0 引言

JY10HF井是位于南川区块金佛山断坡的第一口页岩气预探水平井，该井主要以获取南川区块金佛山断坡页岩气地质评价参数、落实页岩气勘探潜力为目的。项目同时开展工程工艺方案现场试验，为该区块页岩气开发及工艺优化提供依据。JY10HF井钻遇地层自上而下依次为：第四系浅表层，上三叠统须家河组，中三叠统雷口坡组，下三叠统嘉陵江组、飞仙关组，上二叠统长兴组、龙潭组，下二叠统茅口组、栖霞组、梁山组，中志留统韩家店组，下志留统小河坝组、龙马溪组，上奥陶统五峰组、临湘组，中奥陶统宝塔组^[1-2]。JY10HF井经压裂测试后获得日产气16万m³以上。该井的突破对于南川金佛断坡整体勘探开发具有重大意义。因此，有必要对该井钻井技术进行梳理分析和总结，从而为类似页岩气区块开发提供技术支撑和方法指导。

1 工程概况

JY10HF井是在实施导眼井的基础上进行侧钻的水平井，采用“导管+四开制”井身结构，实际井身结构如图 1所示。其导眼井井型为直井，采用“导管+三开制”井身结构，2017年9月3日导管钻进，2017年11月24日完井，完钻井深3 433.00 m。钻井周期为74.33 d(含取心时间)，平均机械钻速为4.59 m/h。导眼井在目的层获得135 m连续气测异常，揭示南川区块金佛山断坡具备良好的页岩气勘探潜力。侧钻水平井2017年12月12日三开侧钻，2018年1月27日四开完钻，完钻井深为5 176.00 m，钻井周期为45.38 d，平均机械钻速为7.09 m/h。

2 钻井技术难点

JY10HF井以龙马溪组龙一段为目的层，三开进行了直导眼钻进，然后进行侧钻，水平段实际最大井斜角为101.92°。该井在钻井过程中主要施工难点如下。

2.1 地质情况复杂，复杂故障发生概率高

三叠系须家河组、雷口坡组及嘉陵江组等灰岩地层裂缝和溶洞发育，尤其该区块的雷口坡组地层，受构造影响地层较为破碎且含有一定的泥质矿物，若长时间浸泡就可能产生井壁垮塌风险^[3]。JY10HF井在钻遇雷口坡组地层底部时发生恶性失返性漏失，漏失清水量达到7 200 m³。在志留系韩家店、小河坝以及龙马溪组地层钻进过程中容易发生裂缝性漏失^[4]。

2.2 地层可钻性差，钻头选型困难，机械钻速偏低

该井地质埋藏深、地层老、岩石可钻性差、机械钻速慢，特别是一些复杂地层(如茅口组地层)含黄铁矿和燧石结核，韩家店组和小河坝组地层非均质性强，软硬交错，泥质含量高，下部存在致密砂岩，这些都在很大程度上影响机械钻速^[5]。

2.3 地层倾角大，井身质量控制难

该井志留系韩家店、小河坝组地层倾角30°~40°，直井段防斜打直打快难度非常大。实际钻井过程中因纠斜起下钻8次，最后采用旋转导向进行控斜，额外耗时12 d。由于该井为第一口预探水平井，目的层具体位置不确定性大，水平段需要频繁调整轨迹进行储层追踪，同时水平段为上倾方向，钻进过程中摩阻扭矩大。

3 施工关键技术 3.1 钻头优选技术

在一开钻井中首先采用∅609.6 mm SKGT535GK型牙轮钻头，配合塔式钻具组合钻进至164 m，之后采用∅609.6 mm T1665B型PDC钻头配合0.5°单弯螺杆钻进至一开中，完井深452 m。一开进尺420 m，平均机械钻速5.27 m/h，有效解决了牙轮钻头机械钻速低的问题。二开共计使用钻头4只，其中∅406.4 mm PDC钻头2只，牙轮钻头2只，采用“PDC/牙轮钻头+单弯螺杆+MWD”钻具组合控制井眼轨迹。第一只PDC钻头钻遇嘉陵江组，进尺877 m，机械钻速6.19 m/h；第二只PDC钻头进尺194 m，钻遇飞仙关至长兴组，机械钻速7.19 m/h。考虑到长兴组下部及龙潭组等地层岩性非均质性较强，进尺较短，优选采用2只牙轮钻头，分别为∅406.4 mm SJT537G型和HJT537GK型牙轮钻头，进尺为125 m，平均机械钻速为2.18 m/h。三开钻遇地层较多，为茅口组、栖霞组、梁山组、韩家店组、小河坝组及龙马溪组等地层，共使用∅311.2 mm PDC钻头4只，∅215.9 mm PDC钻头5只，取心钻头1只。其中∅311.2 mm HD616Y型PDC钻头为华东油气分公司石油工程技术研究院研制，钻穿茅口组、栖霞组及梁山组等多组地层，进尺376 m，机械钻速达到6.96 m/h。其他均为SmithPDC钻头，钻遇地层为梁山组、韩家店组、小河坝组，由于地层倾角大，自然造斜严重，影响了钻头的机械钻速，平均机械钻速3.38 m/h。取心钻头型号为GC315M，取心进尺127.5 m，使用1只钻头，机械钻速1.70 m/h，起出钻头轻微磨损，效果较好。

3.2 钻具组合优化技术 3.2.1 导眼井

直井段采用∅609.6 mm/∅406.4 mm/∅311.2 mm PDC钻头+0.5°单弯螺杆+MWD钻具组合进行防斜打直，效果较好，井斜基本控制在2°以内。

对于直井段下部的韩家店组和小河坝组等地层，由于该段地层造斜能力较强，先后采用∅311.2 mm/∅215.9 mm PDC钻头+1.25°单弯螺杆+MWD、∅215.9 mmPDC+∅172.0 mm直螺杆+2.5°弯接头、∅215.9 mm PDC+PD Archer旋转导向进行纠斜控斜，先后起下钻8次，最大井斜控制在7°以内，满足设计要求。取心钻具组合：∅215.9 mm取心钻头+川7-5型取心筒+钻铤及钻杆，取心率为100%。

3.2.2 侧钻水平井

侧钻钻具组合：∅311.2 mm PDC钻头+2.25°弯接头+直螺杆，一次性侧钻成功；三开造斜段采用∅311.2 mm PDC +1.25°单弯螺杆+LWD钻具组合；四开造斜段及水平段采用∅215.9 mm PDC钻头+ PD Archer旋转导向钻具组合，保证轨迹的精确控制。具体钻具组合为：∅215.9 mm PDC钻头+ PDArcher旋转导向+信号接收短节+∅127.0 mm无磁承压钻杆×1根+钻具止回阀+∅127.0 mm加重钻杆×29根+∅127.0 mm斜坡钻杆×若干。

3.3 高效取心钻头的改进

JY10HF井导眼井取心层段主要为志留系下统的龙马溪组和奥陶系上统五峰组的页岩。该段地层存在硅质含量高、泥质含量较低和泥页岩较为致密等特点，取心过程中极易发生磨心。因此，选择合适的钻头是保证取心机械钻速和取心率的关键。

紧邻JY10HF井的平桥区块先期尝试使用GC315取心钻头，取心98 m消耗3只钻头，部分切削齿磨损严重。其原因是该钻头采用单排齿设计，在硅质含量高的页岩层取心，稳定性稍差，切削齿承受的冲击载荷大，造成切削齿先期崩损。

通过对该取心钻头磨损分析，进一步改进取心钻头，并在JY10井获得成功应用。改进后的取心钻头为GC315M(见图 2)，主要有以下两方面的改进^[6]。

(1) 采用PDC齿和巴拉斯齿混合布置结构。在PDC切削齿后面脊镶式布置巴拉斯，采用脊镶式高密度布齿，适应硬地层。这样减小了PDC切削齿的比钻压，起到辅助破岩和延长钻头使用寿命的作用。

(2) 在原有8刀翼PDC取心钻头的基础上进行改进，适当增大切削齿后倾角，增强钻头的抗崩能力，冠部改进成抛物线，中等密度布齿，确保钻头能在中至硬地层、在中等抗压强度和研磨性夹层中获得更高的机械钻速。

JY10HF井导眼井具体取心钻具组合：∅215.9 mm(GC315M)取心钻头+川7-5型取心筒(双筒)+∅165.0 mm钻铤+浮阀+∅127.0 mm加重钻杆。取心参数：引心钻压10~20 kN，正常取心钻压40~60 kN，转盘转速60~65 r/min，排量18~25 L/s。累计取心7筒次，总进尺127.5 m，仅使用1只钻头，轻微磨损，平均取心率100%，取得较好效果。

3.4 井眼轨道设计及控制技术 3.4.1 井眼轨道设计

由于该水平井是在三开直裸眼基础上侧钻的水平井，为保证在∅311.2 mm井眼内侧钻的成功率，通过对比不同造斜点、不同造斜率下各轨道设计的优缺点，JY10HF井最终确定采用“增→稳→增→稳→增→稳”6段制轨道剖面设计。设计造斜点为2 910 m，采用∅311.2 mm钻头侧钻，完成第一增斜段、进入第一稳斜段10~20 m后(预计进入龙马溪组50 m)下入∅244.5 mm技术套管，然后四开采用∅215.9 mm钻头进行后续“增→稳→增→稳”段钻进，最大限度预留安全空间。

3.4.2 轨迹控制技术

JY10HF井为预探井，附近没有可参考的邻井，导眼井的实施可对后期水平井井眼轨迹的精确控制起到指导作用。导眼井实钻井深3 433.00 m，垂深3 427.97 m，井底闭合距63.55 m，最大井斜6.26°(2 735.00 m)。在侧钻造斜阶段，根据设计水平段方位与导眼井实钻井眼方位的关系，优化最佳扭方位轨迹施工路径，充分利用导眼井的反向位移，缩减了靶前位移。在大斜度、扭方位和水平井段钻进时，应用旋转导向工具，不仅可提高定向钻进效率，缩短定向时间，还可提高井眼的光滑度，降低摩阻和扭矩。JY10HF井最大井斜为101.92°，每30 m井段狗腿度最大为9.17°，目的层钻遇率达到100%，下套管、固井及后期压裂等施工作业顺利。

3.5 防漏堵漏技术

JY10HF井浅部发育大型溶洞，钻井易发生恶性漏失，根据前期钻井经验，对浅表缝洞型漏失采用清水强钻是最快、最经济同时也是最环保的方式。JY10HF井在钻遇雷口坡组地层底部时发生失返性漏失，采用清水强钻方式顺利钻穿漏失层220 m，漏失清水量虽达到7 200 m³，但耗时较短且未发生其他复杂情况，通过表层套管进行封隔。针对下部渗漏型漏失地层，在保持钻井液性能的前提下，加入随钻堵漏材料，保证了钻井液的封堵性。在地层发生渗漏后，第一时间采用静止堵漏方式，配套井下旁通阀随钻堵漏，在不起钻情况下，多次进行堵漏施工。通过采取上述措施，JY10HF井在后续阶段钻井过程中裂缝型漏失均得到较好的控制，保证了施工顺利进行。

4 提速提效技术探讨

为进一步实现该区块页岩气水平井高效开发，需要在提速提效方面进行研究和优化。因此，针对该区块的特点，重点从以下几方面进行优化。

4.1 井身结构优化

井身结构的设计及优化对钻井提速提效具有重要作用，在满足钻井安全及后期压裂作业需求的情况下，如通过缩小井眼尺寸、减少大尺寸井眼长度以及避免在大尺寸井眼内全力定向增斜或扭方位等来实现钻井提速^[7]。根据JY10HF井实钻情况，提速重点井段为∅311.2 mm井段，钻遇地层主要为茅口组、栖霞组、梁山组、韩家店组和小河坝组等。JY10HF井在二叠系及以下地层漏失较少，基本可控。因此，可适当对两层技术套管进行优化。井身结构优化前、后对比见表 1。

井身结构具体优化思路如下。

(1) 导管段。采用∅762.0 mm钻头钻至井深60 m，下入∅720.0 mm导管。

(2) 表层套管。采用∅558.0 mm钻头，钻穿雷口坡组，若发生恶性漏失无法继续钻进，则下入∅473.1 mm套管进行封隔。如未发生漏失或发生漏失但采取堵漏措施能继续钻进，则采用∅406.4 mm钻头钻穿嘉陵江组进入飞仙关组，下入∅339.7 mm套管固井。

(3) 技术套管。二开用∅311.2 mm钻头，中完井深以进入韩家店组且在造斜点以上50 m为原则，下入∅244.5 mm套管固井。

(4) 生产套管。三开使用∅215.9 mm钻头、油基钻井液，完成大斜度井段和水平段钻井作业，下入∅139.7 mm套管完井。

4.2 井眼轨道优化设计

为实现韩家店组和小河坝组等难钻地层的提速，井眼轨道设计时应尽可能避免在这些层段进行大角度扭方位。因此，提出“双二维”模型轨道设计，该模型的最大特点就是将三维轨道转化成两个二维轨道设计，不需要扭方位，大大减少扭方位带来的工作量^[8]。为说明该轨道设计的合理性，与目前常用的两种三维轨道设计模型“空间五段制(边增斜边扭方位)”和“空间六段制(纯扭方位)”轨道模型分别从造斜点、钻井进尺、扭方位角度和摩阻等方面进行对比。以A靶点垂深3 440 m，偏移距300 m，闭合距450 m，水平段1 500 m，方位36°，井斜86°的水平井为例，3种轨道模型对比如表 2所示。

从表 2可见，3种轨道模型造斜点深度差异较大，但设计平均井深差异较小，滑动摩阻六段制最大，双二维居中。其中双二维轨道模型在上部井段提前采用低造斜率进行定向走偏移距，避开了在下部难钻地层进行定向扭方位，相比其他两类轨道模型大大减少下部定向造斜工作量，同时在浅部地层定向更有利于“井工厂”模式下各井的防碰。因此，可优选需要大角度扭方位的水平井进行双二维轨道设计，这样有利于下部井段的钻井提速。

4.3 井眼轨迹控制 4.3.1 直井段控斜措施

JY10井区块地层倾角较大，地层造斜能力较强，采用被动防斜，调整钻具组合结构方式(钟摆钻具组合轻压吊打)达到控斜效果，还是主动防斜(螺杆配合MWD滑动纠斜钻进)方式，都将对机械钻速产生影响。为降低后续施工难度，可利用地层造斜趋势，有意识地向水平井所需方位进行井斜控制，实现提速^[9-10]。

4.3.2 造斜段、水平段优选采用旋转导向工具

水平井轨迹控制常用的导向方式主要有常规LWD、近钻头测量系统以及旋转导向系统。3种导向工具在以下几方面存在差异：

4.3.2.1 测量零长

常规LWD测量零长较长，在16~20 m之间，近钻头测量系统最近测量点仅为1.1 m左右，旋转导向工具最近测量零长为2.0~3.5 m。近钻头和旋转导向工具在轨迹预测及控制上比常规LWD更具优势，可减小井眼轨迹调整频次，提高钻井效率。

4.3.2.2 定向钻进方式

常规LWD和近钻头导向工具在定向时采用定工具面滑动钻进，而旋转导向采用的是指向全旋转式钻进方式。在大斜度、扭方位和水平井段钻进时，旋转导向工具不仅可以提高定向钻进效率，还可增强对井眼的净化效果，降低摩阻和扭矩，提高井眼质量，实现安全钻井。

4.3.2.3 综合成本

以相邻区块平桥区块页岩气水平井实际钻井平均指标为测算依据，对3种导向方式进行综合成本分析。JY10HF井井区页岩气水平井三开井段段长一般在2 200 m左右，钻井辅助成本按钻机日费计算，以50ZJ型钻机日费7.0万元为例，假定在其他影响因素均相同的情况下对3类导向工具进行综合成本对比分析，结果见表 3。

从表 3可以看出，仅从仪器的服务成本上看，近钻头和旋转导向工具要高于常规LWD，但是从综合成本来看，由于旋转提速效果好，三开钻井周期要远短于常规LWD和近钻头，综合成本降低。

因此，为保证JY10HF井区页岩气水平井高效、高质量钻井，建议最后一开次采用旋转导向工具进行轨迹控制。

4.4 应用欠平衡钻井技术提速

韩家店组和小河坝组地层为灰色泥岩及灰色粉砂质泥岩互层，粉砂质含量高，研磨性强，平均垂厚达到800 m，机械钻速低，单只钻头进尺少，平均消耗PDC钻头6只，是全井提速的重点井段。通过前面对井身结构和井眼轨道的优化，韩家店组及小河坝组上部层段为∅215.9 mm井眼小井斜、稳斜井段，且上部出水层段已被套管封隔，为气体(氮气)钻井提供了很好的井眼环境。长宁-威远区块气体钻井应用1只牙轮钻头钻穿韩家店-石牛栏(约600 m)高研磨井段，机械钻速同比钻井液钻井提高2倍以上，缩短钻井周期10 d以上，提速效果明显。同时采用“预弯短节+双稳定器”钻具组合，气体钻井最大井斜由最初的9.7°降到4.0°，满足了井眼轨迹控制要求。因此，针对本区块页岩气水平井韩家店组和小河坝组地层的提速，可尝试采用空气钻井进行提速^[11]。

5 结论与建议

(1) JY10HF井作为预探井，钻井过程中所采用的技术措施对金佛山断坡页岩气水平井的实施具有较强的针对性，保证了本井安全且顺利成井，并圆满实现了地质目的，值得在相邻类似区块页岩气水平井中推广应用。

(2) 导眼井的实施也对后期侧钻水平井的安全、快速、成功实施发挥了关键作用。建议先期进行一体化设计，充分利用导眼井地层造斜趋势有意识地控制井斜方位，为侧钻水平井做好铺垫。

(3) 通过提速提效技术措施探讨，提出了简化优化井身结构、采用双二维轨道设计、应用欠平衡钻井技术和优选旋转导向工具等方案，为区块页岩气进一步降本开发提供了指导和借鉴。

(4) 井身结构的优化和双二维井眼轨道的设计为韩家店组和小河坝组地层采用空气钻井提速提供了安全、稳定的井眼环境，建议开发阶段优选页岩气水平井进行现场试验，进一步论证本井段钻井提速效果。