彭水区块页岩气水平井钻井关键技术.pdf

第 4 1卷 第 5期 2 0 1 3年 9月 石 油 钻 探 技 术 P ETROLEUM DRI I LI NG TECHNI QUE S Vo l _ 4 1 No ． 5 S e p ． ， 2 0 1 3 ． ． 页岩气钻井完井专题 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 0 8 9 0 ． 2 0 1 3 ． 0 5 ． 0 0 2 彭水 区块 页岩气水 平井钻 井关键 技术 张锦宏 中国石化华东石油局 ， 江苏南京 2 1 0 0 1 9 摘要 页岩气作为一种新兴的油气资源已越来越受到重视， 国外页岩气勘探开发经验表明， 水平井是页岩气藏 成功开发 的关键之 一， 但 国 内勘探开发工作及 关键技 术研 究还 处于起 步阶段 ， 存在钻 速低 、 周期 长、 成本 高及钻 井中 易发生井漏等 问题 。结合 彭水 区块 4口页岩 气水平井的钻 井实践 ， 从 地层压 力、 地层岩性 、 岩石 可钻性、 页岩坍塌机 理及 页岩 气固井特殊要 求等方面入 手， 详 细分析 了气体 钻井、 旋转 导向钻井、 井眼轨迹控 制、 防 漏堵 漏、 钻井液优选 、 水泥浆体系优选、 井身结构优化、 钻头优选、 井眼净化等关键技术及现场应用效果， 并围绕页岩气钻井提速、 降低成本 提 出了一些建议 。 关键词 页岩气 水平井 钻井 固井 彭水 区块 中图分类号 TE 2 4 2 ； TE 2 5 6 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 ～ 0 8 9 0 2 0 1 3 0 5 0 0 0 9 0 7 Ke y Dr i l l i ng ＆ Co mpl e t i o n Te c h ni qu e s f o r S ha l e Ga s Ho r i z o n t a l W e l l s i n Pe ng s h u i Bl o c k Z h a n g J i n h o n g Ea s t C h i n a Pe t r o l e u m Bu r e a u， Si n o pe c ， Na i n g， Ji a n g s u， 2 1 0 0 1 9， C h i n a Ab s t r a c t S h a l e g a s ， a n e w k i n d o f e me r g i n g r e s o u r c e ， h a s d r a wn mo r e a n d mo r e a t t e n t i o n r e c e n t l y ． Th e s u c c e s s f u l e x p e r i e n c e s o f e x p l o r a t i o n a n d d e v e l o p me n t f o r s h a l e g a s i n s o me f o r e i g n c o u n t r i e s s h o w t h a t t h e h o r i z o n t a l we l l i s t h e k e y f o r s u c c e s s f u l s h a l e g a s d e v e l o p me n t ． Ho we v e r ， s h a l e g a s e x p l o r a t i o n a n d d e v e l o p me n t a n d r e l a t e d k e y t e c h n i q u e r e s e a r c h i n Ch i n a a r e s t i l l a t t h e p r i ma r y s t a g e ． En g i n e e r i n g d i f f i c u l t i e s i n s h a l e g a s we l l d r i l l i n g f a c e l o w p e n e t r a t i o n r a t e ， l o n g d r i l l i n g c y c l e ， h i g h c o s t a n d p o s s i b l e c i r c u l a t i o n l o s s ． B a s e d o n t h e d r i l l i n g p r a c t i c e o f 4 s h a l e g a s we l l s i n Pe n g s h u i Bl o c k， a n i n d e p t h r e s e a r c h o n f o r ma t i o n p r e s s u r e ， l i t h o l o g y ， d r i l l a b i l i t y， s h a l e c a v i n g me c h a n i s m a n d s p e c i a l r e q u i r e me n t s f o r c e me n t i n g wa s ma d e a n d t h e n k e y t e c h n i q u e s i n c l u d i n g a i r d r i l l i n g ， r o t a r y s t e e r i n g d r i l l i n g ， we l l t r a j e c t o r y c o n t r o l ， l e a k a g e p r e v e n t i o n a n d s e a l i n g， d r i l l i n g f l u i d s e l e c t i o n，c e me n t s l u r r y o p t i mi z a t i o n， we l l s t r u c t u r e o p t i mi z a t i o n， d r i l l i n g b i t s e l e c t i o n， we l l b o r e c l e a n i n g， a s we l l a s t h e i r e f f e c t i v e n e s s we r e a n a l y z e d ． Fi n a l l y s o me r e c o mme n d a t i o n s o n h o w t o i n c r e a s e p e n e t r a t i o n r a t e a n d t o l o we r c o s t we r e p u t f o r wa r d ． Th i s a r t i c l e mi g h t b e i n s t r u c t i v e f o r t h e d e v e l o p me n t o f s h a l e g a s wi t h s i mi l a r g e o l o g i c a n d r e s e r v o i r c o n d i t i o n s ． Ke y wo r d s s h a l e g a s ； h o r i z o n t a l we l l ； d r i l l i n g； we l l c e me n t i n g； P e n g s h u i Bl o c k 国外页岩气勘探开发 已有 8 0多年的历史 ， 通过 多年 的经验积累， 水平井 、 分支井 、 丛式井相继成为 国外 页岩气开发 的主要钻井方式 ， 技术成熟且取得 了良好效益口 ] 。我国页岩气地质储量 丰富， 但勘探 开发工作刚开始起步 ， 相关技术 尚在探索 ， 需要克服 的困难还很多。彭水 页岩气 区块位于川东南一 湘鄂 西地区四川盆地 ， 区域构造稳定 ， 自上而下主要地层 为第 四系、 下三叠系大冶组 ， 二叠系长兴组、 吴家坪 组 、 茅 口组 、 栖霞组和梁山组 ， 志留系韩家店组 、 小河 坝组和龙马溪组 ， 奥 陶系五峰组 、 临湘组和宝塔组 ， 其中下志留统龙 马溪组发育有厚度约 1 0 0 m 的黑 色页岩 。为进一步评价彭水 区块页岩气资源潜力 ， 落实页岩气单井产量 ， 探索水平井钻井工艺技术 的 收稿 日期 2 0 1 3 0 7 2 0 ； 改回 日期 2 0 1 3 0 9 1 8 。 作者简介 张锦宏 1 9 6 3 一 ， 男， 1 9 8 3年毕业 于华 东石 油学院钻 井工程专业， 2 0 0 3年 获石 油大学 北京 管理 专业硕 士学位 ， 教授 级 高级工程 师， 主要从 事石 油工程技术研究和管理 工作 。系本-1 0 编委。 联系方式 O 2 5 5 8 7 7 7 O 2 3 ， z h a n Nh ． h d s j s i n o p e c ． C O IT I 。 石 油 钻 探 技 术 适应性 ， 中国石化华东石油局近期在该区块开展了 相关试验和研究 ， 先后钻成彭页 HF 一 1井等 4口水 平井 ， 取得了良好的勘探开发效果， 对页岩气水平井 钻井完井有了更深入的认识[ ] 。笔者结合 4 V 1 井 的钻井实践 ， 分析探讨了彭水 区块 页岩气水平井钻 井关键技术 。 1 钻井 概况 截至 目前 ， 彭水区块已钻成彭页 HF 一 1 井 、 彭页 2 H F井、 彭页 3 H F井和彭页 4 HF井等 4口水平井 ， 其中彭页 H卜1 井为侧钻水平井 。4口井均采用三开 井身结构， 主要 目的层均为志留系的龙马溪组。 为了防止上部灰岩井段 出现井漏等复杂情况 ， 并有效提高机械钻速 ， 彭页 2 HF井 、 彭页 4 HF井一 开和彭页 2 HF井、 彭页 3 HF井 、 彭页 4 HF井二开 均采用了气体钻井技术。彭页 3 HF井在一开钻进 中， 由于地层出水量较大 ， 采用了常规钻井 。在井眼 轨迹控制方面 ， 彭页 HF - 1 井 、 彭页 3 HF井和彭页 4 HF井都采用 了旋转导向钻井技术 ， 彭页 2 HF井 采用了地质导向钻井技术 。4口井都使用了油基钻 井液钻进 目的层 井 段 ， 其 中彭 页 2 HF井 和彭 页 3 HF井使用了国产油基钻井液。4口井固井均采用 了高性能弹性水泥浆体系， 保证了固井质量 ， 满足了 后期压裂的需求 。在 三开钻进 中， 4口井均 出现 了 不同程度的井漏 ， 油基钻井液漏失量较大， 造成 了较 大的经济损失 。 关键技术及应用效果分 析 2 ． 1 气体钻井技术 彭水区块上部三叠系 、 二叠 系地层 灰岩发育 ， 漏失严重 ， 前期在大冶组、 吴家坪组等上部地层钻 遇溶洞性漏失 ， 钻井液失返 ， 使用投石子 、 注水泥 、 狄赛尔堵漏等多 种方法都效 果不佳 ， 如彭 页 1井 彭页 HF - 1 井 的导眼井 堵漏耗时长达 7 5 d ； 该地 层可钻性 差 ， 钻 头选 择 困难 ， 造 成钻 井施 工 投入 高 ， 机械钻速和生产 时效很低 ， 周期 长、 难度大 、 风 险大 ； 另外 ， 彭水 区块韩家店组和小河 坝组地层造 斜能力极强 ， 前期钻井过程 中， 钻至该地层 井斜角 难以 控 制 ， 其 中 彭 页 l井 的 最 大 井 斜 角 达 到 1 6 ． 1 0 。 ， 完钻 时井底位移达 2 4 0 ． 0 0 m。 空气钻井是当前防止井漏、 提高机械钻速的重 要手段之一 ] 。彭页 2 HF井 、 彭页 3 HF井和彭页 4 HF井 ， 在一开 、 二开或一二开井段采用 了空气钻 井技术， 并取得 了良好 的应用效果 4 4 4 ． 5 mm 井 眼平均机械钻速达 7 ． 0 9 m／ In ， 3 1 1 ． 1 mm井眼平均 机械钻速达1 5 ． 1 0 m／ h ， 较常规钻井提高 3 ． 2 ～6 ． 5 倍 ， 并节省 了大量的堵漏时问。 空气锤钻井技术可从根本上改变以往旋转钻井 的破岩方式， 实现冲击和旋转联合作用下的体积破 碎 ， 不仅能大大提高机械钻速L 5 ] ， 还能有效控制井 斜 ， 达到防斜打快 的目的。该技术在钻进韩家店组 和小河坝组地层时进行 了试验应用 ， 井身质量控制 较好， 最 大 井 斜 角 仅 为 3 ． 6 2 。 ， 最 大 井 底 位 移 为 5 0 ． 73 m 2 ． 2 旋转导向钻井技术 旋转导向钻井技术是钻柱能在旋转钻进过程 中 实现准确增斜、 稳斜 、 降斜等功能的一项新技术 ， 适合 开发特殊油藏的深井、 高难度定向井、 水平井 、 大位移 井等， 相比于传统导 向工具， 具有易传递钻压 、 确保井 眼清洁度、 提高井眼轨迹控制精度、 减少井下卡钻风 险、 提高钻井效率等优点， 该技术在水平段长、 井身质 量要求高的页岩气水平井应用中具有一定优势[ 6 ～ 一 。 彭页 HF 一 1 井由于导眼轨迹控制不理想 ， 侧钻点 以上井段最大井斜角达 1 6 ． 1 0 。 ， 反向位移 1 2 5 ． 1 7 m， 导致侧钻水平井轨迹控制难度较大。因此， 该井在 增斜井段和水平井段分别试验应用了E P i l o t 旋转 导向系统 ， 其钻具组 合为 声 2 1 5 ． 9 mm 钻头 E Z - P i l o t 旋 转 导 向系统 ≯ l 2 7 ． 0 mm 加 重钻 杆 1 柱 1 7 4 ． 5 mm震击器j 5 1 2 7 ． 0 mm加重钻杆 1 柱≠ 1 2 7 ． 0 mm钻杆 3 0柱≯ 1 2 7 ． 0 mm 加重钻 杆1 1 柱 1 2 7 ． 0 mm钻杆。施工过程 中， 采用低 钻压、 中转速的钻进参数 ， 井眼轨迹较应用常规螺杆 平滑 ， 且机械钻速得到了明显的提高 见表 1 。 后续 3口水平井也采用了旋转导向钻井技术， 其 中彭页 3 HF井、 彭页 4 HF井与采用螺杆钻具进行定 向钻进相比， 机械钻速分别提高 1 5 4 ． 3 和 4 0 ． O 。 2 ． 3 虚拟井地质导向方法 彭页 HF _ l 井采用了导眼井， 但该区块的勘探程 度较低 ， 地质资料欠缺， 地层产状 、 微小断层落实程度 差 ， 目的层钻遇率难 以保障。为此， 在彭页 2 HF井 、 彭页 3 HF井和彭页 4 HF井钻井过程 中进行 了技术 探索， 提出了无导眼井条件下 的虚拟井地质导 向方 法， 解决了无导眼井条件下的地层倾角计算、 非单斜 第 4 l卷 第 5期 张锦 宏． 彭水 区块 页岩 气水平 井钻 井关键技术 表 1 旋转导 向与滑动导 向钻 井效果对 比 Tab l e 1 Co mpa r at i v e e f f e c t s o f r o t a r y s t e e r i ng dr i l l i ng a nd c o nv e nt i o na l s l i d e s t e e r i ng d r i l l i ng 模式下的靶点预测难题。该方法 的原理是 ， 在理论人 窗后对轨迹进行模拟计算， 利用实钻资料估算地层倾 角、 判断钻头趋势 ， 从而调整轨迹参数 ； 并在水平段钻 进过程中不断对 目的层埋 深、 厚度 、 倾 角进行校准。 利用该方法 ， 彭页 2 HF井、 彭页 3 HF井和彭页 4 HF 井的储层钻遇率分别达到 8 7 、 1 0 0 和 1 0 0 。 2 ． 4防漏堵漏技术 彭水 区块页岩地层微裂隙发育 ， 裂缝宽窄不一 ， 分布无规律 ， 漏速一般为 1 0 2 0 m。 ／ h ， 主要呈以下 特点 ] 目的层龙马溪组漏失严重 ； 漏失层位和漏速 差别大 ； 重复性漏失现象较为突出； 微小漏失频繁， 大型漏失较少 。因此 ， 要求钻井液具备足够 的防漏 特性 。在钻井过程 中， 保证钻井液 中有一定浓度的 堵漏材料 ， 并通过钻井液罐液面监测钻井液体积 ， 及 时发现钻井液体积 的变化 ， 是预防漏失最主要 的方 法。当堵漏剂进入环空后观察漏失情况 ， 如果不漏 失则继续钻进 ， 堵漏失效则换用更大颗粒 的堵漏材 料进行堵漏。现场应用效果表明， 几次中大型漏失 均通过配置堵漏材料质量 浓度 高 的堵漏浆成 功封 堵 ， 同时需做好 以下几方面的工作 1 准确确定安全密度窗口。对于龙马溪组碳质 页岩地层 ， 地层的破裂、 漏失、 孔隙压力三者十分接近， 由于钻井液进入地层的阻力很小， 地层的漏失压力与 孑 L 隙压力十分接近。因此， 需要运用 C o u l o mb - Mo h r 准 则， 结合实钻数据， 准确计算出该区块水平井的安全密 度窗口。 2 选择合理 的钻井液黏度和切力。对于地层 松软 、 压力低的浅井段 ， 采用大直径钻头钻进时， 选 用低密度高黏切钻井 液， 以增大漏 失阻力 ， 防止井 漏 ； 对于深井的高压小井 眼井段或深井压力敏感层 段 ， 选用低黏切钻 井液 ， 以尽 可能降低环 空循 环压 耗 ， 防止井漏。 3 优化堵漏配方 。出现漏失时， 可先采用核桃 壳、 云母片等大颗粒 刚性堵漏材料配制1 5 ～3 O 的堵漏浆注入井内， 提钻静止堵漏 ， 小排量循环观察 漏失情况 ； 根据漏失情况再在油基钻井液 中加入刚 性封堵剂与页岩封堵剂等随钻堵漏材料 ， 可较好地 封堵页岩层的裂缝性漏失 ， 最大限度地控制漏失量。 4 优化堵漏工艺。出现漏失时 ， 首先 以一定泵 速泵人堵漏浆至漏失段。对于漏速较小 的情况 ， 可 以通过原有钻具组合 中泵入堵漏剂 ， 必要 时起钻下 入光杆钻具泵入堵漏剂， 先以低泵冲循环 ， 先利用液 柱压力进行静止堵漏 。然后缓慢提 高泵速 ， 使堵漏 浆进入裂缝 ； 若所钻地层的承压能力较弱 ， 为了防止 憋漏地层 ， 则可采用不关井静压堵漏的方式 。 2 ． 5 井壁稳定性分析及钻井液优选 研究表明 ， 钻井中井眼的稳定性、 油气层的保护 均与地层中黏土矿物的类型和特性密切相关 9 ] 。通 过室内分析 ， 龙马溪组地层岩性主要为黑色碳质页 岩 、 灰黑色页岩 ， 其中夹少量粉砂岩及泥岩 ， 矿物含 量主要 以黏土矿物和石英 2 6 ． 6 ～7 3 ． 1 为 主。 其 中黏土矿物主要 以伊利石 3 4 ～6 5 、 伊／ 蒙混 层 2 4 ～ 5 7 为主 。 结合黏土晶体的化学结构特征和特性 ， 以及龙 马溪组地层泥页岩的矿物组分和黏土矿物含量分析 结果 ， 认为在钻进龙马溪组地层时， 其主要的井壁失 稳风险是因伊利石及伊蒙混层矿物晶体分散及表面 吸水而产生的剥落掉块 ； 同时由于页岩层 的层理结 构特征 ， 在地层应力被破坏后 ， 很容易因应力的释放 而产生剥落掉块 。 分析认为 ， 保持井壁稳定主要从两方面人手 一 是选择强抑制性钻井液 ， 减少 因钻井液滤失而造成 的泥页岩地层吸水膨胀及剥落掉块 ； 二是确定合理 的钻井液密度， 以有效平衡上覆地层压力， 防止 因地 层被打开而产生的应力失衡 。 在页岩气水平井施工 中， 国外通常采用油基钻 井液并加人 良好的封堵材料 。油基钻井液以油为连 续相， 可以很好地抑制泥页岩的水化膨胀 ， 同时可以 在一定程度上降低摩阻， 保证钻井液的润滑性 ， 确保 长水平段钻井 的安全l 】 。因此， 针对彭水 区块页岩 地层的特点， 水平井钻井首选油基钻井液。根据地层 破裂压力 、 坍塌压力、 井眼方位和井深， 确定保持井壁 j 2 石 油 钻 探 技 术 稳定的钻井液合理密度范围。 2 ． 6 水泥浆体系优选 页岩气储层大规模分段压裂产生 的动态冲击载 荷会对水泥环产生较大的内压力和冲击力， 引起水泥 环的径向断裂； 另外， 当压裂作业的冲击作用大于水 泥石的破碎吸收能时， 水泥环就会破碎 。因此， 页岩 气井固井时不仅要求水泥环有一定的强度， 而且还要 求具有 良好的抗冲击能力和耐久性。 要使水泥石具有 良好的抗冲击能力 ， 就必须使 水泥石具有较低的弹性模量、 较好的抗折性和韧性 ， 水泥石弹性模量的降低主要是通过选用外加剂得 以 实现 ， 改善水泥石弹性 的关键在于弹性粒子的选择 和对加人量的控制， 弹性粒子 的加入量直接影 响油 井水泥石的的抗压强度和抗折强度 。对于油井水泥 石抗折性和韧性的提高 ， 可 以在水 泥基浆 中加入经 过表面改性的不 同长度 的聚丙烯纤维 ， 促进冲击能 量由冲击部位向水泥石 内部快速消耗 ， 减少因局部 能量蓄积导致的裂纹迅 速发展 ， 提高水泥石 的抗冲 击性能 ， 同时也有助于提高水泥环的抗拉强度 、 抗内 压强度 ， 并会减少射孔时微裂纹的数量_ 1 。 页岩气水平井固井一般要求水泥浆返至地面， 导致水泥浆返段很长， 彭水区块在前期钻井过程中， 其小河坝组 、 龙 马溪组地层均存在不 同程度 的漏失 现象， 若全部采用常规密度水泥浆极易压漏地层 ， 而 如果全部采用低密度水泥浆则无法保证 固井质量。 因此采用双密度水泥浆 固井工艺。通过计算一般 以 井深2 1 0 0 m为界 ， 上部 为低密度水 泥浆 ， 下部为常 规密度水泥浆， 可满足彭水 区块页岩气水平井 的固 井质量要求 ， 因此该区块采用了“ 1 ． 4 5 k g ／ L低密度 缓凝水泥浆 1 ． 8 8 k g ／ L高胶结 弹性 防气 窜水泥 浆” 的固井方案 。同时， 结合 以下工艺措施 ， 有效确 保固井质量， 满足后续压裂施工及生产的需要 1 采用 S C W 驱油型隔离液与冲洗液， 可以对 油基钻井液钻进井段产生润湿反转作用 ， 同时也具 有冲洗驱油效果 ， 提高水泥与井壁及套管壁 的胶结 质量 。 2 水平段选用适合长水平段水平井 的整体式 双弓扶正器 ， 该扶正器居 中能力强 ， 且在下入过程中 不容易损坏 ， 对井壁和 自身均能起到有效保护。造 斜段侧 向力较大 ， 故斜井段选用刚性旋流扶正器 ， 可 保证套管的居中度 。 3 利用固井设计软件进行辅助计算 ， 保证井 内 压力平衡和优选施工参数 ， 利于井内施工安全 和提 高顶替效率。 4 水平井段采用密度为 1 ． 3 5 k g ／ I 的水泥浆 顶替， 使套管在浮力作用下有 向井壁高边漂浮的趋 势， 减小套管的偏心程度 ， 提高水泥浆的顶替效率 。 2 ． 7 井身结构优化 地层孔隙压力、 坍塌压力 和破裂压力剖面的建 立对井身结构优化 、 优选钻井方式、 保证钻井各作业 环节中井眼稳定 ， 以及提高钻井的综合经济效益具 有十分重要 的意义。 针对泥页岩地层通常采用声波时差伊顿法确定 地层孔隙压力 ， 即用正常压实泥页岩井段声波时差与 其对应的埋藏深度按半对数关系回归， 建立声波时差 的正常趋势线。若研究层位的声波时差落在正常趋 势线上， 即为正常压力地层 ； 若偏离正常趋势线 ， 为异 常压力地层。由此通过邻井声波时差数据计算求出 彭水区块地层压力数据， 并可绘制地层压力剖面图。 如彭页 H卜1 井地层压力剖面见图 1 。 图 1 彭 页 H F - 1井地层压力剖面 Fi g ．1 Fo r mat i o n pr e s s u r epr o f i l e o fW e l lPe n g y e唧_l 从图 1 可以看出 ， 彭水地 区地层孔 隙压力略高 于地 层 坍 塌 压 力 ， 主要 目的 层 龙 马 溪 组 井 深 2 1 3 0 m 的地层孔隙压力系数为 0 ． 9 5左右 ， 与地质 预测吻合较好， 地层压力系数曲线平滑， 不存在地层 异常高压带； 地层破裂压力系数随着井深的增加变化 趋势较缓， 整体位于 1 ． 6以上 ， 破裂压力系数较大， 可 以看出该区块岩性较稳定、 胶结较好。但地层坍塌压 力逐渐增大 ， 目的层段底部有突变 ， 接近地层孔隙压 力。前期钻井资料显示 ， 龙马溪组地层上部灰质泥岩 存有明显缝隙特征， 已钻井在该层位均有不同程度的 漏失现象。因此， 根据 以上分析结果， 结合邻井的漏 失情况 ， 设计为三级井身结构 ， 其中技术套管下深以 封固龙马溪组上部易漏失地层为主要原则 。兼顾大 井斜角段的轨道设计， 可兼顾考虑将技术套管下至井 斜角约 6 O 。 的位置 ； 若使用空气钻井， 则技术套管下人 第 4 1卷第 5期 张锦 宏． 彭水 区块 页岩 气水平 井钻 井关键技 术 造斜点以上 2 0 3 0 r n ， 为降低下部井段钻进过程 中 的摩阻扭矩创造 良好条件 ， 该井身结构设计还考虑到 测井因素。经验表明， 井斜角大于 6 5 。 的井段需要采 用钻杆输送测井仪器， 因此二开井段就可采用常规 电 缆测井， 且表层套管下深 同样不受测井限制 。综上， 彭水区块水平井井身结构可参照表 2进行设计 。 表 2 彭水 区块 已钻水 平井井身结构 设计参数 Ta bl e 2 De s i g ne d p a r a me t e r s f o r c as i n g pr og r a ms o f dr i l l e d ho r i z o n t a l we l l s i n Pe n g s hui Bl o c k 套管钻头尺寸／ 垂深／ m 套管尺寸 封 固原则 mm ／ mm 2 ． 8 地层可钻性研究及钻头优选 室 内对彭页 1 井取心岩样进行 了岩石硬度及塑 性 、 抗压强度、 可钻性等 3个 方面的研究 ， 掌握 了彭 水 区块页岩 的主要力学特性。同时， 利用前期钻井 、 测井资料对全层段进行了可钻性分析 。 2 ． 8 ． 1 岩 石硬 度试 验 通过岩石工程力学特性参数测定仪对岩石硬度 进行试验 ， 结果显示 ， 彭水 区块龙马溪组地层岩石硬 度平均 为 7 4 6 ． 3 4 MP a ， 塑 性系数 为 1 ． 1 。分析认 为， 龙马溪组地层岩石 属于 中高硬度、 轻脆性岩石 ， 对于这种岩石 ， 需要优选适合的钻头、 合理的钻井参 数 ， 以达到提高机械钻速的 目的。 2 ． 8 ． 2岩石抗 压 强度试 验 岩石 的单轴抗压强度试验 ， 是把岩样放在托盘 与压头之间， 施加轴向载荷直至破坏， 岩样破坏时的 应力值 即为岩石 的抗压强度 。岩石 的抗压强度虽然 受到其 围压 的影 响， 但 由地面试验仍可总结 出岩石 的主要抗压特性 ， 试验显示井深 2 0 7 3 m处龙马溪 组地层岩石的抗压强度为 6 4 MP a ， 岩石平均弹性模 量2 4 3 7 ． 6 4 MP a ， 属于中等抗压强度 。 2 ． 8 ． 3岩石 可钻 性试验 在室 内模拟真实钻进条件下 ， 采用微钻头测试 岩样 的力学性能是 目前常用岩石可钻性试验方法 ， 将试验数据代入相关钻速方程进行计算则可求得岩 石的可钻性 。由计算出的彭页 1井页岩可钻性试验 数据可知， 彭水 区块龙马溪组地层岩石可钻性级值 较高， 可钻性较差 ， 在钻井 中需要优选钻头 ， 改进钻 井工艺 以提高机械钻速。同时 ， 依据钻井资料和测 井资料 ， 对岩石特性进行分析， 并通过软件计算可得 出彭水区块的岩石可钻性规律。 2 ． 8 ． 4钻 头优 选 根据可钻性 曲线 见 图 2 ， 彭水 地区岩石 可钻 性级值呈现上部和下部高而 中间低 的特点 ， 上部的 长兴组 、 茅 口组地层富含燧石团块 ， 是致上部地层可 钻性级值高、 可钻性较差的根本原 因。进入下部志 留系小河坝组地层至 目的层龙马溪组可钻性级值达 7 ～8 ， 可钻性较差。根据各层位地层可钻性级值的 分布情况 以及 P D C钻头与牙轮钻头破岩机理 ， 茅 口 组 以上及下部志留系小河坝组至龙马溪组地层推荐 使用牙轮钻头， 中部韩家店组及小河坝组上部地层 推荐使用 P D C钻头钻进 ， 以提高钻井效率 。 可钻性级值 层位 井深／ m 3 5 O 8 5 0 长 兴 组 3 0 2 m 家 坪 组 3 7 0 m 茅 口组 6 8 8 m 5 0 0 柚 霞 组 7 58 m l I l l I Hf 7 02 m l 曼 1 0 0 0 韩家店组 f1 487 m 1 睾 小河坝组 1 5 0 0 r 1 7 4 8m1 龙马溪组 2 0 0 0 一 2 1 4 0i n 图 2彭页 1井可钻性 曲线 Fi g ． 2 Dr i l l a bi l i t y c u r v e o f W e l l Pe ng y e 1 具体而言， 根据试验及计算结果 ， 彭水区块小河 坝组上部地层 以灰 色、 灰绿色泥 岩为主 ， 下部 以灰 色 、 灰绿色粉砂岩与泥质粉砂岩互层为主， 可钻性级 值变化较大 ， 上部在 4 ． 5 ～5 ． 5之 间， 下部在 5 ． 5 ～ 7 ． 5之间 ， 推荐采用 HJ 5 1 7 G型三牙轮钻头 ； 对含有 燧石井段可使用高密度及露齿高度呈梯度变化的全 掌背布齿形式 、 保径能力强 、 稳定性和水力效果好的 牙轮钻头， 如 S J T5 3 7 GK型 三牙轮 钻头； 目的层龙 马溪组地层岩性以黑色碳质页岩为主 ， 可钻性级值 7 ． 5 左右 ， 结合龙马溪组页岩的试验结果 ， 推荐采用 石 油 钻 探 技 术 声 1 9 ． 0 mm 复合片、 5 ～6 刀翼 、 具低抛物线冠部特点 的 P DC钻头， 如 WHMGE 4 6 1 5 型钻头 。 2 ． 9井眼净化 技术 对于页岩气水平井而言 ， 随着井斜角的增大， 水平 段的增长， 在重力作用下钻具靠向井眼低边， 钻具与下 井壁之间的钻井液流速大大降低， 当钻具不旋转时， 流 速几近为 0 ， 失去了悬浮携带能力， 岩屑就会沉积于井 眼低边形成岩屑床[ 1 ， 导致起下钻遇阻、 遇卡现象时常 发生。如彭页H F - 1 井在钻至井深3 0 0 0 r n时， 出现起 下钻阻卡现象。 从井眼净化影 响因素角度分析 ， 岩屑床与钻井 液性能 、 井径扩大率、 机械钻速 、 钻具转速、 钻井液排 量等关系密切 ， 因此现场施工时需采取 以下措施 1 优化钻具组合 ， 为携岩创造条件。在钻井液 性能及排量相同的情况下， 采用旋转导向钻进方式 能够获得更大的排量 ， 更利于净化井眼。 2 合理调整钻井液性能。钻井液的塑性黏度、 动切力和密度越大 ， 越容易清除岩屑 ， 可适当提高钻 井液 的密度 、 黏 度及 切力 ， 达到 清 除环空 岩屑 的 目的 。 3 加强短程起下钻清除岩屑。定期进行短起 下钻作业 ， 起下钻过程 中分段循环 ， 通过划眼等机械 方式处理破坏岩屑床。 4 选择合理钻井速度和钻进方式 。彭水 区块 龙马溪组页岩气水平井机械钻速普遍低 于 4 m／ h ， 应重点考虑钻具转速对井眼净化 的影响， 并尽可能 采用复合钻进方式。 5 优化钻井设计。在进行钻井设计时 ， 应充分 论证地层的稳定性 ， 水平井 眼方 向尽可能与地层最 大主应力方向重合 ， 避免钻进 中出现井壁失稳和坍 塌 ； 优选旋转导 向工具， 减少因地质变化带来的轨迹 调整， 保证井眼轨迹圆滑。 3 提速降成本 的几点建议 困扰页岩气水平井钻井提速和降低成本的主要 问题是 ， 地质认识程度较低 ， 地表条件复杂 ， 上部灰 岩及下部龙马溪组地层易漏失 ， 页岩层段井壁稳定 性差 ， 油基钻井液、 旋转导向等关键技术服务费用高 等。但笔者认为 ， 随着地质认识程度的不断提高和 经验的不断积累， 必将形成行之有效的技术系列 ， 促 使钻井效率 提高， 成本降低 ， 达到实现商 业开发的 目的 。 3 ． 1 提速工 艺和技 术 1 井身结构优化设计技术 。根据页岩地层及 埋藏的特点 ， 有针对性地优化井身结构， 满足高效 、 安全、 保质及低成本要求 。通过 区块地质认识 程度 的提高和实钻经验的完善 ， 持续优化工程设计 ， 选择 合理的井身结构可减少井下故障的发生 。尤其是开 发井 ， 若采用二级井身结构或小尺寸的三级井身结 构 ， 能大大缩短钻井周期 ， 降低成本。 2 空气钻井技术 。彭水 区块上部三叠系、 二叠 系等地层洞隙发育， 可钻性差 ， 钻井难度大 ， 在这一 层段使用空气钻井技术 ， 虽然增加了一些费用， 但对 地层防斜、 防漏有显著效果 ， 保证了工程质量， 且大 幅缩短了堵漏时间； 另一方面 ， 能极大地提高机械钻 速， 缩短钻井周期 。综合成本具有优势 ， 是一种提速 降低成本的有效方法。实践表 明， 若采用空气锤钻 进 ， 机械钻速还会进一步提高 。 3 优选高效钻头。页岩地层多呈均质性强的特 点， 该类地层较适合于采用 P D C钻头钻进。因此， 在 页岩气水平井段通过优选高效 P D C钻头， 可达到提 速 目的， 通过前期试 验表明， 一 只钻头一趟钻完成 1 0 0 0 m左右的水平井段是完全可行的。 4 控压钻井技术l 1 引。由于页岩渗透率极 低 ， 发生井喷的可能性不大 ， 因此在钻井 中， 控压钻井能 够准确控制静态钻井液密度和当量循环密度 ， 实时 调整流入和损失量 ， 能够很好地解决 页岩地层 的井 壁坍塌问题， 近年来控压钻井技术已在 国外页岩气 水平井钻井中得到越来越多的应用。因此， 加强 该 项技术在页岩气钻井过程 中的试验和推广， 可在一 定程度上控制页岩水平层段垮塌 ， 减少井下故障， 提 高钻井效率。 3 ． 2 降低成本 的工艺和技术 1 用仿油基或水基钻井液代替油基钻井液。为 了防止或减少钻井中的井眼坍塌 ， 一般多使用油基钻 井液 ， 这也成为页岩气水平井钻井成本居高不下的一 个重要原因l 1 引 。国内近年来已在页岩水平井段进行 了水基钻井液的尝试 ， 取得了一定效果 。随着技术的 不断进步 ， 在保证井壁稳定 的前提下， 优化出满足页 岩地层钻进的仿油基或水基钻井液， 来代替油基钻井 液可极大地降低钻井成本特别是漏失造成的成本。 2 油基钻井液重复利用。从单 口井来看 ， 油基 钻井液的成本确实比较高 ， 但是若以“ 井工厂” 方式 大规模开发， 重复利用油基钻井液 ， 将单 口井油基钻 第 4 1卷第 5期 张锦 宏． 彭水 区块 页岩 气水平 井钻 井关键技术 井液 的成本分摊到多 口井 ， 能有效降低成本 ， 同时对 实现绿色低碳 、 加强资源节约具有十分重要 的意义。 3 旋转