涪陵地区页岩气山地“井工厂”钻井技术.pdf

第 4 3卷第 3期 2 0 1 5年 5月 石 油 钻 探 技 术 P ETROLEUM DRI L LI NG TE CHNI QUES Vo 1 ． 4 3 NO ． 3 M a y． 2 01 5 ●钻井完井 d o i 1 0 ． 1 l 9 1 1 ／ s y z t j s ．2 01 5 03 0 09 涪陵地 区页岩气 山地“ 井工厂’ ’ 钻井技术 周贤海 ，臧艳彬 1 ． 中国石化江汉油 田分公司地质工程设计监督中心 ， 湖北潜江 4 3 3 1 2 4 ； 2 ． 中国石化石油工程技术研究院 ， 北京 1 0 0 1 0 1 摘要 涪陵 页岩 气田地 处山地 ， 环境 复杂 ， 井场 面积 受限 ， 钻前 与钻 井施 工组 织难度 大、 成本 高。为此 ， 借 鉴 国外 页岩 气工厂化流水作业理念 ， 针 对涪陵山地特点及 页岩 气地 质与 开发特征 ， 开展 了涪陵 山地 “ 井工厂” 井网部 署和 井眼轨道设 计、 井间快速移 动钻机 改造、 工厂化 钻井作 业流程 设计 、 批量 化作 业方案设 计等 方面的研 究 ， 形成 了适应涪陵山地特点的页岩气“ 井工厂” 钻井技术。在 J Y3 O和 J Y2 8平台的应用表明， 涪陵地区页岩山地“ 并工厂” 钻井技术具有提高钻机作业效率、 缩短建井周期、 提高资源综合利用率和降低废液排放量等技术优势， 并保障了涪 陵页岩气井 4井式平台当年完成建平台、 开钻、 完钻、 压裂试气和投产 目标的实现， 对国内类似页岩气区块的开发 具有借鉴 意义。 关键词 页岩气 井工厂 钻 井 山地 涪陵地 区 中图分类号 T E 2 4 9 文献标 志码 A 文章编 号 l 。 0 卜O 8 9 O 2 0 l 5 O 3 0 0 4 5 0 5 App l i c a t i o n o f“ W e l l Fa c t o r y ’ ’Dr i l l i ng Te c hn o l o g y i n t h e Fu l i ng S h a l e Ga s Fi e l d Zho u Xi a nh a i ，Za n g Ya nbi n 1 ． G e o l o g i c a l E n g i n e e r i n g De s i g n＆ S u p e r v i s i o n C e n t e r ，J i a n g h a n Z f i e l d C o mp a n y，S i n o p e c ， Qi a n j i a n g，Hu b e i ，4 3 3 1 2 4 ，C i n a ；2 ． S i n o p e c Re s e a r c h I n s t i t u t e 0 f P e t r o l e u m E n g i n e e r i n g，B e i j i n g， 1 0 0 1 0 1 ，C h i n a Ab s t r a c t S i n o p e c ’ S Fu l i n g s h a l e g a s f i e l d i S l o c a t e d i n a c o mp l e x mo u n t a i n o u s e n v i r o n me n t a n d t h e p r e d r i l l i n g a n d d r i l l i n g o p e r a t i o n s a r e d i f f i c u l t a n d c o s t l y d u e t o we l l s i t e l o g i s t i c a l 1 i mi t a t i o n s ．Ba s e d o n t h e c o n c e p t s o f t h e“ we l 1 f a c t o r y ”p r o c e s s u s e d i n s h a l e g a s d e v e l o p me n t a b r o a d ．a n d c o n s i d e r i n g t h e t e r r a i n a n d t h e g e o l o g i c a n d d e v e l o p me n t c h a r a c t e r i s t i c s o f s h a l e g a s r e s e r v o i r s i n t h e F u l i n g Ar e a ，i n v e s t i g a t i o n s i n t o t h e d e p l o y me n t o f “ we l 1 f a c t o r y ”we l l p a t t e r n s ， we l l t r a j e c t o r y d e s i g n ， mo d i f i c a t i o n o f f a s t mo v i n g r i g s ，d e s i g n o f t h e we l 1 f a c t o r y d r i l l i n g p r o c e s s 。a n d t h e d e s i g n o f b a t c h o p e r a t i o n s c h e me we r e c a r r i e d o u t ．By r e s e a r c h i n g“ we l l f a c t o r y ”t e c h n o l o g y s u i t a b l e f o r s h a l e g a s d r i l l i n g i n Fu l i n g Ar e a wa s f o r me d ．I t s a p p l i c a t i o n i n Pa d J Y3 O a n d J Y2 8 s h o we d t h a t t h i s t e c h n o l o g y c o u l d h e l p i n c r e a s e r i g o p e r a t i o n e f f i c i e n c y ， s h o r t e n t h e we l l c o n s t r u c t i o n c y c l e ，i mp r o v e t h e c o mp r e h e n s i v e u t i l i z a t i o n r a t e o f r e s o u r c e s ．a n d r e d u c e f l u i d wa s t e d i s c h a r g e i n Fu l i n g Ar e a ． I n a d d i t i o n，p l a t f o r m c o n s t r u c t i o n ，d r i l l i n g，c o mp l e t i o n，f r a c t u r i n g， we l l t e s t i n g a n d p r o d u c t i o n i n i t i a t i o n we r e c o mp l e t e d i n t h e s a me c a l e n d a r y e a r f o r a t y p i c a 1 f o u r we l l p a d i n t h e Fu l i n g Ar e a ．Al l t h e s e r e s u l t s c a n p r o v i d e r e f e r e n c e f o r t h e d e v e l o p me n t o f o t h e r s i mi l a r s h a l e g a s f i e l d s i n Ch i n a ． Ke y wo r d s s h a l e g a s ；we l 1 f a c t o r y；d r i l l i n g；mo u n t a i n o u s t e r r a i n；Fu l i n g Ar e a 涪陵页岩气 田位于川东南山地一 丘陵地区， 地表 为典型的喀斯特地貌， 钻前施工、 井场建设和钻井材 料运输等都面临极大挑战， 钻井工程建设周期长、 成 本高。根据北美地区页岩气开发经验和国内相关学 者的研究结果 ， “ 井工厂” 钻井技术具有减少征地面 积、 提高钻机使用效率、 降低作业成本和提高材料综 合利用等诸多优势[ 】 咱 ] ， 已在国内非常规油气藏开发 中取得了较好 的应 用效果[ 7 。 。 。因此 ， 为提高涪 陵 页岩气田钻井效率， 降低钻井工程费用， 围绕涪陵地 区山地的地 表特点及页岩气开 发钻井工程 技术要 求 ， 对山地“ 井工厂” 钻井平台布井方案优化 、 “ 井工 厂” 水平井轨道优化设计 、 “ 井工厂” 钻机设备的改造 与配套 以及“ 井工厂” 钻井作业流程设计进行研究 ， 形成了适用于涪陵山地特点 的“ 井工厂” 高效钻井技 术 ， 并在 J Y 3 o和 J Y2 8平 台进行 了应用 ， 取得 了较 好 的效果 。 收稿 日期 2 0 1 5 0 2 0 1 ； 改 回日期 2 0 1 5 0 4 2 O 。 作者简介 周 贤海 1 9 6 2 -- ， 男， 湖北公安人 ， 1 9 8 2年 毕业于 江 汉石油 学院钻井工程专业 ， 高级 工程师 ， 主要从 事油气钻 井工程技术 工作。 联系方式 0 7 2 8 6 5 8 1 3 6 6 ， z h o u x i a n h a i ． j h y t s in o p e c ． c o rn。 基金项 目 中国石化科技攻关项 目“ 页岩气 ‘ 井工厂 ’ 技 术研 究” 编号 P 1 3 1 3 8 资助。 第 4 3 卷第 3期 周贤海等． 涪陵地区页岩气山地“ 井工厂” 钻井技术 单井 占用井场面积小 ， 靶前距不会造成储量损失 ， 能 够充分动用资源 。 经综合分析对比， 最终采用方案 3 ， 该方案既能 充分动用资源 ， 又能充分利用平台。考虑涪陵地区 的地层 特征 及表层 套管 下深要 求 ， 对 于气 藏埋 深 2 5 0 0 m以浅的平台可以考虑部署 4口井 。 1 ． 2 “ 井工厂” 平台布局 2 0 1 3 年 ， 涪陵地 区平均完井周期为 9 4 d ， 钻井 平 台修建 工期 至少需 要 3 0 d 。这 样 ， 一个 4井平 台在常 规丛 式 水 平井 条 件下 很 难 达到 当年 建平 台、 当年建产 能的 目标 。采用 “ 井工 厂” 钻井模 式 ， 如果平均单井钻机 占用平台时间能控制在 7 0 d之 内， 则一个 4井平 台就 可 以达到 当年建平 台 、 当年 建产 能的 目标 。立 足 于当年建 平 台、 当年建 产 能 的 目标 ， “ 井 工厂” 平 台布局 为 6井平 台采用双 钻 机双排布局 ， 井场规格与井 口布局 如图 3 a 所示 ， 井间距为 1 0 m， 排距 为 5 0 m； 4井平 台采 用单 钻 机 ， 井场规格与井 口布局如图 3 b 所示 ， 井间距为 1 0 m b 4 井式单钻机 图 3 “ 井工厂” 平 台布局 H g ． 3 La y o u t o f a i ‘ we l l f a c t o r y ”p a d 2 水平井轨道优化设计 2 ． 1 井眼轨道设计 涪陵页岩气“ 井工厂” 平台井眼轨道具有以下特 点口 1 偏移距大 。为保证 单井控制储量 ， 各井水 平段 间距 6 0 0 m， 各水平段处于平行状态 ， 6井平台 的平均偏移距为 6 0 0 m， 4井平 台的平均偏 移距 为 3 0 0 m。2 靶前位移大。为实现地下井 网全覆 盖， 不浪费储量资源 ， 采用交错式井 网开发页岩气 ， 单井 靶前位移要 8 5 0 m 以上。3 水平段长。水平 段平 均长度设计为 1 5 0 0 m。为此 ， 从井眼剖面选择、 轨 道参数等方面进行了优化设计_ 1 。 。 井眼剖面设计 。选择双弧剖面 ， 在两增斜段之 间增加稳斜调整段 ， 即采用“ 直一增一稳一增一水平 段” 剖面。这样设 计的原 因 一 方面， 是为 了适应在 实钻中 目的层深度发生变化时， 改变调整方案而不 致于使井眼轨迹控制处于被动地位 ； 另一方面 ， 可通 过调整段来补偿工具造斜率 误差所造成 的轨道偏 差 ， 使轨迹在最终着陆时进靶更准确、 更顺利。 轨道参数设计 。造斜点选在二叠系茅 口组或栖 霞组地 层 ； 定 向造斜 井段 的造 斜率 设计 为 1 5 。 ～ 1 8 。 ／ 1 0 0 m， 水 平 段 调 整 轨 迹 时 设 计 造 斜 率 为 1 0 。 ／ 1 0 0 I l l ； 二维水平井稳斜角控制在 4 0 。 以内， 三维 水平井稳斜角控制在 3 5 。 以内。 2 ． 2 防碰 设 计 由于涪陵地区页岩气开发相邻平 台采用交叉布 井模式 ， 防碰设计时既要考虑同平 台上部井眼防碰 ， 还有考虑相邻平台交叉井大斜度井眼的防碰。 同平台井防碰措施 1 地面井口距离选择井 间距 1 0 m， 4井平台排间距 1 2 m、 6井平 台 双钻机 排间 距 5 o m； 2 有条件的情况下， 井场方向尽可能选择东 西向； 3 优选造斜点深度 ， 以确保井间距离安全 。 相邻平台防碰措施 相邻平台由于交叉钻探 ， 为 避免水平段着陆前相碰 ， 设计 时在开发井网的基础 上 ， 相邻 2组井 的水平段 分别 向西 、 向东统一偏 移 2 5 m， 这样在 着陆前相对应 的水平段就有 5 O m 的 理论间距 ， 可 以有效避免相邻水平段在着陆前相碰 。 地 面 构 筑 物 包 括 清 水 池 2个 ， 每 个 容 积 1 0 0 0 m 。 ； 放喷 池2 个， 每 个容积3 0 0 m 3 ； 清水池、 3 钻机设备的改造与配套 放 喷池整个平 台共 用 ； 井均 污水 池 含 岩 屑池 容 积为 1 o 0 o m3 。 为满足“ 井工厂” 钻井作业对钻机快速移动的要 石 油 钻 探 技 术 求 ， 对钻机运移方式进行 了调研分析 ， 并进行 了对 比 见表 1 ， 优选 了适用 于涪陵山地条件 的钻机快速 运移方式。 表 1 钻机运移方式适应性分析 T a b l e 1 Ad a p t a b i l i t y a n a l y s i s o n mo v i n g r i g s 从表 1可以看 出， 滑轨式钻机运移装置结构简 单 ， 操作和维 护方便 ， 配套周 期短 ， 只需增加 滑轨 和液压运 移装置 ， 且 液压运移 装置可 以多平 台共 用 ， 在涪陵地区适用性较好 。在此基 础上 ， 对该地 区“ 井工厂” 钻井设 备移运方 案进 行 了优化 1 钻 机 、 井架和钻井平 台 包括钻具 整体移 动 ， 循环 系 统 、 钻井泵 、 发 电房 不移 动； 2 防喷器 组作 为一个 整体随钻 机移动并 安装 ； 3 采用标 准节 流管汇及 支架 ， 解决钻井液高压管汇和防喷管汇 的问题 ； 4 采用转接泵 ， 解决钻井液长距 离输送 的问题 ； 5 采 用 电缆转接房 ， 满足井间移运时 电缆 的收放 ； 6 采 用气动绞车吊移坡道 与主梯 。 4 钻井作业流程设计 根据井眼直径相同 开次相同 和钻井液体系相 同或相近的基本原则 ， 结合涪陵地区山地地表环境、 地质特征以及页岩气开发需求 ， 优化形成了该地 区 “ 井工厂” 钻井作业流程 以 4井式平台为例 。 1 第 1 个作业流程 导管与表层作业 。 第 1口井 a ． 立井架 ， 调试钻机设备 ． b ． 开孔钻 进 ； C ．下 导管 ， 固井 ， 装 防喷器 ， 试 压 ， 准备 一开钻 进 ； d 。一 开钻进 ； e ．下表层套 管 ， 固井 ； f ．移井架 钻机 至下 口井 。第 2口、 第 3口井 重复第 1口井 的步骤 b ～f ， 利用离线作业时间安装上 口井的一级 套管头 。第 4口井 完成步骤 b f 后安装一级套管 头 ， 转入第 2个作业流程 。 2 第 2 个作业流程 3 l 1 ． I mm井眼钻进与技 术套管 固井作业 。 第 4口井 ． a ．组装二开井 口防喷器组， 连接井 控管汇 ； b ．连接井控装置， 试压 ； C ．下钻探 塞， 钻塞 ； d ．二开直井段钻进 ； e ．定 向造斜 钻进 ； f ．通 井， 电 测 ； g ．下入技术 套管 ， 固井 ； h ．移钻机 至下 口井。 在二开直 井段钻 进期 间， 利 用离 线作业 时 间配制 KC 1 水基钻井液 。第 2口、 第 3口井重复步 骤 b h ， 利用 离线作 业时 间安装上 口井 的二级 套管 头。 第 1口井完成步骤 b g后安装二级套管头 ， 转入第 3个作业流程。 3 第 3个作业流程 2 1 5 ． 9 mm井眼钻进与生 产套管固井作业 。 第 1口井 a ．配制油基钻井液； b ．连接井控装 置 ， 试压 ； C ． 下钻探塞 ， 钻塞 ； d ．三开定向造斜钻进 ； e ．水平段钻 进 ； f ．通井 、 电测 ； g ．下生产 套管 、 固 井 ； h ．移钻机至下 口井 。第 2口、 第 3口井重复步 骤 b h ， 利用离线作业时间 ， 安装上一 口井的油管 头 。第 4口井完成步骤 b g后安装油管头 ， 转入第 4个作业流程 。 4 第 4个作业流程 完井作业与试气准备 。 第 4口井 a ．安装井 控装置 ， 试 压 ． b ．接小钻 具 ； C ． 下钻探塞 ， 扫塞； d ．刮壁 ； e ．通径 ， 替射孔液 ； f ．测固井质量 ， 套管试压 ； g ．移钻机至下 口井 。第 2口、 第 3口井重复步骤 a g ， 利用离线作业时间安 装上 口井的盖板法兰 。第 1口井完成步骤 a g后 ， 安装盖板法兰 ， 甩钻具 ， 放井架准备搬迁 。 5 应用效果分析 2 0 1 4 年 ， 涪陵地区 1 2 个钻井平台应用了“ 井工 厂” 钻井技术 ， 其 中有 2 个平台 J Y3 o 、 J Y2 8 完成了 全部钻井工作 。J Y3 O和 J Y2 8 “ 井工厂” 钻井技术指 标及其邻平台 J Y2 1 情况见表 2 。 表 2 “ 井工厂” 及其邻平台钻井技术指标对比 T a b l e 2 C o mp a r i s o n o f d r i l l i n g t e c h n i c a l i n d e x f o r w e l l f a c t o r y a n d a d j a c e n t p a d s 第 4 3 卷 第 3期 周 贤海等． 涪陵地 区页岩气 山地“ 井工厂” 钻 井技术 4 9 由表 2 与涪陵地区其他钻井情况可知 ， 应用山地 “ 井工厂” 钻井技术之后取得了较好的效果 1 实现 了钻井提速 ， 提高 了钻机作业效率 ， 加 快 了页岩气建产进程。与同期的常规丛式井 4井平 台相 比， “ 井 工厂” 钻 井平 台平 均机械 钻速 提高 了 1 ． 3 6 m／ h 约提高 1 6 ， 单井 钻完井 周期 缩短 了 1 6 ． 5 d 约缩短 2 3 ， 单井建井周期缩短 了 2 4 d 约 缩短 2 8 ； 与 2 0 1 4年涪 陵地 区平 均钻井 指标相 比， 机械钻速提 高了 2 ． 0 1 m／ h 约提高 2 5 ， 单井 钻完井周期缩短了 1 9 ． 5 d 约缩短 2 6 ， 单井建井 周期缩短了 2 4 d 约缩短 2 8 9 ／ 6 。首个“ 井工厂” 钻 井平台 J Y3 0 ， 于 2 0 1 4年 1月 7日钻前施工 ， 2月 2 0 日第 1口井开钻， 9 月 1日平台 4口井全部完钻， 1 O 月 1日完成全部钻井工作 含试气井筒前期准备 ， 1 O月 1 6日开始试气工作 ， 2 0 1 4 年 1 2月 3 0日投产 ， 实现了当年建平 台、 当年建产能的 目标。J Y 2 8平台 于 2 0 1 4年 2 月 1 6日钻前施工 ， 4月 1 0日第 l口井 开钻 ， 1 2月 1 6日交平台 ， 2 0 1 5年 2月 1 2日完成全 部试气工作 ， 达到投产条件 ， 也实现了当年建平 台、 当年建产能的目标 。 2 降低了钻井成本 ， 减少了废液 的排放量 。与 同期 的常规丛式井 4井平 台相 比， “ 井工厂” 钻井平 台平均单井节约 1 6 ． 5 d的钻机录井作业费用 ； KC 1 水 基 钻 井 液 用 量 由 5 0 0 r n a ／ 井 降 至 2 5 0 r n a ／ 井 ， 节约 5 0 ； 油 基 钻 井 液 用 量 由 3 0 0 m。 ／ 井 降 至 2 1 5 I T I 。 ／ 井 ， 节约 2 8 ； 因钻井液体系转换导致的废 液排放也减少了 1 2 0 0 m。 。 6 结论与建议 1 研究形成 的涪陵地 区页岩气山地“ 井工厂” 钻井技术在 J Y3 0和 J Y2 8平 台进行 了应用 ， 结果表 明， 该技术能提高钻机作业效率 、 缩短建井 同期 ， 实 现钻井提速 、 增效和减排 的目标。 2 综合考虑涪陵地区山地地表环境 、 页岩气开 发井距要求 以及“ 当年建平 台、 当年建产能” 的生产 运行安排等因素 ， 该地 区“ 井工厂” 钻井宜采用 4井 式单钻机和 6井式双钻机平 台模式 。 3 目前涪陵地区使用的钻机均为大型钻机， 结 构庞大 ， 机动性差 ， 占地面积大。建议钻机制造厂商 加快开发结构型式新颖 、 模块尺寸小 、 井场占用面积 小和 自动化程度较高的新型钻机 ， 以满足页岩气“ 井 工厂” 开发作业 的要求 。 参考文 献 Re f e r e n c e s [ 1 1 Hu m m e s O ， B o n d P R， S y mo n s W， e t a 1 ． U s i n g a d v a n c e d d r i l l ～ i n g t e c hn o l o g y t o e n a b l e we l l f a c t o r y c o n c e pt i n t h e M a r c e l l u s S h a l e [ R ] ． I AD c／ S P E 1 5 1 4 6 6 ， 2 0 1 2 ． [ 2 ] P o e d j o n o B ， Z a b a l d a n o J P ， S h e v c h e n k o I ， e t a 1 ． C a s e s t u d i e s i n t h e a p p l i c a t i o n o f p a d d e s i g n d r i l l i n g i n t h e M a r c e l l u s S ha l e [ R] ． S P E 1 3 9 0 4 5 ， 2 0 1 0 ． [ 3 ] L a d l e e J ， J a c q u e t J ． Th e i mp l i c a t i o n s o f mu l t i w e l l p a d s i n t h e Ma r c e l l u s S h a l e [ R] ． I t h a c a C o mmu n i t y Re g i o n a l De v e l o p ～ me nt I n s t i t u t e， Co r n e l l Un i v e r s i t y， 2 0 1 l _ [ 4 ] 张金成， 孙连忠， 王甲昌， 等． “ 井工厂” 技术在我国非常规油气 开发中的应用口] ． 石油钻探技术 ， 2 0 1 4 ， 4 2 1 2 0 - 2 5 ． Z h a n g J in c h e n g ， S u n La h o ng ， Wa n g J i a c h a ng ， e t a 1 ． Ap p l i c a t io n o f mu l t i - we l l p a d i n u n c o n v e n t io n a l o i l a n d g a s d e v e lo p me n t i n Ch i n a [ J ] ． P e t r o l e u m Dr i l l i n g T e c h n i q u e s ， 2 0 1 4 ， 4 2 1 2 0 2 5 ． I s ] 刘社明， 张明禄， 陈志勇， 等． 苏里格南合作区工厂化钻完井作 业实践l_ J ] ． 天然气工业， 2 0 1 3 ， 3 3 8 6 4 - 6 9 ． Li u S h e mi n g， Z h a n g Mi n g l u， Ch e n Zh i y o n g， e t a 1 ．Fa c t o r y - l i ke d r i l l i n g a n d c o mp l e t i o n p r a c t i c e s in t h e j o i n t g a s d e v e l o p me n t z o n e o f t h e S o u t h S u l i g e P r o j e e t [ J ] ．Na t u r a l Ga s I n d u s t r y ， 2 0 l 3， 3 3 8 6 4 6 9 ． E 6 ] 路保平 ． 中国石化 页岩气工程技术进步及展望 I J ] ． 石油 钻探技 术 ， 2 0 1 3 ， 4 1 5 1 - 8 ． Lu B a o p i n g ． Si n o p e c e ng i n e e r i n g t e c h n i c a l a d v a n 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涪陵焦石坝区块页岩气水平井钻井完井技术[ J ] ． 石 油钻探技术 ， 2 0 1 3 ， 4 1 5 2 6 3 0 ． Z h o u Xi a n h a i ． D r i l l i n g＆ c o mp l e t i o n t e c h n i q u e s u s e d i n s h a l e g a s h o r i z o n t a l we l l s i n J i a o s h i b a B l o c k o f F u l i n g Ar e a [ J ] ． P e t r o l e um Dr i l l ing Te c h n i q u e s ， 2 0 1 3， 41 5 2 6 3 0 ． [ 1 4 2 艾军， 张金成， 臧艳彬， 等． 涪陵页岩气田 钻井关键技术[ J ] ． 石 油钻探技术 ， 2 0 1 4 ， 4 2 5 9 - 1 5 ． Ai J u n ， Z h a n g J i n c h e n g ， Z a n g Ya n b in， e t a 1 ． Th e k e y d r i l l i n g t e c h n o l o g i e s i n F u l i n g S h a l e Ga s F i e l d [ J ] ． P e t r o l e u m D r i l l i n g Te c hn i q u e s ， 2 0 1 4， 4 2 5 9 -1 5 ． [ 编辑令文学]