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天然氣技術(shù)與經(jīng)濟(jì) 2017年 第11卷第2期 天 然 氣 技 術(shù) 與 經(jīng) 濟(jì) Natural Gas Technology and Economy Vol.11，No.2 Apr.2017 涪陵頁巖氣水平井鉆井提速技術(shù) doi：10. 3969j. issn. 2095-1132. 2017. 02. 009 0引言 2013年涪陵地區(qū)獲國(guó)家能源局批準(zhǔn)設(shè)立國(guó)家級(jí) 頁巖氣示范區(qū)，成為全國(guó)頁巖氣綜合開發(fā)利用主戰(zhàn) 場(chǎng)，進(jìn)入商業(yè)開發(fā)1-4。我國(guó)頁巖氣研發(fā)總體還處在 起步階段，中國(guó)石化也開展了一系列的頁巖氣工程 技術(shù)研究與應(yīng)用，已初步形成了頁巖油氣工程配套 技術(shù)，但與國(guó)外先進(jìn)技術(shù)相比還有一定的差距，工 程技術(shù)本身有待于進(jìn)一步優(yōu)化提升、配套完善與研 究攻關(guān)，以真正實(shí)現(xiàn)頁巖油氣經(jīng)濟(jì)、有效、規(guī)模地 開發(fā)5-7。通過分析涪陵區(qū)塊前期實(shí)鉆情況，針對(duì)涪 陵頁巖氣海相地層古老、巖石硬度高、鉆遇地層復(fù) 雜、機(jī)械鉆速低、易漏失等諸多鉆井難點(diǎn)，特別是 大井眼定向時(shí)的“托壓”問題，開展了鉆頭、工 具、鉆井液等方面的研究與實(shí)踐 8，鉆井速度得到 大幅度提高，為涪陵頁巖氣鉆井提速積累了豐富的 實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。 1鉆井技術(shù)難點(diǎn)分析 1.1機(jī)械鉆速低 涪陵焦石壩地區(qū)頁巖氣海相地層古老，膠結(jié)致 密、巖石硬度高，地層薄層互層多、巖性交替，跳 鉆嚴(yán)重，鉆頭受到的沖擊作用強(qiáng)；長(zhǎng)興組 茅口組 研磨強(qiáng)，鉆頭失效快，易崩齒。同時(shí)大井眼鉆進(jìn) 時(shí)，泥頁巖水化作用強(qiáng)，定向托壓嚴(yán)重，復(fù)合鉆進(jìn) 蹩鉆嚴(yán)重，常規(guī)破巖方式能量有效利用率低，機(jī)械 破巖能量不足。前期鉆井施工全井平均機(jī)械鉆速只 有4.67 mh，整體鉆井速度偏低，嚴(yán)重制約了頁巖 氣水平井的勘探開發(fā)步伐。 1.2井眼軌跡控制困難 焦石壩區(qū)塊采用叢式水平井開發(fā)，靶前位移 長(zhǎng)，多數(shù)井軌道設(shè)計(jì)有6001 400 m不等的長(zhǎng)穩(wěn)斜 段，后期方位變化較大，且縱向地層上薄層互層 多，泥巖與砂巖層交替，給軌跡的控制增加了難 度。特別是二開定向段井眼尺寸311.2 mm，井眼尺 寸大、裸眼井段長(zhǎng)、斜井段長(zhǎng)、含濁積砂地層，地 層自然增斜效果顯著，長(zhǎng)穩(wěn)斜段軌跡控制難，三維 井眼扭方位工作量大，井下摩阻大、托壓明顯，定 向速度慢，大井斜條件下方位角調(diào)整難度非常大。 1.3井漏嚴(yán)重 涪陵工區(qū)漏失問題突出，上部陸相地層裂縫、 溶洞發(fā)育，連通性好，特別是區(qū)塊邊緣井，地層存 在破碎帶，漏失嚴(yán)重，如焦頁59-1HF井二開鉆進(jìn)期 間失返性漏失，進(jìn)行18次堵漏作業(yè)仍未堵漏成功， 漏失水基鉆井液1 505.9 m3，最終填井側(cè)鉆。下部目 的層龍馬溪組五峰組巖性特征主要為泥頁巖，層 理裂縫發(fā)育，多發(fā)生微孔微裂縫滲漏及裂縫性漏 失，油基鉆井液損耗量大。 修訂回稿日期：20170305 作者簡(jiǎn)介：陶現(xiàn)林 （1962） ，工程師，從事石油鉆井工作，E-mail：zj03txl。 陶現(xiàn)林 1 徐泓 1 張蓮 1 孔華 2 王曉清 3 （1. 中國(guó)石化中原石油工程有限公司西南鉆井分公司，四川成都610052； 2. 中國(guó)石化中原石油工程有限公司鉆井工程技術(shù)研究院，河南濮陽457001； 3. 中國(guó)石油西南油氣田公司勘探開發(fā)研究院，四川成都610051） 摘要為提高涪陵頁巖氣鉆井速度，加快勘探開發(fā)進(jìn)程，開展了涪陵頁巖氣水平井鉆井提速技術(shù)研究。通過對(duì) 該區(qū)塊地質(zhì)特點(diǎn)的研究，采用了以理論研究為基礎(chǔ)、新工藝改進(jìn)和新工具的研制與應(yīng)用相結(jié)合的方法，開展了基于地 層可鉆性和實(shí)鉆效果分析的鉆頭選型、新工具的應(yīng)用、三維長(zhǎng)穩(wěn)斜段井眼軌跡控制、防漏堵漏等技術(shù)的探索，形成了 涪陵頁巖氣水平井提速配套技術(shù)。在28口井進(jìn)行了實(shí)踐應(yīng)用，平均鉆井周期縮短11.42 d，機(jī)械鉆速提高74.78 %。 關(guān)鍵詞涪陵頁巖氣水平井鉆井提速技術(shù)軌跡控制 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B文章編號(hào)：2095-1132 （2017） 02-0031-05 31 萬方數(shù)據(jù) Natural Gas Technology and Economy 第11卷第2期 2鉆井提速技術(shù)方案優(yōu)化 2.1鉆井提速技術(shù)優(yōu)化 針對(duì)地層可鉆性差，全井機(jī)械鉆速低的鉆井難 題，結(jié)合前期實(shí)鉆資料分析，對(duì)鉆頭選型、動(dòng)力工 具進(jìn)行了優(yōu)選9-11。 2.1.1鉆頭優(yōu)選技術(shù) 針對(duì)焦石壩區(qū)塊鉆頭使用特點(diǎn)，根據(jù)所鉆遇地 層的巖性、利用測(cè)井資料獲取的聲波時(shí)差建立地層 可鉆性剖面 （圖1） ，準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)地層可鉆性特征，在 宏觀上尋找與地層可鉆性相匹配的鉆頭類型；利用 完鉆井的錄井資料 （鉆壓、鉆速、扭矩等） 建立了基 于虛擬強(qiáng)度指數(shù)的鉆頭性能評(píng)價(jià)方法，對(duì)不同型號(hào) 鉆頭進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，對(duì)全井段進(jìn)行了鉆頭優(yōu)選12。 圖1焦頁1-2HF井地層可鉆性剖面圖 2.1.2輔助破巖工具優(yōu)選技術(shù) 為了有效地保護(hù)鉆頭，提高破巖效率，采用了 等壁厚螺桿、水力加壓器、旋沖工具、扭力沖擊器 等輔助破巖工具，通過工具的應(yīng)用有效降低井下惡 性振動(dòng)，提高破巖能量的利用率，增強(qiáng)動(dòng)力工具與 PDC鉆頭的匹配性，滿足提速提效的鉆井要求。 1）水力加壓器技術(shù)。水力加壓器通過改變鉆頭 的加壓方式，把機(jī)械式加壓改為液力加壓方式，為 鉆頭提供穩(wěn)定鉆壓，起到減震作用，延長(zhǎng)鉆頭的使 用壽命，減少起下鉆次數(shù)。針對(duì)上部非均質(zhì)性地層 鉆進(jìn)中大尺寸鉆頭跳鉆嚴(yán)重、鉆頭損壞等問題，在 一開、二開直井段采用水力加壓器配合高效PDC鉆 頭鉆進(jìn)。 2） 耐油基螺桿優(yōu)選。為解決油基鉆井液常規(guī) 螺桿易脫膠，失效快、使用壽命短等問題，優(yōu)選適 用于高溫、高含油鉆井液體系的NOV耐油基螺桿， 平均使用壽命在100 h以上，比國(guó)內(nèi)螺桿使用壽命 長(zhǎng)，輸出扭矩大，配合攻擊性較強(qiáng)的PDC鉆頭，可 極大地提高機(jī)械鉆速，同時(shí)減少因換螺桿而起鉆的 次數(shù)。 2.2井眼軌跡控制優(yōu)化技術(shù) 2.2.1實(shí)鉆軌跡剖面優(yōu)化技術(shù) 針對(duì)焦石壩區(qū)塊地層自然造斜能力強(qiáng)，長(zhǎng)穩(wěn)斜 段控制難度大等問題，綜合考慮地層復(fù)合鉆進(jìn)造斜 率，將原“直 增 穩(wěn) 增 平”剖面設(shè)計(jì)優(yōu) 化為“直 增 微增 穩(wěn) 增 （扭方位） 平” 剖面 （圖2） 。初始造斜段造斜率由設(shè)計(jì)的1416 100 m降低至610100 m；將長(zhǎng)穩(wěn)斜段設(shè)計(jì)成微 增井段，依靠地層自然造斜率鉆進(jìn)，減少滑動(dòng)進(jìn) 尺，提高復(fù)合鉆進(jìn)比例。 圖2軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)圖 2.2.2預(yù)彎曲動(dòng)力學(xué)防斜打快鉆井工藝 預(yù)彎曲動(dòng)力學(xué)防斜打快鉆具組合中帶有兩個(gè)穩(wěn) 定器和一個(gè)預(yù)彎曲短節(jié) （使用單彎螺桿） ，通過預(yù)彎 曲設(shè)置使鉆頭偏向造成的側(cè)向力合力盡可能消失或 達(dá)到最小，當(dāng)鉆頭的降斜力超過地層增斜力時(shí)，將 達(dá)到降斜目的。該工藝使用單彎螺桿，充分發(fā)揮螺 桿的轉(zhuǎn)速高，扭矩大，過載能力強(qiáng)的特點(diǎn)，具有較 好的防斜能力，并可以采用高于鐘擺鉆具的極限鉆 壓 （鐘擺鉆具不增斜時(shí)可以施加的最大鉆壓） 的50 % 以上的鉆壓值，從而有效地提高機(jī)械鉆速。 陶現(xiàn)林，等：涪陵頁巖氣水平井鉆井提速技術(shù) 32 萬方數(shù)據(jù) 天然氣技術(shù)與經(jīng)濟(jì) 總第62期2017年 2.2.3長(zhǎng)穩(wěn)斜 （微增） 段軌跡控制技術(shù) 1） 高自然造斜能力地層微增 穩(wěn)斜段鉆具組 合設(shè)計(jì)。為了控制長(zhǎng)穩(wěn)斜段 （微增井段） 復(fù)合鉆進(jìn)增 斜率，根據(jù)地層平衡側(cè)向力和平衡曲率的原理，以 復(fù)合鉆進(jìn)比例最大和井眼軌跡粗糙度最低為雙重優(yōu) 化目標(biāo)，分析了單彎單穩(wěn)定器底部鉆具組合不同參 數(shù)條件下的軌跡控制效果，如圖3。根據(jù)分析結(jié)果， 采用1螺桿和305 mm近鉆頭穩(wěn)定器，鉆壓控制在 100 kN時(shí)，軌跡控制效果較好，此時(shí)復(fù)合鉆進(jìn)比例 約為68.63 %，每單根復(fù)合鉆進(jìn)增斜0.314。 圖3穩(wěn)斜角35時(shí)單彎螺桿、單穩(wěn)定器BHA軌跡控制效果圖 2）旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)。為了提高鉆井速度和軌跡控 制技術(shù)能力，在穩(wěn)斜段應(yīng)用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)。應(yīng)用旋 轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具能夠有效控制井斜角和全角變化率，井 眼軌跡更光滑，提高了井眼平滑度，避免“糖葫 蘆”井眼形成，提高機(jī)械鉆速，同時(shí)減少井下事 故，為后期固井奠定良好的基礎(chǔ)。 2.2.4增斜扭方位井段軌跡控制技術(shù) 1） 軌跡控制技術(shù)措施。針對(duì)三維井方位變化 大，大尺寸剛性鉆柱軌跡不易控制等問題，優(yōu)化了 底部鉆具組合，其中在311.2 mm井眼中采用無磁承 壓鉆桿代替部分203 mm鉆鋌，降低鉆柱的剛性， 減少井下摩阻；針對(duì)下部地層壓實(shí)程度高，自然造 斜率相對(duì)較高，采用小彎角螺桿 （1或者1.25） 。 第二次開鉆增斜扭方位推薦鉆具組合為： 311.2 mm鉆頭216 mm 1單彎螺桿單流閥 203 mm無磁鉆鋌203 mm無磁MWD懸掛短節(jié) 1根127 mm無磁承壓鉆桿139.7 mm加重鉆桿 12根139.7 mm鉆桿。 2）降摩減阻工具的研制與應(yīng)用。為了解決三維復(fù) 雜井眼滑動(dòng)鉆進(jìn)時(shí)的托壓?jiǎn)栴}，研制了脈沖震動(dòng)式 減摩器，該工具利用振動(dòng)破除鉆具和井壁之間的靜 摩阻，降低滑動(dòng)鉆進(jìn)粘卡趨勢(shì)，減少定向托壓。 2.2.5長(zhǎng)水平段穩(wěn)平控制技術(shù) 針對(duì)焦石壩地區(qū)長(zhǎng)水平段的特點(diǎn)，基于大變 形、變截面變剛度縱橫彎曲梁理論，以及彎外殼 螺桿動(dòng)力鉆具組合的導(dǎo)向能力的研究，創(chuàng)新設(shè)計(jì) “小角度單彎螺桿欠尺寸雙扶”穩(wěn)平鉆具組合，提 高長(zhǎng)水平段的穩(wěn)平控制能力和復(fù)合鉆進(jìn)比例，降低 滑動(dòng)鉆進(jìn)比例，以實(shí)現(xiàn)水平段“一趟鉆”鉆進(jìn)的目 標(biāo)，從而有效提高長(zhǎng)水平段軌跡的有效精細(xì)控制。 2.3防漏堵漏技術(shù)優(yōu)化 2.3.1上部縫洞型地層堵漏技術(shù) 涪陵地區(qū)上部導(dǎo)眼、一開在鉆進(jìn)中極易發(fā)生裂 縫性漏失、溶洞性漏失。如果在下入導(dǎo)管沒完全封 固上部淺層漏失層、井眼穩(wěn)定、清水充足的情況 下，可采用清水強(qiáng)鉆，不間斷鉆穿漏層，這樣避免 了井漏對(duì)地層產(chǎn)生的污染，縮短了因頻繁堵漏而損 失的時(shí)間。 針對(duì)部分井清水供應(yīng)量不足，或清水漏失量 大，清水強(qiáng)鉆無法正常施工的情況，研發(fā)了可控膠 凝堵漏劑。該堵漏劑是由膠凝材料、觸變劑、纖維 增韌劑、膨脹劑及表面調(diào)節(jié)劑組成，具有凝結(jié)時(shí)間 可調(diào)、固化體強(qiáng)度發(fā)展快、溫度范圍廣 （適應(yīng)溫度 3080） 、密度變化范圍寬、阻水效果好、駐留封 堵強(qiáng)度高 （形成的堵層4 h抗壓強(qiáng)度大于10 MPa） 。 2.3.2第二次開鉆低密度鉆井液防漏技術(shù) 第二次開鉆井段二疊系茅口組巖性特征主要為 灰?guī)r裂縫發(fā)育，多發(fā)生裂縫型漏失；韓家店組 小 河壩組巖性特征主要為泥巖、砂質(zhì)泥巖及少量的泥 質(zhì)粉砂巖互層，多為層理縫漏失。但在該井段地層 預(yù)測(cè)壓力系數(shù)與實(shí)際地層壓力系數(shù)存在差距，因此 上部地層保證井下安全的情況下盡量降低鉆井液密 度，根據(jù)地層承壓試驗(yàn)，鉆井液密度盡量貼近安全 窗口下限，盡量保持近平衡鉆井。其中，茅口組以 下采用鉀胺基防塌聚合物鉆井液，提高井壁穩(wěn)定能 力，降低對(duì)提高密度防塌的依賴，韓家店組 小河 壩組裂縫發(fā)育，易漏，控制鉆井液密度，做到近平 衡鉆井。鉆至易漏地層前，提前加入防漏材料，推 薦配方：1 %2 %單封 （隨鉆堵漏劑） 2 %QS2 2 %3 %瀝青類封堵劑。 天然氣技術(shù)與經(jīng)濟(jì)鉆井工程 33 萬方數(shù)據(jù) Natural Gas Technology and Economy 第11卷第2期 2.3.3第三次開鉆油基鉆井液封堵技術(shù) 針對(duì)油基鉆井液滲透性強(qiáng)，在層理裂縫發(fā)育頁 巖地層鉆進(jìn)中損耗量大的問題，研制出球狀凝膠封 堵材料球狀凝膠，改善泥餅質(zhì)量，同時(shí)由于該區(qū)塊 油基鉆井液使用密度較低，現(xiàn)場(chǎng)使用800、1 200、1 600目超細(xì)碳酸鈣來提高油基鉆井液中封堵顆粒的級(jí) 配性，配合使用固體石墨粉對(duì)地層微裂縫進(jìn)行封 堵，減少滲透性漏失的可能性。 2.3.4控壓鉆井技術(shù) 涪陵區(qū)塊儲(chǔ)層段存在漏失、坍塌等問題，采用 控壓鉆井技術(shù)，使用低密度鉆井液，通過提供井口 回壓控制井底壓力，保持井底處于微過平衡狀態(tài)， 以解決因井底和地層之間的壓差過大，而導(dǎo)致的壓 差卡鉆和嚴(yán)重井漏，避免因井漏引起的井塌、卡鉆 等復(fù)雜情況，實(shí)現(xiàn)水平段安全快速鉆進(jìn)。 3現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果分析 1） 提高了井眼軌跡的精細(xì)控制。通過優(yōu)化設(shè) 計(jì)，直井段預(yù)彎曲動(dòng)力學(xué)防斜打快鉆井工藝的應(yīng)用 較鐘擺防斜鉆具組合機(jī)械鉆速提高了2.19倍，直井 段井斜基本控制在1以內(nèi) （圖4） 。定向段優(yōu)化剖面上 設(shè)計(jì)，縮短了穩(wěn)斜段長(zhǎng)度、降低實(shí)鉆造斜率、大幅 降低控制難度和摩阻 （圖5） 。水平段提高長(zhǎng)水平段的 穩(wěn)平控制能力和復(fù)合鉆進(jìn)比例，滑動(dòng)鉆進(jìn)比例降低 40 %，實(shí)現(xiàn)水平段“一趟鉆”鉆進(jìn)，完成了水平段 長(zhǎng)1 500 m以上的頁巖氣水平井12口，有效提高了長(zhǎng) 水平段軌跡的有效精細(xì)控制。 圖4焦頁42平臺(tái)一開井斜數(shù)據(jù)圖 2）井漏復(fù)雜得到有效控制。一是可控膠凝堵漏 技術(shù)在涪陵地區(qū)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，堵漏成功率達(dá) 90 %以 上，成功地解決了裂縫、溶洞性地層鉆井過程中發(fā) 生的惡性漏失。二是第二次開鉆井段采用低密度鉆 井液近平衡鉆進(jìn)，實(shí)鉆過程中基本無漏失情況發(fā)生。 三是應(yīng)用油基鉆井液增強(qiáng)封堵技術(shù)后，涪陵區(qū)塊第 三次開鉆平均井徑擴(kuò)大率從2 %4 %下降至1 %2 %， 2015年應(yīng)用井平均油基鉆井液循環(huán)損耗量小于0.077 m3m，較技術(shù)使用前下降35.83 %（0.12 m3m） 。 3）鉆井速度大幅度提高。2014-2015年涪陵頁 巖氣水平井鉆井提速技術(shù)通過28口井現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)應(yīng)用 實(shí)踐，形成了涪陵頁巖氣水平井鉆井提速提效集成 配套技術(shù)，取得良好提速效果。據(jù)統(tǒng)計(jì)，28口井的 平均井深為4 659.07 m，平均鉆井周期為60.86 d，平 均水平段長(zhǎng)1 546 m，平均機(jī)械鉆速為7.83 mh。與 2013年施工的焦頁1平臺(tái)3口井 （焦頁1-2HF、焦頁1- 3HF、焦頁 1-4HF） 相比，平均井深增加 723.74 m， 水平段增加356m的情況下，鉆井周期縮短11.42d，機(jī) 械鉆速提高3.35 mh （74.78 %） ，井身質(zhì)量、固井質(zhì) 量均達(dá)到合格。其中焦頁59-2HF井、焦頁47-3HF 井、焦頁49-3HF井等井先后刷新工區(qū)鉆井周期最 短、全井機(jī)械鉆速最高紀(jì)錄，提速提效成果顯著。 4結(jié)論 1）建立的基于地層可鉆性和實(shí)鉆效果的鉆頭選 型方法，能夠定性地推薦鉆頭類型，定量地評(píng)價(jià)鉆 頭使用效果，優(yōu)選出了適合于該區(qū)塊地層的鉆頭系 列，配合輔助破巖新工具的應(yīng)用，能夠有效提高機(jī) 械鉆速。 2） 通過優(yōu)化井眼軌道剖面，形成的“直 增 微增 穩(wěn) 增 （扭方位） 平”剖面更符合 地層的自然造斜能力，提高了復(fù)合鉆進(jìn)比例；通過 分井段優(yōu)化鉆具組合，開展降摩減阻工具的研制和 應(yīng)用，有效降低了三維井眼軌跡控制難度。 3）結(jié)合地層漏失形態(tài)，采用清水強(qiáng)鉆和可控膠 凝堵漏技術(shù)，有效解決中上部地層復(fù)雜裂縫、溶洞 圖5不同軌道設(shè)計(jì)剖面滑動(dòng)摩阻對(duì)比圖 陶現(xiàn)林，等：涪陵頁巖氣水平井鉆井提速技術(shù) 34 萬方數(shù)據(jù) 天然氣技術(shù)與經(jīng)濟(jì) 總第62期2017年 漏失堵漏難題；開展油基鉆井液專用堵漏劑及堵漏 工藝的研究及應(yīng)用，解決常規(guī)堵漏材料與油基鉆井 液配伍性差、封堵效果不理想、成功率低的問題。 4） 涪陵頁巖氣水平井鉆井提速配套技術(shù)形成 后，通過28口井的實(shí)踐，平均井深增加的情況下鉆 井周期大幅度降低，機(jī)械鉆速提升明顯，提速提效 成績(jī)顯著。 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