美国Haynesville页岩气区块优化钻井技术

乔李华, 范生林, 齐 玉

(1中国石油川庆钻探工程公司钻采工程技术研究院 2国家能源页岩气研发中心钻完井技术研发部)

Haynesville页岩气区块位于美国阿肯色州南部、路易斯安娜州西北部、田纳西州东部，其产层埋藏深度在3 600～4 500 m之间[1]，最高井底温度超过180℃，地层压力系数1.6～2.07左右[2]，是目前美国埋藏最深、地层温度、压力最高的页岩气区块。相对美国其他具有高可钻性地层、使用低密度钻井液钻井的页岩气区块，Haynesville区块与国内长宁、威远等页岩气区块井下地质、钻井条件更为相似。2009年以前，Haynesville页岩气区块钻井周期在100 d以上[3]，森林油公司曾在该区块钻探了第一口井，钻井过程中发现开发这里的页岩气在经济性、钻井效率和安全方面面临严峻桃战[4]。

一、主要地层特点、钻井井身结构及钻井难点简介

Haynesville页岩气区块上部Glenrose、ROdessa等地层岩性以泥岩、膏岩为主，孔隙压力系数在1.0左右；中间Hosston、Cottonvalley、Knowles地层岩性分别为高研磨性石英砂岩、含砾砂岩、灰岩，厚约800～1 200 m，单轴抗压强度70～315 MPa[5]，软硬交错、可钻性差、研磨性强，地层孔隙压力系数在1.1左右。下部Bossier为含气页岩层，裂缝较发育，Haynesville为目的页岩气层，该段地层压力系数1.6～2.07，最高井底温度超过180℃[6]。

Haynesville页岩气区块典型的井身结构如图1所示。一开Ø343 mm钻头钻至约600 m，下Ø273 mm表层套管，二开Ø250 mm钻头一般钻至Bossier地层顶，井深约3 150～4 050 m,下Ø194 mm套管封固上部低压易漏地层，三开Ø165.1 mm钻头钻至完钻井深约4 950～5 550 m,下Ø127 mm套管固井完成，三开井段造斜，造斜率达10°/30 m左右[7]。

图1 Haynesville页岩气区块典型井身结构

上述特点造成2009年以前该区块存在以下主要钻井难点：

(1)二开Hosston、Knowles、Cottonvalley层段钻头机械钻速低、单只钻头进尺少、寿命低，2008年，壳牌公司钻Hosston、Cottonvalley等地层平均机械钻速2～5 m/h左右，需要8～11只钻头[7]。

(2)页岩层段裂缝发育，埋藏深，温度高，地层孔隙压力大，钻井液密度高，造成该井段钻井工具、仪器易失效，机械钻速低，易发生井漏溢流等[3,6]。

(3)页岩段下套管时，环空间隙小，套管下入困难[3]。

二、采用的主要钻井优化技术

1.研磨性硬地层快速钻井技术

通过分析前期研磨性硬地层钻井资料，壳牌等石油公司认识到在Haynesville页岩气区块研磨性硬地层钻井，由于钻头、钻井参数等原因造成的纵横向等震动对钻头的先期破坏是钻井速度慢、钻头进尺短的主要原因，需要从钻头、井下工具、钻井参数控制等方面进行优化，主要的优化技术措施：

(1)在PDC钻头上采用经脱钴等工艺处理的抗冲击抗研磨复合片，PDC钻头采用双排齿结构，后排切削齿限制前排切削齿切削深度，以避免钻头吃入较深，所需切削扭矩过大而造成崩齿等，优化水力设计提高钻头切削齿部冷却效果，提高切削齿热稳定性，通过采用以上措施，钻头平均机械钻速提高25%左右，进尺也有一定提高[8]。

(2)为避免PDC钻头因井下切削扭矩不够，扭转震动而造成钻头先期破换，在钻头上采用7/8头的井下低速大扭矩螺杆，配合破岩，大幅减少扭转震动发生几率[3]。

(3)针对前期在硬地层采用高钻压(140～180 kN)、低转速(60 r/min)等钻井参数易造成井下钻具屈曲、纵横向、扭转震动等，使用机械比能(MSE)软件、扭转震动预警(SSA)等软件，指导司钻控制或软件自动控制钻井参数，保持井下钻头工作稳定，效果十分显著。2008年，本段60%的使用钻头会因井下震动造成不可修复，2009年后，采用扭转震动预警等软件后，相关数据降低至15%[8]。

通过采用上述措施，2009～2011年，壳牌公司开展了70口井的试验，每口井中间井段的钻井相关数据为：耗费钻头由此前的10只左右降低至2～3只，钻井周期降低了20 d，节约费用约100万元[3]。

2.页岩层段钻井提速技术

(1)仪器、工具厂家在室内建立模拟实验设备，模拟严苛的井下工况，检测、改进入井仪器，以满足高温高压高频振动环境长寿命工作。现场使用时，使用方和仪器方协调，通过改变钻井参数和仪器门限设置等确保仪器正常工作，对失效的仪器进行溯源分析，找到导致失效的根本原因并加以解决。维修保养时，采用专用程序软件测试仪器，确保再次入井仪器状态良好，通过采用系统性方法，提高了页岩层段仪器工具可靠性。2009～2011年，随着本区钻井垂深的不断增加，仪器、工具的井下工作温度由140℃上升至160℃，但其失效率却从每钻进1 000 m进尺发生1.2次降低0.23次[6]。

(2)采用欠平衡/控压钻井技术，提高井下溢流、井漏处理能力，发生溢流，不轻易提高钻井液密度，一般通过控压循环排气、点火的方式释放局部高压气层压力。壳牌公司采用哈里伯顿的自动控压系统在本区试验，将水平段当量循环密度由前期完钻井的1.92～1.97 g/cm3降低至 1.71 g/cm3，该段机械钻速由3～6 m/h，提高至15～24 m/h[1]。

(3)优选高效钻头，针对页岩地层单轴抗压强度低、可钻性好的特点，本区一些公司将以前的6刀翼小直径双排切削齿钢体钻头优化为5刀翼单排大直径切削齿钢体钻头。

通过采用上述措施，本段钻井机械钻速提高了300%以上，大量井实现一趟钻完成，钻井周期降低20 d以上[3]。

3.高效下套管技术

壳牌公司本区前期完钻井，为满足高压压裂等施工对套管强度的需要，需要采用Ø127 mm气密封扣生产套管。由于页岩层段井眼尺寸为Ø165.1 mm，接箍尺寸较大，两者间隙较小，下生产套管仍然十分困难，后采用特殊设计了相对小接箍外径的半过盈气密封扣生产套管，虽然接箍抗压强度相对以前降低了30%，但在满足施工等强度需要的前提下，配套顶驱下套管技术，高效的完成了下套管作业。通过采用上述技术，单井节约周期超过11天[6]。

三、应用效果

通过采用上述主要优化钻井技术，2011年，Haynesville页岩气区块钻井周期相对2008年降低60%以上[6]，本区完钻井深5 250 m的水平井，钻井周期≤32 d的井占10%，平均钻井周期钻井周期≤42 d的占50%，钻井周期≤63 d的井占90%[5]。

四、认识与建议

(1)Haynesville是目前发现与国内长宁、威远等页岩气区块地质、钻井特点最为相似的区块，因此该区系统优化的钻井技术对国内钻井提速提效有很强的借鉴意义。

(2)Haynesville区块等钻井实践表明，研磨性硬地层钻井，井下各类震动造成PDC钻头先期破坏，是相关地层钻井速度慢、单只钻头进尺低的最主要原因，应从钻头、井下提速工具、钻井参数优化软件等方面科学、系统解决井下震动问题。在这类地层单纯地优选钻头、井下提速工具效果有限，盲目强化钻井参数，提速效果可能适得其反

(3)美国Haynesville区块、壳牌富顺区块等大量页岩气区块钻井实践表明，欠平衡/控压钻井技术能够在页岩气钻井提速提效中起到重要的作用，尤其在高压页岩层段，未来进一步增加水平段长度后，有利于控制井底压力平稳、处理井下复杂，有望成为革命性提速利器。

(4)Haynesville区块页岩储层埋藏垂深远超过国内相似区块，采用Ø127 mm生产套管的井身结构可满足压裂、生产等需要，相对国内现行井身结构在钻井提速、节约周期、套管、油基钻井液等方面更具优势，因此探索定向井段钻头外径稍微增大、随钻微扩眼器、下入小接箍或小直径生产套管，能有效改善生产套管下入,值得认真思考。