彭页HF-1页岩气水平井钻井关键技术.pdf

第 4 O卷 第 4期 2 0 1 2年 7月 石 油 钻 探 技 术 P ETROI EUM DRI L I I NG TE CHNI QUE S V 1 ． 4 No．4 J u 1 ．， 2 O l 2 ． _页岩气钻井完井技术专题 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 2 ． 0 4 ． 0 0 6 彭页 HF - 1 页岩气水 平井钻井关键技术 姜政华 ，童胜宝 ，丁锦鹤 1 ． 中国石化华东石油局非常规资源勘探开发指挥部 ， 江苏南京 2 1 0 0 3 1 ； 2 ． 中 国石化华 东石油局 工程技术设计 研究 院， 江苏南京 21 0 0 31 摘要 水平井是开发页岩气的有效方式， 但 页岩气水平井施工中存在井眼轨迹难以控制、 摩阻扭矩大、 机械 钻速偏低 、 井壁稳 定性差 、 固井质量难以保证 等难题。在 彭页 H卜 1 井施 工过程 中， 综合 应用 了旋转导 向钻 井技术 、 油基钻井液和双凝双密度水泥浆等 ， 并进行 了钻具组合和 钻头的优 选 ， 钻 井周期 比设计周 期缩短 1 3 d 。对该 井的 轨迹控制情况、 井身质量、 摩阻扭矩、 固井质量等进行了分析， 全井平均机械钻速达到 6 ． 2 8 m／ h ， 狗腿度保持在 6 。 ／ 3 0 m 以下， 摩阻保持在 1 5 0 2 5 0 k N， 施工效果 良好。该井实钻效果表明， 旋转导向钻井技术和油基钻井液是页岩 气水平井施工成功的关键， 对国内其他页岩气水平井施工具有指导和借鉴作用。 关键词 页岩气 机械钻速 摩擦损失 扭矩 彭页 HF _ 1 井 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 2 0 4 0 0 2 8 0 4 Ke y Te c hn o l o g i e s Ad o pt e d f o r S ha l e Ga s Ho r i z o nt a l W e l l Pe ng y e HI 1 _1 J i a n g Zh e n g h u a ， T o n g S 1 ． Un c o n v e n t i o n a l Oi l Ga s Expl o r a t i o n a n d De v e l o p me n t He a d q u a r t e r s ， Ea s t Ch 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 3 1 ， C h i n a； 2 ． En g i n e e r i n g De s i g n 2 Re s e a r c h I n s t i t u t e， Ea s t C h i n a Pe t r o l e u m Bu r e a u， Si n o p e c ， Na n j i n g， Ji a n g s u， 2 1 0 0 3 1 ， Ch i n a Ab s t r a c t Ho r i z o n t a l we l li S t h e mo s t e f f e c t i v e me a n s f o r s h a l e g a s p r o d u c t i o n ， b u t p r o b l e ms s u c h a s d i f f i c u l t we l l t r a j e c t o r y c o n t r o l ， g r e a t f r i c t i o n d r a g a n d t o r q u e ， l o w RO P， p o o r we l l b o r e s t a b i l i t y a n d p o o r c e me n t i n g q u a l i t y e x i s t i n s h a l e g a s h o r i z o n t a l we l 1 ． Du r i n g t h e d r i l l i n g o f P e n g y e HF一1 W e l l ， s o me a d v a n c e d t e c h n o l o g i e s s u c h a s r o t a r y s t e e r i n g s y s t e m ， OB M ， s p e c i a l c e me n t i n g h a d b e e n u s e d， BHA a n d d r i l l i n g b i t h a d b e e n o p t i mi z e d ， a s a r e s u l t ， t h e d r i l l i n g c y c l e h a d b e e n r e d u c e d b y 1 3 d a y s ． Th i s p a p e r a n a l y z e d t h e we l l t r a j e c t o r y c o n t r o l ， we l l b o r e q u a l i t y ， f r i c t i o n d r a g ， a n d c e me n t i n g q u a l i t y o f t h i s we l 1 ． Ac c o r d i n g t o t h e a n a l y s i s ， t h e a v e r a g e R OP w a s 6 2 8 m／ h ， t h e d o g l e g wa s b e l o w o ／ 3 0 m， s ma l l f r i c t i o n d r a g wa s k e p t b e t we e n 1 5 0 ～ 2 5 0 k N ， d e mo n s t r a t i n g g o o d d r i l l i n g r e s u l t s ． Th e t e c h n i c a l a p p l i c a t i o n s h o we d t h a t r o t a r y s t e e r i n g s y s t e m a n d OBM we r e t h e k e y s f o r s u c c e s s f u l o p e r a t i o n o f s h a l e g a s h o r i z o n t a l we l l s ． Bo t h o f t h e t e c h n o l o g i e s p l a y a n e x e mp l a r y a n d r e f e r e n t i a 1 r o l e i n t h e o p e r a t i o n o f o t h e r d o me s t i c s h a l e g a s h o r i z o n t a l we l l s ． Ke y wo r d s s h a l e g a s ； r a t e o f p e n e t r a t i o n； f r i c t i o n l o s s ； t o r q u e ； W e l l P e n g y e H卜 1 彭水 区块 已施工 的彭页 1 井位于川东南一 湘鄂 西地区四川盆地与雪峰隆起西缘之间“ 槽一 档” 构造 过渡区， 钻至龙马溪组地层完钻。从钻井情况来看， 存在机械钻速低 、 井斜角难以控制等问题 ， 导致钻井 周期远长于设计施 工周期 ， 达到 1 5 5 d ， 而且全井最 大井斜角达到 l 6 。 ， 井底位移 2 4 0 I n 。在彭页 1 井基 础上侧钻施工 的彭 页 HF 一 1 井 ， 目的层 位下志 留统 龙马溪组一上奥陶统五峰组是 四川盆地古生界下部 最为重要 的 2 套烃源岩之一 ， 发育厚度约 1 0 0 m 的 收稿 日期 2 0 1 2 一 O 2 1 1 ； 改回 日期 2 0 1 2 一 O 6 2 2 。 作者简介 姜政华 1 9 7 4 ， 男， 安徽黄 山人 ． 1 9 9 4年 毕业 于长 春地质 学校钻探工程专业 ， 助理工程师 ， 主要 从事钻 井技术现场管理 工作 。 联 系方式 h d 0 4 2 l O 1 6 3 ． C O II I 第 4 O卷 第 4 期 姜政 华等． 彭页 H卜 l 页岩气水平井钻 井关键技 术 黑色页岩 ， 具有很大 的产气潜力 。彭页 HF 一 1 井在 钻井过程 中， 应用 了旋转导向钻井 、 油基钻井液、 双 凝双密度水泥浆等技术 ， 应用效果非常好 ， 但是由于 成本较高 ， 目前 国内主要用来解决常规钻井技术难 以解决 的问题E 。笔者在介绍该井钻井关键技术 措施的基础上 ， 详细分析 了其实钻效果。 1 施工概况 彭页 HF _ 1 井利用彭页 1井的已钻井眼进行侧 钻 施 工 ， 侧 钻 点 井 深 1 5 4 0 ． 0 0 m， 完 钻 井 深 3 4 4 6 ． 1 5 m， 全井最大井斜角 8 0 。 ， 水平段在页岩层 穿行长度达到1 0 2 0 m。该井于 2 0 1 1年 1 2月 3 0日 开始一开钻进 ， 2 0 1 2年 3月 2日完钻 ， 钻井周期 6 3 d ， 全井平均钻速达到 6 ． 2 8 m／ h 。彭页 HF _ 1 井实钻 井身结构如 图 1所示 ， 其 中一开和二开为彭页 1 井 已钻井眼， 分别钻至井深 8 6 ． 1 6 m和 8 8 9 ． 7 8 I n， 水泥 返至地面， 实钻井段为 1 5 4 0 ． O 0 ～3 4 4 6 ． 1 5 m， 套管 下至 3 4 3 6 ． 0 0 m， 水泥仍然返至地 面， 三开封 固段 长 3 4 4 6 ． 1 5 m。 图 1 彭页 H F - 1 井实钻井身结构 Fi g ．1 Ac t u al c as i ng pr og r a m o f W e l l Pe ng y e HF-1 2 施工难点分析 彭水 区块普遍存在地层倾角大、 软硬地层交错 、 岩性变化大、 地层可钻性差等问题 ， 同时由于该井水 平段长 ， 又在页岩段穿行 ， 导致在钻井和固井过程 中 存在 以下难题 1 井眼轨迹难 以控制。彭页 H卜1 井水平段长 达 l 0 0 0 m 以上 ， 在钻进时由于钻具组合和地层 的 原因导致井斜角控制难度大。彭页 1 井在施工过程 中井斜角就难 以控制 ， 虽然不 断下人螺杆钻具复合 纠斜 ， 但是井斜角依然达到 1 6 。 ， 井底位移达到 2 4 0 m。彭页 HF _ 1 井为三靶点水平井 ， 且靶区间井斜角 变化大 ， 增加了井眼轨迹控制的难度 。 2 机械钻速低。根据彭页 1 井 的钻井资料 ， 其 平均机械仅为 2 ． 4 8 m／ h 不含取心 ， 说明彭水区块 岩石可钻性较差 ， 这对于彭页 H卜 1 井是一个挑战。 3 摩阻扭矩大。水平井施工过程中降低摩阻 扭矩是一个难题 ， 该井水平段较长 ， 加上导眼井彭页 1井 的井身质量较差 ， 摩阻和扭矩是一个不可忽略 的问题 ， 为了保证井下安全 ， 必须寻找降低摩阻扭矩 的方法 。 4 井壁易失稳 。根据彭页 1井所取岩心 的分 析结果 ， 目的层龙马溪组 岩石矿物组分主要为石英 及黏土矿物 ， 黏土矿物 以伊利石和伊蒙混层为主 ， 钻 进时井壁吸水膨胀 易导致失稳 ， 而且 目的层各 向应 力差异大 ， 给彭页 H卜 1 井施工带来困难 。 5 该井水平段较长 ， 而且导眼井彭页 1井井身 质量较差 ， 在固井过程中可能会 出现套管居 中度不 够 、 水泥浆胶结质量差 、 顶替 困难等问题 。 3 关键技术措施 针对可能存 在的施工难题 ， 该井应用 了旋转导 向钻井 、 油基钻井 液、 双凝 双密度小 泥浆 等技术措 施 ， 同时优化钻具组合 和优选钻头 ， 达到安全 、 快速 钻进的 目的； 并在施工中采用 了特色固井技术 ， 保证 了套管 的居 中度和固井质量 。 3 ． 1 旋转导向钻井技术 旋转导 向钻井 技术是 目前 比较先进 的钻井技 术 ， 非 常适合开发特殊油藏 的超深井 、 高难度 定 向 井 、 水平井 、 大位移 井 、 水平 分支 井 等。旋 转导 向 钻井技术是在远端计算机 上输 入工具面调整 的具 体数值 ， 然后通过脉冲传到井底仪 器 ， 从 而改变工 具面角 ， 控 制井 眼轨迹 。它 比传 统螺 杆导 向要 精 确 、 及 时， 能够 大大提 高井 眼轨迹 控制 的精 度 ； 同 时 ， 在导 向钻进过程 中钻柱是一直旋转 的 ， 能够有 效降低摩 阻和扭矩 。 3 ． 2 优选钻具组合 针对彭页 HF 一 1 井水平段较长 、 井眼轨迹控制 石 油 钻 探 技 术 困难 的特点 ， 采用 了配置斜坡钻杆的倒装钻具组合 ， 对于降低摩阻扭矩、 保证井身质量发挥 了重要作用。 水平段钻具组合为 2 1 5 ． 9 mm钻头 “ 旋转 导向MWD” 组合 1 2 7 ． 0 mm加重钻杆 l根 震击 器 1根 声1 2 7 ． 0 mm 加重 钻 杆 1根 1 2 7 ． 0 mm 斜坡 钻杆 随井深 增加 相应 调整 1 2 7 ． 0 mm加重钻杆 3 3 根 1 2 7 ． 0 mm钻杆 。 3 ． 3 钻头优选 针对地层可钻性较差 的特点 ， 通过优选适合地 层岩性 的钻头 ， 配合旋转导 向工具 ， 在施工过程 中平 均机械钻速达到 6 ． 2 8 m／ h ， 其 中使用旋转导 向工具 配合 P DC 钻 头 钻 进 井 段 平 均 机 械 钻 速 达 到 7 ． 4 4 m／ h 。对 比彭页 HF - 1 井和彭页 1井在 目的层 龙马溪组 的钻头使用情况 见表 1 ， 可 以看 出 P I C 钻头 比牙 轮 钻 头具 有 更 好 的适 用性 ， 其 中 WH MG E 4 6 1 5 型 P D C钻头使用效果最好 。 表 1 龙马溪组钻头使用情况 Ta bl e 1 Us e o f bi t s i n Lo ng ma xi f or ma t i on 3 ． 4 油基钻井液 针对彭页 HF - 1 井施工 的难点 ， 应用了高性能 的油基钻井液 ， 其主要技术特点为 1 页岩容易 吸水 膨胀 而掉块 ， 从 而影响井 壁 稳定 ， 这就要求钻井 液高温高压滤失性能非常好 。 彭页 H卜1 井使用 的油基钻井 液页岩抑 制性 能较 好 ， 高温高压下 3 0 mi n的滤失量仅 为 1 ． 8 mL， 能 够保证井壁稳定 。 2 以柴油作为基础油 ， 采用脂肪酸及共聚物为 主要材料 ， 而非传统油基钻井液 的有机膨润土 ， 有效 降低 了固相含量 保持在 5 ／ 6 ～9 ， 改善了泥饼质 量 ， 降低了钻柱与井壁泥饼之间的粘附力 ， 从而降低 了井下的摩阻扭矩 。 3 油基钻井液具有弱胶凝强度切力 ， 使井漏的 可能性降低 。 3 ． 5 特 色 固井技 术 结合彭页 HF _ 1 井的施工难点和国内外固井经 验与技术， 选用双凝双密度水泥浆 1 ． 3 8 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 ， 其中密度为 1 ． 3 8 g ／ c m。的领浆返至地面， 目的 是降低整个水泥浆 的液柱压力 ； 密度 为 1 ． 8 8 k g ／ L 的尾浆返至井深 2 2 2 0 m 处 ， 目的是保证下部产层 的固井质量 。该水泥浆能够保证较小的液柱压力 ， 防止在固井过程 中水泥浆漏失 ， 同时具有很强的胶 结能力和防气窜能力 ， 确保固井质量 ， 为后期的压裂 施工打下基础 。 4 现场应用及效果分析 彭页 HF _ 1 井从彭页 1井井深 1 5 4 0 ． 0 0 m 处 以单弯螺杆钻进方式开始侧钻 ， 为保 证侧钻质量 ， 采用控 时钻进 的方 式 ， 机械 钻速控 制 在 0 ． 5 m／ h 以内， 至1 5 9 4 ． 0 0 m侧钻完成 ， 纯钻时 间 8 1 h 。侧 钻完成后下 人旋转 导 向系统 导 向钻进 ， 此 时的井 斜角和方位 角分别 为 6 ． 3 8 。 和 1 8 6 ． 4 6 。 ， 旋转 导 向 工具在使用 过程 中 出现一 些 问题 ， 期 间 间断使用 螺杆钻进 ， 从井深 2 1 0 9 ． 0 0 m 至完钻井深一直使 用旋转导向系统导向钻进 ， 钻压基本控制在 1 2 0 ～ 1 8 0 k N， 转速 控制 在 8 0 ～1 2 0 r ／ mi n ， 高转 速保证 了较高 的机 械钻 速。钻井 过程 中钻 井液 排量 2 7 L ／ s ， 泵压 1 6 ～2 0 MP a ， 钻 井液循 环 采用振 动筛 、 除砂器／ 除泥器 、 离 心机 三级 固控装 置 ， 保 证 了钻 井液性能 的稳 定 。固井 时先 泵 人 清洗 液 和顶 替 液 ， 然后泵 入 低密 度领 浆 和 高密 度 尾浆 ， 清水 顶 替 ， 水泥浆返 出地面 ， 碰压 1 8 MP a 。 彭页 HF 一 1 井 实钻轨 迹和设计 轨迹 对 比表 明 见图 2 ， 井 眼轨迹控制得较好 。完钻垂深增大是 由于地质靶点预测误差所致 。 摩阻扭矩与井眼狗腿度关 系密切 ， 该井设计 的 狗腿度较小 ， 在实际施工来看 ， 采用旋转导向工具所 钻井段狗腿度小 ， 井 眼光滑 ， 有效降低了摩阻扭矩。 图 3为该井 的狗腿度曲线 ， 可以看 出狗腿度基本保 持在 5 0 ／ 3 0 m 以内。 在实 际 施 工 过 程 中， 起 下 钻 摩 阻 为 1 5 0～ 2 5 0 k N， 用相关软件结合实际钻具组合分析得到该 井井 眼实 际的摩擦 系数 为 裸眼 0 ． 2 ， 套管 内 0 ． 1 。 说明旋转导向技术和油基钻井液的使用大大降低了 摩阻 见图 4 。 钻井过程 中未 出现井壁 掉块 现象 ， 振 动筛 上 岩屑连续返 出， 大小规则均匀 ， 井 眼清洁度保 持得 较好 。 』 ’