàn)井下漏失、掉塊等復(fù)雜情況。通過(guò)隨鉆封堵材料的添加,完鉆后進(jìn)行了地層承壓試驗(yàn),當(dāng)量密度達(dá)1.66 g/cm3,證明了多種粒徑隨鉆堵漏劑能夠有效實(shí)現(xiàn)提高地層承壓。

2.6 優(yōu)快固井技術(shù)

2.6.1 固井技術(shù)優(yōu)化

陽(yáng)頁(yè)54-3HF井借鑒前期常壓頁(yè)巖氣完井經(jīng)驗(yàn),采用“水泥低返+預(yù)應(yīng)力”固井技術(shù)。根據(jù)地層承壓能力試驗(yàn)結(jié)果,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)溢流情況與地層承壓能力,為防止井下氣層風(fēng)險(xiǎn),漿柱結(jié)構(gòu)優(yōu)化采用雙凝雙密度水泥漿體系,其中1.88 g/cm3密度的尾漿返至井深1 900 m,1.50 g/cm3密度的低密度領(lǐng)漿返至井深1 200 m,目的層固井當(dāng)量密度可以控制在1.66以內(nèi)。

2.6.2 應(yīng)用評(píng)價(jià)

陽(yáng)頁(yè)54-3HF井生產(chǎn)套管采用去通井下套管、去承壓固井,完井時(shí)間僅為3.52 d,較2022年南川地區(qū)平均完井時(shí)間降低36.6%。通過(guò)完井施工井筒壓力控制技術(shù),配套儲(chǔ)層以上井段全部進(jìn)行套管氣密封檢測(cè)技術(shù)和預(yù)應(yīng)力候凝技術(shù),生產(chǎn)套管固井質(zhì)量?jī)?yōu)秀,壓裂施工后井筒完整性良好。

2.7 高效組織運(yùn)行模式

2.7.1 鉆前鉆中鉆后一體化

平臺(tái)建設(shè)時(shí),提前鋪設(shè)10 kV供電線路,滿足后期排采作業(yè)的同時(shí),也為全電動(dòng)鉆機(jī)鉆井、全電動(dòng)壓裂施工提供了可靠的用電保障。

陽(yáng)頁(yè)54平臺(tái)鉆前階段建設(shè)供水站,24 h保證清水供應(yīng),同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)備用清水池800 m3,保證了陽(yáng)頁(yè)54-3HF井導(dǎo)管及一開(kāi)井段鉆遇失返性漏失層時(shí)采用清水搶鉆工藝過(guò)程中水量的充足供應(yīng),同時(shí)為后期壓裂提供了供水保障,有效提高了鉆完井施工效率。

2.7.2 地質(zhì)工程方案設(shè)計(jì)一體化

示范井平臺(tái)為新建平臺(tái),上部二疊系鉆井地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)不確定性大。根據(jù)井位部署,為確保示范井高效實(shí)施,先實(shí)施先導(dǎo)試驗(yàn)井陽(yáng)頁(yè)54-2HF井,通過(guò)該井的實(shí)施,進(jìn)一步明確了本平臺(tái)的鉆井地質(zhì)情況和主要技術(shù)難點(diǎn)。

根據(jù)陽(yáng)頁(yè)54-2HF井實(shí)鉆情況,本平臺(tái)在105m和415 m垂深處存在兩個(gè)縫洞性失返漏失層。為確保示范井高效鉆井,減少上部地層漏失后可能帶來(lái)的垮塌風(fēng)險(xiǎn),陽(yáng)頁(yè)54-3HF井設(shè)計(jì)采用導(dǎo)管+二開(kāi)制井身結(jié)構(gòu),其中Φ339.7 mm導(dǎo)管封隔第一個(gè)漏失層,Φ244.5 mm表層套管封隔第二個(gè)漏失層,為二開(kāi)水平段鉆進(jìn)創(chuàng)造良好條件,保證了該井的順利完井。

在井眼軌跡控制方面,進(jìn)一步明確了本區(qū)域上部地層與鉆具組合的匹配性和規(guī)律,掌握了水平段地層傾角的變化規(guī)律,精細(xì)劃分了水平段地層傾角變化曲線。示范井通過(guò)優(yōu)化鉆具組合設(shè)計(jì)和采用LWD導(dǎo)向,細(xì)分各地層及水平段井眼軌跡控制方案,實(shí)現(xiàn)全井段高效鉆進(jìn)和優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層鉆遇率100%。

2.7.3 甲乙雙方一體化

為提高方案設(shè)計(jì)的針對(duì)性,在方案制定之初,由業(yè)主方牽頭,組織施工和技術(shù)服務(wù)單位,開(kāi)展技術(shù)方案的制定和討論,并進(jìn)行優(yōu)化完善。各施工單位和技術(shù)服務(wù)方根據(jù)設(shè)計(jì)方案提供施工和一體化技術(shù)服務(wù)方案,并在陽(yáng)頁(yè)54-2HF井進(jìn)行試驗(yàn),針對(duì)施工和試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題,甲乙雙方共同討論完善,制定針對(duì)性技術(shù)方案優(yōu)化措施。

通過(guò)甲乙雙方共同制定的提速工具改進(jìn)方案,確定強(qiáng)化鉆井參數(shù),陽(yáng)頁(yè)54-3HF井導(dǎo)管井段機(jī)械鉆速由19.75 m/h提升至24 m/h;一開(kāi)井段機(jī)械鉆速由16.88 m/h提升至31.75 m/h;二開(kāi)定向段機(jī)械鉆速由20.43～25.35 m/h提升至31.49 m/h,水平段機(jī)械鉆速由14.42 m/h提升至22.37 m/h,鉆頭、螺桿、鉆井參數(shù)一體化應(yīng)用取得較好的效果。

2.7.4 生產(chǎn)管理一體化

采用日費(fèi)制模式[26],作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)由業(yè)主單位牽頭,聯(lián)合施工和技術(shù)服務(wù)單位,成立現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)管理一體化運(yùn)行小組,小組成員集中在現(xiàn)場(chǎng)一線辦公,負(fù)責(zé)整體協(xié)調(diào)鉆完井施工過(guò)程中的各項(xiàng)事宜。采用周例會(huì)提前安排部署,日例會(huì)組織落實(shí)、跟蹤反饋的工作機(jī)制,陽(yáng)頁(yè)54-3HF井鉆井周期19.96 d,較設(shè)計(jì)37 d縮短46.05%,較施工計(jì)劃26 d縮短23.1%,較好地完成了示范井指標(biāo)。

3 推廣應(yīng)用效果

綜合示范井鉆井提速提效的成功經(jīng)驗(yàn),總結(jié)形成南川工區(qū)鉆井提速推薦做法,并在工區(qū)多個(gè)平臺(tái)進(jìn)行了推廣應(yīng)用。在方案優(yōu)化設(shè)計(jì)方面,建立了以地層四壓力剖面為基礎(chǔ),結(jié)合淺表復(fù)雜破碎地層預(yù)測(cè)、中部地層承壓評(píng)價(jià),并通過(guò)“提承壓、降密度”等配套技術(shù)措施,形成了不同區(qū)塊的井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化圖版(表2)。

表2 渝東南南川地區(qū)各區(qū)塊特點(diǎn)與井身結(jié)構(gòu)方案

在鉆井提速提效方面,采用高效PDC鉆頭、大扭矩螺桿、提速工具,配合強(qiáng)化參數(shù)鉆井,實(shí)現(xiàn)機(jī)械鉆速顯著提升,周期大幅縮短。其中,DP4平臺(tái)平均機(jī)械鉆速達(dá)到14.5 m/h,陽(yáng)頁(yè)70-3HF井機(jī)械鉆速達(dá)到24.09 m/h(圖4),相比2022年南川工區(qū)平均機(jī)械鉆速11.26 m/h分別提高28.8%、113.9%。陽(yáng)頁(yè)70-3HF井單日最大進(jìn)尺達(dá)到841 m,刷新工區(qū)日進(jìn)尺最高紀(jì)錄。DP4平臺(tái)勝頁(yè)4-3HF井,完鉆井深4 335 m,水平段長(zhǎng)2 493 m,鉆井周期18.58 d;勝頁(yè)4-4HF井,完鉆井深4 002 m,水平段長(zhǎng)2 422 m,鉆井周期19.30 d,實(shí)現(xiàn)了中淺層4 000 m井深的井鉆井周期20 d內(nèi)。

圖4 渝東南南川地區(qū)應(yīng)用井機(jī)械鉆速對(duì)比

通過(guò)井—震結(jié)合預(yù)測(cè)、井—井結(jié)合剖面對(duì)比、地質(zhì)與工程雙因素判層的一體化導(dǎo)向技術(shù),實(shí)現(xiàn)了水平段鉆遇率大幅提升。其中DP4平臺(tái)施工過(guò)程中,目的地層復(fù)雜、起伏變化大,采用常規(guī)LWD+螺桿工具完成水平段施工,水平井最大位垂比達(dá)到2.2,平均日進(jìn)尺超過(guò)200 m(圖5),水平段①-③小層穿行率達(dá)到91%以上。真頁(yè)1-1HF井、真頁(yè)1-2HF井目的層產(chǎn)狀平緩,施工過(guò)程中采用一體化導(dǎo)向技術(shù),結(jié)合地層自然造斜規(guī)律,水平段復(fù)合占比95%以上,①-③小層穿行率100%。

圖5 渝東南南川地區(qū)DP4平臺(tái)水平段鉆井指標(biāo)

現(xiàn)場(chǎng)施工表明,示范井鉆井提速提效技術(shù)在南川工區(qū)DP4平臺(tái)、陽(yáng)頁(yè)70-3HF井、道真等區(qū)塊應(yīng)用效果好,鉆井各項(xiàng)指標(biāo)均獲得大幅度提升,實(shí)現(xiàn)了鉆井提速提效目標(biāo),但這些區(qū)域相對(duì)來(lái)說(shuō),地層埋深淺,淺表地層較為穩(wěn)定,鉆井復(fù)雜處理相對(duì)簡(jiǎn)單。針對(duì)深層常壓頁(yè)巖氣區(qū)塊,淺表漏層縱向上分布范圍廣,處理周期長(zhǎng);目的層構(gòu)造復(fù)雜,儲(chǔ)層鉆遇率較低,水平段井壁穩(wěn)定性較差,影響鉆井安全,其平均鉆井周期在50 d以上,因此針對(duì)深部區(qū)域,整體技術(shù)適應(yīng)性還需進(jìn)一步分析與論證。

4 結(jié)論

(1)“示范井工程”建設(shè),推動(dòng)石油工程“四提”邁上新臺(tái)階,助力國(guó)內(nèi)上游穩(wěn)油增氣降本提效取得更大進(jìn)步,可以持續(xù)推進(jìn)示范井常態(tài)化運(yùn)行。

(2)陽(yáng)頁(yè)54-3HF示范井攻關(guān),有效解決了南川工區(qū)構(gòu)造復(fù)雜,淺表縫洞發(fā)育、地層可鉆性差、儲(chǔ)層展布多變、密度窗口窄等難點(diǎn)問(wèn)題,形成南川鉆井提速推薦做法,指導(dǎo)了常壓頁(yè)巖氣井鉆井工程施工。

(3)示范井成功實(shí)施經(jīng)驗(yàn)在中淺層常壓頁(yè)巖氣井推廣應(yīng)用效果較好,但在深層常壓頁(yè)巖氣井平臺(tái)應(yīng)用效果還需進(jìn)一步提升,技術(shù)的適應(yīng)性需進(jìn)一步攻關(guān)和評(píng)價(jià)。

利益沖突聲明/Conflict of Interests

所有作者聲明不存在利益沖突。

All authors disclose no relevant conflict of interests.

作者貢獻(xiàn)/Authors’Contributions

王運(yùn)海、賀慶、朱智超、龍志平提出論文構(gòu)思;王運(yùn)海、彭興、曹建山參與論文寫(xiě)作和修改。所有作者均閱讀并同意最終稿件的提交。

The paper structure was proposed by WANG Yunhai,HE Qing,ZHU Zhichao and LONG Zhiping. The manuscript was drafted and revised by WANG Yunhai,PENG Xing and CAO Jianshan. All the authors have read the last version of paper and consented for submission.