鄂西地區(qū)黃陵背斜頁巖氣鉆井難點(diǎn)與對策

遲煥鵬，胡志方，王勝建，張家政，吳 迪，李大勇，薛宗安

1 中國地質(zhì)調(diào)查局油氣資源調(diào)查中心 2 中國石油國際勘探開發(fā)有限公司

0 引言

鄂西宜昌地區(qū)地處湖北西南部，西鄰我國最大的頁巖氣田所在的四川盆地，據(jù)2011年原國土資源部調(diào)查評價(jià)結(jié)果，湖北頁巖氣地質(zhì)資源量居全國第五［1］。2014年來，中國地質(zhì)調(diào)查局油氣資源調(diào)查中心在鄂西地區(qū)部署了大量的頁巖氣勘探和評價(jià)工作［2-5］，在宜昌地區(qū)黃陵背斜南緣部署實(shí)施的兩口井通過水平井分段壓裂試氣取得重要發(fā)現(xiàn)，其中EYY-1HF井在寒武系牛蹄塘組獲得穩(wěn)產(chǎn)7.83×104m3/d的工業(yè)氣流，EYY-2HF井在震旦系陡山沱組獲得穩(wěn)產(chǎn)5.46×104m3/d的工業(yè)氣流［6］，取得了四川盆地以外新區(qū)新層系頁巖氣勘探的突破，預(yù)示著宜昌地區(qū)黃陵背斜良好的勘探開發(fā)前景。

但由于宜昌地區(qū)黃陵背斜地表地質(zhì)條件復(fù)雜，EYY-1HF井和EYY-2HF井從井位部署到完井全過程施工情況存在諸多鉆井工程技術(shù)難點(diǎn)，導(dǎo)致鉆井復(fù)雜問題多、周期長、成本高，給鉆井施工帶來很大挑戰(zhàn)。因此，本文通過分析該地區(qū)主要鉆井工程難點(diǎn)，研究措施和對策，以期提高鉆井速度，為該地區(qū)后續(xù)的勘探開發(fā)提供借鑒。

1 地質(zhì)概況

宜昌地區(qū)黃陵背斜位于揚(yáng)子板塊北緣中段，北鄰秦嶺—大別造山帶，南接江南陸內(nèi)造山帶，處于兩大造山帶之間的相對穩(wěn)定區(qū)［7］。受構(gòu)造作用的影響，黃陵背斜與其相鄰的秭歸南向斜、長陽背斜、長陽南向斜組成了復(fù)式褶皺帶，并發(fā)育天陽坪逆沖斷裂帶和仙女山走滑斷裂帶［8］。根據(jù)前人的研究，宜昌地區(qū)地層發(fā)育較為齊全，從元古界到新生界均有不同程度分布。由于古隆起周緣埋藏深度適中、抬升較早、構(gòu)造變形較弱，且逆沖推覆體下盤保存條件較好，有利于頁巖氣富集和保存，震旦系陡山沱組和寒武系牛蹄塘組兩套地層為主要的頁巖地層［9，10］。根據(jù)EYY-1HF井的鉆探成果：陡山沱組頁巖沉積厚度約為129 m，TOC含量平均1.66%；牛蹄塘組優(yōu)質(zhì)頁巖厚度約為140 m，TOC含量平均2.32%，均具有良好的頁巖氣勘探潛力。

2 主要鉆井工程難點(diǎn)

2. 1 工程部署難度高

研究區(qū)受多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，構(gòu)造復(fù)雜，區(qū)內(nèi)山谷相間，斷裂發(fā)育，因擠壓作用造成的逆沖推覆構(gòu)造普遍；地表地質(zhì)條件復(fù)雜，總體屬中深-深切割的中低山地形，可利用的土地資源十分有限，井位選擇、材料運(yùn)輸和井場建設(shè)面臨巨大挑戰(zhàn)，造成井位優(yōu)選困難、鉆前工程周期長、大規(guī)模水力壓裂施工受限等難題。

2. 2 上部灰?guī)r、白云巖地層井漏嚴(yán)重

目的層震旦系陡山沱組和寒武系牛蹄塘組上部地層以石灰?guī)r和白云巖為主，裂縫發(fā)育，漏失層段較多。對EYY-1HF井、EYY-2HF井井漏進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)（見表1），可以看出，兩口井累計(jì)發(fā)生井漏34次，漏失清水、鉆井液和水泥漿共計(jì)2 314.1 m3。其中，嚴(yán)重漏失主要發(fā)生在石龍洞組，其次為牛蹄塘組三段（以下簡稱“牛三段”）和覃家廟組。

表1 EYY-1HF井和EYY-2HF井井漏情況統(tǒng)計(jì)

該地區(qū)漏失層層段主要有如下特性：

（1） 漏失壓力低。EYY-1HF井導(dǎo)眼井一開（52 ～1 822 m），鉆井液密度為1.08 ～ 1.10 g/cm3，二開（1 822～ 3 135 m），鉆井液密度為1.10 ～ 1.14 g/cm3，仍然發(fā)生多次嚴(yán)重漏失，說明該地區(qū)地層具有漏失壓力低的特點(diǎn)。

（2） 漏層判斷難度大。該地區(qū)上部地層漏失層段多，石龍洞組、牛三段地層堵漏后容易發(fā)生復(fù)漏，導(dǎo)致漏層判斷難度大，堵漏成功率低。

2. 3 固井風(fēng)險(xiǎn)高

因石灰?guī)r、白云巖地層裂縫發(fā)育，堵漏后地層承壓能力較低，導(dǎo)致固井過程中易發(fā)生漏失。EYY-1HF導(dǎo)眼井表層套管和技術(shù)套管固井時(shí)均發(fā)生失返，側(cè)鉆水平井牛三段上部多次堵漏提承壓后當(dāng)量鉆井液密度低于1.25 g/cm3，無法滿足水平井安全鉆進(jìn)需要；EYY-2HF井下技術(shù)套管和固井時(shí)均發(fā)生失返，兩口井生產(chǎn)套管固井前均需要提承壓作業(yè)。

2. 4 井壁穩(wěn)定性差

根據(jù)鉆井和取心情況（圖1），陡山沱組二段（以下簡稱“陡二段”）上部地層破碎嚴(yán)重，易垮塌，以灰黑色含碳白云質(zhì)泥巖為主。為降低三開水平段在陡二段目的層鉆進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)，需下套管封固上部破碎易垮塌段。所以，在鉆井過程中，需要鉆穿上部易漏、承壓能力較低的覃家廟組、石龍洞組、牛三段，和下部陡二段破碎易垮塌地層，上漏下垮，鉆井液安全密度窗口窄，井壁穩(wěn)定挑戰(zhàn)大。

圖1 陡二段上部巖心

2. 5 可鉆性差

本地區(qū)鉆井主要鉆遇古老的下古生界寒武系和上元古界震旦系地層。尤其是寒武系牛蹄塘組下部、震旦系燈影組和陡山沱組地層，巖性以白云巖、石灰?guī)r、云質(zhì)泥巖為主，硅質(zhì)成分高，地層抗壓強(qiáng)度高、研磨性強(qiáng)、可鉆性差，EYY-2HF井在陡山沱組平均鉆時(shí)高達(dá)40 min/m以上，導(dǎo)致入井鉆頭磨損快、機(jī)械鉆速低。

3 技術(shù)對策及建議

3. 1 防漏堵漏技術(shù)對策

針對井漏，要堅(jiān)持預(yù)防為主、防堵結(jié)合的原則，盡量避免人為主觀因素導(dǎo)致的井漏，根據(jù)EYY-1HF井及EYY-2HF井的防漏堵漏實(shí)踐，總結(jié)出預(yù)防和處理該地區(qū)井漏的技術(shù)對策。

3. 1. 1 井漏預(yù)防對策

盡量選用低密度、低濾失、強(qiáng)抑制、強(qiáng)封堵性能的鉆井液體系［11，12］，在保證井壁穩(wěn)定的前提下，控制鉆井液密度，優(yōu)化流變性能，降低循環(huán)壓耗，減小井底壓差。

優(yōu)化鉆井參數(shù)，在易漏井段應(yīng)控制起下鉆速度，中途分段循環(huán)鉆井液降低井下激動(dòng)壓力，防止井漏。

3. 1. 2 地面溶洞探測技術(shù)

為預(yù)防表層出現(xiàn)由于大的裂縫、溶洞造成的惡性漏失，通過在設(shè)計(jì)井位所在區(qū)域開展物探工作，對1 000 m以淺主要地質(zhì)結(jié)構(gòu)、構(gòu)造和巖溶地質(zhì)特征進(jìn)行探測，識別可能存在的構(gòu)造異常和溶洞，降低惡性漏失風(fēng)險(xiǎn)，為井位優(yōu)選提供依據(jù)。

3. 1. 3 淺表層防漏堵漏對策

在導(dǎo)眼、一開淺表層井段發(fā)生井漏，根據(jù)現(xiàn)場情況一般可以采取清水搶鉆、水泥漿堵漏的方法處理，盡快完成導(dǎo)眼、一開井段鉆進(jìn)及固井。

3. 1. 4 中深層裂縫性地層堵漏對策

針對覃家廟組地層井漏，在充分暴露漏層后，根據(jù)漏失量及漏速將粗中細(xì)顆粒堵漏材料按一定比例復(fù)配濃度為10% ～ 20%的堵漏漿進(jìn)行靜止堵漏。堵漏施工后如果返漿排量不足50%，采用纖維水泥漿封堵漏層。

石龍洞組和牛三段漏失壓力低、地層硬度高，堵漏材料不易在裂縫中滯留，復(fù)漏風(fēng)險(xiǎn)大。因此，在堵漏施工過程中要提高復(fù)合堵漏材料及纖維類材料比例，加大粗顆粒及中粗顆粒堵漏材料用量，實(shí)施承壓堵漏。如承壓堵漏無效，則用水泥塞配合堵漏漿進(jìn)行承壓堵漏，將堵漏材料憋入漏失裂縫中。

EYY-1HF井在斜井段牛三段地層鉆進(jìn)過程中，發(fā)生多次井漏和復(fù)漏，采用堵漏漿、水泥漿多次堵漏后，無法滿足后續(xù)油基鉆井液水平段鉆進(jìn)地層承壓要求，最后采用弱凝膠堵漏技術(shù)成功解決問題。

3. 2 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)已鉆井的資料及經(jīng)驗(yàn)，分別對牛二段和陡二段兩套頁巖氣目的層鉆井井身結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，如表2和圖2所示。

表2 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

（1）根據(jù)地層情況，縮短一開井深，提高機(jī)械鉆速。例如由EYY-1HF井一開1 800 m減少至EYY-2HF井的700 m，后續(xù)作業(yè)可將一開縮短至500 m左右，減少大尺寸井眼工作量。

圖2 EYY-1HF井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化示意圖

（2）對牛二段頁巖氣目的層，二開鉆穿牛三段易漏低承壓地層，下入技術(shù)套管注水泥封固，降低水平段地層承壓難度，為三開水平段安全順利鉆進(jìn)創(chuàng)造條件。

（3）對陡二段頁巖氣目的層，二開鉆穿陡二段破碎易坍塌地層，下技術(shù)套管封固，降低三開水平段鉆進(jìn)及生產(chǎn)套管下入風(fēng)險(xiǎn)。

3. 3 鉆頭優(yōu)選

本地區(qū)在鉆井過程中主要鉆遇致密堅(jiān)硬的灰?guī)r和白云巖，可鉆性差，主要表現(xiàn)為對PDC鉆頭切削齒磨損嚴(yán)重，對牙輪鉆頭外排齒磨損嚴(yán)重。通過對已鉆兩口井鉆頭使用情況分析，針對本地區(qū)的地層特點(diǎn)，提出了鉆頭優(yōu)選原則、選型結(jié)果及下一步試驗(yàn)的鉆頭建議，見表3。

表3 鉆頭優(yōu)選結(jié)果

3. 4 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)

EYY-1HF井牛二段和EYY-2HF井陡二段水平段的靶窗高度均僅有5 m；而且區(qū)域地質(zhì)資料較少，標(biāo)志層特征不明顯，地層傾角較大，橫向上地層傾角變化不穩(wěn)定，薄夾層多，以上多個(gè)因素導(dǎo)致了井眼軌跡控制難度大的難題。

為提高優(yōu)質(zhì)儲層鉆遇率和機(jī)械鉆速，在EYY-1HF井和EYY-2HF井部分斜井段和整個(gè)水平段使用了斯倫貝謝的Smith PDC鉆頭+PD Archer旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了100%優(yōu)質(zhì)儲層鉆遇率。

使用效果見表4所示，從表中可以看出，使用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向的機(jī)械鉆速遠(yuǎn)大于使用PDC+螺桿（其中EYY-2HF井為牙輪鉆頭+螺桿）的鉆井方式，且純鉆時(shí)效較高。主要得益于使用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)可以在鉆柱旋轉(zhuǎn)的條件下對軌跡進(jìn)行調(diào)整，鉆壓可以有效傳遞到鉆頭，有利于提高機(jī)械鉆速；同時(shí)，鉆出的井眼軌跡平滑，摩阻扭矩低、清巖效果好，大大降低了作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

表4 兩口井應(yīng)用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆速對比表

EYY-1HF井在340 m的部分斜井段和整個(gè)水平段1 836 m使用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)只用了兩只鉆頭、兩趟鉆（進(jìn)尺分別為900 m和1 276 m）就完成了全部2 176 m井段鉆進(jìn)，平均機(jī)械鉆速9.4 m/h，證明了該技術(shù)在牛蹄塘組頁巖氣目的層優(yōu)良的鉆井性能和效果。而在EYY-2HF井，主要由于鉆頭磨損的原因，用了14趟鉆、消耗了12只鉆頭才完成了陡二段頁巖氣目的層1 718 m井段的鉆進(jìn)，單只鉆頭最大進(jìn)尺為427 m，最小為56 m，雖然旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向的機(jī)械鉆速遠(yuǎn)高于螺桿鉆進(jìn)方式，但在使用效果和機(jī)械鉆速方面遠(yuǎn)低于在牛蹄塘組頁巖氣目的層的應(yīng)用，也說明了陡二段地層可鉆性差、非均質(zhì)性強(qiáng)的特點(diǎn)。針對陡二段地層，在鉆井技術(shù)、鉆頭、提速工具等方面還需要開展攻關(guān)，提高在該地層鉆進(jìn)的機(jī)械鉆速，降低成本。

3. 5 低承壓能力地層固井技術(shù)

固井質(zhì)量的優(yōu)劣關(guān)系到后期大規(guī)模水平井分段壓裂施工的成功與否，并且決定了試氣和生產(chǎn)過程中發(fā)生套變的風(fēng)險(xiǎn)高低。由于該地區(qū)碳酸鹽巖地層承壓能力低，導(dǎo)致在下套管和固井過程中易發(fā)生井漏，水泥漿無法上返至設(shè)計(jì)高度。因此，需要利用雙凝雙密度水泥漿固井技術(shù)［13］、低密度泡沫水泥漿固井技術(shù)［14］等適合于低承壓能力地層的固井技術(shù)。

4 結(jié)論與建議

（1）上部碳酸鹽巖地層漏失可以分為白云巖、石灰?guī)r裂縫性漏失和泥巖滲透性漏失，以白云巖、石灰?guī)r裂縫性漏失為主，具有漏失壓力低、漏層判斷難度大的特點(diǎn)。

（2）寒武系牛蹄塘組下部、震旦系燈影組和陡山沱組地層，巖性以白云巖、石灰?guī)r、云質(zhì)泥巖為主，硅質(zhì)成分高，地層抗壓強(qiáng)度高、研磨性強(qiáng)、可鉆性差，導(dǎo)致入井鉆頭磨損快、機(jī)械鉆速低。

（3）建議探索與該地區(qū)地質(zhì)條件相適應(yīng)的“井工廠”鉆井技術(shù)，試驗(yàn)氣體鉆井技術(shù)以應(yīng)對上部碳酸鹽巖易漏地層的快速鉆進(jìn)，加強(qiáng)針對低承壓能力地層低成本固井技術(shù)的研發(fā)和試驗(yàn)，開展陡二段頁巖氣儲層提速提效鉆井技術(shù)、鉆頭、工具等的攻關(guān)。