王建龍， 于志強(qiáng)， 苑 卓， 馮冠雄， 柳 鶴， 郭云鵬

（1. 中國石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司工程技術(shù)研究院，天津 300280；2. 中國石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司定向井服務(wù)分公司，天津300280；3. 中國石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司四川頁巖氣項(xiàng)目管理部，四川成都 644000；4. 中國石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司，天津300280）

瀘州區(qū)塊位于川南地區(qū)低陡構(gòu)造帶，目的層龍馬溪組底界埋深普遍在3 500～4 500 m，由北往南逐漸變深。2019年該區(qū)塊垂深3 890 m的瀘203井測(cè)試產(chǎn)氣量達(dá)1.38×106m3/d，是國內(nèi)首口測(cè)試日產(chǎn)氣量超過百萬立方米的深層頁巖氣標(biāo)桿井[1-10]。由于深層頁巖氣開發(fā)尚處于起步階段，其配套鉆井完井技術(shù)目前主要借鑒長寧區(qū)塊、威遠(yuǎn)區(qū)塊等中深層頁巖氣鉆井完井作業(yè)經(jīng)驗(yàn)。樊好福等人[11]采用高造斜率螺桿鉆具減少滑動(dòng)進(jìn)尺，應(yīng)用控壓鉆井技術(shù)降低水平段鉆井液密度。臧艷彬等人[12]優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)，研究水力加壓器和射流沖擊器等提速工具、復(fù)合鉆頭和控壓鉆井等技術(shù)，取得了較好的提速效果。然而，瀘州區(qū)塊深層頁巖氣鉆井仍然存在特殊巖性地層可鉆性差、地層溫度高造成旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向壽命短、目的層斷層發(fā)育導(dǎo)致軌跡控制難度高等難點(diǎn)，機(jī)械鉆速低、鉆井周期長、井下故障率高，鉆井完井成本居高不下。為此，筆者開展了井身結(jié)構(gòu)和井眼軌道優(yōu)化研究，優(yōu)選了井眼軌跡控制技術(shù)和高性能油基鉆井液，形成了瀘州區(qū)塊深層頁巖氣水平井鉆井關(guān)鍵技術(shù)，并在4 口井開展了地面降溫設(shè)備先導(dǎo)試驗(yàn)，大幅縮短了鉆井周期，取得了顯著效果。

1 鉆井技術(shù)難點(diǎn)

瀘州區(qū)塊深層頁巖氣井自上而下鉆遇沙溪廟組、自流井組、須家河組、嘉陵江組、飛仙關(guān)組、長興組、龍?zhí)督M、茅口組、梁山組、韓家店組、石牛欄組和龍馬溪組，與常規(guī)頁巖氣相比，具有埋藏深、巖石可鉆性差、井底溫度高和井控風(fēng)險(xiǎn)高等特點(diǎn)[12-17]。鉆井過程中存在以下技術(shù)難點(diǎn)：

1）須家河組、龍?zhí)督M可鉆性差，常規(guī)PDC鉆頭機(jī)械鉆速低。須家河組地質(zhì)年代老，石英含量高，粒度小，膠結(jié)致密，硬度高達(dá)6～7級(jí)，研磨性高達(dá)8級(jí)。龍?zhí)督M以頁巖夾鋁土質(zhì)泥巖、凝灰質(zhì)砂巖為主，鐵質(zhì)含量高達(dá)9.5%，研磨性強(qiáng)。瀘203井區(qū)須家河組厚度500～600 m，一般使用3～5只鉆頭鉆穿，平均單只鉆頭進(jìn)尺150 m；龍?zhí)督M厚度 100～200 m，一般使用3～6只鉆頭鉆穿，平均單只鉆頭進(jìn)尺55 m。

2）復(fù)雜井漏頻發(fā)，井控風(fēng)險(xiǎn)高。須家河組—棲霞組同一裸眼段多個(gè)壓力系統(tǒng)并存，須家河組壓力系數(shù)為1.2，茅口組—棲霞組壓力系數(shù)則在1.8 以上，易出現(xiàn)漏噴同存等復(fù)雜情況，存在“漏轉(zhuǎn)溢”、“漏轉(zhuǎn)噴”的可能；韓家店組、石牛欄組和龍馬溪組易鉆遇裂縫，存在噴漏同存現(xiàn)象，井控風(fēng)險(xiǎn)高。

3）定向工具儀器抗溫性能差。瀘州區(qū)塊某井實(shí)測(cè)井底循環(huán)溫度135 ℃，因地層溫度過高導(dǎo)致6趟鉆旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具均無信號(hào)。瀘州區(qū)塊深部地層溫度超過150 ℃，循環(huán)溫度140 ℃左右，常規(guī)定向工具難以滿足高溫下安全鉆進(jìn)要求，故障率高，嚴(yán)重影響機(jī)械鉆速。

4）斷層發(fā)育，井眼軌跡控制難度大。目的層儲(chǔ)層厚度薄，斷層發(fā)育，地層傾角變化大。為保證優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層鉆遇率，頻繁調(diào)整井眼軌跡導(dǎo)致井眼呈W形，造成地質(zhì)導(dǎo)向難度大，摩阻扭矩增大，井下卡鉆風(fēng)險(xiǎn)升高。

2 鉆井關(guān)鍵技術(shù)

2.1 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

綜合考慮地層壓力、必封點(diǎn)、鉆井施工難度、鉆機(jī)負(fù)載、井下風(fēng)險(xiǎn)、經(jīng)濟(jì)性等因素，開展瀘州區(qū)塊深層頁巖氣水平井井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究。在保證實(shí)現(xiàn)地質(zhì)目標(biāo)和安全的前提下，盡可能減少套管層次、縮短裸眼段長度、降低摩阻扭矩，為安全高效鉆井完井提供基礎(chǔ)[14]。瀘州區(qū)塊深層頁巖氣水平井采用典型的“導(dǎo)管+三開”井身結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 瀘州區(qū)塊典型井身結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Typical casing program in Luzhou Block

φ508.0 mm導(dǎo)管一般下至井深50 m左右，封隔風(fēng)化漏層及垮塌層，可適當(dāng)加深；φ339.7 mm表層套管一般下至須家河組頂部10～30 m，封隔上部漏層、垮塌層和淺層氣，考慮井控需要可加深至須四段中下部；φ244.5 mm技術(shù)套管一般下至韓家店組頂部30～50 m，封隔上部漏、垮、噴等復(fù)雜層段及含硫氣層；若長興組、龍?zhí)督M、茅口組等層段鉆遇復(fù)雜情況，同一井段鉆井液密度難以兼顧，可淺下套管至棲霞組頂部，采用φ139.7 mm 生產(chǎn)套管封固龍馬溪組目的層。

2.2 井眼軌道優(yōu)化及軌跡控制

前期采用的三維井眼軌道施工難度大、井下風(fēng)險(xiǎn)高，嚴(yán)重影響鉆井周期。因此，綜合考慮叢式井防碰、摩阻扭矩、軌跡控制難度和鉆井速度等因素，將三維軌道優(yōu)化為雙二維井眼軌道，多采用“直—增—穩(wěn)—降—直—增—平”剖面類型，上部井段和入窗井段控制全角變化率分別為（1.0°～2.5°）/30m和（ 4.0°～6.0°）/30m，水平段控制全角變化率不大于3.0°/30m。與三維井眼軌道相比，“雙二維”井眼軌道的鉆進(jìn)扭矩降低7%～14%、摩阻降低11.5%～16.5%[1]。

兼顧鉆井安全、鉆井速度和鉆井成本，將水平井的水平段劃分為鉆井提速、鉆井提速與風(fēng)險(xiǎn)兼顧、風(fēng)險(xiǎn)削減3個(gè)階段（見表1）。鉆井提速階段，一般指在水平段長度不足1 000 m井段鉆進(jìn)階段，該階段鉆井設(shè)備能力充足，井下風(fēng)險(xiǎn)低，以鉆井提速為主，選用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具配合大扭矩長壽命直螺桿控制井眼軌跡。鉆井提速與風(fēng)險(xiǎn)兼顧階段，一般指在水平段長度1 000～1 500 m井段鉆進(jìn)階段，該井段鉆井設(shè)備能力富余量減少、井下風(fēng)險(xiǎn)逐步升高，需要兼顧鉆井提速和井下風(fēng)險(xiǎn)。評(píng)估井下風(fēng)險(xiǎn)較低時(shí)，以鉆井提速為主，選用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具配合大扭矩長壽命直螺桿；評(píng)估井下風(fēng)險(xiǎn)較高時(shí)，以降低鉆井風(fēng)險(xiǎn)為主，選用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具。風(fēng)險(xiǎn)削減階段，一般指水平段長度超過1 500 m井段鉆進(jìn)階段，該階段鉆井設(shè)備的鉆進(jìn)能力基本達(dá)到極限、井下風(fēng)險(xiǎn)較高，以降低鉆井井下風(fēng)險(xiǎn)為主。評(píng)估井下風(fēng)險(xiǎn)較低時(shí)，選用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具；評(píng)估井下風(fēng)險(xiǎn)較高時(shí)，選用近鉆頭伽馬配合1.50°無穩(wěn)定器彎螺桿和水力振蕩器[9]。

表內(nèi)乘法的教學(xué)中，普遍教法是：根據(jù)乘法算式，把乘法口訣編寫出來，再讓學(xué)生反復(fù)讀。換一種思路，讓學(xué)生來編寫乘法口訣表，我們的老師要做的是給予學(xué)生必要的指導(dǎo)，把他們領(lǐng)進(jìn)門，后面就由他們自己去做吧！

表1 推薦鉆井參數(shù)和井眼軌跡控制方式Table 1 Recommended drilling parameters and wellbore trajectory control methods

2.3 鉆井參數(shù)優(yōu)化

“大鉆壓、高轉(zhuǎn)速、大排量”激進(jìn)式鉆井參數(shù)有利于提高鉆井速度和井眼清潔效率，但當(dāng)鉆井參數(shù)超過極限值，將導(dǎo)致鉆具失效或者提速效果不明顯。為此，開展鉆井參數(shù)優(yōu)化研究，推薦最優(yōu)鉆井參數(shù)（見表1）?；阢@柱彈性穩(wěn)定方程，不同轉(zhuǎn)速下水平井鉆具的臨界鉆壓可由式（1）確定：

式中：Pd為鉆壓臨界值，kN；E為鋼材彈性模量，N/m2；I為鉆具慣性距，m4；L為單根鉆具長度，m；ω為鉆桿旋轉(zhuǎn)角速度，s-1；qm為鉆桿線重量，N；g為重力加速度，m/s2。

經(jīng)計(jì)算，鉆進(jìn)工況下的鉆壓臨界值為150 kN。

根據(jù)管柱動(dòng)力學(xué)與變形能理論，優(yōu)選安全轉(zhuǎn)速計(jì)算模型。鉆具蹩停瞬間動(dòng)能轉(zhuǎn)化成扭矩變形能，當(dāng)動(dòng)載扭矩值大于鉆具理論抗扭強(qiáng)度時(shí)，鉆桿產(chǎn)生變形，此時(shí)的轉(zhuǎn)速即為安全轉(zhuǎn)速臨界值。用式（2）計(jì)算可知，鉆井工況下，安全轉(zhuǎn)速臨界值為120 r/min。

式中：M為鉆柱扭矩，N·m；γ為鉆柱扭轉(zhuǎn)角，rad；G為剪切彈性模量，MPa；n為轉(zhuǎn)速，r/min；J為截面極慣性矩，cm4。

利用Landmark軟件模擬分析不同排量下的井眼清潔效果，模擬計(jì)算條件如下：井深6 000 m，水平段長2 000 m，鉆井液密度2.15 kg/L、塑性黏度35 mPa·s、動(dòng)切力6 Pa，機(jī)械鉆速8.0 m/h。鉆進(jìn)工況下保證井眼清潔的最小排量為30 L/s；結(jié)合鉆井設(shè)備能力和提速效果，最大推薦排量為35 L/s（見圖2）。實(shí)鉆過程中，如因設(shè)備等原因無法達(dá)到最小排量，需提高轉(zhuǎn)速或者使用井眼清潔工具等，保證井眼清潔效果，降低井下故障程度。

圖2 鉆井液排量與井眼清潔效果Fig.2 Flow rate of drilling fluid and wellbore cleaning effect

2.4 鉆井提速工具優(yōu)選及鉆頭優(yōu)化

2）PDC鉆頭優(yōu)化設(shè)計(jì)。龍?zhí)督M地層鐵質(zhì)含量高，研磨性強(qiáng)，常規(guī)PDC鉆頭易磨損；石牛欄組以深灰色石灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r為主，硬度高。綜合考慮龍?zhí)督M鐵質(zhì)含量和夾煤層的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了六刀翼雙排齒PDC鉆頭，φ16.0 mm 和φ13.0 mm 切削齒混合布齒，后排齒采用圓錐齒，以提高鉆頭的攻擊性和夾層穿透能力；針對(duì)石牛欄組巖性，設(shè)計(jì)了五刀翼φ16.0 mm 切削齒PDC鉆頭，采用小后傾角設(shè)計(jì)，增強(qiáng)鉆頭的攻擊性，提高機(jī)械鉆速。

2.5 水平段鉆井液選擇及性能維護(hù)措施

綜合考慮井壁穩(wěn)定、潤滑防卡和攜巖能力等因素，水平段選用BH-OBM油基鉆井液，其配方為：基礎(chǔ)油+25.0%～35.0%CaCl2鹽水+2.0%～3.0% BZOPE+1.5%～2.5% BZ-OSE+0.4% BZ-OWA+2.5%～3.0% Ca(OH)2+0.5%～2.5% BZ-OC+1.5%～2.5% BZ-OFL+0.2%～0.4% BZ-ORM+重晶石粉。該鉆井液抗溫 200～220 ℃，最高密度2.50 kg/L，破乳電壓大于1 000 V，高溫高壓濾失量小于2 mL，滲透性封堵濾失量0～4 mL，制定了以下性能維護(hù)措施：

1）強(qiáng)化防塌性?？刂朴退壤?0∶20～95∶5，水平段鉆井液含水量不大于5.0%，進(jìn)一步減少自由水進(jìn)入地層，有利于調(diào)控鉆井液的流變性，降低ECD?？刂扑嘀新然}含量不低于25.0%，控制水相活度平衡。補(bǔ)充加入主乳化劑BZ-OPE、輔乳化劑BZOSE、潤濕劑BZ-OWA，保持鉆井液良好的穩(wěn)定性，保證破乳電壓高于800 V。

2）強(qiáng)化封堵性。保持鉆井液中不同粒徑封堵材料（BZ-OFL、BZ-OFL復(fù)合納米型、細(xì)目鈣）含量，封堵微裂縫，減少壓力傳遞，控制高溫高壓濾失量不高于2 mL。

3）強(qiáng)化抗高溫性能。保持鉆井液中抗高溫材料含量，控制降濾失劑BZ-KLS-I含量1.0%～1.5%、抗高溫降濾失劑SMP-II含量2.0%～3.0%、BZ-FFT-I含量2.0%～3.0%、抗高溫SN樹脂含量2.0%～3.0%，保證抗溫性能達(dá)到180 ℃。

4）強(qiáng)化攜巖能力。采用油基鉆井液流性調(diào)節(jié)劑調(diào)整鉆井液動(dòng)切力，保證鉆井液動(dòng)切力不低于8 Pa、動(dòng)塑比不小于0.50，以提高其攜巖能力。

2.6 鉆井液地面降溫系統(tǒng)的研制

目前，四川盆地頁巖氣鉆井采用的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具耐溫性能一般在125～130 ℃，當(dāng)井底循環(huán)溫度超過125 ℃時(shí)，開始出現(xiàn)信號(hào)傳輸不穩(wěn)定、壽命短等問題，嚴(yán)重影響了鉆井時(shí)效；耐高溫旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具服務(wù)費(fèi)用高，工具數(shù)量少，保障能力不足。為此，研制了鉆井液地面降溫系統(tǒng)。

鉆井液地面降溫系統(tǒng)由循環(huán)泵、換熱器、溫控系統(tǒng)、壓力系統(tǒng)、載冷劑和散熱器等組成，如圖3所示，其處理能力為 2 m3/min。該系統(tǒng)的工作原理是，從循環(huán)罐中抽出鉆井液進(jìn)入換熱器，鉆井液的部分熱量通過換熱器被載冷劑帶走，將冷卻后的鉆井液重新注入到鉆井泵上水罐中。載冷劑與鉆井液進(jìn)行換熱之后，循環(huán)經(jīng)過散熱器自然冷卻，再循環(huán)至換熱器與鉆井液進(jìn)行熱交換。

圖3 鉆井液地面降溫系統(tǒng)流程示意Fig.3 Process of drilling fluid ground cooling system

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

瀘州區(qū)塊4口井開展了應(yīng)用試驗(yàn)，試驗(yàn)井平均井深5 601 m、水平段長1 884 m，鉆井過程中未發(fā)生井下故障，機(jī)械鉆速6.28 m/h，鉆井周期110.06 d，整體效果良好（見表2），并創(chuàng)下國內(nèi)深層頁巖氣水平段最長紀(jì)錄（2 550 m）。與未使用該項(xiàng)技術(shù)的井相比，機(jī)械鉆速提高5.5%，鉆井周期縮短14.5%。下面以B井為例，詳細(xì)說明該技術(shù)的應(yīng)用情況。

表2 瀘州區(qū)塊深層頁巖氣水平井鉆井關(guān)鍵技術(shù)試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Test results of the key technologies for deep shale gas horizontal well drilling in Luzhou Block

B井設(shè)計(jì)完鉆井深5 383 m，垂深3 610 m，預(yù)測(cè)井底溫度150 ℃，采用三開井身結(jié)構(gòu)。一開采用水力加壓器+復(fù)合鉆頭，平均機(jī)械鉆速達(dá)到12.71 m/h，較鄰井提速19.3%。水平段使用OBM油基鉆井液，鉆井液密度控制在2.10～2.20 kg/L，塑性黏度控制在75～80 mPa·s，破乳電壓控制在950 V 以上，油水比88∶12～95∶5，高溫高壓濾失量1.5～2.0 mL，滿足水平段防塌、潤滑和防卡要求，可保障水平段安全高效鉆進(jìn)。水平段自井深4 300 m開始使用地面降溫系統(tǒng)，處理量1.2 m3/min，井底循環(huán)溫度由128 ℃ 降至124 ℃。鉆至完鉆井深5 437 m時(shí)，處理量1.8 m3/min，井底循環(huán)溫度由134 ℃ 降至129 ℃，保障了常溫旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的正常工作。該井2 612～5 251 m井段采用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)與長壽命大扭矩螺桿配合控制井眼軌跡，5 251～5 437 m井段采用近鉆頭地質(zhì)導(dǎo)向系統(tǒng)、1.50°彎角螺桿鉆具和水力振蕩器控制井眼軌跡，順利完成水平段鉆進(jìn)，最大全角變化率6.13°/30m，水平段機(jī)械鉆速高達(dá)6.95 m/h。

4 結(jié)論與建議

1）針對(duì)四川盆地瀘州區(qū)塊深層頁巖氣水平井鉆井技術(shù)難點(diǎn)，通過優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)，根據(jù)井下風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)選井眼軌跡控制技術(shù)，優(yōu)化激進(jìn)鉆井參數(shù)，優(yōu)選減振和高效破巖提速工具，利用地面降溫設(shè)備保障正常鉆井作業(yè)，形成了瀘州區(qū)塊深層頁巖氣水平井鉆井關(guān)鍵技術(shù)。

2）“大鉆壓、高轉(zhuǎn)速、大排量”激進(jìn)式鉆井參數(shù)有利于提高鉆井速度和井眼清潔效率。綜合考慮提速效果、鉆具安全和設(shè)備能力，推薦水平段鉆進(jìn)最大鉆壓150 kN、轉(zhuǎn)速120 r/min、排量35 L/s?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，瀘州區(qū)塊深層頁巖氣水平井鉆井關(guān)鍵技術(shù)可有效解決該區(qū)塊深層頁巖氣水平井鉆井中存在的技術(shù)問題。

3）鉆井液地面降溫系統(tǒng)基本能夠滿足井下循環(huán)溫度小于130 ℃ 的井段常溫旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向正常工作，但是隨著井下溫度升高，常溫旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具使用將受到限制。為滿足瀘州區(qū)塊深層頁巖氣安全高效開發(fā)的需求，建議繼續(xù)開展高溫旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的引進(jìn)和研發(fā)工作。