涪陵页岩气水平井钻井提速技术.pdf

天然气技术与经济 2017年 第11卷第2期 天 然 气 技 术 与 经 济 Natural Gas Technology and Economy Vol.11，No.2 Apr.2017 涪陵页岩气水平井钻井提速技术 doi：10. 3969j. issn. 2095-1132. 2017. 02. 009 0引言 2013年涪陵地区获国家能源局批准设立国家级 页岩气示范区，成为全国页岩气综合开发利用主战 场，进入商业开发1-4。我国页岩气研发总体还处在 起步阶段，中国石化也开展了一系列的页岩气工程 技术研究与应用，已初步形成了页岩油气工程配套 技术，但与国外先进技术相比还有一定的差距，工 程技术本身有待于进一步优化提升、配套完善与研 究攻关，以真正实现页岩油气经济、有效、规模地 开发5-7。通过分析涪陵区块前期实钻情况，针对涪 陵页岩气海相地层古老、岩石硬度高、钻遇地层复 杂、机械钻速低、易漏失等诸多钻井难点，特别是 大井眼定向时的“托压”问题，开展了钻头、工 具、钻井液等方面的研究与实践 8，钻井速度得到 大幅度提高，为涪陵页岩气钻井提速积累了丰富的 实践经验。 1钻井技术难点分析 1.1机械钻速低 涪陵焦石坝地区页岩气海相地层古老，胶结致 密、岩石硬度高，地层薄层互层多、岩性交替，跳 钻严重，钻头受到的冲击作用强；长兴组 茅口组 研磨强，钻头失效快，易崩齿。同时大井眼钻进 时，泥页岩水化作用强，定向托压严重，复合钻进 蹩钻严重，常规破岩方式能量有效利用率低，机械 破岩能量不足。前期钻井施工全井平均机械钻速只 有4.67 mh，整体钻井速度偏低，严重制约了页岩 气水平井的勘探开发步伐。 1.2井眼轨迹控制困难 焦石坝区块采用丛式水平井开发，靶前位移 长，多数井轨道设计有6001 400 m不等的长稳斜 段，后期方位变化较大，且纵向地层上薄层互层 多，泥岩与砂岩层交替，给轨迹的控制增加了难 度。特别是二开定向段井眼尺寸311.2 mm，井眼尺 寸大、裸眼井段长、斜井段长、含浊积砂地层，地 层自然增斜效果显著，长稳斜段轨迹控制难，三维 井眼扭方位工作量大，井下摩阻大、托压明显，定 向速度慢，大井斜条件下方位角调整难度非常大。 1.3井漏严重 涪陵工区漏失问题突出，上部陆相地层裂缝、 溶洞发育，连通性好，特别是区块边缘井，地层存 在破碎带，漏失严重，如焦页59-1HF井二开钻进期 间失返性漏失，进行18次堵漏作业仍未堵漏成功， 漏失水基钻井液1 505.9 m3，最终填井侧钻。下部目 的层龙马溪组五峰组岩性特征主要为泥页岩，层 理裂缝发育，多发生微孔微裂缝渗漏及裂缝性漏 失，油基钻井液损耗量大。 修订回稿日期：20170305 作者简介：陶现林 （1962） ，工程师，从事石油钻井工作，E-mail：zj03txl。 陶现林 1 徐泓 1 张莲 1 孔华 2 王晓清 3 （1. 中国石化中原石油工程有限公司西南钻井分公司，四川成都610052； 2. 中国石化中原石油工程有限公司钻井工程技术研究院，河南濮阳457001； 3. 中国石油西南油气田公司勘探开发研究院，四川成都610051） 摘要为提高涪陵页岩气钻井速度，加快勘探开发进程，开展了涪陵页岩气水平井钻井提速技术研究。通过对 该区块地质特点的研究，采用了以理论研究为基础、新工艺改进和新工具的研制与应用相结合的方法，开展了基于地 层可钻性和实钻效果分析的钻头选型、新工具的应用、三维长稳斜段井眼轨迹控制、防漏堵漏等技术的探索，形成了 涪陵页岩气水平井提速配套技术。在28口井进行了实践应用，平均钻井周期缩短11.42 d，机械钻速提高74.78 %。 关键词涪陵页岩气水平井钻井提速技术轨迹控制 文献标志码：B文章编号：2095-1132 （2017） 02-0031-05 31 万方数据 Natural Gas Technology and Economy 第11卷第2期 2钻井提速技术方案优化 2.1钻井提速技术优化 针对地层可钻性差，全井机械钻速低的钻井难 题，结合前期实钻资料分析，对钻头选型、动力工 具进行了优选9-11。 2.1.1钻头优选技术 针对焦石坝区块钻头使用特点，根据所钻遇地 层的岩性、利用测井资料获取的声波时差建立地层 可钻性剖面 （图1） ，准确地评价地层可钻性特征，在 宏观上寻找与地层可钻性相匹配的钻头类型；利用 完钻井的录井资料 （钻压、钻速、扭矩等） 建立了基 于虚拟强度指数的钻头性能评价方法，对不同型号 钻头进行定量评价，对全井段进行了钻头优选12。 图1焦页1-2HF井地层可钻性剖面图 2.1.2辅助破岩工具优选技术 为了有效地保护钻头，提高破岩效率，采用了 等壁厚螺杆、水力加压器、旋冲工具、扭力冲击器 等辅助破岩工具，通过工具的应用有效降低井下恶 性振动，提高破岩能量的利用率，增强动力工具与 PDC钻头的匹配性，满足提速提效的钻井要求。 1）水力加压器技术。水力加压器通过改变钻头 的加压方式，把机械式加压改为液力加压方式，为 钻头提供稳定钻压，起到减震作用，延长钻头的使 用寿命，减少起下钻次数。针对上部非均质性地层 钻进中大尺寸钻头跳钻严重、钻头损坏等问题，在 一开、二开直井段采用水力加压器配合高效PDC钻 头钻进。 2） 耐油基螺杆优选。为解决油基钻井液常规 螺杆易脱胶，失效快、使用寿命短等问题，优选适 用于高温、高含油钻井液体系的NOV耐油基螺杆， 平均使用寿命在100 h以上，比国内螺杆使用寿命 长，输出扭矩大，配合攻击性较强的PDC钻头，可 极大地提高机械钻速，同时减少因换螺杆而起钻的 次数。 2.2井眼轨迹控制优化技术 2.2.1实钻轨迹剖面优化技术 针对焦石坝区块地层自然造斜能力强，长稳斜 段控制难度大等问题，综合考虑地层复合钻进造斜 率，将原“直 增 稳 增 平”剖面设计优 化为“直 增 微增 稳 增 （扭方位） 平” 剖面 （图2） 。初始造斜段造斜率由设计的1416 100 m降低至610100 m；将长稳斜段设计成微 增井段，依靠地层自然造斜率钻进，减少滑动进 尺，提高复合钻进比例。 图2轨道优化设计图 2.2.2预弯曲动力学防斜打快钻井工艺 预弯曲动力学防斜打快钻具组合中带有两个稳 定器和一个预弯曲短节 （使用单弯螺杆） ，通过预弯 曲设置使钻头偏向造成的侧向力合力尽可能消失或 达到最小，当钻头的降斜力超过地层增斜力时，将 达到降斜目的。该工艺使用单弯螺杆，充分发挥螺 杆的转速高，扭矩大，过载能力强的特点，具有较 好的防斜能力，并可以采用高于钟摆钻具的极限钻 压 （钟摆钻具不增斜时可以施加的最大钻压） 的50 % 以上的钻压值，从而有效地提高机械钻速。 陶现林，等：涪陵页岩气水平井钻井提速技术 32 万方数据 天然气技术与经济 总第62期2017年 2.2.3长稳斜 （微增） 段轨迹控制技术 1） 高自然造斜能力地层微增 稳斜段钻具组 合设计。为了控制长稳斜段 （微增井段） 复合钻进增 斜率，根据地层平衡侧向力和平衡曲率的原理，以 复合钻进比例最大和井眼轨迹粗糙度最低为双重优 化目标，分析了单弯单稳定器底部钻具组合不同参 数条件下的轨迹控制效果，如图3。根据分析结果， 采用1螺杆和305 mm近钻头稳定器，钻压控制在 100 kN时，轨迹控制效果较好，此时复合钻进比例 约为68.63 %，每单根复合钻进增斜0.314。 图3稳斜角35时单弯螺杆、单稳定器BHA轨迹控制效果图 2）旋转导向技术。为了提高钻井速度和轨迹控 制技术能力，在稳斜段应用旋转导向系统。应用旋 转导向工具能够有效控制井斜角和全角变化率，井 眼轨迹更光滑，提高了井眼平滑度，避免“糖葫 芦”井眼形成，提高机械钻速，同时减少井下事 故，为后期固井奠定良好的基础。 2.2.4增斜扭方位井段轨迹控制技术 1） 轨迹控制技术措施。针对三维井方位变化 大，大尺寸刚性钻柱轨迹不易控制等问题，优化了 底部钻具组合，其中在311.2 mm井眼中采用无磁承 压钻杆代替部分203 mm钻铤，降低钻柱的刚性， 减少井下摩阻；针对下部地层压实程度高，自然造 斜率相对较高，采用小弯角螺杆 （1或者1.25） 。 第二次开钻增斜扭方位推荐钻具组合为： 311.2 mm钻头216 mm 1单弯螺杆单流阀 203 mm无磁钻铤203 mm无磁MWD悬挂短节 1根127 mm无磁承压钻杆139.7 mm加重钻杆 12根139.7 mm钻杆。 2）降摩减阻工具的研制与应用。为了解决三维复 杂井眼滑动钻进时的托压问题，研制了脉冲震动式 减摩器，该工具利用振动破除钻具和井壁之间的静 摩阻，降低滑动钻进粘卡趋势，减少定向托压。 2.2.5长水平段稳平控制技术 针对焦石坝地区长水平段的特点，基于大变 形、变截面变刚度纵横弯曲梁理论，以及弯外壳 螺杆动力钻具组合的导向能力的研究，创新设计 “小角度单弯螺杆欠尺寸双扶”稳平钻具组合，提 高长水平段的稳平控制能力和复合钻进比例，降低 滑动钻进比例，以实现水平段“一趟钻”钻进的目 标，从而有效提高长水平段轨迹的有效精细控制。 2.3防漏堵漏技术优化 2.3.1上部缝洞型地层堵漏技术 涪陵地区上部导眼、一开在钻进中极易发生裂 缝性漏失、溶洞性漏失。如果在下入导管没完全封 固上部浅层漏失层、井眼稳定、清水充足的情况 下，可采用清水强钻，不间断钻穿漏层，这样避免 了井漏对地层产生的污染，缩短了因频繁堵漏而损 失的时间。 针对部分井清水供应量不足，或清水漏失量 大，清水强钻无法正常施工的情况，研发了可控胶 凝堵漏剂。该堵漏剂是由胶凝材料、触变剂、纤维 增韧剂、膨胀剂及表面调节剂组成，具有凝结时间 可调、固化体强度发展快、温度范围广 （适应温度 3080） 、密度变化范围宽、阻水效果好、驻留封 堵强度高 （形成的堵层4 h抗压强度大于10 MPa） 。 2.3.2第二次开钻低密度钻井液防漏技术 第二次开钻井段二叠系茅口组岩性特征主要为 灰岩裂缝发育，多发生裂缝型漏失；韩家店组 小 河坝组岩性特征主要为泥岩、砂质泥岩及少量的泥 质粉砂岩互层，多为层理缝漏失。但在该井段地层 预测压力系数与实际地层压力系数存在差距，因此 上部地层保证井下安全的情况下尽量降低钻井液密 度，根据地层承压试验，钻井液密度尽量贴近安全 窗口下限，尽量保持近平衡钻井。其中，茅口组以 下采用钾胺基防塌聚合物钻井液，提高井壁稳定能 力，降低对提高密度防塌的依赖，韩家店组 小河 坝组裂缝发育，易漏，控制钻井液密度，做到近平 衡钻井。钻至易漏地层前，提前加入防漏材料，推 荐配方：1 %2 %单封 （随钻堵漏剂） 2 %QS2 2 %3 %沥青类封堵剂。 天然气技术与经济钻井工程 33 万方数据 Natural Gas Technology and Economy 第11卷第2期 2.3.3第三次开钻油基钻井液封堵技术 针对油基钻井液渗透性强，在层理裂缝发育页 岩地层钻进中损耗量大的问题，研制出球状凝胶封 堵材料球状凝胶，改善泥饼质量，同时由于该区块 油基钻井液使用密度较低，现场使用800、1 200、1 600目超细碳酸钙来提高油基钻井液中封堵颗粒的级 配性，配合使用固体石墨粉对地层微裂缝进行封 堵，减少渗透性漏失的可能性。 2.3.4控压钻井技术 涪陵区块储层段存在漏失、坍塌等问题，采用 控压钻井技术，使用低密度钻井液，通过提供井口 回压控制井底压力，保持井底处于微过平衡状态， 以解决因井底和地层之间的压差过大，而导致的压 差卡钻和严重井漏，避免因井漏引起的井塌、卡钻 等复杂情况，实现水平段安全快速钻进。 3现场应用效果分析 1） 提高了井眼轨迹的精细控制。通过优化设 计，直井段预弯曲动力学防斜打快钻井工艺的应用 较钟摆防斜钻具组合机械钻速提高了2.19倍，直井 段井斜基本控制在1以内 （图4） 。定向段优化剖面上 设计，缩短了稳斜段长度、降低实钻造斜率、大幅 降低控制难度和摩阻 （图5） 。水平段提高长水平段的 稳平控制能力和复合钻进比例，滑动钻进比例降低 40 %，实现水平段“一趟钻”钻进，完成了水平段 长1 500 m以上的页岩气水平井12口，有效提高了长 水平段轨迹的有效精细控制。 图4焦页42平台一开井斜数据图 2）井漏复杂得到有效控制。一是可控胶凝堵漏 技术在涪陵地区现场应用，堵漏成功率达 90 %以 上，成功地解决了裂缝、溶洞性地层钻井过程中发 生的恶性漏失。二是第二次开钻井段采用低密度钻 井液近平衡钻进，实钻过程中基本无漏失情况发生。 三是应用油基钻井液增强封堵技术后，涪陵区块第 三次开钻平均井径扩大率从2 %4 %下降至1 %2 %， 2015年应用井平均油基钻井液循环损耗量小于0.077 m3m，较技术使用前下降35.83 %（0.12 m3m） 。 3）钻井速度大幅度提高。2014-2015年涪陵页 岩气水平井钻井提速技术通过28口井现场试验应用 实践，形成了涪陵页岩气水平井钻井提速提效集成 配套技术，取得良好提速效果。据统计，28口井的 平均井深为4 659.07 m，平均钻井周期为60.86 d，平 均水平段长1 546 m，平均机械钻速为7.83 mh。与 2013年施工的焦页1平台3口井 （焦页1-2HF、焦页1- 3HF、焦页 1-4HF） 相比，平均井深增加 723.74 m， 水平段增加356m的情况下，钻井周期缩短11.42d，机 械钻速提高3.35 mh （74.78 %） ，井身质量、固井质 量均达到合格。其中焦页59-2HF井、焦页47-3HF 井、焦页49-3HF井等井先后刷新工区钻井周期最 短、全井机械钻速最高纪录，提速提效成果显著。 4结论 1）建立的基于地层可钻性和实钻效果的钻头选 型方法，能够定性地推荐钻头类型，定量地评价钻 头使用效果，优选出了适合于该区块地层的钻头系 列，配合辅助破岩新工具的应用，能够有效提高机 械钻速。 2） 通过优化井眼轨道剖面，形成的“直 增 微增 稳 增 （扭方位） 平”剖面更符合 地层的自然造斜能力，提高了复合钻进比例；通过 分井段优化钻具组合，开展降摩减阻工具的研制和 应用，有效降低了三维井眼轨迹控制难度。 3）结合地层漏失形态，采用清水强钻和可控胶 凝堵漏技术，有效解决中上部地层复杂裂缝、溶洞 图5不同轨道设计剖面滑动摩阻对比图 陶现林，等：涪陵页岩气水平井钻井提速技术 34 万方数据 天然气技术与经济 总第62期2017年 漏失堵漏难题；开展油基钻井液专用堵漏剂及堵漏 工艺的研究及应用，解决常规堵漏材料与油基钻井 液配伍性差、封堵效果不理想、成功率低的问题。 4） 涪陵页岩气水平井钻井提速配套技术形成 后，通过28口井的实践，平均井深增加的情况下钻 井周期大幅度降低，机械钻速提升明显，提速提效 成绩显著。 参考文献 1郭彤楼，张汉荣. 四川盆地焦石坝页岩气田形成与富集 高产模式 J . 石油勘探与开发，2014，41 （1） ：28-36. 2郭彤楼，刘若冰. 复杂构造区高演化程度海相页岩气勘 探突破的启示：以四川盆地东部盆缘JY1井为例 J . 天 然气地球科学，2013，24 （4） ：643-651. 3王志刚. 涪陵页岩气勘探开发重大突破与启示 J . 石油 与天然气地质，2015，36 （1） ：1-6. 4冯爱国，张建平，石元会，等. 中扬子地区涪陵区块海相 页岩气地层特征 J . 特种油气藏，2013，20 （6） ：15-19. 5路保平. 中国石化页岩气工程技术进步与展望 J . 石油 钻探技术，2013，41 （5） ：1-8. 6郑军卫，孙德强，李小燕，等. 页岩气勘探开发技术进 展 J . 天然气地球科学，2011，22 （3） ：511-517. 7 蒋恕. 页岩气开发地质理论创新与钻完井技术进步 J . 石油钻探技术，2011，39 （3） ：17-23. 8杨金华，田洪亮，郭晓霞，等. 美国页岩气水平井钻井 提速提效案例与启示 J . 石油科技论坛，2013，32 （6） ： 44-48. 9 周贤海. 涪陵焦石坝区块页岩气水平井钻井完井技术 J . 石油钻探技术，2013，41 （5） ：26-30. 10艾军，张金成，藏艳彬，等. 涪陵页岩气田钻井关键技 术 J . 石油钻探技术，2013，42 （5） ：9-15. 11陈星星. 涪陵页岩气田防漏堵漏技术应