川南深層頁巖氣旋轉(zhuǎn)導向鉆井技術(shù)瓶頸的突破

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(chǎn)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(zhì)儲量1.06×1012m3，占全國頁巖氣探明儲量的56%，2020年頁巖氣產(chǎn)量達到116.1×108m3，成為國內(nèi)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(chǎn)能建設重點將由中深層頁巖氣(垂直深度<3 500 m)轉(zhuǎn)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(chǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)導向鉆具組合實現(xiàn)完鉆，而斯倫貝謝公司旋轉(zhuǎn)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(shù)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(gòu)造位于川南低褶皺帶陽高寺構(gòu)造群，該構(gòu)造群位于川東南中隆高陡構(gòu)造區(qū)，區(qū)內(nèi)以長條形背斜為主，隆起幅度相對較高，大多數(shù)構(gòu)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(zhì)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(zhì)構(gòu)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(gòu)造發(fā)育[1]。

表1 國內(nèi)外深層頁巖氣地質(zhì)工程參數(shù)對比

復雜的地質(zhì)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)導向配套工具失效率為19.9%，較區(qū)塊內(nèi)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(zhuǎn)導向工具參數(shù)

2 旋轉(zhuǎn)導向技術(shù)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(zhuǎn)導向趟鉆為752趟次，占全部鉆井工作量的85.07%。旋轉(zhuǎn)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(zhì)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速差/井下鉆具平均轉(zhuǎn)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(cè)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(zhuǎn)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(zhì)固相含量及加重材料雜質(zhì)，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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhì)甜點窗口有效層厚僅為1～4 m，且微構(gòu)造起伏比較頻繁，追層鉆進過程中地質(zhì)導向指令頻繁，地質(zhì)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(chǎn)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(shù)，但直接引用國外頁巖氣鉆探工具和工藝技術(shù)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(zhuǎn)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(zhuǎn)導向鉆具組合(MDi 516/MDSi 516+Archer/Orbit+SlimPulse)，鉆具的轉(zhuǎn)速范圍一般在90～120 r/min。使用標準旋轉(zhuǎn)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(diào)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(zhì)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(diào)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(zhuǎn)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(zhuǎn)導向配套工具系統(tǒng)升級，引入耐165℃高溫的附加動力旋轉(zhuǎn)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(jié)果顯示，附加動力旋轉(zhuǎn)導向配套工具與標準旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shù)，實現(xiàn)了L 203與Y 101井區(qū)鉆井技術(shù)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(shù)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(zhuǎn)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(shù)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(zhuǎn)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(zhì)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(zhì)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(chǔ)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(zhuǎn)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(guān)重要，具體有效措施如固控設備正常運轉(zhuǎn)，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(wǎng)，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(chǎn)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(zhuǎn)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(jié) 論

(1)川南深層頁巖氣地質(zhì)特征與北美頁巖氣有所不同，具有更多鉆井挑戰(zhàn)，旋轉(zhuǎn)導向工具提速提效技術(shù)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(zhuǎn)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(shù)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(jié)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(zhuǎn)導向配套工具的結(jié)構(gòu)性升級，加快工具相關(guān)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。