張珍，周成華　(中石化西南石油工程有限公司鉆井工程研究院，四川 德陽 618000)

田長春　(中石化西南油氣分公司川西采氣廠，四川 德陽 618000)

新頁HF-2井頁巖氣鉆井技術(shù)

張珍，周成華(中石化西南石油工程有限公司鉆井工程研究院，四川 德陽 618000)

田長春(中石化西南油氣分公司川西采氣廠，四川 德陽 618000)

[摘要]新頁HF-2井是中石化西南油氣分公司第2口頁巖氣勘探井。根據(jù)鄰井情況和工程地質(zhì)施工技術(shù)難點(diǎn),對頁巖氣井身結(jié)構(gòu)、鉆井液體系進(jìn)行了設(shè)計(jì),先采用鉆導(dǎo)眼井,再回填側(cè)鉆的四開結(jié)構(gòu)。鉆井過程中,運(yùn)用螺桿鉆具適度地復(fù)合鉆進(jìn),合理地選擇鉆具組合、鉆頭類型和鉆井參數(shù)等技術(shù)措施,同時定向段采用聚胺仿油基鉆井液、水平段采用油基鉆井液,保證了該井優(yōu)質(zhì)中靶,電測、下套管作業(yè)均一次性成功,是小井眼水平段水平井施工的典型案例,為同類型井鉆井積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

[關(guān)鍵詞]新頁HF-2井;頁巖氣;鉆井設(shè)計(jì);油基鉆井液

受國內(nèi)外頁巖氣勘探開發(fā)浪潮的影響和在中石化總公司的總體部署下，中石化西南油氣分公司開展了川西坳陷須五段的頁巖氣勘探，川西坳陷須五段頂部埋深多在2100~3500m之間，自東向西埋深逐漸加大[1,2]。新頁HF-2井是中石化西南油氣分公司部署在四川盆地新場構(gòu)造七郎廟高點(diǎn)的一口勘探井，井型為水平井，設(shè)計(jì)井深4102m(垂深3088.4m，不含補(bǔ)心高)，實(shí)際完鉆井深4077m(垂深3088.31m)，主要目的層為上三疊統(tǒng)須家河組五中亞段。鉆探目的是為了了解須五段頁巖縱橫向分布及發(fā)育情況，探索出川西頁巖氣水平井鉆井及壓裂等新技術(shù)在本區(qū)推廣應(yīng)用的效果，為頁巖氣先導(dǎo)試驗(yàn)區(qū)的建立奠定基礎(chǔ)。

1主要技術(shù)難點(diǎn)

1)根據(jù)鄰井須家河組五段(簡稱須五段，垂深2773~3076m)泥頁巖X射線衍射全巖分析(圖1、2)，巖樣含有的礦物有鈉長石、斜長石、方解石、白云石、菱鐵礦，有的巖樣含有少量的鉀長石和石鹽，其中主要含有的礦物是石英和黏土。從黏土礦物組分分析來看，主要以伊-蒙混層和伊利石為主，含有少量的高嶺石、綠泥石，不含水化性最強(qiáng)的蒙脫石礦物。由于新頁HF-2井定向段和水平段均位于須五段，黏土礦物的種類、含量及泥頁巖的微結(jié)構(gòu)決定了新場地區(qū)須五段泥頁巖的水化膨脹率低，水化分散屬于中等偏強(qiáng)，對應(yīng)力敏感的較硬-硬脆性泥頁巖，易產(chǎn)生井壁掉塊、坍塌等井內(nèi)復(fù)雜情況。

圖1　須五段巖樣黏土礦物相對質(zhì)量分?jǐn)?shù)分析

圖2　須五段黏土礦物相對質(zhì)量分?jǐn)?shù)直方圖

2)目的層巖性以泥頁巖為主，該層段泥頁巖的結(jié)構(gòu)致密，密度大，偏向于硬脆性，且微裂縫和微孔發(fā)育，層理清晰。這種泥頁巖的顯著特點(diǎn)是對應(yīng)力特別敏感，在鉆井過程中，一旦出現(xiàn)鉆井液的密度不足以平衡地應(yīng)力時，就很容易井壁掉塊、坍塌等井內(nèi)復(fù)雜情況。此外，鉆井液濾液進(jìn)入地層后，又會引起地層孔隙壓力增高，從而導(dǎo)致巖石強(qiáng)度降低，給井壁穩(wěn)定帶來困難[3,4]。

3)泥頁巖水平段長812m，水平位移1220m，摩阻扭矩大，鉆壓傳遞困難，導(dǎo)致鉆井方式的選擇以及井眼軌跡控制難度大。

4)新頁HF-2井為新場構(gòu)造上的第2口頁巖氣預(yù)探井，四開裸眼段均位于頁巖地層中，目的層機(jī)械鉆速慢(平均鉆速1.5m/h)，鉆井周期長，大段頁巖在連續(xù)施工中長期浸泡在鉆井液中，易導(dǎo)致頁巖沿層理分散碎裂造成井壁失穩(wěn)。

5)須五段地層壓力梯度較高(1.85～1.9MPa/100m)，鉆井液使用密度和固相含量較高，而水平段長812m，對鉆井液潤滑性要求嚴(yán)格。

7)目的層為低孔低滲的頁巖氣儲層，后期多級分段壓裂要求生產(chǎn)井段水泥漿膠結(jié)質(zhì)量良好且水泥石具有高強(qiáng)的彈塑性以及耐久性；三開水平段采用油基鉆井液，界面油基成分難以清除，且封固段長，套管居中困難，頂替效率差，影響固井質(zhì)量[7~9]。

2鉆井設(shè)計(jì)

2.1　地質(zhì)特征

上部第四系、劍門關(guān)組巖性以砂巖、泥巖、礫巖為主，地層疏松，易發(fā)生垮塌、竄漏、出水；蓬萊鎮(zhèn)組、遂寧組、沙溪廟組含大段泥巖易水化膨脹、垮塌和縮徑；千佛崖組底部、須家河組含高壓裂縫性氣層和較厚的頁巖層，粉、細(xì)、中巖屑砂巖、煤線，易吸水膨脹造成井壁垮塌。根據(jù)該地區(qū)井溫梯度2.22~2.45℃/100m，預(yù)測該井須家河組五段地層溫度在76~90℃之間。

2.2　井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

新頁HF-2井目的層(須家河組五段中亞段頁巖氣儲層)垂深3076.01~3088.47m，泥頁巖水平段長度812m，摩阻扭矩大，井壁穩(wěn)定困難。根據(jù)該井地層壓力預(yù)測及井下復(fù)雜情況提示，確定必封點(diǎn)深度；并結(jié)合完井下入滑套工具、套管完井和儲層改造需要，確定各開次鉆頭及套管尺寸，如表1所示。

2.3　鉆井液設(shè)計(jì)

1)一開第四系~劍門關(guān)組泥砂巖較疏松，膠結(jié)性差，易發(fā)生垮塌或漏失，采用高膨潤土、高黏切鉆井液鉆進(jìn)(不能使用除黃原膠以外的聚合物處理劑)，防止鉆表層時發(fā)生竄漏，防止污染地表水。

2)二開鉆遇蓬萊鎮(zhèn)組~遂寧組含大段泥巖，易水化分散，造漿性強(qiáng)，易形成厚泥餅縮徑，黏切力升高較快，維護(hù)處理頻繁。因此采用抑制性強(qiáng)、攜帶能力強(qiáng)的兩性離子聚合物鉆井液體系。

表1　設(shè)計(jì)井身結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)表

3)三開(1823~3120m，含直導(dǎo)眼段)鉆遇遂寧組、沙溪廟組、千佛崖組。遂寧組泥巖易水化膨脹、垮塌和縮徑，沙溪廟組、千佛崖組含泥巖，極易發(fā)生井壁失穩(wěn)，鉆井液必須具備好的濾失造壁性、抑制防塌能力、潤滑防卡和懸浮攜帶能力，因此使用強(qiáng)抑制型聚胺仿油基鉆井液體系。

4)三開(2650~3302m)和四開(3302~4102m)鉆遇千佛崖組、白田壩組、須家河組。該段為定向井段，須五段頁巖夾煤層段，微裂縫發(fā)育，井壁易發(fā)生分散坍塌，為克服泥頁巖段地層容易吸水膨脹、垮塌造成井壁不穩(wěn)定、長水平段攜砂困難和摩阻扭矩大等鉆井技術(shù)難點(diǎn)等，采用強(qiáng)封堵油基鉆井液體系[10]。

3鉆井施工

3.1　一開井段(0~312.5m)

施工中采用高固相鉆井液(密度1.12g/cm3，黏度為滴流)做好井眼的防塌和防卡工作；使用?406.4mmST517GK三牙輪鉆頭，以小鉆壓防斜為主，選擇適當(dāng)排量，保證環(huán)空返速滿足攜帶巖屑的能力，防止發(fā)生遇阻卡鉆；鉆過流砂層后逐漸提高排量至60L/s，確保井眼打直。鉆進(jìn)至井深312.5m處完鉆，純鉆時間49.50h，平均鉆速6.31m/h，下入?339.7mm×309.96m表層套管。固井采用常規(guī)固井，水泥漿返出地面。

3.2　二開井段(312.5~1823m)

二開使用?316.5mmPDC鉆頭，出于提速增效考慮，使用PDC鉆頭+螺桿+雙扶正器(311+307mm)鐘擺鉆具鉆進(jìn)，同時在起下鉆過程中針對性劃眼、修整井壁，保證井眼軌跡平滑；同時在設(shè)計(jì)鉆具組合基礎(chǔ)上，大比例增加?203mm鉆鋌用量，保證了鉆井參數(shù)的釋放，在高速鉆進(jìn)的同時有效地控制井斜，做到了井眼的防斜打直。施工中，加強(qiáng)劃眼，鉆進(jìn)中每鉆完一單根至少劃眼2~3次，劃眼時控制鉆具下放速度，認(rèn)真修整井壁。在鉆具組合中加入螺桿，既控制井身軌跡，又提高機(jī)械鉆速。保證井底清潔和提高環(huán)空返速，減少重復(fù)破巖和保證好攜砂，以達(dá)到提高機(jī)械鉆速的目的。二開采用低固相金屬離子聚合物鉆井液，加強(qiáng)日常維護(hù)，控制好鉆井液的固含量、失水量和流變性能，增強(qiáng)鉆井液的護(hù)壁性，確保井壁穩(wěn)定。

鉆至井深1823m處順利完鉆，該井段最大井斜2.4°，最大全角變化率0.5°/30m。純鉆時間226.49h，平均機(jī)械鉆速6.67m/h。完鉆順利下入?273.1mm×1821.27m技術(shù)套管，水泥漿返出地面。

3.3　三開井段(1823~3290m)

直井段使用常規(guī)塔式鉆具掃水泥塞，鉆井液采用聚胺仿油基鉆井液。鉆進(jìn)至1832.06m后，開始使用PDC鉆頭+螺桿復(fù)合+雙扶正器(234mm+230mm)鉆具鉆進(jìn)，鉆進(jìn)井段1832.06~2389.96m，但復(fù)合鉆進(jìn)鉆速并不理想；考慮到至三開直井段完鉆井深2650m已不遠(yuǎn)，不再下入螺桿鉆具，采用雙扶正器鐘擺鉆具鉆進(jìn)。

直導(dǎo)眼段用?215.9mm鉆頭鉆進(jìn)，鉆達(dá)連續(xù)取心起始井深3055m，開始使用?215mm金剛石取心鉆頭連續(xù)取心作業(yè)5次，共耗時7.01d，耗用金剛石取心鉆頭2只。取心井段3055~3095m，取心總進(jìn)尺40m，巖心總長40m，平均收獲率100%，平均機(jī)械鉆速0.69m/h。在該井段鉆進(jìn)中，將設(shè)計(jì)中的2柱?178mm鉆鋌增加至7柱，有效地達(dá)到了釋放鉆井參數(shù)和防斜打直的目的，鉆進(jìn)中扶正器對井壁有良好的修整效果，保證了起下鉆的順暢。鉆進(jìn)至3120m直導(dǎo)眼段完鉆(平均機(jī)械鉆速僅為2.2m/h)，回填至2650m。

斜井段采用?215.9mm鉆頭、強(qiáng)封堵聚胺仿油基鉆井液(密度2.16g/cm3，塑性黏度60~65mPa·s，動切力11~20Pa ，高溫高壓失水量4mL)開始造斜鉆進(jìn)。全程螺桿+MWD定向，在進(jìn)入水平段前井斜達(dá)到30°后，開始下入倒裝鉆具組合，根據(jù)測斜情況，選擇滑動鉆進(jìn)與復(fù)合鉆進(jìn)交替進(jìn)行，鉆進(jìn)中因?yàn)榭刂栖壽E的需要，滑動鉆進(jìn)的比例較大，期間易出現(xiàn)托壓現(xiàn)象，尤其是須五斜井段頻繁鉆遇頁巖、煤線時，水力振蕩器可能造成井壁垮塌，使用水力加壓器，基本解決滑動鉆進(jìn)中的托壓問題，提高了鉆井效率。該井段最大井斜89.13°，最大全角變化率8.58°/30m，順利中A靶。該井段共進(jìn)尺636.00m，純鉆時間707.11h，平均機(jī)械鉆速0.9m/h(機(jī)械鉆速1.5m/h)，泥頁巖可鉆性差地層是影響定向段機(jī)械鉆速的主要原因。測井后順利下入?193.7mm套管至井深3288.58m固井，水泥漿返出地面。

3.4　四開井段(3290~4102m)

水平段使用?215.9mm鉆頭、強(qiáng)封堵油基鉆井液體系(密度2.11~2.15g/cm3，塑性黏度62~73mPa·s，動切力10~14Pa，破乳電壓800~1200V，油水體積比85∶15)鉆進(jìn)。油基鉆井液鉆井，大大減少了鉆具與井壁間的摩阻，且油基鉆井液在井壁中的分散性遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于水基鉆井液，大大降低了因井壁不穩(wěn)定造成井眼垮塌卡鉆的風(fēng)險(xiǎn)。在水平段施工中，先后使用了1.5°、1.25°和1°的無扶單彎螺桿，對比各種螺桿的鉆進(jìn)效果，最后優(yōu)選出1.25°單彎無扶螺桿，相對其他螺桿能夠在更高比例的復(fù)合鉆進(jìn)條件下，滿足井眼軌跡控制要求。鉆進(jìn)至井深4102m四開終孔，垂深3088.31m，井斜91.4°，方位178.53°，水平位移1200.94m。

4結(jié)論與建議

新頁HF-2井優(yōu)質(zhì)中靶，電測、下套管作業(yè)順利，均一次性成功，是小井眼水平段水平井施工的典型案例，為同類型井鉆井積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

1)新頁HF-2井設(shè)計(jì)井身結(jié)構(gòu)有效地封住了易漏失表層、低壓層、高壓層。三開鉆至井深3290m，封隔須五斜井段及以上不穩(wěn)定地層，為四開水平段安全鉆進(jìn)創(chuàng)造條件。

2)在四開小井眼水平段鉆井中，由于井斜大，水平段長，導(dǎo)致在鉆進(jìn)施工中，扭矩偏大，摩阻大，很容易發(fā)生鉆具事故，施工風(fēng)險(xiǎn)性高，在以后的鉆井過程中，應(yīng)考慮對工程技術(shù)措施的優(yōu)化。

3)該井地層可鉆性與同井場鄰井存在較大差異，具體表現(xiàn)為直井段施工中在同地層、同井深、同鉆井參數(shù)以及類似的鉆井液條件下，該井鉆速相對較慢，施工中及時增加了螺桿鉆具進(jìn)行復(fù)合鉆進(jìn)，提高鉆井效率。

4)對于小井眼水平段施工，建議一開采用套管懸掛增大環(huán)空體積，同時選取復(fù)式鉆具結(jié)構(gòu)，以降低泵壓，增大排量。

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[編輯]帥群

[引著格式]張珍，周成華,田長春.新頁HF-2井頁巖氣鉆井技術(shù)[J].長江大學(xué)學(xué)報(bào)(自科版) ,2015,12(26):42~45.

[中圖分類號]TE246

[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

[文章編號]1673-1409(2015)26-0042-04

[作者簡介]張珍(1980-)，女，碩士，現(xiàn)主要從事鉆井液與完井液科研、質(zhì)量檢驗(yàn)管理等工作，zhenzhen0607@163.com。

[收稿日期]2014-12-26