嚴俊濤 葉新群 付永強 李 偉 黃 南 王業(yè)眾

(①中國石油西南油氣田分公司川渝頁巖氣前線指揮部；②中國石油勘探與生產分公司；③斯倫貝謝中國公司；④中國石油西南油氣田分公司四川頁巖氣公司)

0 引 言

四川南部的龍馬溪-五峰組頁巖層已探明頁巖氣地質儲量1.06×1012m3，占全國頁巖氣探明儲量的56%，2020年頁巖氣產量達到116.1×108m3，成為國內天然氣主要增長點。隨著川南頁巖氣勘探開發(fā)持續(xù)推進，產能建設重點將由中深層頁巖氣(垂直深度<3 500 m)轉移至資源儲量占80%的深層頁巖氣(垂直深度>3 500 m)，其中瀘州區(qū)塊未來五年規(guī)劃年產能將達到80×108m3。而由于川南瀘州區(qū)塊龍馬溪-五峰組頁巖氣儲層埋深大、井下溫度高、地層孔隙壓力高、甜點地層高硅高鈣等原因，導致儲層鉆井效率低，平均鉆井周期達到111 d。目前多家油服公司的旋轉導向工具在深層頁巖氣進行鉆井服務，其中斯倫貝謝公司旋轉導向鉆具組合在瀘州區(qū)塊(L 203、Y 101工區(qū))深層頁巖氣保持較高的工具應用比例。2020年瀘州區(qū)塊完鉆的88口井中，44口井造斜及水平段均使用旋轉導向鉆具組合實現(xiàn)完鉆，而斯倫貝謝公司旋轉導向鉆具組合完鉆的井數(shù)達24口，占比55%，其中，L 203H2-3井2 693 m進尺2趟鉆完鉆，鉆井周期僅50.54 d。

本文基于快速建立學習曲線的研究方法，探討深層頁巖氣勘探開發(fā)工程問題解決方案，為深層高溫高壓頁巖氣鉆井提速提效提供技術支撐。

1 區(qū)域地層特征與鉆井工程面臨的挑戰(zhàn)

川南深層頁巖氣瀘州區(qū)塊海拔200～800 m，位于四川盆地南部，區(qū)域構造位于川南低褶皺帶陽高寺構造群，該構造群位于川東南中隆高陡構造區(qū)，區(qū)內以長條形背斜為主，隆起幅度相對較高，大多數(shù)構造軸向為北東向，低幅斷裂發(fā)育。

相比中深層乃至北美頁巖氣田(表1)，四川盆地川南深層頁巖氣儲層厚度更大、品質更優(yōu)，同時有利儲層溫度和壓力系數(shù)更高，水平應力差更高，地質構造更復雜，導致高溫(井下循環(huán)溫度125～170℃)、高壓(鉆井液相對密度范圍1.80～2.35)，伴隨局部小尺度斷層/斷裂以及微幅構造發(fā)育[1]。

表1 國內外深層頁巖氣地質工程參數(shù)對比

復雜的地質特征及工程參數(shù)對鉆井裝備和工藝提出較高的挑戰(zhàn)，常規(guī)馬達定向鉆井無法滿足水平井精準高效鉆進需求，旋轉導向配套工具是深層頁巖氣儲層精準鉆探、順利完井的必要手段。由于深層頁巖氣整體旋轉導向配套工具失效率高，導致增加起下鉆趟數(shù)，降低鉆井效率，延長鉆井周期。從該區(qū)塊使用的各類旋轉導向配套工具使用情況看，2020年所用的斯倫貝謝公司工具主要為PowerDrive Archer、PowerDrive Orbit和鉆頭導向工具Neosteer(表2)，旋轉導向配套工具失效率為19.9%，較區(qū)塊內所有工具的平均失效率56.4%具有顯著的優(yōu)勢。

表2 深層頁巖氣斯倫貝謝公司旋轉導向工具參數(shù)

2 旋轉導向技術應用現(xiàn)狀及難點分析

2020年瀘州區(qū)塊深層頁巖氣鉆井大數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析顯示，旋轉導向趟鉆為752趟次，占全部鉆井工作量的85.07%。旋轉導向趟鉆起鉆的原因有5種，其中：最主要的原因是信號失聯(lián)和工具能力，分別占35%和31%；其次為機械鉆速低，占比達到15%；其他諸如高溫、高振動、高密度鉆井液的鉆井環(huán)境導致工具失效率可達14%以上。同時，復雜的地質條件造成機械鉆速及鉆井效率低下，鉆井周期較長。

2.1 工具失效率高

2.1.1 井下循環(huán)溫度高

瀘州區(qū)塊地溫梯度為2.85～3.5℃/100 m，而龍馬溪-五峰組儲層埋深3 500～4 500 m，儲層靜止溫度高。由于水平段設計較長(平均1 800 m)，使用高密度鉆井液(相對密度2.0～2.35)高轉速鉆進導致井下溫度升高，目前測得的最高循環(huán)溫度達到167℃。長時間井下高溫，一方面挑戰(zhàn)旋轉導向配套工具的耐溫性，也使工具加速老化，尤其是電子元件；另一方面對鉆井液體系性能維護提出更高要求，井下鉆具的應力及流體腐蝕風險加劇。

2.1.2 井下振動高

泥頁巖儲層鉆進過程中普遍伴隨高粘滑振動，且粘滑指數(shù) (0.5倍井下鉆具最高與最低轉速差/井下鉆具平均轉速，%)長時間達100%，為高風險水平，而局部地層特殊巖性發(fā)育也伴隨有側向振動。井下振動不僅造成鉆井能量的浪費，降低鉆井效率，而且影響旋轉導向配套工具正常使用，并對工具造成應力破壞，而高溫環(huán)境更會加劇此破壞。

2.1.3 油基鉆井液密度高

頁巖儲層鉆進普遍使用高密度油基鉆井液，部分平臺在鉆井液系統(tǒng)維護方面存在欠缺。最常見的問題是鉆井液體系中存在較高的劣質固相含量及加重材料雜質，平臺固控效果較差，地面未實施合理的鉆井液維護與材料補充操作，都可能誘發(fā)井下旋轉導向配套工具被堵的問題。

2.2 機械鉆速及鉆進效率低

深層高溫高壓頁巖氣鉆井環(huán)境導致旋轉導向配套工具失效率較高，進而引起頻繁起下鉆，機械鉆速及鉆進效率低，延長鉆井周期，前期旋轉導向配套工具完鉆井的平均鉆井周期較計劃鉆井周期多7 d。

(1)深層頁巖氣儲層壓實程度較中深層高，地層可鉆性較差，而作業(yè)者追求的靶體為貼近五峰組的高鈣、高硅、低鋁層位[2-3]，其上下層位可鉆性較差，尤其是五峰組。對鉆頭的抗研磨性能提出巨大挑戰(zhàn)，需要鉆頭可以兼顧不同層位鉆進的機械鉆速和使用壽命。

(2)深層頁巖氣地質甜點窗口有效層厚僅為1～4 m，且微構造起伏比較頻繁，追層鉆進過程中地質導向指令頻繁，地質循環(huán)頻次高，也會拉低鉆井效率。

(3)深層頁巖氣鉆井平臺作業(yè)機泵維修率較高，地面降溫設備種類繁多且效果不一，也導致非生產作業(yè)時間增多。

3 階段性學習曲線的建立

在過去十年里，西南油氣田公司中深層頁巖氣勘探開發(fā)鉆井工程開始引進斯倫貝謝公司鉆井工具和工藝技術，但直接引用國外頁巖氣鉆探工具和工藝技術難以取得最優(yōu)鉆探效果。2019年以來，通過建立學習曲線優(yōu)化鉆具組合，有效解決了因鉆井挑戰(zhàn)出現(xiàn)的工具失效、機械鉆速低等問題，從而達到減少趟鉆數(shù)、縮短鉆井周期、節(jié)約鉆井成本的目的。

3.1 標準旋轉導向鉆具組合應用階段

2019年10月至2020年5月，由于高密度油基鉆井液及高溫鉆井環(huán)境對大功率馬達的選擇有較大限制，初期主要應用國外標準頁巖氣旋轉導向鉆具組合(MDi 516/MDSi 516+Archer/Orbit+SlimPulse)，鉆具的轉速范圍一般在90～120 r/min。使用標準旋轉導向配套工具水平段鉆進速度為55～78 m/d，平均為65 m/d，平均單井完鉆趟鉆數(shù)為7.5趟，較區(qū)塊平均鉆進速度61 m/d和單井完鉆趟數(shù)8趟沒有顯著優(yōu)勢。分析原因是在深層頁巖氣鉆井中同樣存在較高的粘滑振動，不但影響MWD工具信號解調及傳輸，浪費鉆井能量，制約機械鉆速，而且影響井下鉆具安全。高溫鉆井環(huán)境致使高密度油基鉆井液性能維護難度高于常溫井，而鉆井液性能的變化可能會引起工具失效、井眼不清潔、鉆具腐蝕等問題。高溫作業(yè)程序的執(zhí)行有助于井下溫度控制，但是降溫效果有限且影響時效，需要尋求更高效的降溫方式。在深層頁巖氣地質甜點的追蹤鉆進過程中，因鉆遇地層的可鉆性差異較大，特別是高粘滑振動和井下高溫環(huán)境對MDi 516鉆頭耐用性和MDSi 516鉆頭攻擊性提出的需求進一步提高。

3.2 調整完善應用階段

在2020年5月以后，針對井下高溫導致標準旋轉導向配套工具維修率高，且井下實鉆循環(huán)時間增加的問題，及時對標準旋轉導向配套工具系統(tǒng)升級，引入耐165℃高溫的附加動力旋轉導向配套工具，并廣泛配置地面循環(huán)降溫設備，可將井下循環(huán)溫度控制在150℃以下。在L 203H75-3井應用結果顯示，附加動力旋轉導向配套工具與標準旋轉導向工具相比，在降低井下振動，提高機械鉆速方面具有更大優(yōu)勢，因此能夠有效緩解井下高振動的問題，并且顯著提高了機械鉆速。這一階段的機械轉速一般為180～240 r/min，水平段鉆進速度達到46～138 m/d，平均達到82 m/d。其中，Y 101H1-4井完鉆深度6 100 m，定向+水平段2 850 m共4趟鉆，單趟最大進尺1 027 m，215.9 mm 井眼段鉆井周期50.03 d，整井鉆井周期74.95 d，較2020年度瀘州區(qū)塊平均鉆井周期111 d降低了34%，鉆井效率有了較大提升。

在瀘州區(qū)塊整體鉆井日進尺出現(xiàn)下降的情況下，采用新的鉆井工具和工藝技術，實現(xiàn)了L 203與Y 101井區(qū)鉆井技術突破，全井平均鉆進速度63 m/d，平均單井完鉆趟鉆數(shù)為6趟(圖1)。其中區(qū)塊最佳鉆井表現(xiàn)井L 203H 2-3井，完鉆深度5 420 m，定向+水平段2 693 m共2趟鉆完鉆，單趟最大進尺1 883 m，215.9 mm井眼段鉆井周期19.83 d，整井周期63.64 d。除鉆速提高外，甜點鉆遇率也得到較大提升，Ⅰ類儲層鉆遇率由90.4%提升至92.7%，鉑金靶體鉆遇率由58.8%提升至82.1%。

圖1 不同階段鉆井學習曲線對比

4 配套技術工具與提速效果

通過上述學習曲線對比發(fā)現(xiàn)，耐高溫附加動力旋轉導向配套工具對深層頁巖氣水平井鉆進具有顯著的優(yōu)勢，這種技術的核心在于配置工具的優(yōu)化配置與環(huán)境的適應。

4.1 導向配套工具方案

目前大功率馬達與附加動力旋轉導向工具的配套使用已成為深層頁巖氣勘探開發(fā)的標準鉆具組合。針對瀘州區(qū)塊Y 101井區(qū)和L 203井區(qū)平臺叢式井的設計軌跡特征，造斜段廣泛使用斯倫貝謝公司“弓箭手”Archer與大功率馬達配合，保證井筒軌跡平滑且有效著陸。該鉆具組合適用性極強，可完成造斜段作業(yè)后繼續(xù)水平段鉆進，并滿足地質導向要求。以L 203H2-3井第一趟鉆為例，單趟進尺達到1 882 m。水平段中后程多使用Orbit與大功率馬達配合，在地層傾角變化趨勢較強的情況下穩(wěn)方位鉆進優(yōu)勢突出[4-6]，同時可應對嚴苛的鉆井環(huán)境，截至目前測得最高井下循環(huán)溫度為154℃。

4.2 鉆頭方案

針對瀘州區(qū)塊Y 101井區(qū)和L 203井區(qū)的地質特征，對以往使用的PDC鉆頭進行升級優(yōu)化，兼顧鉆頭的攻擊性及耐用性，提高深層頁巖氣高硅儲層的切削破巖效率。后期普遍使用的斯倫貝謝公司3D非平面齒(常規(guī)平面金剛石切削片變異至不規(guī)則形狀)PDC鉆頭系列已成為深層頁巖氣鉆井的標桿設計[7]，其刀鋒系列錐形齒設計Z 516鉆頭可適用深層頁巖氣造斜段及水平段鉆進，其應用率達到35%，而最新一代高性能復合片MDSi 516鉆頭以其優(yōu)秀的耐用性成為水平段鉆頭的重要選型。在Z 516鉆頭基礎上優(yōu)化錐形齒后的二代鉆頭，單只鉆頭進尺提升達25%。另外，非平面齒混合設計XS 516鉆頭，利用斧型齒提高深層高硅頁巖儲層破巖效率，鉆頭平均機械轉速提升達30%[8]。

4.3 高密度油基鉆井液體系維護

高溫井鉆井液性能的良好維護，對于井下工具正常使用及井眼安全具有較大影響。由于頁巖氣廣泛使用高密度油基鉆井液，鉆井液有害固相含量降低及控制至關重要，具體有效措施如固控設備正常運轉，每天使用時間不低于15 h，振動篩篩布目數(shù)不低于200目，鉆井液清潔度低的井使用240目及以上的篩布。固控設備周期性維護，及時更換易損部件，新開井隊倒換鉆井液體系時，徹底清理鉆井液罐，避免沉淀物形成有害固相。鉆井液出口槽及鉆井泵上水管線濾子處加裝紗網，并及時清理；鉆井液中鐵屑及時清除，定時清理磁鐵吸附的鐵屑，避免加重材料含有鐵粉；鉆井液添加劑例如瀝青，使用時需要充分攪拌混合，并通知現(xiàn)場工程師。鉆井液堿度保持大于2.5，可有效避免對井下鉆具管串產生腐蝕，為鉆井安全提供有利保證。

4.4 地面循環(huán)降溫設備使用

目前深層頁巖氣已實現(xiàn)地面循環(huán)降溫設備使用率100%，降溫幅度可以達到5～15℃，為更多種類的旋轉導向配套工具提供適宜使用條件，有效降低了儀器失效率。

5 結 論

(1)川南深層頁巖氣地質特征與北美頁巖氣有所不同，具有更多鉆井挑戰(zhàn)，旋轉導向工具提速提效技術方案的提出與實施有助于高效開發(fā)深層頁巖氣。

(2)附加動力旋轉導向配套工具的應用，有效降低井下粘滑振動，提高機械鉆速，增加深層頁巖氣鉆井效率，縮短鉆井周期，且能夠有效提高甜點鉆遇率。

(3)持續(xù)優(yōu)化優(yōu)選高效PDC鉆頭，繼續(xù)發(fā)揮3D非平面齒技術在深層頁巖氣鉆井提速增效中的重要作用。

(4)多手段降低井下溫度，使用高效循環(huán)降溫設備，結合分段循環(huán)工序，有效控制井下溫度。同時，持續(xù)推動附加動力旋轉導向配套工具的結構性升級，加快工具相關配件的更換，確保工具在高溫環(huán)境的穩(wěn)定性及耐用性。

(5)高密度油基鉆井液性能維護，確保井下安全及工具正常應用。試點欠平衡鉆井，以達到降低油基鉆井液密度，降低循環(huán)溫度及提高機械鉆速的目的。