泡沫定向鉆井技術(shù)在涪陵焦石壩地區(qū)頁巖氣井的試驗(yàn)

楊海平（江漢石油工程公司鉆井一公司，湖北 潛江 433121）

1 工程概況

涪陵焦石壩地區(qū)頁巖氣田地處重慶市涪陵區(qū)，構(gòu)造位置處于川東褶皺帶，主體位于萬縣復(fù)向斜，是中石化第一個(gè)頁巖氣田，也是我國(guó)第一個(gè)頁巖氣產(chǎn)能建設(shè)示范區(qū)。自2013年3月該項(xiàng)目啟動(dòng)以來，二開造斜段因漏失嚴(yán)重、大井眼定向鉆井速度慢，已成為影響鉆井速度的瓶頸，嚴(yán)重影響了工程進(jìn)度。為提高施工進(jìn)度，盡快完成產(chǎn)能建設(shè)任務(wù)，二開定向井段（茅口組～龍馬溪組）試驗(yàn)泡沫定向鉆井。

1.1 地層特點(diǎn)

以JY9－1HF井為例，從上到下地層分別為三疊系、二疊系、石炭系、志留系，目的層為龍馬溪組碳質(zhì)頁巖。根據(jù)實(shí)鉆情況，地表溶洞、裂縫發(fā)育，部分井段嘉陵江組－飛仙關(guān)組含水層，長(zhǎng)興組、茅口組含裂縫氣層或氣水同層，韓家店組、小河壩組存在低承壓漏失層。

表1 JY9－1HF井設(shè)計(jì)地質(zhì)分層

1.2 鉆井施工方案

根據(jù)表1給出的地層特點(diǎn)，設(shè)計(jì)井身結(jié)構(gòu)見表2。

目前采用叢式井組開發(fā)，各平臺(tái)布署3口井，二維水平井1口，三維水平井2口。設(shè)計(jì)井眼剖面：直－增－穩(wěn)－增－穩(wěn)（水平段），造斜率20°／100m。9號(hào)平臺(tái)三維水平井JY9－1HF井設(shè)計(jì)井眼剖面如表3所示。

表2 JY9－1HF井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

表3 JY9-1HF井設(shè)計(jì)井眼剖面

JY9－1HF井為三維水平井，設(shè)計(jì)造斜點(diǎn)1180m，地層為棲霞組（Pqx），二開中完井深2453.80m（垂深2229.76m），井斜52.98°，方位341.12°。

由于地層硬，漏失嚴(yán)重，直井段一般使用空氣鉆井，鉆井速度得到極大提高，二開311.2mm井眼最高日進(jìn)尺480m，為牙輪鉆頭常規(guī)鉆井速度的10倍。但此前造斜段無法使用氣體鉆井，鉆達(dá)造斜點(diǎn)后，必須轉(zhuǎn)換為鉆井液鉆井，影響了鉆井速度。目前使用常規(guī)定向鉆井方式，日進(jìn)尺約40～50m；韓家店組、小河壩組存在低承壓地層，JY1HF井、JY9－2HF井、JY6－2HF井、JY10－2HF井均發(fā)生嚴(yán)重漏失，有的井損失時(shí)間超過27d，漏失鉆井液超過5000m3。

造斜段泡沫定向鉆井可提高涪陵焦石壩地區(qū)頁巖氣鉆井速度，降低鉆井液成本和減少環(huán)境污染。

2 泡沫定向鉆井工藝

常規(guī)泥漿定向鉆井，特別是水平井鉆井，需要使用無線隨鉆測(cè)斜儀和井下動(dòng)力鉆具，測(cè)量的井眼參數(shù)依靠泥漿脈沖信號(hào)傳輸給地面儀表，井下動(dòng)力鉆具如螺桿、渦輪也依靠泥漿提供動(dòng)力?？諝舛ㄏ蜚@井由于鉆井介質(zhì)改變，由泥漿改變?yōu)榭諝?，需要使用以電磁波為傳輸信?hào)的無線隨鉆測(cè)斜儀（EMWD）和以空氣為動(dòng)力的空氣螺桿。

2.1 無線隨鉆測(cè)斜儀（EMWD）

EMWD測(cè)量原理與常規(guī)MWD相同，信號(hào)傳輸方式不同。EMWD使用電磁波為傳輸信號(hào)，其工作原理是：絕緣短節(jié)把鉆具分為上下二極，測(cè)量?jī)x器接在絕緣短節(jié)下端，儀器發(fā)射天線接在絕緣短節(jié)上端，形成電磁波傳輸回路。測(cè)量參數(shù)轉(zhuǎn)換為電磁波信號(hào)并發(fā)射出來，透過地層傳輸?shù)降孛?，被地面裝置接收；當(dāng)信號(hào)弱時(shí)可在鉆具中使用鉆桿偶極天線，放大電磁波信號(hào)。EMWD具有不進(jìn)行泡沫循環(huán)即可測(cè)量工程參數(shù)、傳輸速度快、可靠性高、使用及維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)。

國(guó)產(chǎn)CEM－1型EMWD儀器性能參數(shù)如下：井斜角為0～180°（精度±0.1°）；方位角為0～360°（精度±1.0°）；工具面角度為0～360°（精度±1.0°）；工作溫度為0～125℃ ；井下連續(xù)工作時(shí)間為液相≥150h，空氣、泡沫≥300h；數(shù)據(jù)速率為2～10bit／s；天線短節(jié)外徑為203mm／165mm／120mm；井下儀器長(zhǎng)度為6500mm／7700mm（帶伽馬）。

2.2 空氣螺桿

空氣螺桿與泥漿螺桿的工作原理相同，空氣壓縮機(jī)輸出的高壓氣體直接進(jìn)入空氣螺桿馬達(dá)，在馬達(dá)進(jìn)出口處形成一定的壓差推動(dòng)馬達(dá)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，并將扭矩和轉(zhuǎn)速通過萬向軸和傳動(dòng)軸傳遞給鉆頭。但由于空氣的可壓縮性，空氣螺桿與常規(guī)液體螺桿相比，具有以下2個(gè)顯著的工作特點(diǎn)：當(dāng)鉆壓增大時(shí)，馬達(dá)進(jìn)出口間的壓差增大，馬達(dá)入口處壓力升高，使通過馬達(dá)的空氣流量減小，因而輸出的轉(zhuǎn)速降低，螺桿轉(zhuǎn)速降低，當(dāng)鉆壓增大到一定值時(shí)會(huì)出現(xiàn) “制動(dòng)”現(xiàn)象；當(dāng)鉆壓降低時(shí)，馬達(dá)進(jìn)出口間的壓差減小，馬達(dá)入口處壓力降低，使通過馬達(dá)的空氣流量增大，螺桿轉(zhuǎn)速加快，當(dāng)鉆壓突然消失時(shí)會(huì)出現(xiàn) “飛車”現(xiàn)象，易造成鉆具倒扣。因此，與泥漿螺桿的結(jié)構(gòu)相比：空氣螺桿無旁通閥，替代接頭取代旁通閥；馬達(dá)頭數(shù)采用最高頭數(shù)9頭，以獲得較大扭矩；轉(zhuǎn)子和定子曲面采用較小定子齒頂曲率半徑的線型。

螺桿使用應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：①鉆頭應(yīng)裝噴嘴。鉆頭不裝噴嘴時(shí)，高速氣流處于亞聲速流狀態(tài)時(shí)，施加鉆壓時(shí)很可能出現(xiàn)制動(dòng)和 “飛車”情況，影響螺桿使用壽命。②空氣螺桿的冷卻和潤(rùn)滑完全依靠所加入的潤(rùn)滑劑；如果不加入潤(rùn)滑劑，螺桿的傳動(dòng)軸總成很快會(huì)過熱抱死，定子橡膠過熱會(huì)導(dǎo)致橡膠提前老化失效，使定子橡膠脫落（特別是在井口試運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)）；空氣螺桿使用壽命和良好的冷卻潤(rùn)滑密不可分。③鉆進(jìn)時(shí)應(yīng)緩慢施加鉆壓，鉆頭提離井底時(shí)應(yīng)非常緩慢地減小鉆壓，并且鉆頭提離井底之前將排量減小50%，避免螺桿馬達(dá) “飛車”造成鉆具損壞。④空氣螺桿不使用旁通閥，因此必須在空氣管路中設(shè)有壓力釋放閥和單向閥，防止管路的壓力過高和防止空氣返流。⑤螺桿在地面試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)降低空氣排量，推薦井口試驗(yàn)空氣排量45m3／min。目前國(guó)產(chǎn)空氣螺桿主要由天津立林和北京石油機(jī)械廠生產(chǎn)。表4為K9LZ216×7.0—2.5螺桿（天津立林）技術(shù)參數(shù)①天津立林石油機(jī)械有限公司 .空氣螺桿使用手冊(cè)，2013.。

表4 K9LZ216×7.0—2.5螺桿的性能參數(shù)

2.3 泡沫鉆井

泡沫鉆井是指空氣鉆井、氮?dú)忏@井等鉆遇地層出水，為保證攜砂和井壁穩(wěn)定，根據(jù)出水量和氣體排量，注入一定量的泡沫液，泡沫液與氣體混合成循環(huán)介質(zhì)的鉆井方式。泡沫液配方為清水＋起泡劑＋穩(wěn)泡劑＋CMC＋燒堿＋防塌抑制劑。性能要求是：發(fā)泡量大于400ml，半衰期大于30min，滿足攜帶鉆屑和井壁穩(wěn)定要求。泡沫鉆井施工流程如圖1所示。

空氣螺桿高速轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子和定子高速摩擦，加上干燥高壓氣流沖蝕，空氣螺桿相比常規(guī)的壽命短。目前通常采用潤(rùn)滑劑以增加其工作時(shí)間，其配方為液體皂＋石墨粉＋膠結(jié)劑＋機(jī)油，按0.4～0.6L／h排量循環(huán)加入。由于空氣不導(dǎo)電，為實(shí)現(xiàn)EMWD信號(hào)傳輸和空氣螺桿的潤(rùn)滑、冷卻，涪陵焦石壩地區(qū)使用泡沫定向鉆井技術(shù)進(jìn)行鉆井。

2.4 鉆頭選型及鉆具組合

泡沫定向鉆井鉆頭選型與常規(guī)泥漿鉆井、空氣鉆井的鉆頭相同。

鉆具組合基本與常規(guī)空氣鉆井及定向井鉆井的鉆具組合相似，只是在常規(guī)定向井鉆井的鉆具組合中加入EMWD短節(jié)，在EMWD短節(jié)上部加入1根鉆鋌，通常為：鉆頭＋空氣單彎螺桿＋鉆具止回閥＋無磁鉆鋌1根＋EMWD短節(jié)＋鉆鋌1根＋斜坡加重鉆桿＋斜坡鉆桿。

現(xiàn)場(chǎng)備用EMWD中繼器，第1次下入儀器時(shí)鉆具組合中不加入，一旦入井工具EMWD信號(hào)弱，則在井口可以隨時(shí)接入EMWD中繼器。泡沫定向鉆井的參數(shù)見表5。

圖1 泡沫鉆井流程

表5 泡沫定向鉆井參數(shù)

3 試驗(yàn)結(jié)果

JY13－2HF井、JY9－1HF井二開氣體鉆至造斜點(diǎn)前30m，轉(zhuǎn)換為泡沫鉆井，試鉆進(jìn)30m，井壁穩(wěn)定，井下情況正常，具備泡沫定向鉆井試驗(yàn)條件。

3.1 JY13－2HF井（志留系小河壩組）

1）試驗(yàn)井段 ①泡沫復(fù)合鉆進(jìn)2030.00～2036.00m，進(jìn)尺6.00m；②泡沫定向鉆進(jìn)2036.00～2056.00m，進(jìn)尺20.00m；③泡沫復(fù)合鉆進(jìn)2056.00～2070.00m，進(jìn)尺14.00m。

3）鉆井參數(shù) 鉆壓40kN，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速45r／min，空氣排量100m3／min，泡沫注入量10L／s，立管壓力3.8MPa。

4）反扭角 設(shè)計(jì)工具面310°，在上述鉆井參數(shù)下，工具面基本穩(wěn)定在295～315°，工具面波動(dòng)范圍＜20°。

5）空氣螺桿工作時(shí)間 12h40min。

6）泡沫定向段造斜率 測(cè)深2036m，井斜6.8°，方位56.4°；測(cè)深2056m，井斜7.3°，方位52.9°。平均造斜率為0.03°／m。

7）鉆時(shí) 該井段泡沫定向鉆井平均鉆時(shí)10.74min／m；JY9－2HF井所對(duì)應(yīng)的地層和井段使用泥漿定向鉆井平均鉆時(shí)21.33min／m，與之相比，平均鉆時(shí)降低了1倍。

3.2 JY9－1HF井（二疊系棲霞組）

1）試驗(yàn)井段 ①泡沫復(fù)合鉆進(jìn)1180.00～1183.70m，進(jìn)尺3.70m；②泡沫定向鉆進(jìn)1183.70～1203.00m，進(jìn)尺19.30m；③泡沫復(fù)合鉆進(jìn)1203.00～1211.19m，進(jìn)尺8.19m。

3）鉆井參數(shù) 鉆壓60kN，頂驅(qū)轉(zhuǎn)速30r／min，空氣排量100～130m3／min，泡沫注入量12L／s，立管壓力2.2MPa。

4）反扭角 設(shè)計(jì)工具面280°，在上述鉆井參數(shù)下，工具面基本穩(wěn)定在270～285°，工具面波動(dòng)范圍＜15°。

5）空氣螺桿工作時(shí)間 11h30min。

6）平均造斜率 ①測(cè)深1183.70m，井斜2.6°，方位193.8°；②測(cè)深1203.00m，井斜3.8°，方位199.5°；③平均造斜率為0.13°／m，根據(jù)常規(guī)定向初始造斜率，空氣螺桿造斜率較高。

7）鉆時(shí) 該井段泡沫定向鉆井平均鉆時(shí)22.79min／m；JY1－3HF井所對(duì)應(yīng)的地層和井段泥漿定向鉆井平均鉆時(shí)18.61min／m，與之相比，平均鉆時(shí)低4.18min／m。

4 結(jié)論、問題及建議

4.1 結(jié)論

1）EMWD電磁波測(cè)斜儀在焦石壩地區(qū)信號(hào)強(qiáng)，傳輸速度快。

2）空氣螺桿反扭角很小，且受鉆壓、井深影響小。

3）通過控制空氣排量和鉆壓，空氣螺桿能夠避免 “制動(dòng)”和 “飛車”。

4）泡沫液能夠較好地冷卻和潤(rùn)滑空氣螺桿。

4.2 問題及建議

1）目前EMWD抗震能力不強(qiáng)。2口井試驗(yàn)均由于EMWD震壞或倒扣而停止試驗(yàn)。建議加強(qiáng)儀器抗震能力研究，能顯示所受震動(dòng)情況，為泡沫定向鉆井技術(shù)推廣應(yīng)用創(chuàng)造條件。

2）空氣螺桿額定工作鉆壓低，使用牙輪鉆頭提速效果差。建議國(guó)內(nèi)螺桿生產(chǎn)商加強(qiáng)大功率空氣螺桿研發(fā)，擴(kuò)大泡沫定向鉆井技術(shù)應(yīng)用井段。

另外，因2口井試驗(yàn)井段短，空氣螺桿造斜率和工作時(shí)間有待驗(yàn)證。