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        焦頁197-4HF頁巖氣長水平段井鉆井關(guān)鍵技術(shù)

        2018-01-11 13:16:30陳小元
        復(fù)雜油氣藏 2017年4期
        關(guān)鍵詞:施工

        陳小元,曹 俊,秦 春,王 委

        (中國石化華東石油工程有限公司江蘇鉆井公司,江蘇 揚(yáng)州 225261)

        焦頁197-4HF頁巖氣長水平段井鉆井關(guān)鍵技術(shù)

        陳小元,曹 俊,秦 春,王 委

        (中國石化華東石油工程有限公司江蘇鉆井公司,江蘇 揚(yáng)州 225261)

        焦頁197-4HF井為焦石壩二期頁巖氣開發(fā)的一口長水平段水平井,鉆遇地層地質(zhì)條件復(fù)雜。受構(gòu)造變化大、斷層發(fā)育、頁巖儲(chǔ)層埋藏深、地層壓力體系認(rèn)識(shí)不清、垂深預(yù)測(cè)誤差大等因素影響,鉆井施工難度大。針對(duì)定向施工摩阻扭矩大、井漏頻繁、地層可鉆性差、鉆頭磨損嚴(yán)重等難點(diǎn),采取優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)及井身剖面、優(yōu)選鉆頭、精細(xì)控制井身軌跡、優(yōu)選鉆井液體系、優(yōu)化堵漏措施等技術(shù),順利完成該井施工任務(wù)。針對(duì)頁巖氣長水平段鉆井的提速提效,提出了加強(qiáng)針對(duì)龍?zhí)督M和茅口組地層的PDC鉆頭個(gè)性化設(shè)計(jì)、鉆井各階段使用相應(yīng)工具、開展平橋頁巖氣井堵漏工藝及油基鉆井液封堵技術(shù)的研究等建議。

        頁巖氣 水平井 井身結(jié)構(gòu) 井身軌跡 井漏 封堵 工具 鉆井液

        焦頁197-4HF井為焦石壩二期頁巖氣開發(fā)的一口長水平段水平井,位于川東高陡褶皺帶萬縣復(fù)向斜平橋背斜南部,同焦石壩一期相比,地質(zhì)條件更加復(fù)雜,構(gòu)造變化大、斷層發(fā)育、頁巖儲(chǔ)層埋藏更深、地層壓力體系認(rèn)識(shí)不清、垂深預(yù)測(cè)誤差更大等因素,導(dǎo)致鉆井施工難度更大,存在定向施工摩阻扭矩大、井漏頻繁、鉆井復(fù)雜故障控制難度大、地層可鉆性差、鉆頭磨損嚴(yán)重等難點(diǎn)[1-3]。針對(duì)難點(diǎn),采取優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)及軌道剖面、優(yōu)選鉆頭、精細(xì)控制井身軌跡、優(yōu)選鉆井液體系、優(yōu)化堵漏措施等技術(shù),較好地完成了該井的施工任務(wù),并且以2 593.92 m的水平位移,創(chuàng)南川區(qū)塊水平位移最長紀(jì)錄。

        1工程概況

        焦頁197-4HF井于2016年8月24日開鉆,2016年12月15日完井。鉆遇三疊系的嘉陵江組、飛仙關(guān)組,二疊系的長興組、龍?zhí)督M、茅口組、棲霞組、梁山組,石炭系的黃龍組,志留系的韓家店組、小河壩組、龍馬溪組,奧陶系的五峰組、臨湘組、寶塔組。目的層為下志留統(tǒng)龍馬溪組下部頁巖氣層“甜點(diǎn)”[4]。實(shí)際井身結(jié)構(gòu)見圖1,應(yīng)用導(dǎo)管封固淺表裂縫、溶洞、暗河;表層套管封固三疊系的水層、漏層與二疊系的淺層氣,封住飛三段及以上地層;技術(shù)套管進(jìn)入龍馬溪組50 m,封固龍馬溪組頁巖氣層頂部濁積砂之上的易漏、易垮塌地層[5];三開使用Φ215.9 mm鉆頭、油基鉆井液,完成大斜度井段和水平段鉆井作業(yè)。該井設(shè)計(jì)軌道為雙增雙穩(wěn)剖面,2個(gè)矩形靶體,靶半高5m,靶半寬10 m,網(wǎng)格方位為207.37~208.01°,靶前位移達(dá)1 159.20 m,水平段長為1 660.31 m,造斜點(diǎn)1 650 m,第一穩(wěn)斜段穩(wěn)斜角控制在40°以內(nèi)[5](為39.19°),水平段穩(wěn)斜角為83.22°,第一、第二造斜段造斜率均為4.5°/30 m,以利于后期的壓裂管柱的下入。該井實(shí)際井深4 941 m,水平段長1 453 m,機(jī)械鉆速6.10 m/h,最大井斜86.12°,鉆井周期96.25 d。

        圖1 焦頁197-4HF實(shí)際井身結(jié)構(gòu)

        2 施工難點(diǎn)

        (1)地層復(fù)雜,復(fù)雜故障發(fā)生幾率高。

        三疊系嘉陵江、飛仙關(guān)組以及二疊系長興組、茅口組等灰?guī)r地層裂縫和溶洞發(fā)育,容易發(fā)生裂縫失返性漏失;在志留系韓家店、小河壩以及龍馬溪組地層鉆進(jìn)過程中容易發(fā)生裂縫性漏失。志留系韓家店組、小河壩組以泥巖為主,地層承壓能力低,坍塌壓力較高,易發(fā)生井漏和井壁垮塌。頁巖氣水平井對(duì)鉆井液技術(shù)提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[6]。

        (2)地層硬,鉆頭選型困難,機(jī)械鉆速偏低。

        該井地質(zhì)埋藏深,地層老,巖石可鉆性差,機(jī)械鉆速慢,特別是一些復(fù)雜地層如茅口組地層含黃鐵礦、燧石結(jié)核;韓家店組地層非均質(zhì)性強(qiáng),軟硬交錯(cuò),泥質(zhì)含量高、下部存在致密砂巖。這些都很大程度上影響機(jī)械鉆速。

        (3)井身軌跡控制難度大。

        ①地層傾角大,直井段防斜打直打快困難;②井身剖面復(fù)雜。該井為長靶前位移(1 159.20 m)、長水平段(1 660.31 m),設(shè)計(jì)為雙增雙穩(wěn)剖面,與常規(guī)油氣藏水平井相比,其軌道更為復(fù)雜;③鉆進(jìn)過程中摩阻扭矩大,滑動(dòng)鉆進(jìn)托壓嚴(yán)重;④目的層位置的不確定性大,水平段需要頻繁調(diào)整軌跡進(jìn)行儲(chǔ)層追蹤。

        3 施工關(guān)鍵技術(shù)

        3.1 鉆頭優(yōu)選技術(shù)

        在導(dǎo)管鉆井中采用Φ609.6 mmCKS5060型PDC鉆頭鉆進(jìn),進(jìn)尺65.77 m,平均機(jī)械鉆速4.70 m/h,有效克服了導(dǎo)管用牙輪鉆頭機(jī)械鉆速低的問題。一開采用一只Φ406 mm的S1665FGA型號(hào)PDC鉆頭,鉆完一開進(jìn)尺654.23 m,平均機(jī)械鉆速10.18 m/h。二開共計(jì)使用鉆頭6只,Φ311.1 mmPDC鉆頭4只,Φ311.1 mm牙輪鉆頭2只。針對(duì)小河壩地層研磨性強(qiáng)、鉆頭壽命短、進(jìn)尺少,通常需要2~3趟鉆才能完成等問題,在二開2 237.41~2 614 m優(yōu)選一只Φ311.2 mmMDSi616型號(hào)PDC鉆頭+螺桿復(fù)合鉆進(jìn),一趟鉆穿小河壩高研磨性地層,提速提效明顯。三開共計(jì)使用鉆頭6只,Φ215.9 mmPDC鉆頭4只,Φ215.9 mm牙輪鉆頭1只,三開一只江鉆KMD1652ADGR入井4次,進(jìn)尺220 m,純鉆40.86 h,起出完好,但機(jī)械鉆速僅4.50 m/h,偏低,后優(yōu)選江鉆單排齒PDC鉆頭KSD1 652AGR,機(jī)械鉆速明顯提高,達(dá)到8.02 m/h,有效保證了三開鉆進(jìn)在25 d內(nèi)完成。盡管對(duì)鉆頭進(jìn)行了優(yōu)選,取得了一定的效果,但部分鉆頭使用效果較差。如在龍?zhí)督M鉆進(jìn)時(shí),二開728~792.18 m使用一只MDSi716的smith鉆頭,純鉆時(shí)間僅19.33 h,機(jī)械鉆速僅3.73 m/h,鉆頭切削齒全部磨損。隨后下入MDSiZ616LBPX型PDC鉆頭,鉆進(jìn)至960.01 m,機(jī)械鉆速高達(dá)12.74 m/h,但純鉆時(shí)間僅為13.17 h時(shí),鉆時(shí)就變慢,鉆頭磨損嚴(yán)重。

        3.2 堵漏施工技術(shù)

        平橋區(qū)塊地質(zhì)條件復(fù)雜,三疊系、二疊系等灰?guī)r地層裂縫和溶洞發(fā)育,容易發(fā)生裂縫失返性漏失,在志留系地層中也容易發(fā)生裂縫性漏失。焦頁197-4HF井二開中完井深2 614 m,鉆進(jìn)期間共計(jì)漏失21次,第22次為完井固井漏失,總計(jì)漏失1 935.17 m3,損失時(shí)間519.15 h。具體漏失情況見表1。

        表1 四開原井眼鉆井液性能

        表2 焦頁197-4HF井身軌跡優(yōu)化表

        該井在漏失井段太長時(shí),通過分段承壓找漏的方法,有效判斷了漏點(diǎn)位置,同時(shí)根據(jù)漏失速度調(diào)配不同濃度、不同粒徑的堵漏劑進(jìn)行堵漏。漏速小,配置低濃度小顆粒的堵漏漿,使用原鉆進(jìn)鉆具進(jìn)行橋堵。漏速較大或者井口失返,配置高濃度大顆粒的堵漏漿,起鉆使用光鉆桿進(jìn)行橋堵,甚至于使用高失水固化堵漏劑堵漏或注水泥堵漏等。在該井二開18層21次漏失中,采用橋塞堵漏、光鉆桿堵漏、高失水固化堵漏劑堵漏、注水泥堵漏等方法,取得了較好的堵漏效果,其中14層為一次堵漏成功。在漏點(diǎn)2 180.61 m處經(jīng)3次堵漏承壓,裂縫逐漸擴(kuò)大,漏失逐漸增大,最后使用高失水固化堵漏劑堵漏成功。

        3.3 井身軌跡控制技術(shù)

        平橋區(qū)塊頁巖氣井地層條件復(fù)雜,地層傾角大、靶前位移長、水平段長,目的層位置不確定性大等因素導(dǎo)致防斜難度大、摩阻扭矩大、保證優(yōu)質(zhì)頁巖鉆遇率難度大。為控制好井身軌跡,有效保證優(yōu)質(zhì)頁巖的鉆遇率,采取以下措施:

        (1)進(jìn)一步優(yōu)化剖面。將原設(shè)計(jì)的直—增—穩(wěn)—增—穩(wěn)的軌道改為直—增—增—穩(wěn)的軌道,充分利用地層自然增斜,減少滑動(dòng),避免第一穩(wěn)斜段若增斜過快導(dǎo)致滑動(dòng)降斜而形成的階梯型軌跡。

        (2)直井段采用MWD進(jìn)行軌跡的跟蹤監(jiān)測(cè),根據(jù)測(cè)斜結(jié)果,及時(shí)采取吊打、糾斜等措施,確保井斜、位移滿足設(shè)計(jì)要求。本井在87.91~301.62 m井段,井斜在2.2~1.5°間,在115.46 m處,井斜達(dá)到2.8°。后及時(shí)采用吊打及糾斜,保證了打直。但使用0.5°螺桿,滑動(dòng)糾斜效果較差。

        (3)優(yōu)選單彎度數(shù)及外徑,采用大徑大扭矩螺桿,以進(jìn)一步提高機(jī)械鉆速。采用1.25°單彎螺桿+PDC鉆頭定向作業(yè),既保證有一定的造斜率,又控制好狗腿不致超標(biāo),為后期完井作業(yè)順利打好基礎(chǔ)。但本井在二開直井段使用Φ216 mm螺桿,未使用常規(guī)的Φ244 mm螺桿,一定程度上影響了直井段的機(jī)械鉆速。

        (4)充分應(yīng)用近鉆頭地質(zhì)導(dǎo)向儀的各種參數(shù),保證優(yōu)質(zhì)頁巖鉆遇率及安全施工。該井使用斯倫貝謝近鉆頭地質(zhì)導(dǎo)向,GY傳感器與井底距離為0.8 m,保證了鉆頭在目的層的進(jìn)出情況得到及時(shí)的監(jiān)控,以便及時(shí)采取措施,同時(shí)加強(qiáng)與地質(zhì)導(dǎo)向師的密切溝通,在收到調(diào)整軌跡指令162次的情況下,及時(shí)調(diào)整軌跡,1 413 m水平段優(yōu)質(zhì)頁巖鉆遇率為100%。同時(shí)利用斯倫貝謝近鉆頭儀鉆頭轉(zhuǎn)速測(cè)試的功能以及3項(xiàng)儀器保護(hù)功能(粘滯滑動(dòng)、軸向振動(dòng)和縱向振動(dòng))指導(dǎo)鉆井施工。若3項(xiàng)儀器保護(hù)功能同時(shí)報(bào)警或2項(xiàng)連續(xù)報(bào)警,結(jié)合現(xiàn)場扭矩和摩阻情況,及時(shí)進(jìn)行短起下。利用近鉆頭轉(zhuǎn)速測(cè)試的功能,判斷井下螺桿工作情況,在第一根螺桿使用時(shí)出現(xiàn)泵壓升高機(jī)械鉆速降低情況,觀察儀器顯示鉆頭轉(zhuǎn)速為0時(shí),立即起鉆檢查螺桿,發(fā)現(xiàn)螺桿轉(zhuǎn)子卡死。

        (5)使用水力振蕩器,有效減緩了滑動(dòng)鉆進(jìn)托壓的問題。該井三開作業(yè)鉆進(jìn)至3 037.32 m,井斜65.16°出現(xiàn)了嚴(yán)重的“托壓”,擺工具面十分困難。后下入了國民油井水力振蕩器,有效地解決了“托壓”和工具面擺不到位的情況。使用水力振蕩器后,滑動(dòng)機(jī)械鉆速由5.21 m/h提高到7.37 m/h,提高了41.46%,復(fù)合鉆進(jìn)機(jī)械鉆速由10.52 m/h提高到12.16 m/h,提高了15.59%。

        3.4 鉆井液技術(shù)

        根據(jù)地層壓力系數(shù)預(yù)測(cè),該井茅口組中部以上地層壓力系數(shù)1.05左右,以下地層在1.20~1.39。根據(jù)地層特點(diǎn)及壓力系數(shù),茅口組中部以上地層使用清水鉆井,二開茅口組下部采用鉀胺基防塌聚合物鉆井液,三開采用油基鉆井液體系。

        (1)二開鉀胺基防塌聚合物鉆井液維護(hù)要點(diǎn):①鉆進(jìn)過程中,加入0.5%單封,防止?jié)B透性漏失;②配合使用磺化瀝青、超細(xì)碳酸鈣等提高鉆井液防塌能力;③使用KPAM、FA-367、PAC-LV、Na-HPAN等處理劑,提高抑制性,控制濾失量;④間斷性泵入用膨潤土和CMC-HV配置的稠漿掃塞(漏斗粘度大于90 s,屈服值大于20 Pa);⑤采用四級(jí)固控設(shè)備,振動(dòng)篩篩布目數(shù)全部使用100目以上。

        (2)三開油基鉆井液體系維護(hù)要點(diǎn):①加強(qiáng)一級(jí)固控,三開鉆進(jìn)振動(dòng)篩使用150~250目,適當(dāng)使用離心機(jī);②加入柴油或氯化鈣鹽水控制油水比,獲得最優(yōu)的油水比;③根據(jù)鉆井液密度和固相含量的提高,補(bǔ)充部分輔乳化劑,降低鉆井液粘度;④鉆進(jìn)時(shí)加入3%~4%1 200目超細(xì)碳酸鈣和2%液體瀝青增強(qiáng)體系的封堵性。

        由于優(yōu)選了鉆井液體系,并且加強(qiáng)了日常維護(hù),有效控制了摩阻及井壁垮塌的發(fā)生。該井油基鉆井液鉆進(jìn)的三開井段摩阻基本控制在10 t以內(nèi),所鉆井眼井徑相對(duì)規(guī)則,平均井徑為228.7 mm,平均擴(kuò)大率為5.92%。三開鉆進(jìn)過程中共起下鉆5次,無任何異常顯示,下鉆到底無沉砂,電測(cè)一次成功,套管順利到位。通過優(yōu)化油基鉆井液體系配方,提高封堵性能,強(qiáng)化一級(jí)固控,本井油基鉆井液的消耗為0.1 m3/m,接近中石化先進(jìn)水平(0.08 m3/m)。

        4 認(rèn)識(shí)與體會(huì)

        (1)建議強(qiáng)化同鉆頭廠家的結(jié)合,針對(duì)地層巖性,加強(qiáng)鉆頭優(yōu)選,尤其是加強(qiáng)龍?zhí)?、茅口組地層的PDC鉆頭的個(gè)性化設(shè)計(jì),以進(jìn)一步提高機(jī)械鉆速。

        (2)進(jìn)一步開展頁巖氣長水平段井身軌跡控制技術(shù)的研究,推廣應(yīng)用近鉆頭、水力振蕩器、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向等新工具,以提高施工速度。在一開鉆進(jìn)過程中使用了0.5°螺桿,在井斜偏大后糾斜能力較差,建議使用1°螺桿,以增加糾斜效果。二開直井段使用Φ244 mm螺桿,以提高施工速度。

        (3)加強(qiáng)頁巖氣長水平段井鉆井液技術(shù)的研究。本井有4層漏失未一次堵漏成功,尤其在2 180.61 m經(jīng)3次堵漏才成功。建議進(jìn)一步開展平橋頁巖氣井堵漏工藝及油基鉆井液封堵技術(shù)的研究,進(jìn)一步提高施工速度、降低油基鉆井液的消耗率

        [1] 牛新明. 涪陵頁巖氣田鉆井技術(shù)難點(diǎn)及對(duì)策[J].石油鉆探技術(shù),2014,42(4):1-6.

        [2] 艾軍,張金成,臧艷彬,等.涪陵頁巖氣田鉆井關(guān)鍵技術(shù)[J].石油鉆探技術(shù),2014,42(9):9-15.

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        [4] 曾義金.頁巖氣開發(fā)的地質(zhì)與工程一體化技術(shù)[J].石油鉆探技術(shù),2014,42(1):1-6.

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        Keytechnologiesofdrillingforlonghorizontalintervalshale-gaswell,Jiaoye197-4HF

        CHEN Xiaoyuan,CAO Jun,QIN Chun, WANG Wei

        (JiangSuDrillingCompany,SinopecOilfieldServiceHuadongCorporation,Yangzhou225261,China)

        Jiaoye 197-4HF well is a horizontal one with long horizontal interval in shale-gas development of the second phase in Jiaoshiba area. Compared with the first phase, the geological condition is more complicated. Influenced by the factors such as big structural change, developed faults, deep buried shale reservoir, unclear consideration of formation pressure system, and big error of TVD prediction, the drilling construction is very difficult. In order to solve the problems such as large friction and torque in the drilling construction, frequent lost circulation, poor drillability of formation , serious wear of bit, etc., it was carried out optimizations of bore frame, well profile and bit, wellbore trajectory controlled precisely, leaking plugging, and drilling fluid system. Finally, the well was drilling successfully, creating a record of the longest horizontal displacement in Nanchuan block. And also some suggestions were put forward to improve the speed and efficiency of horizontal well with long horizontal interval in shale -gas development.

        shale gas; horizontal well; well structure; well trajectory; lost circulation; drilling fluid

        TE242

        A

        10.16181/j.cnki.fzyqc.2017.04.014

        2017-04-07;改回日期2017-06-12。

        陳小元(1969—),高級(jí)工程師,現(xiàn)從事鉆井工程技術(shù)的研究及管理工作。E-mail:chen_xy.jsyt@sinopec.com。

        攻關(guān)項(xiàng)目:中國石化華東石油工程有限公司(ECPE20160705):重慶南川頁巖氣鉆井關(guān)鍵技術(shù)研究。

        (編輯 韓 楓)

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