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        泡沫定向鉆井技術(shù)在涪陵焦石壩地區(qū)頁巖氣井的試驗

        2013-11-22 05:26:42楊海平江漢石油工程公司鉆井一公司湖北潛江433121
        石油天然氣學報 2013年12期
        關(guān)鍵詞:井段進尺鉆具

        楊海平(江漢石油工程公司鉆井一公司,湖北 潛江 433121)

        1 工程概況

        涪陵焦石壩地區(qū)頁巖氣田地處重慶市涪陵區(qū),構(gòu)造位置處于川東褶皺帶,主體位于萬縣復向斜,是中石化第一個頁巖氣田,也是我國第一個頁巖氣產(chǎn)能建設(shè)示范區(qū)。自2013年3月該項目啟動以來,二開造斜段因漏失嚴重、大井眼定向鉆井速度慢,已成為影響鉆井速度的瓶頸,嚴重影響了工程進度。為提高施工進度,盡快完成產(chǎn)能建設(shè)任務,二開定向井段(茅口組~龍馬溪組)試驗泡沫定向鉆井。

        1.1 地層特點

        以JY9-1HF井為例,從上到下地層分別為三疊系、二疊系、石炭系、志留系,目的層為龍馬溪組碳質(zhì)頁巖。根據(jù)實鉆情況,地表溶洞、裂縫發(fā)育,部分井段嘉陵江組-飛仙關(guān)組含水層,長興組、茅口組含裂縫氣層或氣水同層,韓家店組、小河壩組存在低承壓漏失層。

        表1 JY9-1HF井設(shè)計地質(zhì)分層

        1.2 鉆井施工方案

        根據(jù)表1給出的地層特點,設(shè)計井身結(jié)構(gòu)見表2。

        目前采用叢式井組開發(fā),各平臺布署3口井,二維水平井1口,三維水平井2口。設(shè)計井眼剖面:直-增-穩(wěn)-增-穩(wěn)(水平段),造斜率20°/100m。9號平臺三維水平井JY9-1HF井設(shè)計井眼剖面如表3所示。

        表2 JY9-1HF井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

        表3 JY9-1HF井設(shè)計井眼剖面

        JY9-1HF井為三維水平井,設(shè)計造斜點1180m,地層為棲霞組(Pqx),二開中完井深2453.80m(垂深2229.76m),井斜52.98°,方位341.12°。

        由于地層硬,漏失嚴重,直井段一般使用空氣鉆井,鉆井速度得到極大提高,二開311.2mm井眼最高日進尺480m,為牙輪鉆頭常規(guī)鉆井速度的10倍。但此前造斜段無法使用氣體鉆井,鉆達造斜點后,必須轉(zhuǎn)換為鉆井液鉆井,影響了鉆井速度。目前使用常規(guī)定向鉆井方式,日進尺約40~50m;韓家店組、小河壩組存在低承壓地層,JY1HF井、JY9-2HF井、JY6-2HF井、JY10-2HF井均發(fā)生嚴重漏失,有的井損失時間超過27d,漏失鉆井液超過5000m3。

        造斜段泡沫定向鉆井可提高涪陵焦石壩地區(qū)頁巖氣鉆井速度,降低鉆井液成本和減少環(huán)境污染。

        2 泡沫定向鉆井工藝

        常規(guī)泥漿定向鉆井,特別是水平井鉆井,需要使用無線隨鉆測斜儀和井下動力鉆具,測量的井眼參數(shù)依靠泥漿脈沖信號傳輸給地面儀表,井下動力鉆具如螺桿、渦輪也依靠泥漿提供動力。空氣定向鉆井由于鉆井介質(zhì)改變,由泥漿改變?yōu)榭諝猓枰褂靡噪姶挪閭鬏斝盘柕臒o線隨鉆測斜儀(EMWD)和以空氣為動力的空氣螺桿。

        2.1 無線隨鉆測斜儀(EMWD)

        EMWD測量原理與常規(guī)MWD相同,信號傳輸方式不同。EMWD使用電磁波為傳輸信號,其工作原理是:絕緣短節(jié)把鉆具分為上下二極,測量儀器接在絕緣短節(jié)下端,儀器發(fā)射天線接在絕緣短節(jié)上端,形成電磁波傳輸回路。測量參數(shù)轉(zhuǎn)換為電磁波信號并發(fā)射出來,透過地層傳輸?shù)降孛?,被地面裝置接收;當信號弱時可在鉆具中使用鉆桿偶極天線,放大電磁波信號。EMWD具有不進行泡沫循環(huán)即可測量工程參數(shù)、傳輸速度快、可靠性高、使用及維護成本低等優(yōu)點。

        國產(chǎn)CEM-1型EMWD儀器性能參數(shù)如下:井斜角為0~180°(精度±0.1°);方位角為0~360°(精度±1.0°);工具面角度為0~360°(精度±1.0°);工作溫度為0~125℃ ;井下連續(xù)工作時間為液相≥150h,空氣、泡沫≥300h;數(shù)據(jù)速率為2~10bit/s;天線短節(jié)外徑為203mm/165mm/120mm;井下儀器長度為6500mm/7700mm(帶伽馬)。

        2.2 空氣螺桿

        空氣螺桿與泥漿螺桿的工作原理相同,空氣壓縮機輸出的高壓氣體直接進入空氣螺桿馬達,在馬達進出口處形成一定的壓差推動馬達的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn),并將扭矩和轉(zhuǎn)速通過萬向軸和傳動軸傳遞給鉆頭。但由于空氣的可壓縮性,空氣螺桿與常規(guī)液體螺桿相比,具有以下2個顯著的工作特點:當鉆壓增大時,馬達進出口間的壓差增大,馬達入口處壓力升高,使通過馬達的空氣流量減小,因而輸出的轉(zhuǎn)速降低,螺桿轉(zhuǎn)速降低,當鉆壓增大到一定值時會出現(xiàn) “制動”現(xiàn)象;當鉆壓降低時,馬達進出口間的壓差減小,馬達入口處壓力降低,使通過馬達的空氣流量增大,螺桿轉(zhuǎn)速加快,當鉆壓突然消失時會出現(xiàn) “飛車”現(xiàn)象,易造成鉆具倒扣。因此,與泥漿螺桿的結(jié)構(gòu)相比:空氣螺桿無旁通閥,替代接頭取代旁通閥;馬達頭數(shù)采用最高頭數(shù)9頭,以獲得較大扭矩;轉(zhuǎn)子和定子曲面采用較小定子齒頂曲率半徑的線型。

        螺桿使用應注意以下幾點:①鉆頭應裝噴嘴。鉆頭不裝噴嘴時,高速氣流處于亞聲速流狀態(tài)時,施加鉆壓時很可能出現(xiàn)制動和 “飛車”情況,影響螺桿使用壽命。②空氣螺桿的冷卻和潤滑完全依靠所加入的潤滑劑;如果不加入潤滑劑,螺桿的傳動軸總成很快會過熱抱死,定子橡膠過熱會導致橡膠提前老化失效,使定子橡膠脫落(特別是在井口試運轉(zhuǎn)時);空氣螺桿使用壽命和良好的冷卻潤滑密不可分。③鉆進時應緩慢施加鉆壓,鉆頭提離井底時應非常緩慢地減小鉆壓,并且鉆頭提離井底之前將排量減小50%,避免螺桿馬達 “飛車”造成鉆具損壞。④空氣螺桿不使用旁通閥,因此必須在空氣管路中設(shè)有壓力釋放閥和單向閥,防止管路的壓力過高和防止空氣返流。⑤螺桿在地面試驗時,應降低空氣排量,推薦井口試驗空氣排量45m3/min。目前國產(chǎn)空氣螺桿主要由天津立林和北京石油機械廠生產(chǎn)。表4為K9LZ216×7.0—2.5螺桿(天津立林)技術(shù)參數(shù)①天津立林石油機械有限公司 .空氣螺桿使用手冊,2013.。

        表4 K9LZ216×7.0—2.5螺桿的性能參數(shù)

        2.3 泡沫鉆井

        泡沫鉆井是指空氣鉆井、氮氣鉆井等鉆遇地層出水,為保證攜砂和井壁穩(wěn)定,根據(jù)出水量和氣體排量,注入一定量的泡沫液,泡沫液與氣體混合成循環(huán)介質(zhì)的鉆井方式。泡沫液配方為清水+起泡劑+穩(wěn)泡劑+CMC+燒堿+防塌抑制劑。性能要求是:發(fā)泡量大于400ml,半衰期大于30min,滿足攜帶鉆屑和井壁穩(wěn)定要求。泡沫鉆井施工流程如圖1所示。

        空氣螺桿高速轉(zhuǎn)動,轉(zhuǎn)子和定子高速摩擦,加上干燥高壓氣流沖蝕,空氣螺桿相比常規(guī)的壽命短。目前通常采用潤滑劑以增加其工作時間,其配方為液體皂+石墨粉+膠結(jié)劑+機油,按0.4~0.6L/h排量循環(huán)加入。由于空氣不導電,為實現(xiàn)EMWD信號傳輸和空氣螺桿的潤滑、冷卻,涪陵焦石壩地區(qū)使用泡沫定向鉆井技術(shù)進行鉆井。

        2.4 鉆頭選型及鉆具組合

        泡沫定向鉆井鉆頭選型與常規(guī)泥漿鉆井、空氣鉆井的鉆頭相同。

        鉆具組合基本與常規(guī)空氣鉆井及定向井鉆井的鉆具組合相似,只是在常規(guī)定向井鉆井的鉆具組合中加入EMWD短節(jié),在EMWD短節(jié)上部加入1根鉆鋌,通常為:鉆頭+空氣單彎螺桿+鉆具止回閥+無磁鉆鋌1根+EMWD短節(jié)+鉆鋌1根+斜坡加重鉆桿+斜坡鉆桿。

        現(xiàn)場備用EMWD中繼器,第1次下入儀器時鉆具組合中不加入,一旦入井工具EMWD信號弱,則在井口可以隨時接入EMWD中繼器。泡沫定向鉆井的參數(shù)見表5。

        圖1 泡沫鉆井流程

        表5 泡沫定向鉆井參數(shù)

        3 試驗結(jié)果

        JY13-2HF井、JY9-1HF井二開氣體鉆至造斜點前30m,轉(zhuǎn)換為泡沫鉆井,試鉆進30m,井壁穩(wěn)定,井下情況正常,具備泡沫定向鉆井試驗條件。

        3.1 JY13-2HF井(志留系小河壩組)

        1)試驗井段 ①泡沫復合鉆進2030.00~2036.00m,進尺6.00m;②泡沫定向鉆進2036.00~2056.00m,進尺20.00m;③泡沫復合鉆進2056.00~2070.00m,進尺14.00m。

        3)鉆井參數(shù) 鉆壓40kN,轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速45r/min,空氣排量100m3/min,泡沫注入量10L/s,立管壓力3.8MPa。

        4)反扭角 設(shè)計工具面310°,在上述鉆井參數(shù)下,工具面基本穩(wěn)定在295~315°,工具面波動范圍<20°。

        5)空氣螺桿工作時間 12h40min。

        6)泡沫定向段造斜率 測深2036m,井斜6.8°,方位56.4°;測深2056m,井斜7.3°,方位52.9°。平均造斜率為0.03°/m。

        7)鉆時 該井段泡沫定向鉆井平均鉆時10.74min/m;JY9-2HF井所對應的地層和井段使用泥漿定向鉆井平均鉆時21.33min/m,與之相比,平均鉆時降低了1倍。

        3.2 JY9-1HF井(二疊系棲霞組)

        1)試驗井段 ①泡沫復合鉆進1180.00~1183.70m,進尺3.70m;②泡沫定向鉆進1183.70~1203.00m,進尺19.30m;③泡沫復合鉆進1203.00~1211.19m,進尺8.19m。

        3)鉆井參數(shù) 鉆壓60kN,頂驅(qū)轉(zhuǎn)速30r/min,空氣排量100~130m3/min,泡沫注入量12L/s,立管壓力2.2MPa。

        4)反扭角 設(shè)計工具面280°,在上述鉆井參數(shù)下,工具面基本穩(wěn)定在270~285°,工具面波動范圍<15°。

        5)空氣螺桿工作時間 11h30min。

        6)平均造斜率 ①測深1183.70m,井斜2.6°,方位193.8°;②測深1203.00m,井斜3.8°,方位199.5°;③平均造斜率為0.13°/m,根據(jù)常規(guī)定向初始造斜率,空氣螺桿造斜率較高。

        7)鉆時 該井段泡沫定向鉆井平均鉆時22.79min/m;JY1-3HF井所對應的地層和井段泥漿定向鉆井平均鉆時18.61min/m,與之相比,平均鉆時低4.18min/m。

        4 結(jié)論、問題及建議

        4.1 結(jié)論

        1)EMWD電磁波測斜儀在焦石壩地區(qū)信號強,傳輸速度快。

        2)空氣螺桿反扭角很小,且受鉆壓、井深影響小。

        3)通過控制空氣排量和鉆壓,空氣螺桿能夠避免 “制動”和 “飛車”。

        4)泡沫液能夠較好地冷卻和潤滑空氣螺桿。

        4.2 問題及建議

        1)目前EMWD抗震能力不強。2口井試驗均由于EMWD震壞或倒扣而停止試驗。建議加強儀器抗震能力研究,能顯示所受震動情況,為泡沫定向鉆井技術(shù)推廣應用創(chuàng)造條件。

        2)空氣螺桿額定工作鉆壓低,使用牙輪鉆頭提速效果差。建議國內(nèi)螺桿生產(chǎn)商加強大功率空氣螺桿研發(fā),擴大泡沫定向鉆井技術(shù)應用井段。

        另外,因2口井試驗井段短,空氣螺桿造斜率和工作時間有待驗證。

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