川南探区页岩气水平井钻井技术.pdf

第 4 2卷 第 5期 2 0 1 4年 9月 石 油 钻 探 技 术 PE TROl EUM DRI LLI NG TECHNI QUES Vo 1 ． 4 2 No ． 5 Se p ．， 201 4 ． ． 页岩气工程技术专题 d o i 1 0 ． 1 1 9 1 1 ／ s y z t j s ． 2 0 1 4 0 5 0 0 8 川南探 区页岩 气水 平井钻 井技术 蓬嘉责 中石化西南石油工程有限公司 ， 四川成都 6 1 0 0 4 1 摘要 川 南探 区存在地层 古老 、 可钻性差 、 机械钻速慢 、 钻井成本 高及投资收 益低等 问题 ， 为实现该探 区页岩 气高效勘探开发， 在分析探区工程地质及钻井工程技术难点的基础上， 结合页岩气储层改造技术要求， 开展了井身 结构 方案优 化、 优快钻 井技 术以及 经济成本分析 ， 形成 了以 机3 9 ． 7 mm套 管完井的三开钻井技术方案 ， 指 导完成 了 wY1 井、 YY1井等探井的设计， 为川南探区第一轮页岩气勘探提供了技术指导。 关键词 页岩 气 水平 井 钻 井 川南探 区 中图分类号 TE 2 4 3 。 。 ． 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 - 0 8 9 0 2 0 1 4 0 5 0 0 4 7 0 5 Di s c u s s i o n o n S ha l e Ga s Ho r i z o nt a l Dr i l l i ng Te c h no l o g y i n S o u t h e r n S i c hu a n Ta n g J i a g u i S i n o p e c Xi n a n Oi l f i e l d S e r v i c e C o r p o r a t i o n， C h e n g d u ， S i c h u a n ， 6 1 0 0 4 1 ， C h i n a Ab s t r a c t Th e e x p l o r a t i o n a r e a i n S o u t h e r n S i c h u a n i S p r e s e n t i n a n c i e n t s t r a t a 。 wh e r e d i f f i c u l t i e s s u c h a s p o o r d r i l l a b i l i t y， s l o w p e n e t r a t i o n r a t e ， h i g h d r i l l i n g c o s t a n d l o w i n v e s t me n t r e t u r n e x i s t ． To a c h i e v e a n e f f i c i e n t s h a l e g a s e x p l o r a t i o n i n t h i s e x p l o r a t i o n a r e a ， we c a r r i e d o u t a c t i v i t i e s i n c l u d i n g we l l s t r u c t u r e o D t i mi z a t i o n， o p t i ma l a n d f a s t d r i l l i n g t e c h n o l o g y a n d e c o n o mi c c o s t a n a l y s i s o n t h e b a s i s o f a n a l y s e s o n d r i l l i n g t e c h n i c a l d i f f i c u l t i e s i n t h e e x p l o r a t i o n a r e a a n d s h a l e g a s r e s e r v o i r s t i mu l a t i o n t e c h n o l o g y r e q u i r e me n t s ． As a r e s u l t ， 8 d r i l l i n g p r o g r a m b a s e d o n t h r e e t i me s o f s p u d d i n g a n d c o mp l e t i o n wi t h 1 3 9 ． 7 mm c a s i n g s wa s d e v e l o p e d ， wh i c h g u i d e d t h e d e s i g n o f W Y1 a n d YY1 e x p l o r a t o r y we l l s s u c c e s s f u l l y a n d p r o v i d e d t e c h n i c a l g u i d a n c e f o r t h e f i r s t r o u n d s h a l e g a s e x p l o r a t i o n i n S o u t h e r n S i c h u a n ． 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 ； S o u t h e r n S i c h u a n J I f 南探 区主要包 括井研一 犍 为、 威远一 荣县 、 荣 昌一 永川 、 荣县一 宜宾、 赤水等区块 ， 勘探层位为筇竹 寺组和龙 马溪组 ， 与邻 区的长宁一 威远 、 富顺一 永川等 页岩气开发区块的沉积特征相似 ， 均位于深水陆棚 有利沉积相带 ， 预测页岩气地质资源量 1 5 ． 4 1 O n 1 3 ， 具有良好的页岩气勘探开发潜力_ 1 ] 。 川南探 区页岩气藏属 于低品位油气藏 ， 成藏地 质条件复杂 ， 自上而下发育有侏罗系沙溪庙组 、 凉高 山组、 自流井组 ， 三叠系须家河组 、 雷 口坡组 、 嘉陵江 组 、 飞仙关组 ， 二叠系长兴组 、 龙潭组 、 茅 口组 、 栖霞 组 、 梁山组 ， 志留系韩家店组、 石牛栏组 、 龙马溪组和 奥陶系五峰组地层 ， 地层古老 、 可钻性差 、 各 向异性 大 ， 探井钻井过程 中存在易发生井下故障、 机械钻速 慢 、 钻井周期长、 钻井成本 高及投资收益低等问题。 为实现探 区内页岩气高效勘探 ， 在分析邻 区页岩气 井实钻资料的基础上 ， 结合探 区工程地质及技术难 点， 开展了井身结构优化 、 优快钻井技术以及经济性 分析 ， 形成了以 1 3 9 ． 7 mm套管完井的三开井身结 构优化方案， 并配套 了相应的优快钻井技术 。 1 钻井工程技术难点 川南 探 区 龙 马 溪 组 地 层 埋 深 2 8 0 0 ． O 0～ 4 2 0 0 ． O 0 m， 结合邻区实钻情况分析工程地质特征 ， 收稿 日期 2 0 1 4 0 7 2 5 ； 改回 日期 2 0 1 4 0 9 0 8 。 作者简 介 唐嘉 贵 1 9 5 6 ～ ， 男， 云 南昭通人 ， 1 9 7 8年毕业 于西 南石 油学院钻 井工程 专业 ， 高级 工程师 ， 长期从事石油天然气钻井研 究及 管理 工作 。 联 系方式 5 9 7 2 4 1 0 q q ． C O F I I 。 基金项 目 国家科技重大专项课题“ 低渗气藏复杂地层高效钻井 关键技 术” 编号 2 0 1 1 Z X0 5 0 2 2 0 0 5 部分研究成果。 石 油 钻 探 技 术 认为主要存在以下钻井技术难点 1 上部地层溶孔洞、 煤层、 断层 、 裂缝发育 ， 存 在井漏风险。邻区威远 、 焦石坝等区块在钻井 中普 遍存在井漏问题 ， W7 9 井 、 W2 0 1井和 Wl 1 6 井等在 须家河 组嘉 陵 江 组 地 层 发 生 失 返 性 漏 失_ 5 ] ， J Y3 HF井和 J Y4 HF井等在嘉陵江组、 龙马溪组地层 发生裂缝 性漏失 。 2 上部陆相地层可能含有水层 ， 受地层 出水和 井壁垮塌影响， 气体钻井应用井段和提速效果受限。 邻区 Z S 1井在 7 5 6 ． 0 0 ～7 6 0 ． 0 0 m 井段钻遇水层 ； W2 0 1 一 H1 井应用空气锤钻至井深 1 9 3 ． 2 0 m时地层 出水 ， 出水量 1 2 0 m。 ／ h ； W2 0 1 一 H3井充气钻进至井 深 8 5 ． 0 0 m时地层 出水 ， 出水量 2 0 m。 ／ h ； L S 2井用 泡沫钻至井深 2 8 0 ． 5 0 m时地层 出水 3 0 0 0 m。 ， 被迫 转换钻井方式l 6 ] 。 3 地层复杂 ， 可钻性差 ， 机械钻速低 ， 钻井周期 长E 7 - 1 o ] 。陆相地层厚度大， 砂泥岩互层、 岩石软硬交 错频繁 ， 海相地层岩性复杂 ， 嘉陵江组地层发育石膏 层 ， 龙潭组、 茅 口组一栖霞组、 韩家店组地层可钻性 差 ， 机械钻速低 ， 钻井周期长 ， 邻区威远一 长宁区块龙 潭组一栖霞组地层钻速低 1 ． 3 4 ～2 ． 7 9 m／ h ， 韩家 店组一石牛栏组地层钻速低 1 ． 5 7 ～2 ． 2 9 m／ h 。 4 川南龙马溪组页岩气探 区大都处于斜坡带 上 ， 容易发生井斜 。邻 区 W2 O l H1井直井段钻至 井深 1 1 3 5 ． o 0 m时井斜角达 1 4 ． 2 5 。 ， D S 1井直井钻 至井深 1 1 5 5 ． 0 0 m时井斜角达 1 1 ． 1 5 。 。 5 侧钻水平段安全施工风险大 。龙马溪组地 层岩性以黑色硅质页岩为主， 岩石硬而脆 ， 易掉块并 出现破碎性垮塌 ； 同时 ， 黏土矿物含量高， 以伊利石 为主 ， 对流体敏感性强 ， 易剥蚀掉块 ， 且地层微裂缝 发育 ， 钻井液滤液容易沿微裂缝进 人地层 内部 ， 破 坏泥页岩的胶结 性 和原有 的力学平衡 ， 导致 岩石 碎裂 ， 引起 井壁 失稳 。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 因素影 响 ， 侧钻大斜度井段 及水 平段更 易 出现 井壁 失稳 ， 邻 区 W2 0 1 一 H1 井和 W2 O 3 一 H3井的水平段均未钻至 设计井深[ 1 1 - 1 4 ] 。 2 井身结构优化设计 2 ． 1 必封点设计 川南探 区陆相须家河组以浅地层预测为常压地 层 ； 预测雷 口坡以深地层油气水 中含硫化氢 ； 龙潭组 地层含铝土质泥岩， 水敏性强 ； 嘉 陵江组石膏发育 ； 龙潭组、 茅 口组一栖霞组和韩家店组地层可钻性差， 预测发育多套气层 ， 可能钻遇缝洞发育带并 出现放 空 、 井漏 、 井喷等强烈显示 ； 斜井段及水平段穿越 目 的层龙马溪组 ， 页岩发育 ， 容易发生井壁失稳 。 根据页岩探区内压力剖面和地质工程特点 ， 参 考邻 区实钻三开井身结构特点， 依据有利于安全 、 优 质 、 高效钻井和油气层保护的原则 ， 第一必封点设计 在雷 口坡组顶部 ， 封隔须家河组上部不稳定 、 易漏地 层 ， 为二开钻井提供井控条件 ； 第二必封点设计在石 牛栏组顶部 ， 封雷 口坡组韩家店组地层， 为侧钻水 平段提供安全钻进井筒条件 。 2 ． 2井身结构优化 根据国内外页岩气勘探开发经验 ， 井身结构设 计的关键在于确定套管承压能力， 以保证后期大规 模压裂改造施工 中井筒承压 的要求 。为此 ， 基于安 全建井及 降本增效原则 ， 参考邻区焦石坝 、 丁山和威 远等页岩气 区块 的实钻 资料 ， 预测 破 裂压力 梯度 2 ． 7 MP a ／ 1 0 0 m， 结合套管或泵送 可钻式 桥塞压 裂 改造工艺， 选用 1 7 7 ． 8 1 T I I T I 套管才能满足 l 0 m3 ／ rai n 以上大排量改造需要 ， 并形成了“ 直导眼 水平井” 三开井身结构设计方 案 导 眼， 6 0 9 ． 6 mm 钻头 1 0 2 ． 0 0 m， 5 0 8 ． 0 mm导管 x 1 0 0 ． 0 0 m， 封隔上部易 漏层及浅层水； 一开， 0 6 ． 4 I T l l n钻头 x1 2 0 2 ． 0 0 m， 3 9 ． 7 mt n表层套管 1 2 0 0 ． 0 0 m， 封隔须家河组及 以浅地 层 ； 二 开 ， q , 3 1 1 ． 1 mm 钻 头 3 1 8 2 ． 0 0 m， 2 4 4 ． 5 I -ri m技术套管 3 1 8 0 ． 0 0 I T I ， 封 隔须家河组 及以浅地层 ； 三开， 7 , 2 1 5 ． 9 mm 钻头 5 0 1 8 ． 0 0 m， j 5 1 7 7 ． 8 i n m油层套管 5 0 1 6 ． 0 0 m， 先悬挂后 回接 。 考虑采用 1 7 7 ． 8 mm套管完井 的三开井身结 构具有钻井成本高的缺点， 在满足油层套管承压条 件下 ， 全 井 采 用 ≠ 1 3 9 ． 7 mm 套 管 ， 在 套 管 限 压 9 0 MP a 下预测施工排量达 1 0 m。 ／ mi n以上， 满足泵 送桥塞分段压裂改造施工排量要求 ， 为此将油层套 管尺寸由 7 , 1 7 7 ． 8 I i l m 优化为 9 5 1 3 9 ． 7 1 T i m套管 。优 化 后 的 井 身 结 构 为 导 眼， 声 6 O 9 ． 6 mit t 钻 头 1 0 2 ． 0 0 1T I ， 7 , 5 o 8 ． 0 mm导管 1 0 0 ． 0 0 m， 封隔上部易 漏层及浅层水； 一开， O 6 ． 4 lT l r n钻头 1 2 0 2 ． 0 0 I T I ， 3 3 9 ． 7 mm表层套管 l 2 0 0 ． 0 0 r n ， 封隔须家河组及 以浅 地 层； 二 开， 3 1 1 ． 1 1 T I I I 1钻 头 3 1 8 2 ． 0 0 n l ， 2 4 4 ． 5 n 1 m 技术套管3 1 8 0 ． 0 0 m， 封隔须家河及以浅 地层； 三开， 1 5 ． 9 1T ff n钻头5 0 1 8 ． 0 0 1 T I ， 1 3 9 ． 7 r n l T l 技术套管5 0 1 6 ． 0 0 r n ， 全管柱固井。 第 4 2卷第 5 期 唐嘉贵． 川南探区页岩气水平井钻井技术 3 优快钻井技术 针对川南探区的钻井工程技术难点 ， 借鉴威远一 长宁、 礁石坝等邻区完钻井的钻井提速成功经验 ， 对 现有优快钻井技术 进行集成攻关 ， 提 出了配套 的钻 井技术方案 。 3 ． 1 泡沫／ 气体钻井技术 导眼／ 一开井段钻遇的沙溪庙组至须家河组地 层 ， 具有砂泥岩软硬交错变化大 ， 泥页岩或砂泥岩易 水化剥蚀掉块、 易塌 ， 砂岩石英含量高 ， 可钻性差等 特点， 存在常规钻井钻速慢 、 周期长等问题 。邻 区上 部陆相地层采用泡沫／ 气体钻井提速防漏效果显著， 其中 L S 2井导眼采用气体钻井 ， 钻速 2 ． 9 2 m／ h ， 较常 规钻井提高 4 ． 7 2倍 ， W2 0 1 3 H 井导眼采用气体钻 井 ， 钻速 6 ． 6 7 m／ h ， 较 常规钻井 提高 3 ． 2 5倍 见 图 1 。为实现川南探 区页岩气井上部井段提速， 导管／ 一 开井段推荐采用泡沫／ 气体钻井技术 ， 以达到防漏 提 速的 目的 。 L 2 O l H1 W 2 O 卜H3 J Y1 3 1 HF LS 2 井 号 井 图 1 邻 区泡沫／ 气体钻井提速效果对 比 F i g ． 1 T h e e f f e c t c o mp a r i s o n o f i n c r e a s i n g f o a m／ g a s d r i l l i n g s p e e d i n a d j a c e n t r e g i o n s 3 ． 2 复合钻井技术 须家河组 以深为海相地层 ， 尤 其是龙潭组一栖 霞组 、 韩家店组一石牛栏组等地层古老 、 研磨性 强、 可钻性差 ， 且普遍含硫化氢 ， 为保证井控安全 ， 不采 用气体钻井提速 。邻区探井在海相地层推广复合钻 井技 术 后 提速 效果 显 著 ， 其 中 J Y4 HF井 韩 家 店 组龙马溪组采用复合钻井施工井段 1 6 6 8 ． 0 7 ～ 2 4 9 6 ． 9 4 m ， 机械钻速 1 0 ． 8 m／ h ， 较 常规钻井提速 2 9 4 ； DY1 HF井茅 口组石 牛栏 组 1 2 0 7 ． 8 0 ～ 1 7 9 3 ． 0 5 m 井 段 采用 复 合钻 井 施工 ， 机 械钻 速 6 ． 0 0 m／ h ， 较常规钻井提速 1 5 2 。为此， 川 I 南探区 页岩气井二开海相地层推荐采用复合钻井技术 ， 以 提高钻速、 缩短钻井周期 、 降低钻井成本 。 3 ． 3 高效 P D C钻头选型技术 针对川南探区地层复杂、 研磨性强 、 可钻性差等 特点 ， 以提速和提效 为 目的， 兼顾进尺和使用寿命 ， 综合考虑地层岩性和钻头破岩机理 、 钻头技术参数、 钻齿形状及保径等因素， 参考邻区威远区块、 焦石坝 区块等完钻井钻头的使用情况， 进行了钻头优选。威 远区块 W2 0 1 一 H1 井 、 W2 0 1 一 H 3井等 的龙潭组、 茅 口 组、 栖霞组地层可钳『 生 差 ， 试验了 6刀翼 1 6 ． 0 1 T k r n齿 P E C个 化钻头， 机械钻速分别为 9 ． 6 0和 3 ． 5 7 m／ h ， 与邻井 W2 0 1 井相 比分别提高 了 3 6 4 和 7 1 ， 效 果显著。为此 ， 川南探 区页岩气井长兴组以浅地层 推荐采用 P DC钻头 ， 龙潭组 以深地层直导眼采用个 性化 P D C钻头 ， 备选牙轮钻头 ； 侧钻段推荐采用牙 轮钻头 ， 造斜及水平段钻进采用 P D C钻头。 3 ． 4 井 眼轨 迹控 制技 术 3 ． 4 ． 1直 井段 川南页岩气探区大都处于斜坡带上 ， 容易发生 井斜 ， 导眼开孑 L 直径 6 0 9 ． 6 mm， 参考 常规防斜打 快技术 ， 推荐采用塔式钻具组合 ， 通过计算防斜打直 与提速的钻井参数临界点 ， 制定合理的钻井参数 ， 配 合使用减振器 ， 达到防斜打快、 减少钻具疲劳损伤导 致的井下故 障的 目的。一 开井 眼直径 4 0 6 ． 4 mm， 裸眼段长 1 2 0 0 i n以上 ， 推荐采用“ 弯螺杆MWD” 导向钻井技术 ， 以有 效控制易斜 地层井斜角 ， 提高 机械钻速 ； 可在 钻具 上安装 欠尺 寸稳定 器修 整井 壁 ， 确保 4 0 6 ． 4 mm井眼下人 3 3 9 ． 7 mm套管 。 3 ． 4 ． 2斜 井段 斜井段井 眼轨迹控 制主要采用 常规导 向、 旋转 导 向和地 质导 向等技 术。常规导 向采 用 “ 螺杆 MWD ” 组合 ， 以滑动 和复合 2种方式 交替钻进 ， 通 过调整滑动和复合的段长来调整造斜率 ， 通过摆放 工具面来调整井斜变化率和方位变化率 ， 但在水平 段后期钻进时黏附、 托压现象较为严重 ； 旋转导向具 有定向机械钻速高 、 摩 阻扭矩小 、 安全性高等优点 ， 但费用 昂贵 ； 地质导 向是在常规导向钻具组合 中加 入地质参数测量短节进行实时监测 ， 实时调整井眼 轨迹的上下倾趋势 ， 使井眼轨迹在储层 中钻进， 费用 8 6 4 2 O 一 呈＼ 霉 石 油 钻 探 技 术 较高 。综合考虑 3 种导向钻井的优缺点及页岩储层 平面展布广厚度大 大于 1 5 m 的特点 ， 推荐采用常 规导 向技术 ， 以复合钻进 为主、 滑动钻进为辅， 通过 倒装钻具 、 定点循环 、 短程起下钻等措施降低井眼摩 阻 ， 减少钻具托压现象， 满足井眼轨迹控制要求 。 3 ． 5 油基钻井液技术 三开斜井段和水平段穿过 目的层 页岩层段 ， 页 岩地层裂缝和层理结构发育， 采用水基钻井液易导 致井壁失稳， 影 响水平井 安全施工 。油基钻井液具 有密度可调范 围大 、 滤失量低 、 封堵性强和 良好的携 砂能力等特点 ， 邻区页岩气水平井在斜井段钻井 中 采用油基钻井液 ， 有效解决了泥页岩井壁失稳 问题 。 其中， W2 0 1 一 H3井水平段采用油水 比为 91的柴 油基钻井液 ， 密度 1 ． 8 2 ～1 ． 8 3 k g ／ L， 添加封堵和抑 制材料 ， 解决了井壁坍塌问题 ， 测井未发生遇阻， 套 管顺利下至井 深 3 6 4 3 m； 焦石坝 区块多轮试 验水 平段采用 8 2柴油基钻井液并配合相应技术措施 ， 基本解决了井壁失稳难题 ， 实现了页岩气规模开发。 为此 ， 川 I 南探区页岩气井三开侧钻段推荐采用 8 2 柴油基钻井液 ， 控制高温高压滤失量 ， 提高钻井液封 堵性 。 4 经济效益分析 在分析邻 区页岩气井实钻资料 的基础上， 对川 南探区页岩气水平井井身结构进行了优化， 对配套 钻井技术进行了研究 ， 形成 了以 1 3 9 ． 7 mm套管完 井的三开井身结构方案 ， 指导完成 了 wY1井、 YY1 井等探井的钻井设计 ， 为川南探 区第一轮页岩气勘 探提供了技术支持。 WY1井 在 参 考 邻 区 的 J S 1井 、 J Y1井 及 D Y2 HF井等的实钻情况基础上 ， 将井身结构 中的 1 7 7 ． 8 mm套管优化为 1 3 9 ． 7 H i m套管进行完井 ， 按“ 直 导眼段侧钻水平段” 总进尺 5 4 5 4 ． O 0 m 测 算 ， 预计钻井周期缩短 1 0 d以上。按石油工程造价 预算 ， 钻井方案优化后 预期可节约费用 5 0 0万元以 上。其中， Z J 7 0 钻机费用 1 5 0万元， 套管费用 8 0万 元 ， 钻井液费用 9 2万元 ， 其他费用 1 7 8万元等。 5 结论 1 根据川南探区地 层压力剖 面和工程地质特 征 ， 基于安全建井 和降本增效 原则， 优 化形成 了以 1 3 9 ． 7 mm 套管完井 的“ 直导 眼水平井” 三开井 身结构方案 ， 满足了页岩气大规模压裂的排量要求 ， 与采用 1 7 7 ． 8 1 T i m套管完井相比， 预计节约钻井成 本 5 0 0 万 元 以上 。 2 针对川南探区钻井面临的提速技术难题 ， 通 过分析邻 区实钻资料 ， 形成了直井段泡沫／ 气 体钻 井 、 高效 P D C钻头复合钻井 ， 斜井段“ 高效 P D C钻 头弯螺杆 MWD” 配合油基钻井液等优快钻井 技术 ， 满足了安全建井及提速提效 目的。 3 根据优化后 的川南探 区页岩气水平井三开 钻井技术方案， 指导完成了 WY1 井和 YY1 井钻井 方案设计 ， 方案合理性有待通过第一轮勘探井实钻 来验证 。 参考文献 Re f e r e nc e s E l i 蒲泊伶 ， 董大忠 ， 耳 闯 ， 等． J I l 南地 区 龙马溪 组 页岩 有利 储层 发育特 征 及 其 影 响 因 素 _ J ] ． 天 然 气 工 业 ， 2 0 1 3 ， 3 3 1 2 4l 一 4 7． Pu Po l i n g， Do n gDa z h o ng， ErCh u a n g， e t a 1 ．F a v o r a b l e r e s e r v o i r c ha r a c t e r i s t i c s o f t h e Lo n g ma x i s h a l e i n t h e S o u t h e r n S i c h u a n B a s i n 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