劉忠飛何世明全家正周回生丁俊選

（1.西南石油大學(xué)石油工程學(xué)院18，四川成都 610500；2.中石化西南油氣分公司工程監(jiān)督中心，四川德陽(yáng) 618000）

川西首口頁(yè)巖氣水平井鉆井技術(shù)

劉忠飛1何世明1全家正2周回生2丁俊選2

（1.西南石油大學(xué)石油工程學(xué)院18，四川成都 610500；2.中石化西南油氣分公司工程監(jiān)督中心，四川德陽(yáng) 618000）

XYHF-1井是川西地區(qū)第1口頁(yè)巖氣勘探水平井，在其鉆井過程中存在機(jī)械鉆速低、井身質(zhì)量難以控制、鉆井液選擇困難、井控風(fēng)險(xiǎn)大、井壁穩(wěn)定性差等難題。在深入分析該井鉆井難點(diǎn)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)闡述了井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化、井眼軌跡控制、鉆具組合優(yōu)化、安全鉆進(jìn)和儲(chǔ)層保護(hù)等關(guān)鍵鉆井技術(shù)及其應(yīng)用效果，并簡(jiǎn)要介紹了旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井、油基鉆井液和滑套固井技術(shù)在該井的應(yīng)用情況。全井鉆井周期253.17 d，平均機(jī)械鉆速1.6 m/h（含直導(dǎo)眼段），全井井徑擴(kuò)大率小于12%，上部井段最大井斜為0.87°，施工效果較好。應(yīng)用效果表明，合理的井身結(jié)構(gòu)和井眼軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)，是保證淺層水平井順利實(shí)施的前提；加強(qiáng)摩阻扭矩預(yù)測(cè)、采用安全鉆進(jìn)措施和良好性能的鉆井液，是預(yù)防井下復(fù)雜情況和安全鉆進(jìn)的重要保證，該井的順利完鉆，為同類井提供了實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

頁(yè)巖氣；水平井；鉆井技術(shù)；井眼軌跡；XYHF-1井

隨著常規(guī)天然氣勘探開發(fā)的不斷深入和國(guó)外頁(yè)巖氣的成功開發(fā)，我國(guó)頁(yè)巖氣資源的勘探開發(fā)也全面鋪開。頁(yè)巖氣主要賦存于黑色頁(yè)巖和碳質(zhì)頁(yè)巖中，以吸附氣為主要賦存狀態(tài)，具有分布范圍廣、厚度大、埋藏深度較淺、低孔低滲等特征。頁(yè)巖氣在我國(guó)的探明儲(chǔ)量約為3×1012m3，超過常規(guī)天然氣儲(chǔ)量4.1×108m3，具有極大的勘探開發(fā)潛力［1-4］。為推動(dòng)頁(yè)巖氣在我國(guó)的勘探開發(fā)進(jìn)程，中石化西南分公司在川西部署了第1口頁(yè)巖氣水平井—XYHF-1井。該井的順利完鉆，標(biāo)志著川西地區(qū)頁(yè)巖氣水平井鉆井技術(shù)探索取得了初步成功，并由此揭開了川西頁(yè)巖氣大開發(fā)的序幕。為此，有必要對(duì)XYHF-1井的水平井鉆井技術(shù)進(jìn)行歸納總結(jié)，為后續(xù)的頁(yè)巖氣開發(fā)提供技術(shù)支撐和理論依據(jù)。

1 施工難點(diǎn)分析

XYHF-1井以須家河組五段為目的層，三開進(jìn)行了直導(dǎo)眼鉆進(jìn)，然后進(jìn)行側(cè)鉆，實(shí)際完鉆井深4 077 m，最大井斜角為91.4°。該井在鉆井過程中存在地層傾角大，軟硬地層交錯(cuò)、巖性變化大、巖石可鉆性差等問題，同時(shí)由于無參考資料可借鑒，給安全順利鉆井帶來了風(fēng)險(xiǎn)。主要施工難點(diǎn)如下。

（1）地質(zhì)情況復(fù)雜。該井所鉆地層成巖性好，研磨性強(qiáng)，可鉆性差，使機(jī)械鉆速低，鉆頭易失效；地層巖性交錯(cuò)，軟硬交錯(cuò)且夾層多，防斜打直難度較大；地層破碎帶多，泥頁(yè)巖厚度較大，遇水剝蝕膨脹，井壁失穩(wěn)可能性大；第四系及劍門關(guān)組地層含礫巖及石英較多，蹩跳鉆嚴(yán)重，易造成鉆具事故；沙溪廟至須家河組地層壓力異常，裂縫較為發(fā)育，泥頁(yè)巖含量較高，容易出現(xiàn)井漏、垮塌、掉塊等鉆井事故。

（2）快速鉆進(jìn)難。在鉆上部井段時(shí)，鉆頭尺寸大，破巖量大，泵排量不易達(dá)到設(shè)計(jì)要求，巖屑攜帶困難；在鉆小井眼時(shí)，攜巖困難且起下鉆頻繁，影響機(jī)械鉆速；因蹩跳鉆嚴(yán)重，使用鐘擺鉆具組合，會(huì)降低機(jī)械鉆速；所鉆地層井壁穩(wěn)定性差，井下事故多，快速鉆進(jìn)難度大。

（3）井身質(zhì)量控制難。該井二開主要鉆遇地層為蓬萊鎮(zhèn)組，該地層為高陡地層，地層傾角大易井斜，井身質(zhì)量控制難度大；該井鉆遇地層裂縫發(fā)育，經(jīng)常發(fā)生井漏、氣侵等事故，嚴(yán)重影響鉆井液性能，從而會(huì)影響MWD無線隨鉆測(cè)斜儀對(duì)井眼的監(jiān)控。

（4）鉆井液選擇困難，井控風(fēng)險(xiǎn)大。該井鉆遇地層含多套壓力系統(tǒng)，同裸眼井段多種復(fù)雜情況并存，鉆井液比重的可選范圍窄；該井井底水平位移較大，鉆具的摩阻扭矩大，對(duì)鉆井液的潤(rùn)滑性能要求高；須家河地層為高壓氣層，裂縫性氣層較多，上竄速度快，井控風(fēng)險(xiǎn)大且易井漏。

2 鉆井關(guān)鍵技術(shù)

2.1 井身結(jié)構(gòu)和井眼軌跡優(yōu)化技術(shù)

井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是鉆井成功實(shí)施的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，該井根據(jù)地層特點(diǎn)、地層壓力及鉆井技術(shù)狀況，并結(jié)合完井和儲(chǔ)層改造等進(jìn)行井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［5-6］。一開表層套管主要封隔第四系和劍門關(guān)組上部易漏、易塌的地層和地表水；二開技術(shù)套管主要封隔遂寧組及其上部低壓和不穩(wěn)定地層；三開技術(shù)套管主要為四開水平段安全鉆進(jìn)創(chuàng)造條件；四開下套管，進(jìn)行套管完井，其井身結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 XYHF-1井井身結(jié)構(gòu)

依據(jù)該井井口和靶點(diǎn)的部署情況，確定該井的造斜點(diǎn)在千佛崖組地層，剖面選擇為“直—增—增—平”剖面。第1造斜段造斜率為13.51 （°）/100 m，第2造斜段造斜率為14.21 （°）/100 m，造斜角達(dá)到89.37°，穩(wěn)斜鉆至完鉆井深。這種剖面軌跡簡(jiǎn)單，減少了斜井段復(fù)合鉆進(jìn)尺，增加了連續(xù)定向增斜進(jìn)尺，能保證井眼軌跡平滑，減少局部增斜和降斜井段，減小了鉆柱與井壁的接觸面積，能有效降低全井摩阻。

2.2 井身質(zhì)量控制技術(shù)

該井為頁(yè)巖氣井，多含泥巖和頁(yè)巖，井壁穩(wěn)定性差，井身質(zhì)量難以控制。通常井身質(zhì)量和機(jī)械鉆速之間存在直接矛盾，為了兼顧二者，只能從鉆具結(jié)構(gòu)和鉆井參數(shù)方面做出及時(shí)有效的改變和調(diào)整［6］。上部直井段井身質(zhì)量控制主要考慮防斜打直問題，一開和二開井段（0～1 867.22 m）主要采用常規(guī)塔式鉆具結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕壓吊打并引入減震器減輕跳鉆，防斜打直效果較好；三開井段（1 867.22～2 600 m）采用單穩(wěn)定器柔性鐘擺鉆具組合進(jìn)行井眼的防斜與糾斜，該井段最大井斜角為0.42°，效果較好；另外，加密井身質(zhì)量檢測(cè)，為防斜打直提供直接依據(jù)，及時(shí)進(jìn)行鉆具組合和鉆井參數(shù)的優(yōu)化；堅(jiān)持劃眼修整井眼，防止井壁出現(xiàn)臺(tái)階。在定向造斜段主要考慮井斜和方位的控制，三開井段側(cè)鉆時(shí)采用?311 mm3A+?216 mm直螺桿+2.5°彎接頭+?203.2 mm無磁鉆鋌×1根+MWD隨鉆短節(jié)+?127 mm加重鉆桿×23根+?127 mm鉆桿的鉆具組合，造斜時(shí)根據(jù)造斜情況選用1.25°或1.5°螺桿，由MWD儀器跟蹤檢測(cè)，選擇滑動(dòng)鉆進(jìn)和復(fù)合鉆進(jìn)交替進(jìn)行，保證了造斜段軌跡平滑。在鉆四開水平段時(shí)需加強(qiáng)井斜數(shù)據(jù)的跟蹤，控制好方位，采用的鉆具組合為：?215.9 mmPDC+?172 mm1.25°單扶螺桿+回壓閥+?127 mm無磁承壓鉆桿+MWD短節(jié)+?127 mm鉆桿+?127 mm加重鉆桿+?127 mm鉆桿+?139.7 mm鉆桿。經(jīng)常上下活動(dòng)鉆具防止卡鉆，并注意工具面的擺放角度。

另外使用了無線隨鉆測(cè)量技術(shù)；加強(qiáng)摩阻扭矩的理論計(jì)算與實(shí)際起下鉆、鉆進(jìn)摩阻扭矩的對(duì)比分析；鉆進(jìn)時(shí)堅(jiān)持“少滑動(dòng)、多旋轉(zhuǎn)、微調(diào)勤調(diào)”原則；多采用減摩降阻的鉆井液，提高其穩(wěn)定性和潤(rùn)滑性［5］。

2.3 安全鉆進(jìn)技術(shù)

（1）加強(qiáng)短起下鉆和通井，確保井眼暢通［7-8］。根據(jù)施工情況采取短程起下鉆、分段循環(huán)等措施及時(shí)清除巖屑床，中途更換柔性鉆具組合專門通井，保證施工安全。

（2）控制好起下鉆速度。在鉆遇泥巖、頁(yè)巖時(shí)，縮徑、垮塌嚴(yán)重，且鉆具重量不足，起下鉆困難，需嚴(yán)格控制起下鉆速度，遇阻不得超過正常摩阻40～60 kN，避免卡鉆事故的發(fā)生。

（3）簡(jiǎn)化鉆具結(jié)構(gòu)，優(yōu)化鉆井液性能。鉆遇易坍塌地層，不帶扶正器進(jìn)行鉆井作業(yè)施工，并提高鉆井液的造壁、護(hù)壁性能及對(duì)微細(xì)裂縫的封堵能力，減輕鉆井液對(duì)井壁的沖刷。

（4）定期倒換下部及中和點(diǎn)附近鉆具，防止發(fā)生鉆具疲勞破壞。

（5）運(yùn)用套管防磨技術(shù)［8-9］。用計(jì)算機(jī)模擬井下鉆具受力狀況，在側(cè)應(yīng)力較大、套管易磨損的井段，接入防磨接頭；在鉆井液中加入減磨劑，減少套管和鉆具之間的磨損。

2.4 鉆頭優(yōu)選技術(shù)

該井上部地層不同巖性呈現(xiàn)不等厚互層，易出現(xiàn)蹩跳鉆現(xiàn)象，上下沙溪廟組地層易出現(xiàn)掉塊；下部地層自流井組和須家河組地層研磨性強(qiáng)、可鉆性差。因此，一開選擇了川石的?660.4 mmPC2牙輪鉆頭，控制井斜和抑制跳鉆效果顯著；二開鉆遇地層相對(duì)松軟，主要考慮提高機(jī)械鉆速和防斜打直，選用PDC鉆頭進(jìn)行復(fù)合鉆進(jìn)，對(duì)提高機(jī)械鉆速和控制井身質(zhì)量效果明顯；三開井段多以頁(yè)巖為主，主要選用六道翼以上的PDC鉆頭，在穩(wěn)定工具面和保持井眼平滑方面表現(xiàn)良好；須家河五段地層砂巖含量多，為在定向時(shí)穩(wěn)住工具面，選用了勺形齒，寬齒、采用掌背加厚、抗研磨性強(qiáng)的江漢HJT537GK牙輪鉆頭。四開屬于水平段，選用成都百施特T1655B PDC鉆頭，整體表現(xiàn)良好。

該井PDC鉆頭使用比較成功，一方面可以保證井眼規(guī)則；另一方面能充分發(fā)揮螺桿復(fù)合鉆進(jìn)的優(yōu)勢(shì)。牙輪鉆頭在使用時(shí)間上要根據(jù)地層以及鉆壓參數(shù)的控制等多方面考慮，在確保鉆頭安全工作的同時(shí)達(dá)到最優(yōu)使用效果。

2.5 儲(chǔ)層保護(hù)技術(shù)

對(duì)于頁(yè)巖氣而言，滲透率小于0.001 mD，孔隙度介為4%～6%，屬于低孔低滲氣藏，因此對(duì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的保護(hù)就顯得尤為重要。該井鉆穿目的層時(shí)選用了與儲(chǔ)層巖石和儲(chǔ)層流體相配伍的兩性復(fù)合離子聚磺鉆井液，保持鉆井液始終處于優(yōu)良狀態(tài)鉆穿目的層位；鉆進(jìn)氣層井段時(shí)，鉆井液密度盡量靠低限，開展欠平衡鉆井，密度附加值0.07 g/cm3；嚴(yán)格控制鉆井液的濾失量，API失水量小于等于4 mL，HTHP小于等于10 mL，盡量減少固相和液相對(duì)氣層的損害；鉆進(jìn)過程中堅(jiān)持預(yù)防為主、防堵結(jié)合的原則，如有井漏先降低排量和鉆井液密度，再采用可酸化解堵的防堵劑和堵漏劑；加強(qiáng)固控設(shè)備的使用和維護(hù)，控制無用固相和含砂量。

2.6 新工藝、新技術(shù)

在鉆井過程中先后運(yùn)用了旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)、油基鉆井液體系及滑套固井分段壓裂技術(shù)。該井在井斜達(dá)到60°后，使用了哈里伯頓旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向儀器，在使用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆進(jìn)前，使用雙扶模擬旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具強(qiáng)行通井，通井到底后大排量循環(huán)洗井，然后開始下入哈里伯頓旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向儀器。該井在使用哈里伯頓旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向儀器時(shí)因沒有帶動(dòng)力鉆具，平均機(jī)械鉆速為0.75 m/h，提速效果不明顯，不過在造斜率控制和工具面控制方面表現(xiàn)卓越，實(shí)現(xiàn)了精確的井眼軌跡控制。該井為解決因上部地層垮塌造成的水平段鉆進(jìn)摩阻扭矩大、托壓嚴(yán)重等難題，使用了油基鉆井液。油基鉆井液對(duì)井壁的抑制能力較強(qiáng)，使得鉆進(jìn)時(shí)掉塊減少，能帶出井底細(xì)小巖屑，在穩(wěn)定井壁和攜砂方面優(yōu)于仿油基等水基鉆井液。該井為滿足頁(yè)巖氣較大壓力改造施工，首次采用了滑套固井技術(shù)，其中投球滑套9個(gè)，壓差滑套1個(gè)。該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于滑套隨套管一趟下入，無需射孔和額外的封井器卡層，壓裂作業(yè)一趟連續(xù)完成，對(duì)川西勘探開發(fā)和提速效果具有重要意義。

3 應(yīng)用效果分析

針對(duì)該井所存在的技術(shù)難題，采用了以上相應(yīng)的技術(shù)措施，對(duì)該井順利而安全地完鉆起到了顯著的作用。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)和MWD的應(yīng)用減小了所鉆井段的狗腿度，井眼光滑，有效降低了摩阻扭矩；PDC+螺桿的復(fù)合鉆進(jìn)技術(shù)在提高機(jī)械鉆速和定向造斜方面，效果顯著；該井在鉆到3 417.8 m處時(shí)，振動(dòng)篩出現(xiàn)掉塊，然后轉(zhuǎn)為油基鉆井液后，掉塊明顯減少且顯著降低了摩阻扭矩，在鉆到目的層時(shí)，采用兩性復(fù)合離子聚磺鉆井液，有效地保護(hù)了儲(chǔ)層，API失水量小于2 mL，高溫高壓失水小于5 mL，且濾餅質(zhì)量薄而致密。全井鉆井周期253.17 d （含直導(dǎo)眼段），平均機(jī)械鉆速1.6 m/h（含直導(dǎo)眼段），純鉆時(shí)間利用率為47.14%，全井井徑擴(kuò)大率小于12%，井徑較規(guī)則，上部井段最大井斜為0.87°，施工效果良好。

4 認(rèn)識(shí)與結(jié)論

（1）水平井具有增加滲流面積，提高產(chǎn)量和采收率的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，是頁(yè)巖氣開發(fā)的核心技術(shù)之一，其鉆井水平的高低決定了頁(yè)巖氣的開發(fā)進(jìn)程。

（2）頁(yè)巖氣水平井的鉆井難點(diǎn)主要表現(xiàn)為井壁穩(wěn)定性差、井下復(fù)雜情況多、摩阻扭矩大、儲(chǔ)層保護(hù)困難等方面，應(yīng)在井身結(jié)構(gòu)、鉆井液性能、鉆頭選擇、儲(chǔ)層保護(hù)等工藝措施上加以優(yōu)化。

（3）合理的井身結(jié)構(gòu)和井眼軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)，是保證淺層水平井順利實(shí)施的前提；加強(qiáng)摩阻扭矩預(yù)測(cè)、采用安全鉆進(jìn)措施和良好性能的鉆井液，是預(yù)防井下復(fù)雜情況和安全鉆進(jìn)的重要保證。

（4）旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)、滑套固井技術(shù)和油基鉆井液等新技術(shù)新技術(shù)的使用，對(duì)提高川西地區(qū)頁(yè)巖氣勘探開發(fā)進(jìn)程和機(jī)械鉆速有極其重要的意義。

［1］劉德華，肖佳林，關(guān)富佳.頁(yè)巖氣開發(fā)技術(shù)現(xiàn)狀及研究方向［J］.石油天然氣學(xué)報(bào)，2011，33（1）：119-123.

［2］靳海鵬，田世澄，李書良.國(guó)內(nèi)外水平井技術(shù)新進(jìn)展［J］.內(nèi)蒙古石油化工，2009（22）：98-101.

［3］張金，徐波，聶海寬，等.中國(guó)頁(yè)巖氣資源勘探潛力［J］.天然氣工業(yè)，2008，28（6）：136-140.

［4］王金磊，伍賢柱.頁(yè)巖氣鉆完井工程技術(shù)現(xiàn)狀［J］.鉆采工藝，2012，35（5）：7-10.

［5］唐洪林，唐志軍，閆振來，等.金平1井淺層長(zhǎng)水平段水平井鉆井技術(shù)［J］.石油鉆采工藝，2008，30（6）：11-15.

［6］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.

［7］朱全塔.孤平1井超長(zhǎng)水平段水平井鉆井技術(shù)［J］.石油鉆探技術(shù)，2005，33（6）：68-71.

［8］郭元恒，何世明，劉忠飛，等.長(zhǎng)水平段水平井鉆井技術(shù)難點(diǎn)分析及對(duì)策［J］.石油鉆采工藝，2013，35（1）：14-18.

［9］黎紅勝，汪海閣，紀(jì)國(guó)棟，等.美國(guó)頁(yè)巖氣勘探開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)［J］.石油機(jī)械，2011，39（9）：78-83.

（修改稿收到日期 2013-12-24）

〔編輯 薛改珍〕

Drilling technology for the first shale gas horizontal well in West Sichuan

LIU Zhongfei1,HE Shiming1,QUAN Jiazheng2,ZHOU Huisheng2,DING Junxuan2
（1.Petroleum Engineering School of Southwest Petroleum University,Chengdu610500,China;2.Engineering Supervision Center,Sinopec Southwest Oil &Gas Company,Deyang618000,China）

XYHF-1 well is the first shale gas prospecting horizontal well in west Sichuan.However,there are many difficulties in its drilling process,such as the low ROP,difficulty in controlling the well body quality,difficulty in selection of drilling fluid,high risk of well control and poor stability of well wall.This paper mainly elaborates the key drilling technologies and application effects,such as optimizing well structure,controlling wellbore track,optimizing drilling tools,safely drilling and reservoir protecting technology based on the analysis of drilling difficulties.At the same time,this paper briefly introduces application of some new technologies in this well,such as rotary guide drilling,oil-based drilling fluid and sleeve cementing techniques.The drilling cycle time is 253.17d for full hole,average ROP is 1.6m/h (including the pilot hole),the enlargement rate of full hole diameter is below 12%,and the maximum well deviation of the upper part is 0.87°,the construction effect is good.The application results show that reasonable well structure and borehole trajectory design is the basic premise of smooth drilling of shallow horizontal wells;and strengthening the prediction of friction and torque and using safety measures and good performance drilling fluids are the important guarantee for the safety drilling.The successful finish drilling of this well provides practical experience for similar wells.

shale gas;horizontal well;drilling technology;wellbore track;well XYHF-1

劉忠飛，何世明，全家正，等.川西首口頁(yè)巖氣水平井鉆井技術(shù)［J］.石油鉆采工藝，2014，36（1）：18-21.

TE243

：A

1000-7393（2014）01-0018-04

10.13639/j.odpt.2014.01.005

劉忠飛，1987年生。油氣井工程專業(yè)2011級(jí)在讀碩士研究生，現(xiàn)主要從事鉆井工程方面的研究工作。電話：13699420658。E-mail：liuzhongfeiqj@126.com。