喬李華 范生林 齊 玉

1.中國石油川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術研究院 2.國家能源頁巖氣研發(fā)（實驗）中心鉆完井技術研究部

0 引言

美國頁巖氣資源豐富、地質條件優(yōu)越，其絕大部分頁巖氣藏為低壓氣藏[1]，較之于中國四川長寧、威遠地區(qū)的龍馬溪組高壓頁巖氣藏，前者除地層壓力低外、還具有沉積年代晚、埋藏垂深淺等特點，上述特點使得美國絕大部分頁巖氣藏在鉆井時，具有鉆井液密度低、井淺、可鉆性好、鉆井速度快、投資小等優(yōu)勢，因此將美國低壓頁巖氣藏與四川長寧、威遠等高壓頁巖氣藏進行鉆井技術及鉆井指標對比，參考意義低。研究發(fā)現(xiàn)，美國Haynesville頁巖氣藏與四川長寧、威遠等龍馬溪組頁巖高壓氣藏地質鉆井條件最為類似[2]，但也有其自身的地質特點[3-6]，決定了開發(fā)頁巖氣采用的工程技術手段[7-10]。2008年，殼牌公司在該氣藏鉆井的鉆井周期為100天以上[11]，通過采用系列優(yōu)化鉆井技術，2009—2012年，該氣藏平均完鉆井深在5 700 m以內的井，50%以上井已實現(xiàn)了50天內完鉆[12]，2018年國內對該氣藏鉆井的調研資料表明，2017年該氣藏一些井鉆井周期控制到30天。因此對比中美典型高壓頁巖氣藏鉆井提速技術，找出上述兩個氣田在鉆井提速技術方面的差別，可能對促進我國頁巖氣藏鉆井提速具有重要意義。

1 氣藏地層特點、鉆井提速難點比較

1.1 主要地層特點

美國Haynesville頁巖氣藏，自上而下地層巖性分別為，上部Glenrose、Rodessa等巖性以泥巖、膏巖為主，孔隙壓力系數(shù)在1.0左右；中間Hosston、Cottonvalley、Knowles巖性分別為高研磨性石英砂巖、含礫砂巖、石灰?guī)r，厚度介于800～1 200 m，單軸抗壓強度介于70～315 MPa，軟硬交錯、可鉆性差、研磨性強，地層孔隙壓力系數(shù)在1.1左右。下部Bossier為含氣頁巖儲層，裂縫較發(fā)育，地層壓力系數(shù)較高，在1.90左右；Haynesville為目的頁巖氣層，儲層壓力系數(shù)[2]介于1.60～2.07，最高井底溫度超過180 ℃。

四川長寧、威遠龍馬溪組頁巖氣藏上部出露地層變化較大，僅以幾口典型井地質分層數(shù)據(jù)和巖性描述（表1）。長寧地區(qū)龍馬溪組頁巖氣藏地表為喀斯特地貌，上部須家河組、嘉陵江組等裂縫、溶洞發(fā)育，地層壓力系數(shù)在1.0左右；中下部茅口等地層含硅質灰?guī)r或燧石，韓家店、石牛欄含粉砂巖，地層壓力系數(shù)介于1.20～1.40；龍馬溪組產(chǎn)層主要巖性為頁巖，地層溫度介于75～90 ℃，孔隙壓力系數(shù)介于1.35～2.03，裂縫、斷層等較發(fā)育。威遠龍馬溪組頁巖氣藏，龍馬溪組以上地層，地層壓力系數(shù)介于1.00～1.50，中下部井段二疊系等地層抗壓強度高，含硅質灰?guī)r或燧石，可鉆性差；龍馬溪組產(chǎn)層巖性主要為頁巖，地層溫度介于99～140 ℃，孔隙壓力系數(shù)介于1.40～1.96，斷層、裂縫較發(fā)育。

1.2 主要鉆井提速難點

由表2可以看出，Haynesville頁巖氣藏開發(fā)初期的鉆井難點與長寧、威遠頁巖氣藏目前面臨的鉆井提速難點極其類似。上述氣藏在中下部井段都面臨鉆遇長段可鉆性差地層，單只鉆頭進尺少，機械鉆速慢；在頁巖產(chǎn)層段，都面臨頁巖層段裂縫發(fā)育，地層壓力高，鉆井液密度高，表現(xiàn)出機械鉆速低，易發(fā)生井漏、溢流，常出現(xiàn)入井鉆井工具、儀器易失效等問題，現(xiàn)場非生產(chǎn)時間長。

表1 長寧、威遠頁巖氣藏典型井地質分層數(shù)據(jù)及巖性描述表 單位：m

表2 Haynesville頁巖氣藏和長寧、威遠頁巖氣藏主要鉆井提速難點對比表

2 鉆井提速技術對比

2.1 井身結構對比

Haynesville頁巖氣藏在井眼、套管尺寸上與長寧、威遠有所不同，它大量采用較長寧、威遠龍馬溪組頁巖氣藏尺寸縮小的非標井身結構，井身結構對比如表3所示。該氣藏井身結構相對我國長寧、威遠的井身結構，不僅實現(xiàn)了減少了鉆井巖屑的產(chǎn)生，降低了鉆井液的排放，也為提高鉆井速度創(chuàng)造了條件。

國外最新研究表明，美國大量深層頁巖氣藏已將水平段井眼尺寸從215.9 mm縮小到171.5 mm，單井投資降低超過25%[13]。

而長寧、威遠龍馬溪組頁巖氣藏均采用較Haynesville頁巖氣藏尺寸大的三開井身結構設計[14-15]：表層套管封固上部水層，易漏易垮層；技術套管下至頁巖氣層段頂部，封固上部低壓層段；生產(chǎn)套管由井口至井底，封固頁巖段，有利于完井后期開展分段壓裂。

通過比較不難發(fā)現(xiàn)，開發(fā)長寧、威遠龍馬溪組頁巖氣藏的套管、鉆井液等大宗材料消耗必然會高于Haynesville頁巖氣藏的材料消耗，且在Haynesville頁巖氣藏鉆井三開采用?114.3 mm鉆桿等配套工具的情況下，井身結構尺寸的提速條件不如Haynesville頁巖氣藏。

2.2 中下部難鉆地層主要鉆井提速技術對比

2009年后，殼牌等石油公司通過分析Haynesville頁巖氣藏中下部?250 mm井眼的鉆井資料，認識到制約Hosston—Knowles段近1 000 m厚度的高研磨性石英砂巖、含礫砂巖、石灰?guī)r快速鉆井的原因是高鉆壓等鉆井參數(shù)造成PDC鉆頭的先期破壞。后通過從PDC鉆頭切削齒形狀、材料優(yōu)選和制造工藝等方面進行持續(xù)創(chuàng)新[16-17]，針對性、系統(tǒng)性的優(yōu)選井下工具、配套了鉆井參數(shù)實時優(yōu)化軟件等，應用后鉆井提速效果顯著。

1）?250 mm PDC鉆頭從刀翼布齒結構、切削齒成分及熱處理、巖屑清洗與切削齒冷卻的水力優(yōu)化等方面進行改進，提高了切削齒攻擊性和抗沖擊性，實現(xiàn)了延長鉆頭使用壽命，通過采用以上措施，該氣田鉆頭平均機械鉆速提高25%左右，進尺也有一定提高[18]。

表3 Haynesville頁巖氣藏與長寧、威遠龍馬溪組頁巖氣藏井身結構數(shù)據(jù)對比表

2）優(yōu)選7/8頭的井下低速大扭矩螺桿配合PDC鉆頭鉆進，較好地避免了因井下PDC鉆頭切削扭矩不夠、扭轉震動而造成鉆頭先期破壞。

3）2009年后，配套使用機械比能（MSE）軟件、扭轉震動預警（SSA）軟件、頂驅軟扭矩（STRS）等軟件，科學地指導司鉆控制或軟件自動控制鉆井參數(shù)，保持井下鉆頭工作穩(wěn)定[19]。采用扭轉震動預警軟件后，使用后PDC鉆頭不可修復率由65%降低至15%，效果十分顯著。

2009—2011年，殼牌公司在Haynesville頁巖氣藏開70口井集成應用上述技術，每口井單只鉆頭進尺由原來的40～100 m，提高到300～500 m，鉆井周期縮短了20天，該井段耗費鉆頭由此前的10只左右降低到目前的2～3只，單井節(jié)約費用約100萬美元。

我國長寧、威遠等頁巖氣藏，目前在中下部難鉆地層也大量使用7/8頭的井下低速大扭矩螺桿＋16 mm齒鋼體PDC鉆頭[15]，機械鉆速由開發(fā)初期2 m/h左右提高到3～5 m/h。但由于未配備使用機械比能（MSE）軟件等先進的軟件與裝備，無法科學指導司鉆控制或自動控制鉆井參數(shù)，相關井段單只鉆頭平均進尺仍然只有200 m左右。

2.3 頁巖層段主要鉆井提速技術對比

針對Haynesville頁巖氣藏井眼頁巖層段鉆井儀器、工具易因嚴苛井下環(huán)境失效，鉆井液密度高，機械鉆速低，井漏溢流復雜頻發(fā)等難題，2009年后，殼牌等石油公司在該氣藏產(chǎn)層段采用了以下技術：

1）提高井下儀器工具可靠性，①建立模擬嚴苛的井下工況的室內實驗設備，對入井儀器開展檢測、改進，以保持入井儀器技術指標；②儀器方應對現(xiàn)場使用的失效儀器進行溯源分析，找出失效的根本原因并加以解決；③儀器方對井下儀器維修保養(yǎng)時，采用專用程序軟件測試儀器，確保再次入井儀器的性能狀態(tài)良好。

通過上述措施，2009—2011年，隨著該區(qū)鉆井垂深的不斷增加，儀器、工具的井下工作溫度由140 ℃上升至160 ℃及以上，但其失效率卻從每鉆進1 000 m進尺發(fā)生1.2次降低至0.23次[20]，有效地保證了大多數(shù)井水平段作業(yè)期間入井儀器、工具的正常工作。

2）優(yōu)選頁巖段高效PDC鉆頭，針對頁巖地層單軸抗壓強度低，可鉆性好的特點，將以前的6刀翼小直徑雙排切削齒鋼體鉆頭優(yōu)化為5刀翼單排大直徑切削齒鋼體鉆頭，有效提高了機械鉆速。

3）殼牌公司在頁巖層段應用哈里伯頓的自動控壓鉆井系統(tǒng)，采用“邊鉆邊點火”的方式釋放局部高壓氣層壓力[21-22]，將水平段鉆井液密度由前期鉆井的1.92～1.97 g/cm3降低至1.71 g/cm3，該段機械鉆速由3～6 m/h，提高至15～24 m/h。

4）針對2008年前，?165.1 mm井眼下入?127.00 mm油層套管的困難，即井眼直徑（165.1 mm）與油層套管接箍直徑（144.02 mm）之間間隙過小（10.54 mm）。該區(qū)應用了特殊設計的小接箍半過盈氣密封扣生產(chǎn)套管，套管接箍抗內壓強度相對原套管接箍雖然降低了30%，但仍滿足施工等強度需要，配套頂驅下套管工具，高效地完成了下套管作業(yè)，使得鉆井階段的完井周期介于5～7 天，較2008年前，單井節(jié)約周期超過11天。

通過采用上述鉆井技術的集成應用，Haynesville頁巖氣層段?165.1 mm井眼段鉆井機械鉆速提高了300%以上，30%的井頁巖氣層段實現(xiàn)一趟鉆完成，平均單井鉆井周期降低30天以上。

威遠、長寧龍馬溪組頁巖氣藏在頁巖層段主要應用旋轉導向＋螺桿＋單排16 mm或19 mm齒鋼體PDC鉆頭，配合高鉆壓、高轉速、大排量等強化鉆井參數(shù)進行提速，頁巖層段平均機械鉆速由前期的5～6 m/h，提高至目前的6～15 m/h，提速效果較明顯，但采用上述方法繼續(xù)提速面臨較大困難。

較之于Haynesville頁巖氣藏鉆井：威遠、長寧龍馬溪組頁巖氣藏在產(chǎn)層定向儀器、工具的保障上，沒有前者那樣細致有效，統(tǒng)計2018年長寧龍馬溪組頁巖氣藏水平段起鉆原因，儀器失效占比仍達65%；威遠、長寧龍馬溪組頁巖氣藏水平段高密度井段也未規(guī)模應用“控壓鉆井＋降密度”技術，因此鉆井速度提高幅度難以達到Haynesville氣藏的水平，Haynesville頁巖氣藏鉆頭研究表明，密度、黏度對PDC鉆頭破巖效率和磨損影響非常巨大[23]；威遠、長寧龍馬溪組頁巖氣藏生產(chǎn)套管外直徑為139.7 mm，剛性較Haynesville頁巖氣藏生產(chǎn)套管外直徑127 mm要大，也未大量使用頂驅下套管工具，時常需要專門通井后再下套管，因此鉆井階段完井周期長，統(tǒng)計2018年長寧地區(qū)64口完鉆井數(shù)據(jù)，鉆井階段完井周期平均為11.5天。

3 結論與啟示

通過該頁巖氣藏北美地區(qū)Haynesville頁巖氣藏的鉆井提速技術與國內相關技術進行對比分析，可以獲得如下結論與啟示。

1）Haynesville頁巖氣藏相對國內類似頁巖氣藏縮小一級的井身結構優(yōu)化思路，值得國內類似頁巖氣藏消化、借鑒、應用。Haynesville頁巖氣藏在產(chǎn)層埋藏垂深更深的條件下，采用較長寧、威遠等龍馬溪組頁巖氣藏尺寸更小的非標井身結構即可滿足壓裂、生產(chǎn)等需要，且目前美國大量深層頁巖氣藏已將水平段井眼尺寸從215.9 mm縮小到171.5 mm，通過選用114.3 mm鉆桿，52 MPa循環(huán)系統(tǒng)等鉆井工具設備及配套工藝，鉆井速度得到有效提高，單井鉆井投資降低25%以上，節(jié)能減排優(yōu)勢明顯。

2）Haynesville頁巖氣藏采用的“高效鉆頭＋配套井下提速工具＋鉆井參數(shù)優(yōu)化軟件/裝備”的硬研磨性難鉆地層系統(tǒng)化鉆井提速技術思路，值得國內重視、借鑒、攻關、應用。Haynesville、長寧、威遠等頁巖氣藏鉆井實踐表明，硬研磨性等難鉆地層，實踐表明單純優(yōu)選鉆頭和井下提速工具，提速效果有限。國內應加強鉆井參數(shù)實時優(yōu)化軟件、扭轉震動預警軟件、頂驅軟扭矩等軟件/裝備的引進、攻關、配套，相關技術對國內廣泛存在的難鉆地層提速難題，可能具有革命性意義。

3）美國Haynesville區(qū)塊等大量高壓頁巖氣區(qū)塊鉆井實踐表明，控壓鉆井技術可以在降低高壓頁巖氣層段溢漏復雜時間的同時，通過釋放頁巖段地層壓力，降低鉆井液密度，從而大幅提高鉆頭單只進尺和機械鉆速。2014年，殼牌公司將“控壓鉆井＋降密度”技術應用于四川富順區(qū)塊壇2**井，一趟鉆完成龍馬溪頁巖水平段，機械鉆速達到當時驚人的14.27 m/h，較同區(qū)塊采用高密度鉆井液的鄰井提速200%以上，取得了顯著的提速效果。2019年，長寧等區(qū)塊一些井試驗應用“控壓鉆井＋降密度”技術，也獲得了突出的提速效果，“控壓鉆井＋降密度”技術值得在長寧等高壓頁巖氣藏繼續(xù)探索、優(yōu)化、應用。