涪陵区块12-4X页岩气水平井钻井关键技术

2014年第42卷第8期石油机械CHINAPETROLEUMMACHINERY钻井技术与装备涪陵区块124X页岩气水平井钻井关键技术梁玉平王建波中石化中原石油工程有限公司钻井二公司摘要涪陵页岩气区块位于川东南地区，钻井过程中面临地层因素复杂、井壁稳定性差、井眼轨迹控制难、机械钻速低以及摩阻扭矩大等问题。以新完钻的井深最深、水平位移与水平段最长的124X井为例，对该地区的钻井关键技术展开探讨与分析。该井通过井深结构优化、井眼轨迹设计及控制技术、PDC钻头螺杆复合钻井及钻井液技术，在保证井身和井眼质量的基础上，有效地提高了机械钻速，缩短了钻井周期，降低了事故发生率，取得了较好的经济效益。研究内容可为川东南区块生产井钻井工艺优化与页岩气开发提供参考。关键词页岩气；涪陵区块；水平井；轨迹控制；PDC钻头；复合钻井；机械钻速中图分类号TE242文献标识码ADOI103969JISSN10014578201408014KEYDRILLINGTECHNOLOGIESFORHORIZONTALSHALEGASWELL124XINFULINGBLOCKLIANGYUPINGWANGJIANBONO2DRILLINGCOMPANY，ZHONGYUANPETROLEUMENGINEERINGCOLTD，SINOPECABSTRACTFULINGSHALEGASBLOCK，WHICHISLOCATEDINSOUTHEASTSICHUAN，ISFACINGTHEDRILLINGISSUESLIKECOMPLEXFORMATION，POORWELLBORESTABILITY，DIFFICULTTRAJECTORYCONTROL，LOWROPANDHIGHFRICTIONANDTORQUETAKINGTHENEWCOMPLETEDWELL124XASEXAMPLE，WHICHHASTHELARGESTDEPTH，ANDLONGESTHORIZONTALDISPLACEMENTANDHORIZONTALSECTION，THEKEYDRILLINGTECHNOLOGIESAPPLIEDINTHEBLOCKAREDISCUSSEDANDANALYZEDBYADOPTINGWELLBORECONFIGURATIONOPTIMIZATION，TRAJECTORYDESIGNANDCONTROLTECHNOLOGY，ANDPDCBITPOSITIVEDISPLACEMENTMOTORANDDRILLINGFLUIDTECHNOLOGY，ANDONTHEPREMISEOFENSURINGTHEWELLBORECONFIGURATIONQUALITYANDBOREHOLEQUALITY，THEROPISEFFECTIVELYIMPROVEDWITHTHESHORTENEDDRILLINGCYCLEANDREDUCEDAEEIDENTRATE，GOODECONOMICBENEFITSHAVEBEENACHIEVED，THUSPROVIDINGAREFERENCEFORPRODUCINGWELLDRILLINGPROCESSOPTIMIZATIONANDSHALEGASDEVELOPMENTOFBLOCKSINSOUTHEASTSICHUANKEYWORDSSHALEGAS；FULINGBLOCK；HORIZONTALWELL；TRAJECTORYCONTROL；PDCBIT；COMPOUNDDRILLING；ROP0引言页岩气的成功开采是全球能源史上一个重要的里程碑。国外页岩气直井一般用作探井，生产井多采用水平井。目前，世界上水平位移达10000M以上的井有英国WVTCH油田的M11和M16井，阿根廷ARA油田的CN一1井。国内受核心工具研发和钻完井技术的限制，长水平段水平井的水平位移大多在2000M左右，与国外存在较大差距。在国外经验难以借鉴的客观情况下，为加快页岩气勘探进程，我国需不断创新，从而寻找到合适的钻采关键技术J。涪陵页岩气区块位于川东南地区，地层产状较宽缓，倾角较平缓，构造变形弱。地层自上而下分别为下三叠统嘉陵江组、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，中石炭统黄龙组，中志留统韩家店组，下志留统小河坝组、龙马溪组。目的层上奥陶统五峰组、下志留统龙马溪组为深水陆棚相沉积，发育厚达89M，石油机械2014年第42卷第8期上部以深灰色泥岩沉积为主，中部约40M厚的灰黑色粉砂岩、泥质粉砂岩，下部以灰黑色泥页岩、碳质页岩为主。为评价研究区目的层页岩气资源潜力及水平井单井产能，优化钻井工艺参数，评价不同井距、不同簇间距对单井产能的影响，中石化中原石油工程有限公司钻井二公司于2013年4月至11月，在涪陵区块12平台先后钻完页岩气水平评价井4口，获得了良好的预期效果。现以新完钻的井身最深、水平位移与水平段最长的124X井为例，对该地区的水平井钻井关键技术展开探讨与分析，以期为川东南区块生产井钻井工艺优化与页岩气开发提供参考。1钻遇难点11地层因素复杂嘉陵江组和飞仙关组地层可钻性较强，以灰岩为主；长兴组富含硫化氢，雾化钻期间钻具易氢脆，断钻具事故危险性增强；长兴组至茅口组含多套浅层气，须及时转换成清水钻进，否则易发生井下燃爆；龙马溪组水平段受地层倾角的影响，复合钻进每100M方位变化率1。2。，每钻进一段都需定向控制轨迹，同时该层位含有黄铜矿条带，一旦钻遇该条带PDC钻头磨损严重，使用寿命缩短。12井壁稳定性差根据邻井测试结果，目的层龙马溪组页岩矿物组分以脆性矿物石英、长石等和粘土矿物为主，粘土矿物平均质量分数为42，且以伊利石和伊蒙混层为主。伊利石及伊蒙混层矿物晶体分散且表面吸水而产生了剥落掉块，同时由于页岩层的层理结构特征，在地层应力破坏后很容易因应力的释放而产生剥块，从而造成井壁垮塌失稳，对钻井液提出了较高要求J。13井眼轨迹控制难本井井身设计水平段2000M以上，且为3靶点水平井，进一步增大了井眼轨迹控制难度。为保证井眼轨迹，均采用大段定向、小段复合的方式进行施工，特别是井斜达到4O。以后，方位角调整难度非常大，定向钻进井眼轨迹控制困难。14机械钻速低、摩阻扭矩大海相地层胶结致密、岩石硬度高，薄层互层重复交替，跳钻严重，钻头受到的冲击作用强，易崩齿、失效快，使用寿命短；本井二开牙轮钻头机械钻速不高，配合螺杆使用时问短，易掉牙；二开稳斜井段复合钻进憋钻严重，只能加压在50KN以下钻进，机械钻速较低。由于长水平段的设计及井身质量问题，为顺利完钻，须对大的摩阻扭矩采取有效措施。2施工简介124X井为设计的一口水平评价井，井深47200M，完钻垂深23878M，井斜9170。，方位304。，水平位移25060M，水平段长21300M，其主要勘探成果是本井为目前工区内施工井中最深、水平位移和水平段最长的井。2013年9月4日进行一开钻进，2013年11月7日完钻，实际完钻层位龙马溪组，钻井周期6667D，比预期钻井设计缩短2000D，平均机械钻速573MH。全井共发现油气水显示10层，其中1层含气层30M、4层微含气层330M、5层泥页岩气层22630M，现场录井解释水平段为深灰色泥岩、深灰色砂质泥岩和灰黑色碳质泥岩。3关键技术31井身结构优化根据邻井钻井资料与地层特征，该地区地层必封点主要有三叠系的水层、漏层与二叠系的浅层气；龙马溪组页岩气层顶部易漏、易垮塌地层。根据必封点分析和三压力剖面钻井形成“导管三个开次”的井身结构，如图1所示。导管5080MM5233M钻头6604MLYL5233M表层套管3397MM72452M钻头4445MM72700M技术套管2445MM237462M钻头3112ITLLN237700M油层套管1397MM471541M钻头42159MM472000M图1124X井井身结构示意图FIG1SCHEMATICDIAGRAMOFWELLBORECONFIGURATIONOFWELL124X其中导管、一开、二开和三开实钻井段分别为0O05233M、0O072700M、72700237700M和2377O0472000M，水泥均返高至地面。其中，造斜段为197000259000ILL，最大狗腿度每100M为2537。；水平段最大井斜2014年第42卷第8期梁玉平等涪陵区块124X页岩气水平井钻井关键技术926。，井底闭合距250583M。根据电测解释结果，井身质量合格，固井质量合格。1导管选用06604MM钻头，导管05080MMX5233M，水泥返高地面；2表层套管一开选取445MM钻头，表层套管03397MM72452M，封飞仙关组地层，水泥返高地面；3技术套管二开选取03112MM钻头，技术套管2445MMX237462M，封龙马溪组页岩气层之上的易漏、易垮塌地层，水泥返高地面；4油层套管三开选取02159MM钻头，油层套管1397MM471541M，套管完井，水泥返高地面，射孔完井。32井眼轨迹设计及控制技术321井眼轨迹优化井身剖面类型直井段一造斜段一稳斜段一造斜段一水平段。该剖面类型在2段增斜段之间设计了1段较短的稳斜调整段，对于井眼轨迹的实时调整非常有利。工程设计与地质、物探结合，将之前的A、B靶点设置为动态靶，明确靶点顶底深度和优质储层分布规律。322井眼轨迹控制目前，页岩气开发井主要以长水平井为主，因此水平井钻井的成败关系到页岩气能否有效地开发J。水平井钻井成败的关键在于能否控制好井眼轨迹的变化。直井段与斜井段是水平井段井眼轨迹控制的基础井段，只有把直井段与斜井段的井眼轨迹控制好，才能使水平井顺利完钻。本井井眼轨迹控制技术主要包括钻具组合优化、钻头优选和LWD井眼轨迹跟踪等。1钻具组合优化。二开增斜03112MM02445MM弯螺杆73063102286MMDC630X7310308MMLF0203MMNDC0203MMDC63141001778MMDC41152001397MMHWDP01397MMDP；三开增斜2159MM0172MM螺杆15。127MMNHWDP定向短节0127MMHWDP0127MMDP0127MMHWDP01397MMHWDP01397MMDP；由于靶前位移长，要求水平位移是长位移的稳斜段。三开稳斜段25724720M02159MM172MM螺杆075。125。127MMNHWDP定向短节0127MMHWDP0127MMDP0127MMHWDP01397MMHWDP1397MMDP。2钻头优选。在钻头选型方面，通过对比同一地层下不同钻头的机械钻速，优选出与该地层配伍的钻头；在纵向上每次对起出钻头进行分析，优化钻井参数，从而制定出合理的钻进参数。在124X井一开钻进过程中，尝试使用亿斯达604MMPDC钻头，1只钻头钻到一开井深727M，机械钻速较123X井有较大提高，起出后钻头只有个别边尺磨损，值得推广。123X井二开进尺1627M，钻头以HJT537GK为主，使用的9只钻头中最高机械钻速为46MH，最低机械钻速10MH，平均机械钻速31MH，钻井周期3525D；124X井二开进尺1650M，使用的9只钻头中最高机械钻速91MH，最低机械钻速14MH，平均机械钻速46MH，钻井周期2323D。通过钻头优选在124X井二开进尺较123X井长的前提下，缩短钻井周期12D。3LWD井眼轨迹跟踪。基于地质研究，随钻测井技术利用随钻测井LWD曲线，结合录井和气测资料，通过井下实际地质特征确定和控制井眼轨迹。LWD地质导向工具结构示意图如图2所示。其基本原理是利用电阻率在泥岩中呈现低值和砂岩中呈现高值，自然伽马在泥岩中呈现高值和砂岩中呈现低值的特性，观察砂、泥岩及过渡带岩性在曲线上的明显反应及形态变化，分析判断是否钻入油层，从而进行井眼轨迹控制。在一定程度上井眼轨迹控制的好坏是决定水平段长短的关键性因素之一。在增斜段，井眼尽可能圆滑；在水平段，井斜、方位尽可能稳定。本井采用了LWD伽马组合跟踪分析技术，在施工前期利用CORNPASS软件设计增斜段控制全角变化率每100M为25。，减小水平段后期的摩阻及扭矩，降低后期施工难度；使用LWD精确卡取测点，保证每个测点的准确性，确定造斜井段的实际造斜率；在满足施工要求及狗腿度不超标的前提下，将滑动钻进放在快钻井段进行，有效提高钻进效率；实时监测伽马值变化情况，伽马值出现明显变化时通知地质监督，协助地质监督分析地层变化情况，及时作出调整，以适应地层的变化。1一PDC钻头；2一传动轴；3一万向轴；4一马达总成；5一旁通阀；6一LWD组合。图2LWD地质导向工具结构示意图FIG2STRUCTURALSCHEMATICDIAGRAMOFLWDGEOSTEERINGTOOL33PDC钻头螺杆的复合钻井由于聚晶金刚石极薄、极硬，且比碳化钨底层一60一石油机械2014年第42卷第8期抗磨性高100倍以上，故切削过程中其刀刃口能自锐。锐利的刀刃切入地层后，在扭矩作用下向前移动，剪切岩石，充分利用了岩石剪切强度低的弱点。本井水平段采用的复合片六刀翼定向PDC钻头示意图见图3。PDC钻头破碎岩石的作用机理与牙轮钻头有着本质的差异，它完全依赖切削破碎地层，因此其切削速度对钻速较为敏感，而钻压对切削速度影响不大，即PDC钻头适合在高速低压条件下钻进。当转盘钻井深度在2000133以下后，大部分井段只能采用低转速钻进，故单纯的PDC钻头难以发挥作用。而螺杆钻具的高转速可为PDC钻头提高切削速度提供井下动力保障。因此，螺杆钻具配合PDC钻头可以大幅度提高机械钻速。图3复合片六刀翼定向PDC钻头FIG3PDCBITWITHSIXBLADESFORDIRECTIONALDRILLING以龙马溪和五峰组为例，岩性以深灰色粉砂质泥岩和灰色含灰泥岩为主，PDC钻头破岩效果明显优于三牙轮钻头，且机械钻速较高；牙轮钻头使用寿命仅在50H左右，而PDC钻头则要长得多；选用PDC钻头加螺杆减少了起下钻换钻头时间，机械效率大大提高。在确保螺杆使用寿命的范围内，一方面保证了井眼的扩大率，避免因缩径出现的问题，降低起下钻时的风险；另一方面在钻进过程中能及时快速地定向。34钻井液技术钻井液在直井段体系无特殊要求，三开大斜度井段和水平段要穿过目的层页岩层段。页岩地层因其特殊的裂隙和层理发育结构，采用水基钻井液会导致页岩层失稳，影响水平井的施工安全，且长水平段的摩阻、扭矩大，对钻井液的润滑性能要求高。本着有利于环境保护、地质资料录取、快速安全钻井及保护和发现油气层的钻井液选择原则，一开使用清水钻进；二开使用KC1聚合物润滑钻井液；三开本着稳定页岩水平井段、润滑防卡及保护气层的原则，选用了全油基钻井液。水平井钻井液主要技术难点如下。341地层岩性目的层岩性以深灰色泥岩夹薄层粉砂质泥岩，中部约40M厚的灰黑色粉砂岩、泥质粉砂岩；下部灰黑色泥页岩、砂质页岩、碳质页岩。342有机质泥页岩研究表明，钻井中井眼的稳定性、油气层的保护均与地层中粘土矿物类型和特性密切相关。本井页岩段储层粘土矿物中伊蒙混层含量高，水化作用强，当普通水基钻井液与储层接触时会造成粘土矿物水化。因地层受力不均，粘土矿物遇水后吸水膨胀速率所产生的膨胀压力超过地层水化后的强度时，地层就会沿层理、裂缝的断面发生剥落坍塌。343水平井段长本井三开裸眼井段1870M，水平段长1580M，水平位移2545ILL，三维变斜变方位实钻最大狗腿度每301TI为89。，自然摩阻比常规二维井大。钻具在造斜段与上井壁存在提拉接触、长水平段与下井壁存在重力接触，造成摩阻偏高，要求钻井液有很强的润滑性，保证定向施工的正常开展和井下安全。水平段钻具不居中，要求钻井液具有较高的悬浮携带能力，同时工程上要配合旋转短起下作业以破坏岩屑床进行机械清砂，在保证井下安全的前提下加快钻井进度。344层理微裂缝发育根据页岩水平井井壁稳定规律，一般水基钻井液密度应较地层压力系数高030050，本井三开井段地层压力系数为125145，为保护油气层尽量采用近平衡钻进。水平井段使用密度较高的油基钻井液，要求钻井液具有较好的防漏及封堵能力。345完井作业本井完井作业采用1397MM套管，钢级TP110T，壁厚1234MM，三开裸眼段206MM刚性树脂扶正器2根或1根交替加入，二开套管段210MM金属扶正器1根1加，管串刚性强、摩阻大。三维变斜变方位，实钻狗腿度较大，对井壁的稳定性、钻井液的润滑性和井筒清洁要求很高。由于页岩气大多具有水敏性，所以钻井液与完井液的好坏直接影响钻井效率、工程事故的发生率以及储层的保护效果。因而针对粘土矿物的特点，采用防水敏的钻井液和压裂液以保护储层。油基钻井液具有强抑制性，有利于保持井壁稳定，对产层损害小，能最大限度地保护气层，特别是水敏性地层1。室内试验优选了适合于页岩水平井的油基钻井液配方柴油30有机土50主乳化剂20辅乳化剂5O油基钻井液降滤失剂13润湿剂30CAO40超细钙16超2014年第42卷第8期梁玉平等涪陵区块124X页岩气水平井钻井关键技术一61一细凝胶23油基钻井液封堵剂。现场使用效果井壁稳定，井下安全；润滑性好，定向施工顺利；钻井液性能稳定，易于维护处理；携砂良好，井眼清洁；钻井速度快，综合效益良好；钻井液封堵效果好，防漏能力强。4结论1124X井为1口水平评价井，其在钻进过程中无法避免地面临地层因素复杂、井壁稳定性差、井眼轨迹控制难、机械钻速低和摩阻扭矩大等问题。2124X井通过井身结构优化、钻具组合优化和钻头优选等在保证井身与井眼质量的基础上，有效地提高了机械钻速，缩短了钻井周期，降低了钻井事故发生率；水平段主要采用螺杆PDC钻头复合钻井技术、油基钻井液钻井技术和LWD井眼轨迹跟踪技术等，取得良好的经济效益。3在邻井钻井实践的基础上，124X井更加注重环保、高效、保护油气层等因素，一开使用清水钻进，利于环境保护和地质资料录取；二开使用KC1聚合物润滑钻井液，利于快速安全钻井；三开选用全油基钻井液，利于保护和发现油气层，值得推广。2参考文献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，2011，3931723JOSHISDPRODUCTIONFORECASTINGMETHODSFORHORIZONTALWELLSRSPE17580，19873F45678910郭元恒，何世明，刘忠飞，等长水平段水平井钻井技术难点分析及对策J石油钻采工艺，2013，3511418张锦宏彭水区块页岩气水平井钻井关键技术J石油钻探技术，2013，415915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，2013，4152630何龙，李文生，刘伟川西地区长水平段水平井钻井技术J钻采工艺，2013，365114116NATHANIELH，STEPHENS，JOHNS，ETA1MODERNSHALEGASHORIZONTALDRILLINGREVIEWOFBESTPRACTICESFOREXPLORATIONPHASEPLANNI