吉木萨尔页岩油水平井优快钻井技术研究

吉木萨尔页岩油水平井优快钻井技术研究

随着石油勘探技术的快速发展，石油勘探的重点逐渐从传统的石油气藏转变为正常的油气藏，储量丰富的岩石和油气资源逐渐成为焦点。1基本组成1.1倾单斜“柳状”二级构造结构吉木萨尔凹陷芦草沟组是前陆咸化湖盆页岩油，凹陷整体呈现东高西低、东陡西缓的西倾单斜“箕状”二级构造结构，西部和南部凹陷区厚度大，向四周隆起逐渐减薄，主体油藏埋深2600m～4800m。甜点体主要受储层物性和岩性控制影响，地层矿物质成分复杂，纵向变化块，常规测井曲线分辨能力差，无法有效识别岩性和油层1.2井的结构和轨道的设计1.2.1水平段施工作业J10026＿H井是吉木萨尔页岩油导眼侧钻水平井的典型代表，采用三开井身结构，设计井深5675.33m，水平段长1847.08m。先部署直导眼钻至目的层，通过岩心实验、核磁测井、地震预测等手段，确定主力开发油层，直导眼回填至技术套管内，采用Φ215.9mm钻头进行水平段施工作业，如图1所示。J10026＿H井直导眼一开采用Φ444.5mm钻头钻至500m，下入Φ339.7mm套管，封固表层疏松地层；二开采用Φ311.2mm钻头钻至3028m，下入Φ244.5mm套管，封固上部新近系易缩径与八道湾易漏地层；三开采用Φ215.9mm钻头钻至3850m，确定开采油层后回填至技术套管内，改为水平井施工。1.2.2井身剖面轨迹设计为满足地质目标（靶点）要求，J10026＿H井水平井采用三维井眼轨迹设计，井身剖面为“直井段-增斜段-水平段”多靶三段式（如表1所示），造斜段需调整方位28.73°，以确保轨迹顺利入靶；造斜段曲率控制在5.5°/30m以内，提高井眼轨迹平滑度，降低钻进托压影响。1.3地层水泥岩结构(1）吉木萨尔凹陷纵向钻遇多套地层，地层夹层多、岩性变化大、可钻性差。随着地层埋深的增加，造斜段梧桐沟组和芦草沟组岩石抗压强度由60MPa增大到85MPa，抗剪强度由10MPa增大到15MPa，可钻性级值由5级增到6级，地层内摩擦角35～40°，PDC适应性差，造斜段平均机械钻速2.21m/h，水平段平均机械钻速3.94m/h，钻井周期长。(2）井壁失稳、井漏、阻卡等复杂是吉木萨尔页岩油水平井高效施工的技术瓶颈。二叠系梧桐沟组、三叠系烧房沟组、韭菜园子组砂泥岩互层，坍塌压力梯度高，井径扩大率大，掉块多，井壁失稳风险高。(3）随着水平段的延伸和井眼轨迹的调整，井内管柱与井壁的摩阻和扭矩大幅度增加，滑动钻进钻压传递困难。通过对三维井眼轨迹模拟计算显示2钻井技术2.1非平面大履行齿pdc钻头针对斜井段梧桐沟组机械钻速低、定向工具面难以稳定、托压严重等问题，联合钻头厂家，通过对钻头操控性、漂移敏感性、工具面敏感性、切削性能等方面进行对比分析，研制了新型异形齿PDC钻头。该钻头鼻部、肩部采用非平面大奔齿，主刀翼内锥采用弯刀齿，主副刀翼两级布齿结构，利用剪切+犁削组合破岩方式，能有效减小切削阻力，提高其攻击性及切削效率。大奔齿是在平面齿设计基础上增加与地层接触面处复合片厚度，见图2(a），降低与地层接触面积，减少切削面的岩屑堆积。弯刀齿因其特殊几何形状，见图2(b），提高切削齿集中破岩能力，提高破岩效率。加压测试表明：非平面大奔齿较平面齿抗研磨性提升50%，抗冲击性提升20%；弯刀齿较平面齿抗磨性提高52%。2.2基浆+0.14%caudic+8.3%torque+5.5%ste-50针对该区块水平井钻井井壁失稳、井眼清洁难度大等问题，引进Barahib无土相水基钻井液体系，配方：基浆+0.14%Caustic+8%KCL+2%CLAY+3%GBM+5%BDF-998+3%TORQUE+15%BAR+6%STE-50。Barahib体系具有高泥页岩抑制性、强包被性、高携岩能力、高润滑性和强井壁封固性等优点，该钻井液体系通过连续相里面的Cl2.2.1钻井液回收率及高温高压采集情况通过岩心回收率进行钻井液体系抑制性评价，取梧桐沟组岩芯150g，在105℃恒温干燥烘箱中烘干，按试验要求筛析后，分三组分别放入Barahib无土相水基钻井液体系（1#）、反渗透钻井液体系（2#）、有机盐钻井液体系（3#）中，在120℃加热炉中恒温16小时后。冷却过滤后烘干、称重、计算岩屑回收率：1#回收率97.56%;2#回收率90.14%;3#回收率86.87%。同时测得各体系钻井液二次高温高压失水为：1#为5ml/120℃；2#为8ml/120℃；3#为7ml/120℃。实验数据表明：HRGD钻井液体系防塌抑制性较好，更有利于稳定井壁。2.2.2润滑度评价钻井液和泥饼的摩阻系数是评价钻井液润滑性的主要技术指标2.2.3气体土壤有机溶剂封闭实验该体系优选BAR-50、STE-50微米级封堵材料，可以减少颗粒间摩擦，获得最佳的塑性粘度，降低钻井ECD；通过室内试验，采用颗粒封堵测试仪，在28MPa、150℃条件下对500μm的微裂缝进行封堵实验，测得0.5,1.0,7.5,15.0,25.0和30min时的钻井液滤失量分别为6.2,6.6,6.6,6.6,6.6和6.6ml，实验表明，用时30s即成功封堵了500μm的裂缝，可见，该体系钻井液能有效封堵微裂缝。2.3钻台组合设计2.3.1造斜效率的提高通过分析螺杆结构弯角、螺扶尺寸、螺杆尺寸及长度等参数对井斜与井眼清洁度的影响，在Φ215.9mm井眼造斜段选用外径Φ172mm、1.5°弯度、长度大于9m、螺扶外径Φ210～212mm的螺杆，可以实现快速造斜、有效缓解托压、降低阻卡的目的，从而提高造斜效率；水平段选用外径Φ172mm、1.25°弯度、长度小于9m、螺扶外径Φ205～208mm的欠尺寸螺杆，可以有效减缓增斜趋势，提高钻具在井眼通过性，减少因岩屑床堆积造成的卡钻，提高水平段稳斜效果按照能量守恒定律，螺杆钻具输出功率只与螺杆压差、通过排量及容积效率有关，螺杆容积效率大小随螺杆马达长度、头数比、压降等自身结构的改变而变化式中：W为螺杆输出功率，KW;P为螺杆压差，MPa;L为通过螺杆的排量，L/s；η为螺杆容积效率。依据上述结论，页岩油水平井施工优选7头、6级、Ф172mm中高速大功率螺杆，具体参数见表2。该系列螺杆采用硬橡胶，工作性能更稳定，转速波动小，输出扭矩更稳定，可延长钻头使用寿命；水平段专用螺杆钻具采用欠尺寸扶正块，更有利于水平段稳斜钻进。2.3.2减摩降阻工具水平井在滑动钻进时托压粘卡、钻压传递效率低等问题是制约水平井优快钻进的难题。水力振荡器在钻井液作用下，自身能产生的轴向高频低幅振动，使静摩擦转变为动摩擦，改善钻压传递效率，降低钻具与井眼之间的摩阻，减少扭转振动及横向振动，够使钻压顺利传递至钻头，降低了钻具疲劳损伤，改善了滑动钻进时工具面稳定性，提高了机械钻速，缩短了钻井生产周期综合考虑吉木萨尔页岩油地层岩石特性、井眼轨迹剖面设计、螺杆输出功率、钻井设备等因素，优化不同井段钻具组合：(a）造斜段优选钻具组合：Ф215.9mmPDC钻头+7LZ172*7.0V中高速螺杆（1.5°/Ф210mm螺扶）+Ф127mm钻杆+Ф127mm加重钻杆+水力振荡器+Ф127mm加重钻杆+Ф127mm钻杆(b）水平段优选钻具组合：Ф215.9mmPDC钻头+7LZ172*7.0V中高速螺杆（1.25°/Ф205mm螺扶）+Ф127mm钻杆+Ф127mm加重钻杆+水力振荡器+Ф127mm加重钻杆+Ф127mm钻杆2.4影响井眼清洁的因素岩屑携带困难、岩屑床清洁度低、循环压耗高是制约着水平段延伸的另一难题，钻井液性能、钻井液排量、钻井液环空返速、钻具机械转速等是影响水平井钻进井眼清洁的主要因素。以岩屑床厚度小于井眼直径10%作为判断井眼清洁的标准，利用Landmark软件模拟分析钻井液临界排量和钻具临界机械钻速对岩屑床的影响临界排量Q钻具临界机械转速R式中：υ依据上述结论，通过对造斜与水平段水力参数进行模拟计算，优化施工参数，优化钻头水眼尺寸、施工排量和钻具机械钻速，见表3，以实现提高水力辅助破岩、钻井液携岩效果与清洁井底的目的。3钻井质量分析为确保井下安全和提高造斜段钻井时效，对J10026＿H井井眼轨迹进行优化，三维井眼转双二维，侧钻点优选在3075m（韭菜园子组），井身剖面采用“直-增-稳-增-稳”五段式设计，在上部可钻性较好的韭菜园子组完成方位调整，提高下部井段造斜效率。针对井斜30°以上易塌井段，强化钻井液性能，提高阳离子乳化沥青润滑剂含量，改善泥饼质量，提高钻井液抑制性；钻至梧桐沟底部不整合交界面，提前加入1%BAR-50+2%STE-150，提高封堵粒径的宽度。J10026＿H井三开采用水力振荡器+高效螺杆钻具+异形齿PDC钻头提速组合，根据现场施工情况合理优化钻井参数：转速80r/min以上，钻压100～150KN，排量33～36l/s，泵压30MPa以上。施工中充分发挥工程、地质、定向一体化优势，三开井段仅用3趟钻完成2615m进尺，造斜段最高日进尺188m，平均机速11.46m/h，水平段螺杆钻具单趟进尺1756m，平均机速11.3m/h，连创区块多项技术指标。J10026＿H井三开钻进工期35.02天，较设计提前10.98天，水平段工期15.9天。与邻井对比分析，见表4，造斜段平均机速同比提高87%、328%，同比节约趟钻50%、300%，钻井工期同比节约9.59天、27.96天；水平段平均同比机速提高136%、84%，同比节约趟钻300%、400%，钻井工期同比节约19.63天、21.75天，该井提速效果显著。4高效水基钻井液体系(1）针对页岩油水平井钻井机速慢问题，研制的异形齿PDC钻头，采用大奔齿、弯刀齿、平面齿混合布置设计，利用剪切+犁削组合破岩方式，提高PDC钻头抗研磨性和抗冲击性，造斜段与水平段机速同比区块提高188.74%、287.65%。(2)Barahib无土相水基钻井液体系因其优越的性能，全井摩阻小于350KN，扭矩小于20KN.m，造斜段最大井径扩大率为12%，短程提下钻时间较邻井降低70%以上。(3）高效螺杆钻具+异形齿PDC钻头的复合钻井技术