涪陵江東與平橋區(qū)塊頁巖氣水平井井眼軌跡控制技術(shù)

宋 爭

(中石化重慶涪陵頁巖氣勘探開發(fā)有限公司，重慶 408014)

涪陵頁巖氣田是國內(nèi)首個進(jìn)行商業(yè)開發(fā)的大型頁巖氣田[1-5]，2015年底涪陵頁巖氣田一期年產(chǎn)50×108m3產(chǎn)能建設(shè)順利完成，與此同時，涪陵二期年產(chǎn)50×108m3產(chǎn)能建設(shè)正式啟動。其中，涪陵一期產(chǎn)建區(qū)主要位于焦石壩區(qū)塊，涪陵二期產(chǎn)建區(qū)則集中在江東與平橋區(qū)塊。江東與平橋區(qū)塊地處川東南褶皺帶復(fù)雜構(gòu)造區(qū)，區(qū)塊內(nèi)斷層發(fā)育、地層傾角大，區(qū)塊內(nèi)已完鉆的46口井(截至2017年6月)鉆探結(jié)果表明，鉆井施工中面臨井眼軌跡調(diào)整頻繁、摩阻扭矩大和中靶難度大等技術(shù)難題和挑戰(zhàn)，而前期可供借鑒的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)有限。筆者針對上述技術(shù)難題，進(jìn)行了井眼軌道剖面優(yōu)化設(shè)計、鉆具組合和鉆進(jìn)參數(shù)協(xié)同優(yōu)化，開展了旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)、近鉆頭隨鉆測量技術(shù)、提速工具和降摩減阻工具技術(shù)的綜合配套技術(shù)應(yīng)用研究，初步形成了適應(yīng)于涪陵江東與平橋區(qū)塊的頁巖氣水平井井眼軌跡控制技術(shù)，為該區(qū)塊鉆井提速提效提供了技術(shù)支撐。

1 井眼軌跡控制難點(diǎn)

1.1 巖性變化大，標(biāo)識層不清晰，A靶點(diǎn)調(diào)整幅度大，中靶難度高

濁積砂巖是涪陵地區(qū)龍馬溪組上部發(fā)育的一套砂巖地層，也是優(yōu)質(zhì)頁巖儲層的“蓋層”。作為涪陵地區(qū)確定技術(shù)套管下深和井眼軌跡控制的重要標(biāo)識層，與一期焦石壩區(qū)塊相比，涪陵二期江東與平橋區(qū)塊的濁積砂巖埋深及厚度變化顯著，隨鉆伽馬曲線與上部地層相比變化幅度小，標(biāo)識層不清晰，導(dǎo)致地質(zhì)導(dǎo)向評價分析準(zhǔn)確度降低[4-5]。由于A靶點(diǎn)垂深預(yù)測偏差大，調(diào)整幅度大，造成三開井眼軌跡調(diào)整頻繁，摩阻扭矩大，軌跡控制難度大，中靶難度高。如焦頁89-1HF井前期誤將一段低伽馬值地層視為濁積砂巖，3次上提A靶點(diǎn)垂深，累計上提60.00 m，為滿足A靶點(diǎn)調(diào)整后的井眼軌道設(shè)計要求，施工方更換高造斜率鉆具組合和牙輪鉆頭，鉆遇濁積砂巖后，又將A靶點(diǎn)垂深下調(diào)85.00 m，在100.00 m井段內(nèi)A靶點(diǎn)調(diào)整4次，導(dǎo)致起下鉆更換鉆具組合2次，累計耗時38 h。焦頁90-2HF井也因濁積砂巖標(biāo)識層不清晰4次調(diào)整A靶點(diǎn)垂深，為應(yīng)對靶點(diǎn)調(diào)整后的井眼設(shè)計軌道要求，最高造斜率達(dá)9.0°/30m，導(dǎo)致500.00 m井段內(nèi)井斜角累計增降70.0°，井眼軌跡呈大波浪形，摩阻扭矩大幅增加，定向托壓嚴(yán)重，造成后期鉆進(jìn)困難，并帶來較大的井下安全風(fēng)險。

1.2 水平段地層傾角變化大，井眼軌跡調(diào)整頻繁

涪陵江東與平橋區(qū)塊部分井水平段井眼軌跡調(diào)整頻繁。如焦頁108-6HF井井眼軌跡共調(diào)整48次，日均2次以上，平均機(jī)械鉆速5.48 m/h。由于井眼軌跡調(diào)整頻繁，導(dǎo)致井眼呈波浪狀，摩阻扭矩增大，定向托壓嚴(yán)重，機(jī)械鉆速低。焦頁184-2HF井和焦頁185-3HF井后期定向井段機(jī)械鉆速均低于2.0 m/h，而且執(zhí)行調(diào)整指令耗費(fèi)時間長，單次指令執(zhí)行時間10～12 h。與涪陵一期焦石壩區(qū)塊相比，江東與平橋區(qū)塊定向井段機(jī)械鉆速降幅達(dá)29.3%。

2 井眼軌跡控制技術(shù)

針對江東與平橋區(qū)塊在井眼軌跡控制過程存在的巖性變化大、中靶難度高、水平段地層傾角變化大和井眼軌跡調(diào)整頻繁等技術(shù)難題，進(jìn)行了井眼軌道參數(shù)及剖面優(yōu)化設(shè)計、鉆具組合與鉆井參數(shù)協(xié)同優(yōu)化研究，并進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)和近鉆頭隨鉆測量技術(shù)等先進(jìn)鉆井技術(shù)的探索性試驗(yàn)。

2.1 井眼軌道優(yōu)化設(shè)計

主要從造斜點(diǎn)、造斜率和軌道參數(shù)等方面入手，優(yōu)化了井眼軌道設(shè)計，提高了定向施工效率。

2.1.1 造斜點(diǎn)優(yōu)選

造斜點(diǎn)的合理選擇對三維水平井至關(guān)重要，通過合理優(yōu)選造斜點(diǎn)位置，可提高三維水平井扭方位井段的定向施工效率[6]，提高井眼軌跡光滑度，達(dá)到降摩減阻的效果，實(shí)現(xiàn)提速提效。

江東與平橋區(qū)塊造斜點(diǎn)的優(yōu)選原則為：1)造斜點(diǎn)所在地層穩(wěn)定性、可鉆性要好,建議選擇在韓家店組地層,避開可鉆性差、鉆具振動劇烈和工具面穩(wěn)定性差的龍?zhí)督M-茅口組地層；2)與焦石壩區(qū)塊相比，造斜點(diǎn)位置上提200.00～300.00 m，既可保證在小井斜井段扭方位，減少扭方位的難度；又可避免穩(wěn)斜段過長，達(dá)到降摩減扭的目的。

2.1.2 造斜率設(shè)計

統(tǒng)計分析涪陵江東與平橋區(qū)塊部分井常用鉆具組合的造斜能力，給出了二開造斜段、三開造斜段造斜率的限制范圍。

二開造斜段常用鉆具組合為：φ311.1 mm鉆頭+φ216.0 mm×1.25°單彎螺桿+φ280.0～290.0 mm穩(wěn)定器+φ203.2 mm無磁短節(jié)+φ203.2 mm浮閥+φ203.2 mm鉆鋌+φ139.7 mm加重鉆桿+φ139.7 mm鉆桿。40余口井的實(shí)鉆數(shù)據(jù)統(tǒng)計表明，該鉆具組合的實(shí)際造斜率約為(4.8°～5.1°)/30m，因此，建議二開造斜段設(shè)計造斜率不大于4.8°/30m。

三開造斜段常用鉆具組合為：φ215.9 mm鉆頭+φ172.0 mm×1.25°單彎螺桿+φ208.0 mm穩(wěn)定器+φ177.8 mm止回閥+φ203.2 mm無磁鉆鋌+φ127.0 mm加重鉆桿+203.2 mm水力振蕩器+φ127.0 mm鉆桿+φ139.7 mm鉆桿。分析結(jié)果表明，該鉆具組合的造斜率為(6.0°～7.5°)/30m，因此，建議三開造斜段設(shè)計造斜率不大于6.0°/m。

根據(jù)涪陵江東與平橋區(qū)塊的實(shí)際鉆進(jìn)情況，在造斜率限制范圍內(nèi)制定了以下設(shè)計原則：1)以降低摩阻扭矩為主；2)兼顧滑動與定向復(fù)合比例關(guān)系；3)考慮特殊地層鉆進(jìn)要求。

另外，在造斜率選擇過程中，龍?zhí)督M-茅口組上部、部分韓家店組和小河壩組含砂量高的地層及龍馬溪組濁積砂巖地層盡量設(shè)計采用復(fù)合鉆進(jìn)或造斜率低于3.0°/30m。

為此，二開井段造斜率推薦(3.6°～4.2°)/30m，既可兼顧低摩阻要求，還可降低滑動進(jìn)尺比例；三開造斜段造斜率推薦(5.4°～6.0°)/30m，可針對靶點(diǎn)調(diào)整的實(shí)際工況，預(yù)留井眼軌跡調(diào)整空間。

2.1.3 井眼軌道類型選擇

1) 采用漸增式軌道設(shè)計。采用漸增式軌道設(shè)計，降低初始定向時的造斜率，降低定向初期施工壓力，同時保證設(shè)計井眼軌道有調(diào)整井段，可應(yīng)對A靶點(diǎn)的頻繁調(diào)整。

2) 明確扭方位井段。扭方位井段的井斜角以小于30°為宜，盡量避免在井斜角30°～60°井段內(nèi)扭方位，尤其是在易形成巖屑床的45°～60°井段。在小井斜角條件下進(jìn)行扭方位施工作業(yè)，可減少定向工作量，提高定向效率。

2.2 鉆具組合與鉆井參數(shù)優(yōu)化

借鑒涪陵地區(qū)前期鉆具組合和鉆進(jìn)參數(shù)優(yōu)化準(zhǔn)則[4]，通過統(tǒng)計涪陵江東與平橋區(qū)塊的現(xiàn)場實(shí)際施工數(shù)據(jù)，優(yōu)選了不同井段的鉆具組合及鉆進(jìn)參數(shù)。

1) 二開造斜段、穩(wěn)斜段推薦鉆具組合為：φ311.1 mm鉆頭+φ215.9 mm×1.25°單彎螺桿+φ203.2 mm短鉆鋌+φ285.0 mm穩(wěn)定器+浮閥+φ203.2 mm無磁鉆鋌×1根+MWD無磁懸掛短節(jié)+φ158.8/177.8 mm鉆鋌×6根(φ203.2 mm鉆鋌×2根)+φ127.0 mm加重鉆桿×30根+φ127.0 mm鉆桿。

推薦鉆進(jìn)參數(shù)為：1)PDC鉆頭鉆進(jìn)，鉆壓80～120 kN，排量45～55 L/s，轉(zhuǎn)速40～50 r/min；2)牙輪鉆頭鉆進(jìn)，鉆壓160～200 kN,排量45～55 L/s,轉(zhuǎn)速40～60 r/min。

2) 二開扭方位井段推薦鉆具組合為：φ311.1 mm鉆頭+φ215.9 mm×1.25°螺桿+短鉆鋌+浮閥+φ285.0 mm穩(wěn)定器+φ203.2 mm無磁鉆鋌+LWD無磁懸掛 +φ127.0 mm加重鉆桿×9根+φ127.0 mm鉆桿+φ127.0 mm加重鉆桿×21根;如大井斜扭方位困難，則簡化鉆具組合,用無磁承壓鉆桿替代無磁鉆鋌，或使用水力振蕩器。

推薦鉆進(jìn)參數(shù)為：1)PDC鉆頭鉆進(jìn),鉆壓80～120 kN，排量45～50 L/s，轉(zhuǎn)速40～50 r/min；2)PDC-牙輪復(fù)合鉆頭鉆進(jìn)，鉆壓100～160 kN，排量45～50 L/s，轉(zhuǎn)速40～60 r/min。

3) 三開造斜段推薦鉆具組合為：φ215.9 mm鉆頭+φ172.0 mm×1.25°螺桿+浮閥+φ210.0 mm 穩(wěn)定器+φ127.0 mm無磁承壓鉆桿+LWD無磁懸掛+φ127.0 mm加重鉆桿×9根+φ127.0 mm鉆桿+φ127.0 mm加重鉆桿×21根，并根據(jù)待鉆井眼軌道設(shè)計選擇是否加裝欠尺寸穩(wěn)定器。

推薦鉆進(jìn)參數(shù)為：1)PDC鉆頭鉆進(jìn)，鉆壓80～120 kN，排量26～35 L/s，轉(zhuǎn)速40～50 r/min；2)PDC-牙輪復(fù)合鉆頭鉆進(jìn)，鉆壓120～160 kN，排量26～35 L/s，轉(zhuǎn)速40～60 r/min。

4) 三開水平段推薦鉆具組合為：φ215.9 mm PDC鉆頭+φ172.0 mm×1.00°/1.25°螺桿+φ210.0/212.0 mm穩(wěn)定器+浮閥+φ127.0 mm無磁承壓鉆桿+LWD無磁懸掛+φ127.0 mm加重鉆桿×9根+φ127.0 mm鉆桿+φ127.0 mm加重鉆桿×21根+φ127.0 mm鉆桿。

推薦鉆進(jìn)參數(shù)為：鉆壓60～120 kN，排量26～35 L/s，轉(zhuǎn)速40～50 r/min。

2.3 先進(jìn)鉆井技術(shù)的配套應(yīng)用

2.3.1 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)可在鉆柱旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，有效控制井眼軌跡，具有鉆壓傳遞穩(wěn)定、機(jī)械鉆速高、軌跡調(diào)整便捷、井眼清潔度高和井眼軌跡光滑等優(yōu)點(diǎn)，在提高鉆井效率、降低井下卡鉆風(fēng)險和保證井眼質(zhì)量等方面較常規(guī)定向工具有較大優(yōu)勢[7-9]。為此，在定向工作量大、定向施工托壓嚴(yán)重的焦頁52-3HF井二開扭方位井段，選用了Archer旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆進(jìn)。實(shí)鉆結(jié)果表明，該井機(jī)械鉆速提高了161%，并解決了定向托壓問題(見表1)。

表1 焦頁52-3HF井旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井效果與鄰井常規(guī)導(dǎo)向鉆井效果的對比Table 1 Contrast of ROP between RRS of Well JY52-3HF with conventional drilling of adjoining well

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)雖然提速效果明顯，但其成本高昂，需要進(jìn)一步評價分析該技術(shù)在涪陵江東與平橋區(qū)塊的經(jīng)濟(jì)性及適用性。

2.3.2 近鉆頭隨鉆測量技術(shù)

近鉆頭隨鉆測量系統(tǒng)由于測點(diǎn)距鉆頭在1.00 m以內(nèi)，較常規(guī)測量儀器具有較大優(yōu)勢(常規(guī)MWD儀器距井底約為17.00 m)，可提高井眼軌跡控制的精度，及時發(fā)現(xiàn)地層變化情況，在指導(dǎo)調(diào)整井眼軌跡時時效性較強(qiáng)，可提高優(yōu)質(zhì)頁巖氣層的鉆遇率[10-11]。

為應(yīng)對涪陵江東與平橋區(qū)塊的復(fù)雜地質(zhì)條件，提高優(yōu)質(zhì)儲層的鉆遇率，涪陵江東與平橋區(qū)塊目前已有17口井配套應(yīng)用了近鉆頭隨鉆測量技術(shù)，優(yōu)質(zhì)儲層的鉆遇率均在90%以上(見表2)。

表2近鉆頭隨鉆測量技術(shù)使用情況對比

Table2Theapplicationresultcontrastinwelldrillingbetweenthosewithnear-bitMWDandMWD

平臺井號水平段長/m1+3號層段長/m1+3號層鉆遇率,%備注67平臺67-1HF1138.001119.0098.3近鉆頭67-3HF1555.001483.0095.4MWD52平臺52-1HF1531.00718.0046.9MWD52-2HF1750.001364.0077.9近鉆頭64平臺64-5HF1354.001287.0095.1近鉆頭64-6HF1515.001435.0094.7近鉆頭64-2HF1610.001064.0066.1MWD

3 降摩減阻及提速工具的應(yīng)用

為解決江東與平橋區(qū)塊頁巖氣水平井二開扭方位段定向托壓、小河壩含砂地層與濁積砂巖地層定向困難和機(jī)械鉆速慢等技術(shù)難題，配套應(yīng)用了超短保徑PDC鉆頭、PDC-牙輪復(fù)合鉆頭和水力振蕩器等降摩減阻工具。

3.1 超短保徑PDC鉆頭

與常規(guī)PDC鉆頭相比,超短保徑PDC鉆頭保徑長度短，有利于側(cè)向切削，提高PDC鉆頭的造斜能力。該鉆頭在焦頁191-1HF井進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用，鉆頭進(jìn)尺414.00 m，平均機(jī)械鉆速4.99 m/h，較鄰井機(jī)械鉆速提高25.0%以上；并且該鉆頭應(yīng)用于二開扭方位段，順利完成扭方位92.4°，未出現(xiàn)定向托壓問題。

3.2 PDC-牙輪復(fù)合鉆頭

PDC-牙輪復(fù)合鉆頭兼具PDC鉆頭和牙輪鉆頭的優(yōu)點(diǎn)，具有良好的耐磨性，防托壓效果良好。與牙輪鉆頭相比，該鉆頭單只鉆頭進(jìn)尺長，機(jī)械鉆速高；與PDC鉆頭相比，該鉆頭可解決定向托壓問題，定向工具面穩(wěn)定。該鉆頭在涪陵江東與平橋區(qū)塊多口井的三開造斜段進(jìn)行了應(yīng)用，平均提速達(dá)20.0%以上，并且定向托壓問題得到了緩解。其中，焦頁89-1HF井在三開井段鉆遇濁積砂巖地層后使用PDC-牙輪復(fù)合鉆頭鉆進(jìn)，機(jī)械鉆速5.51 m/h，同比提高 50.0%以上；焦頁184-2HF井在三開造斜段使用PDC-牙輪復(fù)合鉆頭鉆進(jìn)，進(jìn)尺399.00 m，平均機(jī)械鉆速4.60 m/h，同比提高20.0%；焦頁185-3HF井在三開造斜段使用PDC-牙輪復(fù)合鉆頭鉆進(jìn)，進(jìn)尺397.00 m，平均機(jī)械鉆速4.46 m/h，同比提高23.0%。

3.3 水力振蕩器

為解決涪陵江東與平橋區(qū)塊的定向托壓問題，配套應(yīng)用了水力振蕩器。水力振蕩器可以將鉆井液的能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動能量，使鉆柱產(chǎn)生周期性的振動激勵，帶動鉆柱軸向振動，將靜態(tài)摩阻轉(zhuǎn)變?yōu)閯討B(tài)摩阻，達(dá)到降低摩阻扭矩的目的，使鉆壓更易傳遞[6,12-16]，工具面可操控性和穩(wěn)定性更佳，從而減少非鉆進(jìn)時間，提高鉆進(jìn)效率。定向托壓嚴(yán)重的7口井應(yīng)用了水力振蕩器，平均應(yīng)用井段長1 346.00 m，工具壽命達(dá)100 h以上，平均機(jī)械鉆速較鄰井提高20%以上，并且滑動鉆進(jìn)過程托壓現(xiàn)象明顯緩解，工具面擺放順利，對常規(guī)鉆井作業(yè)無任何不利影響。

4 結(jié)論與建議

1) 涪陵江東與平橋區(qū)塊地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，區(qū)塊內(nèi)斷層發(fā)育、地層傾角大，導(dǎo)致鉆井施工中存在巖性變化大、標(biāo)識層不清晰、A靶點(diǎn)調(diào)整幅度大、中靶難度高、水平段地層傾角變化大和井眼軌跡調(diào)整頻繁等技術(shù)難題。

2) 通過調(diào)整涪陵江東與平橋區(qū)塊頁巖氣水平井造斜點(diǎn)位置，優(yōu)選造斜率、井身剖面類型和鉆具組合及鉆進(jìn)參數(shù)，可減少扭方位工作量，提高定向施工效率；配套超短保徑鉆頭、PDC-牙輪復(fù)合鉆頭和水力振蕩器,機(jī)械鉆速提高20%，并緩解了托壓現(xiàn)象；引入旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)及近鉆頭隨鉆測量技術(shù)，強(qiáng)化了井眼軌跡的控制能力，提高優(yōu)質(zhì)儲層的鉆遇率。

3) 建議針對涪陵江東與平橋區(qū)塊的地質(zhì)特點(diǎn)進(jìn)一步開展各類降摩減阻工具和導(dǎo)向工具在不同井段的適用性分析評價，以提高地質(zhì)預(yù)測精度，減少靶點(diǎn)調(diào)整次數(shù)，降低定向施工難度，提高鉆井速度，縮短鉆井周期。

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