川西首口页岩气水平井钻井技术

刘忠飞何世明全家正周回生丁俊选

（1.西南石油大学石油工程学院18，四川成都 610500；2.中石化西南油气分公司工程监督中心，四川德阳 618000）

川西首口页岩气水平井钻井技术

刘忠飞1何世明1全家正2周回生2丁俊选2

（1.西南石油大学石油工程学院18，四川成都 610500；2.中石化西南油气分公司工程监督中心，四川德阳 618000）

XYHF-1井是川西地区第1口页岩气勘探水平井，在其钻井过程中存在机械钻速低、井身质量难以控制、钻井液选择困难、井控风险大、井壁稳定性差等难题。在深入分析该井钻井难点的基础上，重点阐述了井身结构优化、井眼轨迹控制、钻具组合优化、安全钻进和储层保护等关键钻井技术及其应用效果，并简要介绍了旋转导向钻井、油基钻井液和滑套固井技术在该井的应用情况。全井钻井周期253.17 d，平均机械钻速1.6 m/h（含直导眼段），全井井径扩大率小于12%，上部井段最大井斜为0.87°，施工效果较好。应用效果表明，合理的井身结构和井眼轨道优化设计，是保证浅层水平井顺利实施的前提；加强摩阻扭矩预测、采用安全钻进措施和良好性能的钻井液，是预防井下复杂情况和安全钻进的重要保证，该井的顺利完钻，为同类井提供了实践经验。

页岩气；水平井；钻井技术；井眼轨迹；XYHF-1井

随着常规天然气勘探开发的不断深入和国外页岩气的成功开发，我国页岩气资源的勘探开发也全面铺开。页岩气主要赋存于黑色页岩和碳质页岩中，以吸附气为主要赋存状态，具有分布范围广、厚度大、埋藏深度较浅、低孔低渗等特征。页岩气在我国的探明储量约为3×1012m3，超过常规天然气储量4.1×108m3，具有极大的勘探开发潜力［1-4］。为推动页岩气在我国的勘探开发进程，中石化西南分公司在川西部署了第1口页岩气水平井—XYHF-1井。该井的顺利完钻，标志着川西地区页岩气水平井钻井技术探索取得了初步成功，并由此揭开了川西页岩气大开发的序幕。为此，有必要对XYHF-1井的水平井钻井技术进行归纳总结，为后续的页岩气开发提供技术支撑和理论依据。

1 施工难点分析

XYHF-1井以须家河组五段为目的层，三开进行了直导眼钻进，然后进行侧钻，实际完钻井深4 077 m，最大井斜角为91.4°。该井在钻井过程中存在地层倾角大，软硬地层交错、岩性变化大、岩石可钻性差等问题，同时由于无参考资料可借鉴，给安全顺利钻井带来了风险。主要施工难点如下。

（1）地质情况复杂。该井所钻地层成岩性好，研磨性强，可钻性差，使机械钻速低，钻头易失效；地层岩性交错，软硬交错且夹层多，防斜打直难度较大；地层破碎带多，泥页岩厚度较大，遇水剥蚀膨胀，井壁失稳可能性大；第四系及剑门关组地层含砾岩及石英较多，蹩跳钻严重，易造成钻具事故；沙溪庙至须家河组地层压力异常，裂缝较为发育，泥页岩含量较高，容易出现井漏、垮塌、掉块等钻井事故。

（2）快速钻进难。在钻上部井段时，钻头尺寸大，破岩量大，泵排量不易达到设计要求，岩屑携带困难；在钻小井眼时，携岩困难且起下钻频繁，影响机械钻速；因蹩跳钻严重，使用钟摆钻具组合，会降低机械钻速；所钻地层井壁稳定性差，井下事故多，快速钻进难度大。

（3）井身质量控制难。该井二开主要钻遇地层为蓬莱镇组，该地层为高陡地层，地层倾角大易井斜，井身质量控制难度大；该井钻遇地层裂缝发育，经常发生井漏、气侵等事故，严重影响钻井液性能，从而会影响MWD无线随钻测斜仪对井眼的监控。

（4）钻井液选择困难，井控风险大。该井钻遇地层含多套压力系统，同裸眼井段多种复杂情况并存，钻井液比重的可选范围窄；该井井底水平位移较大，钻具的摩阻扭矩大，对钻井液的润滑性能要求高；须家河地层为高压气层，裂缝性气层较多，上窜速度快，井控风险大且易井漏。

2 钻井关键技术

2.1 井身结构和井眼轨迹优化技术

井身结构设计是钻井成功实施的一项关键技术，该井根据地层特点、地层压力及钻井技术状况，并结合完井和储层改造等进行井身结构设计［5-6］。一开表层套管主要封隔第四系和剑门关组上部易漏、易塌的地层和地表水；二开技术套管主要封隔遂宁组及其上部低压和不稳定地层；三开技术套管主要为四开水平段安全钻进创造条件；四开下套管，进行套管完井，其井身结构如图1所示。

图1 XYHF-1井井身结构

依据该井井口和靶点的部署情况，确定该井的造斜点在千佛崖组地层，剖面选择为“直—增—增—平”剖面。第1造斜段造斜率为13.51 （°）/100 m，第2造斜段造斜率为14.21 （°）/100 m，造斜角达到89.37°，稳斜钻至完钻井深。这种剖面轨迹简单，减少了斜井段复合钻进尺，增加了连续定向增斜进尺，能保证井眼轨迹平滑，减少局部增斜和降斜井段，减小了钻柱与井壁的接触面积，能有效降低全井摩阻。

2.2 井身质量控制技术

该井为页岩气井，多含泥岩和页岩，井壁稳定性差，井身质量难以控制。通常井身质量和机械钻速之间存在直接矛盾，为了兼顾二者，只能从钻具结构和钻井参数方面做出及时有效的改变和调整［6］。上部直井段井身质量控制主要考虑防斜打直问题，一开和二开井段（0～1 867.22 m）主要采用常规塔式钻具结构进行轻压吊打并引入减震器减轻跳钻，防斜打直效果较好；三开井段（1 867.22～2 600 m）采用单稳定器柔性钟摆钻具组合进行井眼的防斜与纠斜，该井段最大井斜角为0.42°，效果较好；另外，加密井身质量检测，为防斜打直提供直接依据，及时进行钻具组合和钻井参数的优化；坚持划眼修整井眼，防止井壁出现台阶。在定向造斜段主要考虑井斜和方位的控制，三开井段侧钻时采用Ø311 mm3A+Ø216 mm直螺杆+2.5°弯接头+Ø203.2 mm无磁钻铤×1根+MWD随钻短节+Ø127 mm加重钻杆×23根+Ø127 mm钻杆的钻具组合，造斜时根据造斜情况选用1.25°或1.5°螺杆，由MWD仪器跟踪检测，选择滑动钻进和复合钻进交替进行，保证了造斜段轨迹平滑。在钻四开水平段时需加强井斜数据的跟踪，控制好方位，采用的钻具组合为：Ø215.9 mmPDC+Ø172 mm1.25°单扶螺杆+回压阀+Ø127 mm无磁承压钻杆+MWD短节+Ø127 mm钻杆+Ø127 mm加重钻杆+Ø127 mm钻杆+Ø139.7 mm钻杆。经常上下活动钻具防止卡钻，并注意工具面的摆放角度。

另外使用了无线随钻测量技术；加强摩阻扭矩的理论计算与实际起下钻、钻进摩阻扭矩的对比分析；钻进时坚持“少滑动、多旋转、微调勤调”原则；多采用减摩降阻的钻井液，提高其稳定性和润滑性［5］。

2.3 安全钻进技术

（1）加强短起下钻和通井，确保井眼畅通［7-8］。根据施工情况采取短程起下钻、分段循环等措施及时清除岩屑床，中途更换柔性钻具组合专门通井，保证施工安全。

（2）控制好起下钻速度。在钻遇泥岩、页岩时，缩径、垮塌严重，且钻具重量不足，起下钻困难，需严格控制起下钻速度，遇阻不得超过正常摩阻40～60 kN，避免卡钻事故的发生。

（3）简化钻具结构，优化钻井液性能。钻遇易坍塌地层，不带扶正器进行钻井作业施工，并提高钻井液的造壁、护壁性能及对微细裂缝的封堵能力，减轻钻井液对井壁的冲刷。

（4）定期倒换下部及中和点附近钻具，防止发生钻具疲劳破坏。

（5）运用套管防磨技术［8-9］。用计算机模拟井下钻具受力状况，在侧应力较大、套管易磨损的井段，接入防磨接头；在钻井液中加入减磨剂，减少套管和钻具之间的磨损。

2.4 钻头优选技术

该井上部地层不同岩性呈现不等厚互层，易出现蹩跳钻现象，上下沙溪庙组地层易出现掉块；下部地层自流井组和须家河组地层研磨性强、可钻性差。因此，一开选择了川石的Ø660.4 mmPC2牙轮钻头，控制井斜和抑制跳钻效果显著；二开钻遇地层相对松软，主要考虑提高机械钻速和防斜打直，选用PDC钻头进行复合钻进，对提高机械钻速和控制井身质量效果明显；三开井段多以页岩为主，主要选用六道翼以上的PDC钻头，在稳定工具面和保持井眼平滑方面表现良好；须家河五段地层砂岩含量多，为在定向时稳住工具面，选用了勺形齿，宽齿、采用掌背加厚、抗研磨性强的江汉HJT537GK牙轮钻头。四开属于水平段，选用成都百施特T1655B PDC钻头，整体表现良好。

该井PDC钻头使用比较成功，一方面可以保证井眼规则；另一方面能充分发挥螺杆复合钻进的优势。牙轮钻头在使用时间上要根据地层以及钻压参数的控制等多方面考虑，在确保钻头安全工作的同时达到最优使用效果。

2.5 储层保护技术

对于页岩气而言，渗透率小于0.001 mD，孔隙度介为4%～6%，属于低孔低渗气藏，因此对页岩气储层的保护就显得尤为重要。该井钻穿目的层时选用了与储层岩石和储层流体相配伍的两性复合离子聚磺钻井液，保持钻井液始终处于优良状态钻穿目的层位；钻进气层井段时，钻井液密度尽量靠低限，开展欠平衡钻井，密度附加值0.07 g/cm3；严格控制钻井液的滤失量，API失水量小于等于4 mL，HTHP小于等于10 mL，尽量减少固相和液相对气层的损害；钻进过程中坚持预防为主、防堵结合的原则，如有井漏先降低排量和钻井液密度，再采用可酸化解堵的防堵剂和堵漏剂；加强固控设备的使用和维护，控制无用固相和含砂量。

2.6 新工艺、新技术

在钻井过程中先后运用了旋转导向钻井技术、油基钻井液体系及滑套固井分段压裂技术。该井在井斜达到60°后，使用了哈里伯顿旋转导向仪器，在使用旋转导向钻进前，使用双扶模拟旋转导向钻具强行通井，通井到底后大排量循环洗井，然后开始下入哈里伯顿旋转导向仪器。该井在使用哈里伯顿旋转导向仪器时因没有带动力钻具，平均机械钻速为0.75 m/h，提速效果不明显，不过在造斜率控制和工具面控制方面表现卓越，实现了精确的井眼轨迹控制。该井为解决因上部地层垮塌造成的水平段钻进摩阻扭矩大、托压严重等难题，使用了油基钻井液。油基钻井液对井壁的抑制能力较强，使得钻进时掉块减少，能带出井底细小岩屑，在稳定井壁和携砂方面优于仿油基等水基钻井液。该井为满足页岩气较大压力改造施工，首次采用了滑套固井技术，其中投球滑套9个，压差滑套1个。该技术的优点在于滑套随套管一趟下入，无需射孔和额外的封井器卡层，压裂作业一趟连续完成，对川西勘探开发和提速效果具有重要意义。

3 应用效果分析

针对该井所存在的技术难题，采用了以上相应的技术措施，对该井顺利而安全地完钻起到了显著的作用。旋转导向技术和MWD的应用减小了所钻井段的狗腿度，井眼光滑，有效降低了摩阻扭矩；PDC+螺杆的复合钻进技术在提高机械钻速和定向造斜方面，效果显著；该井在钻到3 417.8 m处时，振动筛出现掉块，然后转为油基钻井液后，掉块明显减少且显著降低了摩阻扭矩，在钻到目的层时，采用两性复合离子聚磺钻井液，有效地保护了储层，API失水量小于2 mL，高温高压失水小于5 mL，且滤饼质量薄而致密。全井钻井周期253.17 d （含直导眼段），平均机械钻速1.6 m/h（含直导眼段），纯钻时间利用率为47.14%，全井井径扩大率小于12%，井径较规则，上部井段最大井斜为0.87°，施工效果良好。

4 认识与结论

（1）水平井具有增加渗流面积，提高产量和采收率的技术优势，是页岩气开发的核心技术之一，其钻井水平的高低决定了页岩气的开发进程。

（2）页岩气水平井的钻井难点主要表现为井壁稳定性差、井下复杂情况多、摩阻扭矩大、储层保护困难等方面，应在井身结构、钻井液性能、钻头选择、储层保护等工艺措施上加以优化。

（3）合理的井身结构和井眼轨道优化设计，是保证浅层水平井顺利实施的前提；加强摩阻扭矩预测、采用安全钻进措施和良好性能的钻井液，是预防井下复杂情况和安全钻进的重要保证。

（4）旋转导向钻井技术、滑套固井技术和油基钻井液等新技术新技术的使用，对提高川西地区页岩气勘探开发进程和机械钻速有极其重要的意义。

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（修改稿收到日期 2013-12-24）

〔编辑 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

刘忠飞，何世明，全家正，等.川西首口页岩气水平井钻井技术［J］.石油钻采工艺，2014，36（1）：18-21.

TE243

：A

1000-7393（2014）01-0018-04

10.13639/j.odpt.2014.01.005

刘忠飞，1987年生。油气井工程专业2011级在读硕士研究生，现主要从事钻井工程方面的研究工作。电话：13699420658。E-mail：liuzhongfeiqj@126.com。