涪陵頁巖氣田江東區(qū)塊優(yōu)快鉆井技術(shù)研究與應(yīng)用

黃迪簫笙

(中石化重慶涪陵頁巖氣勘探開發(fā)有限公司，重慶 408000)

1 概況

涪陵頁巖氣田江東區(qū)塊是氣田二期產(chǎn)建重點開發(fā)區(qū)域，地處四川盆地盆緣山地過渡地帶，境內(nèi)地勢以低山丘陵為主，地面海拔介于45～800 m之間。江東區(qū)塊儲量動用面積49.8 km2。

2 江東區(qū)塊鉆井工程主要難點

2.1 地質(zhì)條件復(fù)雜，巖石可鉆性差

江東區(qū)塊地質(zhì)條件復(fù)雜，經(jīng)歷過多期構(gòu)造運動，斷層、裂縫較發(fā)育，發(fā)育斷層39條，相對于焦石壩主體區(qū)塊地層較為破碎[1-3]。一開鉆遇地層須家河組為灰白、黃灰色石英砂巖與泥巖互層；雷口坡組為灰色、紫紅色泥頁巖與灰色灰?guī)r、角礫狀灰?guī)r互層，可鉆性6～8級；嘉陵江組、飛仙關(guān)組巖性為灰色灰?guī)r及紫紅色泥巖，均質(zhì)性強，可鉆性較好。二開鉆遇地層長興組淺層氣發(fā)育，龍?zhí)督M、茅口組、棲霞組、梁山組地層硬度大，夾層多，可鉆性差，致使鉆頭消耗量增加；韓家店組、小河壩組地層研磨性強，可鉆性7～8級，憋跳鉆嚴(yán)重，導(dǎo)致鉆頭鉆速低、失效快、進尺短[4-5]。三開龍馬溪組上部濁積砂可鉆性變差，龍馬溪組目的層巖性主要為泥頁巖，含砂量相對焦石主體區(qū)增加，研磨性增強。統(tǒng)計已完鉆井?dāng)?shù)據(jù)，江東區(qū)塊單井平均消耗鉆頭20.6只，與焦石壩主體區(qū)塊14.7只相比，鉆頭消耗增加了40.1%。

2.2 軌跡調(diào)整頻繁，定向施工難度大

江東區(qū)塊西南部江東鞍部及烏江1號斷背斜一帶構(gòu)造復(fù)雜、變形強，烏江斷裂具壓扭性質(zhì)(圖1)。地層傾角變化大，本區(qū)由南到北地層傾角逐漸增大，最高可達30°，致水平段高程差逐漸增加[6-8]。較焦石壩一期相比，龍馬溪目的層埋深更大(焦頁X2-4HF井最大垂深4474 m)，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[9-10]。A靶點垂深預(yù)測偏差大(焦頁C-2HF在A靶點誤差達到272 m)，造成三開井眼軌跡調(diào)整頻繁且著陸控制困難，水平段地層傾角變化大，致軌跡調(diào)整頻繁。井眼軌跡造斜率大，水平段呈波浪狀，致使滑動鉆進摩阻增大，定向托壓嚴(yán)重，機械鉆速低[11]。例如，焦頁A-2HF井在三開調(diào)整次數(shù)高達32次，三開水平段呈W形，造成定向施工耗時長，嚴(yán)重影響鉆井進度，該井水平段機械鉆速相對于焦石壩區(qū)塊水平段平均鉆速下降29.3%。

圖1江東區(qū)塊構(gòu)造特征地震圖
Fig.1Seismic map of the structural features of Jiangdong Block

3 鉆井提速技術(shù)研究與應(yīng)用

3.1 針對地層巖性特征優(yōu)選鉆頭

3.1.1 二開龍?zhí)督M、茅口組地層優(yōu)選牙輪鉆頭

江東區(qū)塊二開龍?zhí)督M地層中部巖性以灰、深灰色灰?guī)r、含泥灰?guī)r為主夾薄層含生屑灰?guī)r；上、下部巖性為灰黑色炭質(zhì)泥巖。茅口組地層以灰?guī)r、云質(zhì)灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r為主，夾薄層灰黑色泥巖、深灰色含灰泥巖及含生屑灰?guī)r，地層膠結(jié)不整合、縫洞發(fā)育。其中，龍?zhí)督M下部及茅口組上部泥巖不適合用PDC鉆頭，宜使用牙輪鉆頭鉆穿。而焦石壩區(qū)塊成熟鉆頭不適用江東區(qū)塊巖性，憋跳鉆嚴(yán)重、易崩齒、易失效。經(jīng)多輪次鉆頭優(yōu)選，江鉆牙輪鉆頭HJT637GL錐型齒牙齒小、耐磨損、抗沖擊性強，破巖提速效果顯著，單個HJT637GL鉆頭進尺相較于初期使用的鉆頭增加了90.9%，機械鉆速提高了69.63%(見表1)。

3.1.2 三開龍馬溪組濁積砂巖段優(yōu)選混合鉆頭

江東區(qū)塊濁積砂巖地層定向困難、機械鉆速低，優(yōu)選使用江鉆混合鉆頭KPM1642ART。混合鉆頭兼具PDC鉆頭和牙輪鉆頭的優(yōu)點，錐型齒形成破碎坑，有利于地應(yīng)力的提前釋放，PDC齒快速切屑地層，機械鉆速顯著高于牙輪鉆頭，具有良好的耐磨性和防托壓效果。對比鄰井使用牙輪鉆頭，在濁積砂中鉆進，混合鉆頭機械鉆速比牙輪鉆頭平均提高100.4%(見表2)。

3.1.3 針對三開龍馬溪組、五峰組頁巖層段優(yōu)選PDC鉆頭

表1 江東區(qū)塊二開優(yōu)選鉆頭使用效果對比Table 1 Comparison of drilling results of the selected bits for Stage-2drilling at Jiangdong Block

表2 濁積砂層混合鉆頭使用效果對比Table 2 Comparison of the drilling results of mixed drill bits at Jiangdong Block

江東區(qū)塊三開龍馬溪組、五峰組地層均質(zhì)性不強，局部硅質(zhì)含量高，研磨性強。鉆井施工過程中需多次調(diào)整井眼軌跡，部分井段大造斜率追層，易造成PDC鉆頭肩部崩齒、磨齒，導(dǎo)致鉆頭提前失效。針對江東區(qū)塊龍馬溪組地層巖性特征，通過現(xiàn)場不斷試驗，優(yōu)選型號為江鉆KSD1652AGR和KMD1652ADGR。

兩款鉆頭均采用淺內(nèi)錐、側(cè)切能力強的輪廓線型等為定向井設(shè)計，適用于三開水平段施工。其中江鉆KMD1652ADGR采用雙排齒設(shè)計，增加減震結(jié)構(gòu)。江鉆SD1652AGR具有深排屑槽布置方位以及優(yōu)化水力結(jié)構(gòu)，使得鉆頭具有更好的水力效果，并且刀翼采用螺旋保徑設(shè)計。通過現(xiàn)場不斷試驗，兩款鉆頭對于江東區(qū)塊水平段優(yōu)快鉆井有明顯的提速效果(見表3)。

表3 江東區(qū)塊水平段優(yōu)選PDC鉆頭使用效果對比Table 3 Comparison of the drilling results of selected PDC bits for the horizontal section at Jiangdong Block

3.2 井眼軌道優(yōu)化設(shè)計與實時調(diào)控

3.2.1 井眼軌跡優(yōu)化

針對江東區(qū)塊地層自然造斜能力強、長穩(wěn)斜段軌跡控制難度大等問題，鉆井設(shè)計提前考慮復(fù)合鉆進時地層造斜率增量，將常規(guī)“直-增-穩(wěn)-增-平”剖面設(shè)計優(yōu)化為“直-增-微增-穩(wěn)-增(扭方位)-平”剖面(見圖2)。降低初始造斜段的造斜率，由原設(shè)計的14°～16°/100 m降至6°～10°/100 m，后續(xù)微增井段依靠地層自然造斜率增斜，減少滑動進尺，提高復(fù)合鉆進比例。該優(yōu)化設(shè)計降低全井段造斜率，減少定向滑動鉆井比例，減少滑動鉆進摩擦阻力，大幅降低軌跡控制難度(圖3)。

圖2 焦頁D-1HF井軌道優(yōu)化設(shè)計Fig.2 JYD-1HF Well path optimization design

圖3 焦頁D-1HF井軌跡優(yōu)化滑動鉆進摩阻對比Fig.3 Comparison of sliding drilling friction with JYD-1HF optimized well trajectory

3.2.2 近鉆頭隨鉆測量技術(shù)

近鉆頭隨鉆測量系統(tǒng)零長小于1 m，較常規(guī)測量儀器LWD(零長約17 m)有較大優(yōu)勢，可及時發(fā)現(xiàn)鉆遇地層變化情況，指導(dǎo)井眼軌跡實時調(diào)整，提高井眼軌跡控制的精度，提高優(yōu)質(zhì)頁巖氣層的鉆遇率[12-14]。江東區(qū)塊16口井配套應(yīng)用了近鉆頭儀器，優(yōu)質(zhì)儲層的鉆遇率均在95%以上(見表4)。

表4 江東區(qū)塊近鉆頭使用情況Table 4 Near-bit Drilling results at Jiangdong Block

3.3 針對性推廣使用提速工具

3.3.1 水力振蕩器

針對江東區(qū)塊二開定向段、三開水平段托壓等問題，在施工過程中使用水力振蕩器。水力振蕩器利用閥板機構(gòu)，把單純的機械式加壓改為機械與液力相結(jié)合的加壓方式，為鉆頭提供有效、真實的鉆壓，可提高機械鉆速，減少鉆頭磨損，延長單趟鉆有效進尺，減少起下鉆次數(shù)，縮短鉆井周期[15]。從前期試用到目前推廣使用，水力振蕩器定向鉆井提速較為顯著，平均機械鉆速提高20%以上(見表5)。

3.3.2 射流沖擊器

射流沖擊器是利用鉆井液經(jīng)過換向機構(gòu)，交替作用到活塞上、下端面，推動活塞帶動沖錘產(chǎn)生高頻往復(fù)運動，沖錘高頻沖擊作用到砧子上，沖擊能量由傳遞機構(gòu)傳遞到鉆頭，提高動靜態(tài)耦合作用下的鉆頭破巖效率[16]。針對江東區(qū)塊二開茅口組機械鉆速低的問題，在焦頁H平臺使用?228 mm射流沖擊器對二開直井段提速，機械鉆速提高26.81%(見表6)。

表5 江東區(qū)塊部分平臺水力振蕩器使用情況Table 5 Use of hydraulic oscillators on some platforms at Jiangdong Block

表6 焦頁H平臺射流沖擊器使用效果對比Table 6 Comparison of the results of jet impactors in JY H platform

3.4 “一趟鉆”鉆井技術(shù)

“一趟鉆”技術(shù)是指利用一只鉆頭入井一次打完一個開次的所有進尺。利用該技術(shù)使得水平井降本增效效果明顯。“江東區(qū)塊”由于其地質(zhì)條件復(fù)雜、地層情況不清，導(dǎo)致三開造斜段及水平段實現(xiàn)“一趟鉆”技術(shù)困難。目前，在江東區(qū)塊三開水平段“一趟鉆”僅有5次，較焦石壩主體產(chǎn)建區(qū)三開水平段“一趟鉆”使用較少。

焦頁A-1HF井全井使用國產(chǎn)工具，合理使用射流沖擊器和水力振蕩器，根據(jù)地層優(yōu)選鉆頭類型，實現(xiàn)一開一趟鉆，二開五趟鉆，三開造斜段一趟鉆，水平段一趟鉆。該井鉆井周期52.5 d，創(chuàng)江東區(qū)塊鉆井周期最短記錄；一開機械鉆速最高24.27 m/h，二開直井段單日進尺最多505 m，二開定向段單日進尺最多301 m；三開單只混合鉆頭進尺最多601 m；三開首次實現(xiàn)江東區(qū)塊水平段一趟鉆(見表7)。

4 江東區(qū)塊優(yōu)快鉆井技術(shù)應(yīng)用效果分析

經(jīng)過4年的技術(shù)探索和經(jīng)驗總結(jié)，江東區(qū)塊鉆完井技術(shù)不斷成熟。導(dǎo)眼段平均機械鉆速由2015年的3.53 m/h提升到2018年的8.36 m/h，整體提升了1.4倍(見表8)。一開鉆井克服地層可鉆性差且漏失頻繁的難點，保證機械鉆速不落后。二開鉆井克服小河壩定向施工困難和破碎帶掉塊等難題，機械鉆速提升14.53%。三開水平段“一趟鉆”技術(shù)成果顯著，累計成功5井次；三開井段平均機械鉆速提高39.1%。鉆井周期從2015年的235 d縮短至2018年的90.33 d，實現(xiàn)了江東區(qū)塊鉆井施工整體“降本增效”的目的。

表7 焦頁A-1HF井“一趟鉆”應(yīng)用情況Table 7 Results of “one-pass” bits in JYA-1HF Well

表8 江東區(qū)塊優(yōu)快鉆井效果統(tǒng)計表Table 8 Comparison of fast drilling effects at Jiangdong Block

5 結(jié)論

(1)根據(jù)地層巖性特征優(yōu)選鉆頭類型，二開龍?zhí)督M、茅口組地層推薦使用牙輪鉆頭HJT637GL，三開龍馬溪組濁積砂段推薦使用混合鉆頭KPM1642ART，水平段推薦使用PDC鉆頭KSD1652AGR和KMD1652ADGR，現(xiàn)場應(yīng)用取得了良好的鉆井提速效果。

(2)鉆井設(shè)計提前考慮復(fù)合鉆進時地層造斜率增量，降低全井段造斜率，減少定向滑動鉆井比例，可大幅降低軌跡控制難度。近鉆頭隨鉆測量系統(tǒng)可提高井眼軌跡控制的精度，現(xiàn)場應(yīng)用表明，優(yōu)質(zhì)儲層的鉆遇率均在95%以上，建議三開鉆井全部使用近鉆頭隨鉆測量系統(tǒng)。

(3)水力振蕩器定向鉆井提速較為顯著，平均機械鉆速提高在20%以上；射流沖擊器提高了動靜態(tài)耦合作用下的鉆頭破巖效率，機械鉆速提高在30%以上。建議后續(xù)鉆井推廣使用水力振蕩器和射流沖擊器。

(4)江東區(qū)塊鉆井周期從開發(fā)前期的235 d縮短至90.33 d，機械鉆速、儲層鉆遇率不斷提高的同時，定向鉆井托壓、鉆頭提前失效等工況逐漸減少。通過4年發(fā)展，涪陵氣田江東區(qū)塊優(yōu)快鉆井集成技術(shù)逐漸成熟，對其他深層頁巖氣的勘探開發(fā)具有較強的參考價值。