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涪页HF_1页岩气水平井钻井关键技术_马庆涛

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涪页 HF_1 页岩 水平 钻井 关键技术 马庆涛
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书书书前沿技术 涪页1页岩气水平井钻井关键技术*马庆涛1葛鹏飞1王晓宇2贾江鸿1(1. 中石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院 2. 中国石油大学 (北京) 石油工程学院)摘要 : 涪页 1 井是一口页岩气预探水平井 , 在钻井过程中面临地质不确定因素多 、地层可钻性差 、页岩层易坍塌 、井身质量难以控制 、机械钻速低及固井难度大等难题 。实际施工中综合应用空气锤钻井 、油基钻井液和漂浮下套管技术 , 并在水平段优选钻头和钻具组合 , 最终成功钻达目的层 。介绍了该井的井身结构和井眼轨迹设计 , 详细描述了空气锤钻井和漂浮下套管技术的应用过程 , 并对钻头的优选和油基钻井液的使用做了分析说明 , 为涪陵区块页岩气大规模勘探开发提供了指导和借鉴 。关键词 : 页岩气 ; 水平井 ; 井壁稳定 ; 空气锤钻井 ; 油基钻井液 ; 涪页 1 井中图分类号 : 献标识码 : B 10. 3969/j. 1001 -4578. 2013. 08. 027F -1 . R. F -1 is a In of it as of in of of Rin In of at of in in of of as a to of F -1 言涪页 1 井是中国石油化工集团公司部署在四川盆地的第 1 口页岩气预探水平井 , 以页岩气勘探的有利层系下侏罗统自流井组大安寨段页岩层为目的层 , 成功钻遇 1 130. 75 m 页岩气油气显示 ,展示了自流井组大安寨段良好的页岩气资源潜力 ,同时也验证了水平井技术在开发页岩气方面的适用性[ 1]。该井在钻探过程中面临地质不确定因素多 、地层可钻性差 、页岩层易坍塌 、井身质量要求高 、机械钻速低 、固井难度大等难题 。施工中合理选用配套技术 , 系统优化工程设计 , 最终成功钻达目的层 , 为涪陵区块水平井钻探提供了依据 。—701—2013 年 第41 卷 第8 期石 油 机 械基金项目 : 中石化集团公司重点科技项目 “非常规油气藏长水平段水平井钻完井技术研究 ”( 201202109) 。1 地质概况涪页 1 井井区位于川东南涪陵区块的东北部 , 构造上位于川东弧形高陡褶皱带上 , 属于万县复向斜焦石坝 黄泥塘斜列背斜带中的拔山寺向斜 , 受龙门山 、齐岳山断裂的影响 , 构造呈北东向延伸 。涪页 1 井自上而下钻遇遂宁组 、沙溪庙组 、凉高山组 、自流井组大安寨段 。大安寨段储层主要为浅湖 呈页岩 、灰岩 、砂岩不等厚频繁互层状 , 其中页岩为主要储集岩 。页岩粘土矿物质量分数为 42. 0% ~68. 2%。碎屑矿物以石英为主 , 质 量 分 数 为22. 4% ~42. 0%, 其次为方解石和斜长石 , 质量分数分别为 3. 0% ~ 20. 5% 和 4. 0% 左右 , 另有少量白云石 、黄铁矿和赤铁矿等 。大安寨段岩石力学参数 : 上部 、下部灰岩泊松比为 0. 27 ~ 0. 37, 平均0. 33, 弹性模量为 51 ~ 81 平均 70 中部泥页岩泊松比为 0. 21 ~ 0. 38, 平均 0. 30, 弹性模量 18 ~46 平均 30 井身结构与井眼轨迹设计2. 1 井身结构设计涪页 1 井为一口预探井 , 钻井中不可预见的因素较多 , 实钻地质情况可能与预计有一定差别 , 存在易漏 、易塌等复杂情况 。确定井身结构时应充分考虑地层和压力的变化 , 套管程序的选择须为各开次钻井安全留有余地 。页岩气水平井后期要进行压裂施工 , 井身结构应考虑到完井压裂管柱的结构特点和工艺要求[ 2]。本井水平位移较长 , 合理的井身结构可以降低钻具摩阻和扭矩 , 有利于水平段的有效延伸[ 3]。综合考虑上述要求 , 根据待钻井的地层特点 、压力预测及相邻构造已钻井的实钻井身结构 , 确定涪页 1 井井身结构 , 如表 1 所示 。表 1 涪页 1 井井身结构 of 58. 8 30 476. 3 301 406. 4/444. 5 702 339. 7 7002 311. 2 2 409 244. 5 2 4073 215. 9 3 534 139. 7 3 5312. 2 井眼轨迹设计通过对比不同造斜点 、不同造斜率的几种轨迹设计 , 结合涪页 1 井地层特点和钻探要求 ,确定井身剖面采用 “直 平 ”单增井眼轨迹剖面 。设计造斜点 1 956. 31 m, A 靶点进入水平段 ,水平段长 1 135. 1 m, 如表 2 所示 。表 2 涪页 1 井井眼轨迹 of F -1井深 /( °)方位角 /( °)垂深 / ( °)工具面 /( °)备注0. 00 0. 00 0. 00 0. 00 0. 00 0. 00 0. 00 0. 00 0. 001 956. 31 0. 00 155. 15 1 956. 31 0. 00 0. 00 0. 00 0. 00 155. 15 造斜点2 149. 64 38. 90 155. 15 2 135. 13 63. 14 -57. 30 26. 54 20. 12 0. 002 368. 82 83. 00 155. 00 2 238. 95 250. 05 -226. 79 105. 30 20. 12 0. 002 398. 90 89. 06 155. 00 2 241. 00 280. 07 -254. 00 118. 00 20. 12 0. 00 99. 16 89. 06 155. 00 2 259. 00 1 380. 18 -1 251. 00 583. 00 0. 00 0. 00 34. 00 89. 06 155. 00 2 259. 66 1 414. 99 -1 282. 59 597. 63 0. 00 0. 003 施工难点分析( 1) 井身质量难以控制 。地质要求直井段每30 m 全角变化率小于 3°, 全井无键槽 、斜井段及水平段 , 实钻井眼轨迹平滑 , 狗腿角尽可能小 。涪页 1 井井上部侏罗系地层 , 易斜易漏 , 影响井身质量 ; 下部地层页岩 、灰岩 、砂岩互层分布 ,泥页岩和砂泥岩易水化剥蚀掉块 、易塌 , 井壁稳定性差 , 对钻井液性能提出较高要求 。( 2) 摩阻扭矩大 。涪页 1 井水平段超过1 100 m, 钻具与井壁的轴向摩擦和径向摩擦加大了起下钻阻力和扭矩 , 加之下部泥页岩层易坍塌掉块 , 更加剧了钻具与井壁的摩擦[ 4]。( 3) 机械钻速低 。上部砂岩地层石英含量高 ,且胶结致密 、硬度大 、研磨性强 , 可钻性差 , 影响机械钻速 。机械钻速低会影响下部页岩层井壁稳定 , 页岩层存在坍塌周期 , 钻速慢会增加水平段页—801— 石 油 机 械 2013 年 第41 卷 第8 期岩层垮塌的风险 , 因此需要优选高性能钻头 。( 4) 固井难度大 。水平段较长 , 且井身质量难以保证 , 下套管摩阻大 , 难以下到预定深度 , 套管居中度不够 ; 油基钻井液造成井壁及套管清洗困难 , 影响胶结质量和顶替效果 ; 页岩气层分段压裂对固井胶结质量和水泥石的弹性 、韧性及耐久性提出了更高的要求 。4 关键技术应用及效果分析针对可能存在的施工难题 , 该井应用了空气锤钻井 、油基钻井液 、漂浮下套管等技术措施 , 同时优化钻具组合和钻头选型 , 以达到安全 、快速钻井的目的 。4. 1 空气锤钻井技术空气锤钻井是一种低钻压 、低转速 、高冲击破岩回转钻进技术 , 兼有气体钻井和冲击回转钻井的双重效果 , 其主要优势表现在[ 5]: ①主要是冲击破碎岩石 , 可以提高机械钻速 ; ②转速低 , 保径能力强 , 可以长井段钻进 , 减少起下钻次数 ; ③能有效防斜纠斜 , 保证井身质量 。空气锤钻井可以降低钻井成本 , 缩短钻井周期 , 是目前解决硬岩钻井难题的一种有效方法 。二开空气钻井采用空气锤钻头 , 从井深 757 组合带有 279. 4 铤的塔式钻具 , 配合 311. 2 击钻头 , 使用 空气锤钻进 , 钻深至 1 872. 35 m 结束 。钻进层位为沙溪庙组 , 进尺 1 115. 35 m, 纯钻时间 50. 7 h, 平均机械钻速 22 m/h, 单日最高进尺 481. 5 m, 空气锤及配套冲击钻头出井完好 , 创川东地区空气锤钻井纪录 , 并超过当时国外空气锤在普光 301 -4 井创造的单日进尺和平均机械钻速 2 项纪录 , 钻井提速效果非常明显 。空气锤钻进钻具组合 : 311. 2 2. 12 m + 浮阀 ×0. 61 m + 279. 4 铤×18. 23 m +831 ×730 ×0. 46 m + 228. 6 铤×45. 67 m + 转换接头 ×0. 49 m + 203. 2 磁钻铤 ×8. 90 m + 203. 2 铤 ×26. 52 m + 转换接头 × 0. 44 m + 127 重钻杆 × 101. 61 m +127 杆 + 旋塞阀 + 133. 35 方钻杆 。钻井参数 : 钻压 20 ~30 转速 35 r/排量2 916 L/s, 立压 3. 2 . 2 钻头优选一开地层相对较软 , 选用 1 只 444. 5 轮钻头 ; 二开地层软硬交错 , 砂岩层硬度大 , 研磨性强 , 钻头损坏严重 , 采用空气钻井大大提高了机械钻速 。二开选用 311. 2 轮钻头 8 只 , 只 , 空气锤 1 只 ; 三开水平段选用 215. 9口 头 2 只进行复合钻进 , 提高了机械钻速 。涪页 1 井分段 、分层机械钻速如表 3、表 4 所示 。表 3 涪页 1 井分段机械钻速 of OP F -1项目 导管 一开 二开 三开 全井井段 /00 ~30. 0030. 00 ~696. 00696. 00 ~2334. 122 334. 12 ~3 570. 000. 00 ~3 570. 00进尺 /m 30. 00 666. 00 2 717. 88 2 031. 12 3 570纯钻时间 /h 35. 00 89. 33 690. 50 237. 58 971. 58机械钻速 /( m·h-1)0. 86 7. 46 2. 69 5. 20 3. 67表 4 涪页 1 井分层机械钻速 of OP ( m·h-1)遂宁组 0 ~50 50 1 0. 75 1. 11沙溪庙组 50 ~2 001 1 951 5 228. 33 8. 54凉高山组 2 001 ~2 240 139 5 267. 50 0. 52大安寨组 2 240 ~3 570 1 330 6 435. 75 3. 054. 3 油基钻井液体系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 。另外 , 其抗污染能力强 , 润滑性好 , 压差卡钻的概率小 , 而且性能稳定 , 易于维护 , 热稳定性好[ 6]。三开井段 2 334. 12 ~3 570. 00 m, 本着水平段防塌 , 润滑防卡及保护气层的原则 , 选用高性能无土相反转乳化油基钻井液体系 。进入 A 靶点后 ,密度控制在 1. 68 ~ 1. 72 g/ 油气显示后密度维持在 1. 71 ~1. 72 g/并根据工程设计和岩屑返出情况适时调整钻井液性能 。三开水平段平均井径 238. 3 井径扩大率 10. 38%, 水平段每 30 m 最大狗腿度 2. 1°。该井实钻证明 , 油基钻井液在大段页岩层钻进过程中施工顺利 , 井眼清洗能力强 , 井壁稳定性好 , 未出现坍塌掉块 , 保证了井身质量 。4. 4 漂浮下套管技术针对水平井下套管摩阻大 , 易遇卡 , 难以下到位的问题 , 该井采用漂浮下套管技术 。该技术利用密封装置在下部套管内密封形成一定的轻质溶液或气体 , 以减轻整个管柱在钻井液中的质量 , 从而减小套管对下壁的压力 。实践证明该技术可以有效克—901—2013 年 第41 卷 第8 期 马庆涛等: 涪页1 页岩气水平井钻井关键技术服套管在长水平段水平井中的高摩阻扭矩问题 , 能够有效防卡 , 保证套管顺利下入[ 7]。下套管施工过程中 , 生产套管下至技术套管鞋2 309. 06 m 处 , 循环 1 周 , 先注入密度 1. 50 g/2 再注入密度 1. 73 g/0算轻浆段长为套管底部 1 000 m, 套管悬重明显下降 , 如图 1 所示 , 漂浮效果良好 。出套管鞋后 10 根灌浆一次 , 缩短套管串静止时间 , 避免遇卡 。水泥浆体系采用胶乳防窜水泥浆体系和常规防窜水泥浆体系 , 具有较强的胶结能力和防气窜能力 , 确保固井质量 。图1 套管悬重随轻浆注入过程的变化曲线1 of 杂情况分析本井在造斜段出现上部页岩层垮塌 。工程现象 : 钻至 2 334. 12 m 循环起钻 , 起钻至 2 270. 00m 处上提遇卡 , 在 2 270 ~2 010 m 井段遇卡频繁 ,开泵上提及倒划眼过程中振动筛返出大量直径 3 ~4 片状页岩掉块 , 偶见直径 10 右的掉块 。原因分析 : 上部页岩层长时间浸泡在水基钻井液中 , 超过坍塌周期 。采取措施 : 多次通井清砂后调整井身结构方案 , 提前下入套管封隔 , 共计耗时85. 17 h。涪页 1 井复杂地层为凉高山底部至大安寨上部 , 岩性主要为页岩层 , 且含夹层 , 容易出现垮塌 。从钻开页岩层至井下出现垮塌 , 施工周期为23 d, 超过页岩层的垮塌周期 。因此钻开页岩层后应加快钻进速度 , 在页岩层垮塌周期内进行有效封隔 , 避免井下复杂情况的发生[ 2]。处理坍塌事故过程中机械清砂方式效果明显 , 但应避免破坏井壁 , 造成复杂情况加剧 。6 结论与建议( 1) 涪页 1 井通过综合应用空气锤钻井技术 、油基钻井液和漂浮下套管技术 , 同时优选钻头和钻具组合 , 有效提高了机械钻速 , 保证了井身质量 , 取得较好的钻探效果 , 值得在涪陵区块页岩气水平井开发中推广应用 。( 2) 空气锤钻井兼有气体钻井和冲击回转钻井的双重效果 , 具有机械钻速高 、保径能力强以及能有效防斜纠斜 、保证井身质量等优势 , 是解决硬岩钻井难题的一种有效方法 。( 3) 井壁稳定是页岩气水平井钻井的主要难题 , 如何保证在页岩层坍塌周期内快速穿过敏感地层是解决问题的关键 , 建议钻井过程中采用油基钻井液和进口 头 。( 4) 后期压裂施工对水平井井眼轨迹控制 、井身质量和固井质量提出了更高的要求 , 钻井过程中应保证井眼轨迹圆滑 , 狗腿度小 , 水泥浆胶结质量好 , 具有较强的弹性 、韧性和耐久性 。参 考 文 献[ 1] 黎红胜 , 汪海阁 , 纪国栋 , 等 . 美国页岩气勘探开发关键技术 [ J] . 石油机械 , 2011, 39 ( 9) : 78 -83.[ 2] 韩来聚 , 周延军 , 唐志军 . 胜利油田非常规油气优快钻井技术 [ J] . 石油钻采工艺 , 2012, 34 ( 3) :11 -15.[ 3] 裴建忠 , 刘天科 , 周飞 , 等 . 金平 1 浅层大位移水平井钻井技术 [ J] . 石油钻探技术 , 2009, 37( 1) : 87 -90.[ 4] 祁宏郡 , 闫振来 , 唐志军 , 等 . 金平 1 井长水平段水平井的设计与施工 [ J] . 中外能源 , 2010, 15( 2) : 56 -57.[ 5] 罗整 , 徐忠祥 , 李晓慧 , 等 . 空气锤钻井技术在气体钻井中的应用 [ J] . 钻采工艺 , 2007, 30 ( 6) :9 -10, 15.[ 6] 何振奎 . 泌页 油基钻井液技术 [ J] . 石油钻探技术 , 2012, 40 ( 4) : 32 -37.[ 7] 刘善祯 . 大位移水平井下套管受力分析及漂浮接箍设计 [ D] . 东营 : 中国石油大学 ( 华东 ) , 马庆涛 , 助理工程师 , 生于 1985 年 ,2011 年毕业于中国石油大学 ( 华东 ) 油气井工程专业 , 获硕士学位 , 现从事钻井工程设计工作 。地址 : ( 257017) 山东省东营市 。E - 63. 稿日期 : 2013 -01 -07( 本文编辑 谢守平 )—011— 石 油 机 械 2013 年 第41 卷 第8 期
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