永川页岩气水平井优快钻井关键技术研究

李 林， 王存新， 罗朝东

(中石化西南石油工程有限公司钻井工程研究院)

重庆永川区块龙马溪组页岩气资源量达1 347.57×108m3，是中石化增储上产的重点探区。根据中石化“十三五”规划，该区块计划部署10个钻井平台50口井，建成产能10×108m3。2015年完成了YY1井直导眼和YY1HF侧钻水平井施工作业，折算水平井钻井周期为203.2 d，经济效益差。为了提高经济效益，在新一轮的试验井中，通过优化井身结构，优选动力钻具、个性化钻头及旋转导向工具等方式，为高效、快速开发该区域页岩气井探索出一种新方法。

一、永川页岩气水平井钻井技术难点

永川龙马溪组页岩气埋深3 900～4 200 m，较涪陵地区平均深约1 000 m，区域地质结构复杂，差异性大，实测弹性模量10～30 GPa、泊松比0.33、抗压强度40～70 MPa、抗张强度3～8 MPa，目的层龙马溪组属高压区，压力系数达1.70[1]。前期钻井作业存在以下技术难点：

(1)一开Ø444.5 mm井眼长约2 000 m，且沙溪庙组地层砂泥岩互层频繁，易井斜，钻进蹩跳现象严重，钻压无法释放，机械钻速低，钻井周期长。

(2)陆相自流井-须家河组地层砂岩石英含量高，可钻性差，研磨性强，单趟进尺低[2]。YY1井珍珠冲～须五段平均机械钻速为0.94 m/h，须二～须一段平均机械钻速为0.87 m/h，钻头及稳定器磨损快，平均单趟钻进尺仅125.81 m。

(3)永川区块储层倾角在2°～11°之间，标志层不明显，水平段优质储层钻遇率难以保障，YY1HF井仅水平段轨迹调整就高达12次。

(4)轨迹的频繁调整，增加了井眼清洁难度，加大了摩阻、扭矩，加剧了轨迹控制难度和井下安全风险。

二、优快钻井关键技术

1.井身结构优化

YY1井采用三开制井身结构，第一必封点封须家河组以上不稳定、易漏地层；第二必封点封雷口坡-韩家店组海相低压及漏失地层[3]。但实钻表明前期井身结构存在机械钻速慢，开发成本高等问题。为此，对井身结构进行了优化，见表1。优化后的井身结构岩屑量减少约17%，套管费用节约13%，综合效益明显。

表1 永川页岩气水平井井身结构优化

2.垂钻工具和减震工具应用

永川区块上沙溪庙组～凉高山组地层，岩性以砂泥岩频繁互层为主，易井斜，同时上部沙溪庙组地层存在大段细粒、中粒石英砂岩，钻井过程中“蹩跳”严重，对PDC钻头损伤严重，甚至需采用牙轮钻头过度[4]；同时为确保该井段井身质量，通常又需采用“低压吊打”的方式进行钻井施工，严重影响了机械钻速的提高。

垂直钻井系统配合减震工具，不但能自主纠斜，克服“蹩跳钻”对钻头的伤害，而且还能释放钻压，将优质和快速结合起来，为解决上述问题提供一个可行的技术途径。为此，中石化在该区块引进了斯伦贝谢Power-V垂钻工具，并在YY3-1井进行了首次运用，其运用效果见表2和图1所示。

表2 垂钻工具和减震工具使用效果对比

注：地层均为沙溪庙-凉高山。

图1 垂钻工具与常规工具井斜对比

由上述分析可知，使用垂钻系统及减震工具后一开平均机械钻速达8.75 m/h，同比前期(1.90 m/h)提高了361%；钻井周期由44.5 d缩短至9 d，提速效果显著；全井段井斜控制在0.3°以内，井身质量优异。

3.混合钻头及低转速大扭矩螺杆配套技术

永川地区自流井-须家河组地层岩性以砂岩为主，富含石英，垂厚约700 m，前期YY1井在该井段钻进，使用PDC钻头1只，牙轮钻头3只，平均机械钻速仅1.27 m/h，钻井时效极低[5]。

为满足提速要求，优选了贝克休斯的狮虎兽钻头。该钻头是牙轮钻头和PDC钻头组成的一种混合式钻头，兼具牙轮钻头和PDC钻头的优势。与牙轮钻头相比，混合型钻头钻压降低，轴向振动减弱，跳钻问题减轻，机械钻速增加；与PDC钻头相比，其钻头扭矩更低、更平稳，扭转振动减弱，粘滑问题减轻，方向控制更精准、稳定，在钻进多夹层地层时可实现精准的方向控制和平稳的扭矩控制，减少了复杂地层的钻井时间。配合使用国产低转速大扭矩螺杆，在相同排量下，具有较低的钻头转速和更大的输出扭矩，防止钻头切削齿在研磨性强的地层过早磨损，实现了更长的单趟进尺。

采用该技术在YY3-1井实现了单只狮虎兽钻头钻穿自流井-须家河组地层(进尺710 m)，且钻头出井后仅有轻微磨损，平均机械钻速达到3.27 m/h，较前期的YY1井提速157%，单趟钻进尺提高了近200%(见表3)。此外，采用“大扭矩-低转速-低钻压”的钻井参数模式，延长了钻具寿命，提高了纯钻率，减少了生产辅助时间。

表3 YY1井常规钻头与YY3-1井混合钻头对比情况

4.地质导向技术

永川区块储层倾角变化大(2°～11°)，标志层不明显，主力储层垂深难以确定，前期采用先钻直导眼再回填侧钻，建井周期长，成本高。进入水平段后，由于目的层横向展布深度变化大，靶点垂深调整频繁，采用“PDC+螺杆+LWD”钻具组合，存在滑动钻进易“托压”，工具面摆放困难，伽马测点距钻头距离长(约12 m)，优质储层钻遇率低等问题[6]。

为解决上述问题，在永川区块引进了贝克休斯新型ATK-Curve旋转导向工具，该工具具有造斜率高(最大15°/30 m)，方位伽马距离钻头近(约3.74 m)的特点。运用该套工具实现了在最优位置着陆，实时调整井眼轨迹，提高优质储层钻遇率的目标。

YY1HF井使用该仪器取得了良好的应用效果，完钻井深5 578 m，水平段长1 501.74 m，轨迹调整12次，完钻起下钻最大摩阻仅180 kN，最大扭矩15 kN·m，水平段平均机械钻速5.68 m/h，电测、下套管顺利，证明了该工具在轨迹频繁调整的情况下仍能保证井眼轨迹平滑。储层有效穿透率为100%，圆满实现地质目的。

三、认识与建议

(1)优化后的井身结构，有利于提高机械钻速，减少复杂事故发生率，降低钻井成本，综合效益高。

(2)优选的垂钻工具配合减震工具应用，能够满足上部大尺寸井眼提速和井身质量的双重要求。

(3)个性化混合钻头配合低转速大扭矩螺杆适于自流井～须家河组高研磨性难钻地层，平均机械钻速提高157%，单趟钻进尺提高近200%。

(4)带近钻头方位伽马的旋转导向工具应用于永川页岩气井水平段可实现地质和钻井工程的双赢。