正安页岩气水平井优快钻井难点与对策

于继良（贵州页岩气勘探开发有限责任公司，贵州 遵义 563400）

0 引言

正安工区位于贵州省遵义市正安县，北接重庆南川区，东北毗邻道真县、务川县，东南与凤冈县和湄潭县交界，南靠绥阳县，西北与桐梓县接壤，面积2 595平方千米。区内广泛分布石灰岩，发育有溶洞、溶蚀洼地、伏流、盲谷等喀斯特地貌。根据区域地质资料及邻区钻井，结合地震、邻井钻测录井等资料，试验井组所钻地层自上而下为：三叠系嘉陵江组、夜郎组，二叠系合山组、茅口组、栖霞组、梁山组，志留系韩家店组、石牛栏组、新滩组、龙马溪组以及奥陶系五峰组、临湘组、宝塔组。其中五峰组～龙马溪组一段为主要目的层段，厚度17～24 m。

1 钻井难点分析

机械钻速慢，单趟进尺少，起下钻次数多。根据两轮16 口井的钻井施工情况统计，第一轮井平均钻井周期为126.93 d，平均机械钻速仅为5.26 m/h，单井平均使用钻头15 只，平均单只钻头进尺322 m；第二轮井平均钻井周期为52.92 d，平均机械钻速为7.51 m/h，单井平均使用钻头11 只，平均单只钻头进尺451 m。该区地层可钻性为4.5～7.5 之间，正安工区虽然第二轮井施工指标有明显提升，但钻井提速空间依然很大，提速需求也依然急切。

造斜段后期摩阻扭矩大，滑动钻进效率低。安场工区水平井多为三维长水平段水平井，斜井段长，方位扭转幅度大，常规螺杆钻具滑动效率低，在造斜段的后期需采用旋转导向工具进行轨迹控制施工，大幅增加了工区钻井施工的成本。

储层薄、倾角大、优质储层钻遇率难保障。安场工区页岩气储层厚度较薄，地层产状变化大，水平段箱体只有5 m 左右，井眼轨迹容易出箱体，优质页岩钻遇难度大[1]，部分井优质储层钻遇率有待进一步提高。

压力体系复杂、涌漏矛盾突出。正安工区上部地层喀斯特地貌，嘉陵江组孔、洞、缝发育，漏失风险高。石牛栏组局部异常高压与龙马溪组压力系数差异大，涌漏矛盾突出。龙马溪组裂缝、微裂缝、断层发育，漏失情况多发。统计安场页岩气井16 口，油基钻井液漏失10 口井，漏失次数31 次，其中石牛栏组漏失5 次，新滩组漏失6 次，龙马溪组漏失25 次，共计漏失油基钻井液2270.26 m3。

井壁失稳多发、复杂时效占比高。五峰至龙马溪组井段岩层胶结程度差，水平段钻井过中掉块严重，且多伴随井漏复杂，极易导致卡钻事故[2]，前期钻井施工过程中安页1 平台3 口井在龙马溪组发生井壁失稳，安页4 平台1 口井在宝塔组发生井壁失稳，安页5 平台1 口井在五峰组发生井壁失稳。

2 钻井提速技术

2.1 个性化高效PDC 钻头优化

安场区块钻头改进思路：嘉陵江组至合山组目前正安区块很少有用19 mm 高攻击性复合片的钻头，从实钻情况来看，该段地层研磨性不强出井钻头新度高，完全可以考虑使用五刀翼19 mm 复合片提高机械钻速。合山组-龙马溪组直导眼考虑使用5 刀16 mm或者4 刀16 mm 高耐磨异形齿复合片钻头来提高该段的钻进速度。φ215.9 mm 井眼地层整体可钻性非常好，着重提高PDC 钻头侧向切削能力和攻击性，设计短保径、短抛物线浅内锥型PDC 钻头。

2.2 钻井参数优化技术

钻井参数强化技术，又叫激进参数钻井技术是近年比较热门的技术，在国外和国内页岩气井施工都取得了比较好的提速效果[3]，钻井参数强化技术的基础在于机械钻速方程。

典型机械钻速方程如式（1）所示：

式中：ROP为机械比能；k为岩性系数；Cp为压差系数（kN·m）；Ch为水力能量系数；WOB为钻压；M为破岩门限钻压；RPM为钻头转速；λ为转速系数；C2为钻头磨损系数。

根据机械钻速方程可知，钻压、转速、扭矩三个参数对于机械比能影响较大，提高三参数对于提高破岩能量，提高机械钻速具有重要意义。北美页岩油气施工对钻井参数的强化进行了充分的试验和应用，主要采用较高的钻压、顶驱转速和钻井液排量，取得了良好的提速提效效果；而在我国川渝工区也已经进入钻井参数强化技术推广应用的初级阶段。

2.3 大扭矩、长寿命动力钻具优选

单纯依靠钻头优化还不足以实现单趟钻进尺和机械钻速最大化的目标，需要配套大扭矩、长寿命的动力钻具使用，才能充分挖掘提速潜能。等壁厚动力钻具是近年来研制成功的一种新型动力钻具，具有单级密封压力高、转速低、扭矩大、曲率半径小、使用寿命长、耐高温和使用更加安全可靠等技术优势。根据不同尺寸，等壁厚动力钻具工作扭矩和最大输出扭矩较常规动力钻具高出20%～100%不等[4]，而平均持续工作寿命可提高20%～50%左右。结合前期动力钻具选型经验，以及正安区域钻井施工需要，推荐以等壁厚动力钻具为主动力钻具方案，φ406.4 mm/311.2 mm 井眼采用H7LZ244×7.0-3.3 型号等壁厚螺杆钻具；φ215.9 mm井眼采用7LZ172×7.0V 或者 H7LZ172×7.0-4.6 等壁厚螺杆钻具。

3 长水平段水平井高效轨迹控制技术

3.1 减摩降扭工具优选与配套

3.1.1 水力振荡器

水力振荡器主要由动力短节、盘阀总成和振荡系统等三个部件组成[5-6]。阀盘相交面积的交替变化产生周期性的压力脉冲，从而带动振动短接内弹簧产生一定频率的轴向蠕动，进而带动上下钻具柔和振动，这种振动将滑动钻进中的钻具与井眼的静摩擦转换为动摩擦，减少了摩擦阻力。

工具的振荡短节能将动力短节马达和盘阀短节产生的压力脉冲转化成机械运动，通常位于动力短节之上的振荡短节会完成这一工作，振荡短节有一个靠弹簧承托的心轴，心轴在钻杆内部压力和环空压力之间实现密封，从而形成了一个马达承压面，当动力短节和阀总成产生的一个上游脉冲压力作用到马达承压面上时，心轴就会完成一次上、下运动。振荡短节的工作冲程范围一般为3.18～9.53 mm （1/8″～3/8″），振荡短节的轴向振动始终保持钻柱处于连续脉动状态[7]，从而达到降低钻柱与井眼静摩擦、改善钻压传递和减少扭矩波动的目的。

3.1.2 振荡螺杆钻具

对于长水平段水平井而言，随着井斜的增加，摩阻扭矩逐渐增加，采用常规方式施工后续定向会越来越困难，水力振荡器对于降低滑动钻进摩阻，提高施工效率具有良好的效果，另一种提速提效工具，振荡螺杆钻具通过短节配合螺杆马达一起在马达旋转提供扭矩的同时，产生高频的纵向冲击力来提高钻进过程中钻压的传递及钻进的效率，适用于降低滑动摩阻和硬脆性地层提高机械钻速，并且具有压降小，冲击力大，适用排量范围广等优势。振荡螺杆钻具在胜利、四川、新疆等地区进行了应用，机械钻速普遍提高30%以上，滑动钻进过程中降低摩阻效果明显，在提高机械钻速的同时提高了定向效率，取得良好的应用效果。

3.1.3 双向扭摆系统

针对长水平段水平井滑动定向效率低，托压等问题，Torsion Drilling 钻柱双向扭转控制系统能够有效解决滑动钻进过程中机械钻速低，定向效率低；工具面摆放和控制困难；钻具下放困难，易发生憋泵等难题，有效减少钻具粘卡风险。已在胜利、西南、鄂尔多斯、长庆、东北等推广应用30 多井次。应用证明，当托压严重时，使用该系统可降低摩阻70%以上，定向提速50%以上，提高滑动钻进单次行程进尺，无需上提下放活动钻具，提速增效效果明显。

3.2 近钻头地质导向技术

近钻头地质导向系统主要用于提高油层穿透率和井身轨迹控制精度，确定目的层位置并保证钻头在目的层中钻进。现在基于无线传输的近钻头伽马和井斜的实时测量与传输，可以使得近井斜和伽玛测量零长达到0.5 m，能够更加精确地控制识别地层并控制井眼轨迹[8]，能更快地对地层的变化作出反应，实时判断地层含油/ 气性、及时找准油气层，能够更好地解决正安地区由于地层厚度薄、倾角大导致的储层钻遇率低的问题。

针对正安工区储层薄、倾角大、变化快的复杂地质特征，建议选用近钻头地质导向工具及技术。其主要优势为传感器距离钻头更近，可辅助快速地质导向决策和快速定向决策，精确钻井控制，降低出层风险，且适用多种井况（泥浆、欠平衡和空气钻井）。

4 治漏防塌钻井液技术

4.1 防漏堵漏技术

根据正安工区10 口井漏失情况分析，主要特征为裂缝分布和发育不均匀；微裂缝连通性好，裂缝类别属于中裂缝、微裂缝；易产生扩展型裂缝；易发生重复性漏失；安全密度窗口窄；同一开次存在多套压力系统；漏失后伴随气测值上升；漏失后存在返吐现象。通过岩心组构分析表明，安页2 井龙马溪组页岩样品的微纳米孔缝发育，孔缝尺寸分布范围较广，约0.01～10 μm，具有“裂隙（纳米）-微裂缝（微米）”的多尺度特征。在钻井施工过程中，若钻井液随钻封堵性能不足，在流体压力作用下，钻井液沿微纳米孔缝发育侵入地层，微裂缝便会逐步成为扩展型裂缝，引发严重的钻井液漏失。因此，正安工区预防井漏的产生和消除已发生的井漏，主要从三个方面入手：一是减少或消除井筒与地层之间的正压差。在维持井壁稳定、防止井控风险的前提下，尽量降低钻井液密度，减少开泵压力激动，下钻采用分段循环方式，保持钻井液密度均匀，循环加重钻井液需用重浆均匀加重。二是封堵漏失通道。采用刚性颗粒状（核桃壳、石灰石等）+变形颗粒状（孔网堵漏剂、橡胶颗粒等）+刚性片状（云母片、谷壳等）+纤维状（酸熔堵漏剂、亚麻纤维等）封堵漏失通道，根据漏失程度确定桥接堵漏材料的浓度、级配和用量。三是增大钻井液在漏失通道中的流动阻力。实验表明，漏失速度与钻井液稠度系数呈幂函数关系，稠度系数越小，漏失速度越大。

4.2 井眼防塌技术

对于正安工区井壁失稳问题，可有两个途径进行解决：第一，钻井液选择白油基钻井液体系，高温高压失水控制在2 mL 以内，尽量减少滤液进入地层的几率；纳米封堵剂属于合成聚合物纳米封堵剂，粒径分布在50～500 nm，其具有粘结性、两亲性和微纳米的特性，纳米聚合物颗粒进入地层后自主粘结裂缝，能均匀分散在油中和水中，极易吸附到微裂缝两翼，因其粒径为纳微米球形，且具备较好的弹性和收缩性，即使颗粒直径大于微纳米裂缝，能够有效进入页岩微裂缝，或在压差作业下挤压进页岩微纳米裂缝。第二，强化油基钻井液的封堵能力，提高氧化沥青的加量、优选纳米封堵剂和井壁强化剂，及时封堵裸眼段的微裂缝，减少掉块产生的几率。

4.3 结论与建议

（1）正安工区长水平段水平井高质量、高效率施工，主要依托于高效破岩工具和工艺、减摩降阻技术、近钻头地质导向技术、旋转导向技术及治漏防塌钻井液技术的集成应用，各技术相辅相成，建立健康的提速提效体系；（2）目前正安页岩气钻井轨迹高效控制依然依托于国外旋转导向系统，依然具有很大的降本空间，在之后的工作中，应把优化钻具结构和高效轨迹控制技术作为研究重点，进一步降低对高成本技术和工具的依赖；（3）近钻头地质导向技术正逐步发展成熟，是水平井安全着陆及优质储层钻遇率的最有效保障技术之一，应提高国产近钻头地质导向仪器的可靠性和市场规模，降低水平段施工成本；（4）防塌钻井液技术能够有效降低井壁失稳造成的复杂概率，但目前应用力度不足，应加大该技术的进一步优化和推广应用。