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四川叙永浅层页岩气井提速提效技术

发表时间：2020/6/19 来源：《基层建设》2020年第6期作者：陈永超程智勇张红雨季学财

[导读] 摘要：针对四川叙永工区上部地层井筒稳定性差，区域地表多为第四系基岩风化后的浮土和喀斯特地貌，上部地层破碎，裂缝及溶洞极为发育，易发生失返性漏失，常规清水钻进施工难度高；二开井段志留系龙马溪组泥页岩层水平层理和裂缝发育、脆性明显，易发生垮塌、掉块，水平段滑动钻进掉块卡钻频发，且由于水平井位垂比较大，大井斜、水平段轨迹调整难度大。在对浅表层钻进方式、二开井段钻头、螺杆优选、钻具组合及钻井液体系优化，制

        中石化华东石油工程有限公司江苏钻井公司 225200
        摘要：针对四川叙永工区上部地层井筒稳定性差，区域地表多为第四系基岩风化后的浮土和喀斯特地貌，上部地层破碎，裂缝及溶洞极为发育，易发生失返性漏失，常规清水钻进施工难度高；二开井段志留系龙马溪组泥页岩层水平层理和裂缝发育、脆性明显，易发生垮塌、掉块，水平段滑动钻进掉块卡钻频发，且由于水平井位垂比较大，大井斜、水平段轨迹调整难度大。在对浅表层钻进方式、二开井段钻头、螺杆优选、钻具组合及钻井液体系优化，制定相应的优化措施，提高叙永工区上部及二开井段施工效率、安全性。在阳102H1、阳102H2、阳102H5、阳102H26等平台井的实钻中应用，取得了良好的应用效果，为后续在该类地层井的施工中提供了参考。
        关键词：空气钻；漏失；钻具；单弯；屈曲；托压
        四川叙永工区浅表层井筒稳定性差，易发生失返性漏失，常规清水钻进施工难度高；二开井段志留系龙马溪组泥页岩层水平层理和裂缝发育、脆性明显，易发生垮塌、掉块，水平段滑动钻进掉块卡钻频发，且由于水平井位垂比较大，水平段滑动钻进难度大。
        1浅层页岩气井施工难点
        叙永工区地层由上至下包括第四系、茅口组、栖霞组、韩家店组、石牛栏组、龙马溪组，该工区在提速提效施工方面难点主要体现在以下几方面：
        （1）工区上部地层井筒稳定性差。区域地表多为第四系基岩风化后的浮土和喀斯特地貌，导致导管钻遇浮土层地层易漏易垮，阳102H2平台3口井开导管、一开后地表下陷，导致移钻机重做钻前工程。上部地层破碎，裂缝及溶洞极为发育，易发生失返性漏失，且由于井场多位于半山腰上，供水较为困难；同时钻遇水层、河床等，易发生出水、河床流石进入井筒，易产生掉块卡钻。
        （2）目的层箱体薄、地层倾角变化大，井身轨迹调整频繁，造成摩阻、扭矩大。
        （3）龙马溪组断层、裂缝发育，易井漏、掉块卡钻。
        2浅表层和二开井段提速提效技术优化
        2.1浅表层提速提效优化钻进技术
        针对叙永工区浅表层裂缝及溶洞发育、施工区域供水困难、易发生失返性漏失，常规钻井恶性井漏严重、钻井周期长、钻探成本高，严重影响了施工效率。为此，基于已钻井分析和地层特性分析，在导眼及一开上部井段使用空气锤钻进方式，因浅表层井漏影响时效的问题得到有效解决，钻井周期大幅缩短，实现了页岩气井低成本高效勘探开发的目标。
        2.1.1浅表层钻进方式优化
        （1）钻井方式。空气锤钻进&雾化钻井&清水强钻。
        （2）钻具组合。Φ660mm空气锤/φ450mm空气锤/Φ311.2mmPDC钻头（φ315空气锤）+φ203mm减震器+NDC*1根+φ203mmSDC*2根+178mmSDC*6根+φ127mmHWDP*9根+Φ127钻杆。
        （3）钻进参数。空气钻施工参数：钻压：10～20kN，转速：40～55rpm，气排量约70-90m3/min（四台空气压风机），气压1.2～2.3MPa。
        2.2.2空气钻使用条件
        ①根据井场特点，优选空气钻钻进。②如遇出水，出水量小于10m3/h，采取雾化钻井方式；出水量大，则采用清水强钻。③条件允许应储备足够的清水，尽量提高供水能力，确保确保清水抢钻连续施工。
        2.2.3空气钻技术重点措施
        ①根据地表浮土情况，增下一层卷管封隔上部浮土层。先用Ø450mm空气锤钻进10～15m，采用Ø609.6mm或Ø660.4mm牙轮钻头空气循环扩孔正常后，下入Ø508mm或Ø620mm卷管下深10～15m。②在处理空气锤起钻问题上，如起钻困难，起钻前，一定要保持大气量循环（排量90-100m3/min，压力2.3MPa），井口动作要快，卸下单根尽快接好方钻杆，开通气，正常后再上提。否则要先下放到安全井段，确保不憋压，气排量、气压正常。③空气锤钻进至泥岩时，泥土因少量出水,粉尘因潮湿粘附在空气锤或钻具上，造成环空不畅，起钻困难。应尽早发现，立即处理。发现越迟，处理越难。停止钻进，加大气排量，上起时适当加少量水，加强润滑性。④由于地表水易导致开导及一开井壁缩径，易在打完进尺至下套管的间隔时间易产生井底沉砂，导致下套管遇阻和下不到预定井深，为防止井底沉砂在采用常规循环不能有效带砂，造成套管不能下到位的现象，采用了穿芯一体化下套管，即在套管内下入钻具，算好方入，保证钻头出套管鞋1-2米。边循环带砂边下套管。钻头到底，套管离井底1-2米口袋。再起出钻具，从而保证套管下至预定位置。
        表1空气钻应用时效对比统计

        应用效果分析：通过2019年浅表层使用空气钻时效数据对比18年常规钻进时效，使用空气钻有效的节约了施工周期，其中，导管段钻进时间平均节约11.68h，提高31.74%；一开段起下钻次数平均节约0.81趟，钻进时间平均节约86.28h，提高达55.45%。
        2.2二开井段提速提效优化技术
        叙永工区二开井段钻遇韩家店、石牛栏、龙马溪组地层，该区水平井目的层龙马溪组普遍埋藏浅、定向段短、井眼曲率高；产层箱体薄、地层倾角变化大、井身轨迹调整频繁，造成摩阻、扭矩大；井身轨迹位垂比大，造成大斜度、水平井段定向、扭方位调整困难。且由于龙马溪组断层、裂缝发育，井漏、掉块卡钻风险高。
        针对上述问题，开展了钻头选型、螺杆及钻进参数的优化；对于大斜度、水平井段轨迹调整钻进困难，从钻具屈曲、侧向力、摩阻扭矩等方面分析，运用NDS软件，进行钻具组合的优化，提高施工效率。
        2.2.1二开井段钻头、螺杆、钻进参数优化
        该区块二开井段钻遇志留系韩家店、石牛栏、龙马溪组，志留系韩家店组、石牛栏组地层以深灰色灰质泥岩，深灰色泥岩，深灰色含灰泥岩为主，龙马溪组地层以灰黑色泥页岩为主。
        （1）钻头优选方案
        叙永工区二开造斜段钻遇的志留系韩家店组、石牛栏组地层以深灰色灰质泥岩、深灰色泥岩、深灰色含灰泥岩为主；针对以往大斜度井造斜、扭方位困难的现象，优化钻头选型，采用16mm复合片、5刀翼钢体强攻击性双排齿PDC钻头，提高钻头吃入地层的能力及增大钻头接触井底的面积，降低工具面摆放时的扭矩，提高定向效率。
        龙马溪组地层以灰黑色泥页岩为主，泥页岩层水平层理和裂缝发育、脆性明显，易发生垮塌、掉块，水平段滑动钻进掉块卡钻频发。针对此现状，优化了钻头结构，改进为短刀翼、短体、单排齿结构，减少了钻头与井壁的接触面、增大了返砂通道，降低了卡钻的风险。
        表2钻头优选推荐表

        （2）螺杆选型
        对已钻井所用螺杆综合对比分析，并结合各类型螺杆性能特点，进行优选。
        1、造斜段。优选φ172mm5头单弯螺杆(1.5°，扶正器外径212mm)，大弯度大扭矩螺杆，利于定向造斜效率。
        2、水平段。若水平段箱体地层倾角变化较大，选用φ172mm5头单弯螺杆(1.25°，扶正器外径210mm)；若水平段箱体地层倾角变化平缓，选用φ172mm5头单弯螺杆(1°，扶正器外径210/208mm)。
        （4）推荐钻井参数
        钻压：60～100KN；转速：40～60r/min；排量：28～30L/s。
        （3）钻井液体系优化
        钻井液体系采用高性能水基钻井液，针对下部泥页岩垮塌严重情况，强化了钻井液封堵性能，泥页岩垮塌情况得到了有效解决。
        2.2.2水平段钻具组合优化
        由于产层箱体薄、地层倾角变化大，井身轨迹调整频繁，造成摩阻、扭矩大，且由于叙永工区目的层龙马溪组埋藏浅，垂深在750m-950m之间，水平段长达1500m，井身轨迹位垂比大，钻具屈曲严重，水平段滑动钻进托压严重、送钻困难。
        （1）应用实例：
        阳102H26-6井是一口二开制水平井，完钻井深2650m，水平段长达1300m，水平位移大1408.03m，最大井斜达109.20°，二开水平段钻进至2285m滑动钻进时出现托压严重，井口大钩甚至松动，出现无法送钻的情况。
        1）当时井下钻具组合：
        Φ215.9mmPDC钻头+φ172mm螺杆（1.5°）+φ165mm浮阀+φ165mm无磁钻铤*1根+4A11*410+φ127mm加重钻杆*4根+φ165mm震击器+φ127mm加重钻杆*1根+φ127mm钻杆*200根+φ127mmHWDP*33根+Φ127钻杆。
        根据NDS软件分析：
        根据钻具轴向力屈曲分析图可知，在以5t和10t钻压滑动钻进时，钻具在0-1200m范围屈曲程度已经大幅超过正弦及螺旋屈曲极限，造成钻具无法有效的传递钻压。
        原倒装钻具组合中加重钻杆位于0-300m井段，据图2所示，屈曲程度最大井段位于井深500m附近，刚性强的加重钻杆未有效的利用其刚性降低钻具的屈曲程度。经优化调整，加重钻杆放置于480-780m位置。

        图1原钻具受力分析

        图2原钻具轴向力分析图
        （2）应用效果分析
        表3钻具组合调整前后时效情况

        阳102H26-6井在井段2279-2286m由于轨迹调整需滑动钻进，大钩弹簧出现松动现象，钻具屈曲现象严重，严重托压，滑动钻进机械钻速只有3.20m/h，经钻具调整后，在2300-2308m滑动钻进时托压现象得到了一定程度的改善，机械钻速达到6.33m/h，提高达97.81%。
        3应用井提速效果分析
        应用效果分析：对比叙永工区2018年和2019年施工的水平井速度指标数据可知，2019年在平均井深从2288.67m增至2392.87m，增加了4.55%的情况下，通过在浅表层采用空气钻技术，优化了二开井段钻头、螺杆、钻井液技术及针对性的优化水平井段钻具组合，达到了提速提效的效果，钻井周期、钻完井周期分别缩短了40.08%、37.56%，机械钻速平均提高了60.72%，提速效果明显。
        4结论及建议
        （1）四川叙永工区浅表层采用空气钻钻进方式后，较好的解决了该区块浅表层易垮易漏、水源紧张、常规清水钻进时效低等问题，有效的缩短了施工周期及风险投入，提速提效效果明显。
        （2）浅层水平井由于位垂比大，水平井后期滑动时托压严重、钻进困难，通过运用软件对钻具组合进行受力分析，调整钻具组合中倒装钻具的合理摆放位置，可有效减轻钻具的屈曲现象，提高钻压传递效率，进而提高滑动钻进效果。
        （3）水平段龙马溪组黑色泥页岩易垮塌掉块，卡钻风险高，通过优化钻头结构，采用短刀翼、单排齿结构的PDC钻头施工风险大为降低。
        （4）四川叙永工区通过提速提效技术的集成应用，2019年施工井提速提效效果明显。