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四川页岩气旋转导向钻井技术应用_白璟

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四川 页岩 旋转 导向 钻井 技术 应用 白璟
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收 稿日期 : 2015 -11 -03; 修回日期 : 2016 -03 -11基金项目 : 中国石油川庆钻探工程公司 “页岩气钻完井工程技术研究 ”( 编号 : 2015资助 。作者简介 : 白璟 ( 1975 - ) , 高 级工程师 , 川庆钻探公司钻采院定向井公司从事定向井 、水平井技术研究 、应用及管理工作 。地址 :( 618300) 四川省广汉市中山大道南二段 88 号 , 电话 : 0838 -5151086, E - 63. 工艺四川页岩气旋转导向钻井技术应用白 璟1, 2, 刘 伟1, 2, 黄 崇君1, 2( 1 中国石油集团川庆钻探钻采工程技术研究院 2 国家能源页岩气研发 ( 实 验 ) 中心 )白 璟 等 . 四川页岩气旋转导向钻井技术应用 . 钻采工艺 , 2016, 39( 2) : 9 -12摘 要 : 四 川长宁 - 威远区块页岩气资源储量丰富 , 开发利用价值大 , 但是水平井钻井过程中存在滑动钻进托压 、钻井速度慢 、效率低 、水平段长度不满足地质需求等问题 , 影响了四川页岩气的勘探开发进程和经济效益 。为此 , 基于四川长宁 - 威远页岩气示范区地质 、工程特点 , 分析了四川页岩气地质特征和水平井斜井段主要钻井技术难题 , 优选了旋转导向工具 , 优化了井身结构和井眼轨迹 , 完善了配套工艺 , 研究形成了适合四川页岩气旋转导向钻井技术 , 现场应用 28 口井 , 机械钻速大幅提高 , 水平段长度增加 500 m, 钻井周期缩短 50%, 取得了较好的提速提效效果 , 为页岩气资源高效开发和长宁 - 威远国家级页岩气示范区建设提供了良好的技术支持 。关键词 : 页岩气 ; 旋转导向 ; 水平井 ; 长宁区块 ; 威远区块10.3969/J. 006 -768X.2016.02.03随 着天然气供需矛盾的不断扩大以及钻完井主体技术的突破 , 页岩气正逐步走上历史舞台 。四川页岩气资源储量丰富 , 开发利用价值极大 , 为此国家设立长宁 - 威远国家级页岩气示范区 , 大力推进页岩气的勘探开发进程 。页岩气藏是典型的低丰度 、低品位非常规气藏 , 国外成功开发经验表明 ,长水平段丛式水平井是实现页岩气效益开发的前提和基础 , 在国外页岩气等非常规油气资源开发中得到广泛的应用 。四川页岩气埋藏较深 , 地质条件较为复杂 , 前期水平井钻井暴露出斜井段滑动钻进托压 、水平段长不足等问题 , 造斜段平均机械钻速1. 3 m/h, 造斜段和水平段周期长达 48 d, 钻井速度 、水平段长 、综合经济效益还不满足页岩气开发需求 。为满足水平井高效钻井需求 , 20 世纪 80 年代发展形成了旋转导向系统 , 通过在钻井过程中改变钻头侧向力大小和方向实现井眼轨迹高效控制 , 具有钻井速度快 、井眼质量好 、水平段延伸能力长等优势 , 在国外页岩气开发中取得了良好的应用效果 , 为国内页岩气开发提供了良好的技术借鉴 。随着对页岩气勘探开发力度的不断加大 , 国内外加强了对页岩气钻井技术的研究[ 1 -3], 分 析了国内外在页岩气钻井方面采用的关键技术[ 4 -5], 评 价了旋转导向工具在页岩气开发中的应用效果[ 6], 研究了四川威远页岩气区块地质特征和第一口龙马溪页 岩气藏水平井钻井情况[ 7 -8]。调 研发现 , 公开发表的文献还没有对四川页岩气旋转导向钻井技术进行研究 , 也没有对旋转导向系统在四川页岩气中的应用效果进行评价 。因此 , 研究形成四川页岩气旋转导向钻井技术 , 缩短四川页岩气钻井周期 , 提高水平段长度 , 同时满足安全下套管和完井 、增产需求具有重要意义 。一 、地质特征及钻井难点分析1. 地 层可钻性差 、钻头磨损严重四川页岩气储层埋藏深 , 地层老 , 岩石可钻性差 , 机械钻速慢 , 特别是二叠系茅口 ~ 栖霞地层含黄铁矿 、燧石结核 , 志留系韩家店 ~ 石牛栏地层非均质性强 , 软硬交错 , 泥质含量高 , 机械钻速和单只钻头进尺指标不理想 。韩家店下部 、石牛栏上部都存在致密砂岩 , 长宁区块前期采用进口 头依然磨损严重 , 平均机械钻速不足 2 m/h, 见图 1。·9·第 39 卷 第 2 期39 2钻 采 工 艺 韩 家店 ~ 石牛栏地层进口 头磨损情况2. 页岩地层井壁易垮塌 , 水平井安全钻井风险高龙 马溪页岩易出现破碎性垮塌 , 且对流体敏感性强 , 钻井液冲刷浸泡加剧页岩的垮塌 。受井壁切向应力与层理面夹角 、页岩在钻井液中浸泡时间等诸多因素的影响 , 大斜度井 、水平井更易出现页岩段井壁垮塌问题 , 前期试验井中 , 水平段页岩垮塌周期不足 15 d, 对水平段钻井速度提出了较高要求 。3. 滑动钻进托压严重 、斜井段钻井速度慢为了提高开发效果 , 四川页岩气普遍采用丛式井组开发 , “双一字 ”型井口部署 6 ~8 口井 , 水平巷道间距 300 ~500 m, 水平井设计井眼轨迹横向位移高达 900 m, 空间方位变化接近 90°( 见图 2) 。页岩储层地层倾角较大 , 50%的水平井沿上倾方向钻进 ,最大井斜角超过 103°, 水平井钻井过程中摩阻大 ,钻具屈曲失效风险高[ 9]。特别是在石牛栏 ~ 龙 马溪含泥岩地层和水平段超过 800 m 后 , 滑动钻进托压现象特别明显 , 井眼轨迹控制难度大 , 钻井效率低 、速度慢 。前期试验井造斜段 、水平段钻井周期长达 48 d, 四川页岩气水平井安全快速钻进首先要解决滑动托压技术难题 。图 2 四川页岩丛式水平井三维井眼轨迹图4. 龙马溪地层倾角变化大川渝地区地层纵向 、横 向对比性差 , 储层垂深对比性差 、地层倾角变化大[ 10], 产层底部低伽马页岩( 150 ~180 容 易缺失 , 水平段钻井过程中需要频繁大范围调整井眼轨迹进行储层追踪 , 同时在水平段钻进过程中 , 特别是上倾水平井 , 复合钻造斜率高达 ( 6° ~ 10°) /100 m, 需要频繁定向进行轨迹控制 , 影响了水平段钻井速度 。二 、四川页岩气旋转导向钻井技术研究旋 转导向系统通过多年的发展已逐步成熟 , 形成了多种产品 。旋转导向系统作为一种导向工具 ,需要依赖钻井工艺和装备的配套 , 才能充分发挥旋转导向优势 , 满足优快钻井的需要 , 其中钻井工艺主要包括旋转导向工具的优选 、针对性的钻井设计 、现场操作使用技术系列 。1. 旋转导向井眼轨迹控制原理及工具优选旋转导向系统是在钻柱旋转钻进时 , 随钻实时完成导向功能的一种导向式钻井系统 , 按其导向方式可分为推靠钻头式和指向钻头式 , 按照偏置机构的工作方式又可分为静态偏置式和动态偏置式两种[ 11], 见 表 1。现在已经出现了复合式的旋转导向系统 , 也称之为偏置内推式旋转导向系统 , 其核心是通过推靠反作用力的方式实现内设弯曲芯轴的绕曲方式[ 12],以斯伦贝谢公司的 品为代表 。表 1 典型旋转导向工具性能指标工 作方式 典 型产品 造 斜能力静态偏置推靠钻头式 3.06.5°/30m 171. 4 30m 120. 6 .5°/30m( 8°/30m)静态偏置指向钻头式 °/3030m 171. 4 式 30m 171. 4 30m 120. 6 提高开发效果 , 页岩气要求靶前距尽可能短 ( 300 ~500 m) , 设计井眼轨迹造斜率在 8°/30 , 斯伦贝谢公司的 四川富顺 - 金秋区块页岩气进行了应用 , 造斜率能满足要求 , 同时工作性能稳定 , 综合性能较好 , 因此四川页岩气首选为旋转导向工具 。2. 旋转导向钻井优化设计2.1 井身结构优化设计应用旋转导向钻井技术以前 , 为减少造斜段和水平井钻井难度 , 四川长宁区块在技术套管下至龙马溪井斜 60°左右井深处 , 由于韩家店以上地层存在出水 、垮 、漏等井下复杂 , 且要在石牛栏进行定向造斜 , 韩家店 ~ 石牛栏研磨难钻地层无法实施气体·01·钻 采 工 艺 3 月016钻 井提速 , 影响了钻井速度 。为更好发挥出旋转导向钻井技术综合提速效果 , 对井身结构进行了优化设计 , 技术套管下深由龙马溪上移至韩家店顶 , 见图3, 为韩家店 ~ 石牛栏研磨难钻地层采用气体钻井创造条件 , 直井段缩短钻井周期 20 d 以上 。图 3 井身结构优化设计2.2 井眼轨迹优化设计井眼轨迹优化设计综合考虑了旋转导向工具高造 斜率能力 、安全下套管 、防碰绕障碍等要求 , 确定了造斜点下移至龙马溪顶部 , 设计最大造斜率控制在 8°/30m 左右等关键参数 , 同时在四川页岩气首次应用了 “三维变双二维 ”的井眼轨迹设计思路 , 优化设计了井眼轨迹 , 高造斜率井段减少了 400 m, 计算摩阻同比降低了 30%。并且针对前期试验中暴露出来的井斜 30° ~ 50°井段旋转导向系统造斜能力明显降低的问题 , 进一步优化井眼轨迹设计 , 降低井眼轨迹控制难度 , 见图 4。图 4 井眼轨迹优化设计流程3. 旋转导向钻井工艺优化及应用效果3.1 数 据高效下传旋转导向系统通常采用精确改变钻井排量实现地面指令下传 , 四川页岩气大量使用机械钻机 , 钻井排量不易短时间内实现精确控制 , 下传成功率低 , 影响了钻井效率 。根据现场实际装备配置情况 , 创新提出通过上提下放钻具改变钻井排量 , 实现地面指令下传的技术方法 , 现场应用指令下传成功率提高到 98%, 下传时间也同比缩短 70%, 实现了地面指令的高效下传 。3.2 高固相油基钻井液条件下旋转导向高效使用针对旋转导向在高固相油基钻井液条件下故障率高的技术难题 , 集成应用多级过滤 、磁性过滤技术 , 有效降低旋转导向失效风险 , 同时应用信号倍增器 , 增加仪器信号强度 , 旋转导向失效率从每口井4.8 次降低至每口井 0.7 次 。3.3 旋转导向失效快速判别及应对措施旋转导向井眼轨迹控制效果与井下工具工作状态 、地层等多种因素相关 , 通常在旋转导向系统井眼轨迹控制失效后还需要继续钻进一段井段才能正确判断出来 , 增加了地质脱靶风险和下部井段井眼轨迹控制难度 。前期试验井中威 2046 井旋转导向系统累计发生 8 次井眼轨迹控制失效 , 平均失效判断滞后 20 m, 导致后期井眼轨迹狗腿度达到 13°/30m, 增加了下套管和电测等施工难度 。通过研究 , 依据近钻头井眼轨迹数据 、眼轨迹数据及 滑指数等 , 建立了一套旋转导向系统井眼轨迹控制失效快速判断方法 , 将失效判断损失井段由 20 m 减少至 5 m, 有效降低了因旋转导向系统失效导致的井眼轨迹控制难度 。3.4 钻具组合 、钻井参数优化依据岩石可钻性剖面和旋转导向系统需要 , 形成了纵向上钻头优选序列 , 造斜段选用胎体 加抗磨损能力 ; 水平段选用钢体 改善井底流场 , 提高井底清洁效率 , 进而提高机械钻速 。通过钻柱力学计算 , 分析了不同钻具组合对井下振动的影响 , 优化了加重钻杆数量 , 将井下振动导致的仪器传输失败次数降低 50%。同时对比分析了转速 、钻压及排量对旋转导向钻井速度和井眼轨迹控制效果的影响 , 形成了依据井下振动和 滑指数的钻井参数优化模板 , 有效提高了钻头破岩效率 , 机械同比提高 1 倍以上 。3.5 旋转导向储层追踪技术综合应用地震和测井数据 , 精细建立钻前地质导向模型 , 预设多个地质标志点 , 细化井眼轨迹控制方案 。同时针对五峰组地层疏松 、易垮塌 、井眼扩大率高 , 旋转导向系统造斜能力降低 30% 的特点 , 形成了 “走产层中线 ”的轨迹控制方式 , 进一步提高旋转导向储层追踪效果和钻井速度 , 现场应用 28 口井 , 平均储层钻遇率超过 95%。三 、现场应用效果及绩效分析1. 提 速效果分析旋转导向钻井技术在四川长宁 ~ 威远国家级页岩气示范区试验应用 7 个平台 28 口井 , 长宁区块造·11·第 39 卷 第 2 期39 2钻 采 工 艺 平均机械钻速由 2. 79 m/h 提高到 5. 17 m/h,定向周期从 31.2 d 降至 11.3 d, 水平段长度平均增加 486 m, 平均机械钻速由 5. 3 m/h 提高到 9. 4 m/h, 作业周期从 15.68 d 缩短至 13 d, 见图 5。威远区块造斜段平均机械钻速由 0. 96 m/h 提高到 6. 74m/h, 定向周期从 51. 67 d 缩短至 11. 8 d, 水平段长度平均增加 688 m, 平均机械钻速由 2. 4 m/h 提高到 6.23 m/h, 作业周期从 18. 33 d 变为 27. 72 d, 见图 6。提速效果明显 , 水平段长度有效增加 , 满足了地质开发需要 。图 5 长宁区块造斜段使用旋转导向前后周期对比 ( d)图 6 威远区块造斜段使用旋转导向前后周期对比 ( d)2. 经 济效益分析旋转导向钻井技术也取得了较好的经济效益 ,造斜段 、水平段应用该技术后 , 机械钻速和钻井时效得到提高 , 长宁 ~ 威远国际级页岩气示范区应用的28 口井 , 直接节约钻井时间 950 d, 节约钻井费用6 650万元 。同时旋转导向钻井技术的应用 , 为长宁区块韩家店 ~ 石牛栏难钻地层采用气体钻井提速创造了条件 , 累计应用 16 口井 , 节约钻井时间 256 d,节约钻井费用 1 382.4 万元 。应用旋转导向钻井技术后 , 水平段段长增加了500 ~1 119 m, 提高了页岩气单井产量和开发效益 。同时井眼轨迹更加平滑 , 确保了后期电测 、安全下套管和完井增产的顺利实施 , 综合效益显著 。四 、认 识及建议( 1) 不 同的旋转导向系统具有不同的适应性 ,应根据地质 、工程特点和钻井需求 , 优选旋转导向工具 , 同时优化井身结构 、井眼轨迹 、钻井参数等 , 形成完善的工艺技术 , 才能提高综合使用效果 。( 2) 内推式旋转导向系统 ( 造斜能力强 , 工作性能稳定 , 但由于构造精密 , 内部流道面积小 , 易被钻井液中的固体杂质堵塞 , 造成工具失效 ,对钻井液性能和钻井设备要求高 。( 3) 对旋转导向应用效果的评价应综合考虑除钻井周期缩短带来的直接经济效益外 , 还应充分考虑井眼轨迹平滑性 、安全下套管 、电测和完井增产作业等方面产生的综合效益 。( 4) 除旋转导向工具以外 , 顶驱扭摆减阻系统( 、水力震荡器等工具均有减轻滑动托压的效果 , 需要进一步研究和试验 , 不断提高四川页岩气水平井的钻井绩效 。参 考文献[ 1] D, , W. 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Xi’10000, 2. Xi’10000,, 9( 2) , 2016: 16 -18In to to in by in of as in to by on in ey N RY RN 2, A 1. , 2. 34100, 3. 4. o. ) , 9( 2) , 2016: 19 -22of of s by to of of of of of by of a that
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