川西中浅层气藏千米水平段一趟钻关键技术

◀钻井技术与装备▶川西中浅层气藏千米水平段一趟钻关键技术∗崔　杰１，２　纪友亮１（１􀆰中国石油大学（北京）地球科学学院　２􀆰中石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院）　　摘要：针对川西油田水平井机械钻速低、起下钻频繁和钻井周期长的问题，在底部钻具组合力学分析的基础上，对水平段稳斜钻具组合进行优选，并提出了以水平段轨迹控制技术、井眼清洁控制技术、ＰＤＣ钻头优选技术、润滑防塌钻井液技术和无线随钻测量技术为核心的川西中浅层气藏千米水平段一趟钻关键技术。应用一趟钻关键技术在川西地区完成了多口井的施工，与２０１１年完钻同类型水平井相比，钻井技术指标大幅提升，沙溪庙组水平井在水平段长增加４３４ｍ的情况下，钻井周期缩短１３􀆰７１％，机械钻速提高３７􀆰９９％；蓬莱镇组水平井钻井周期缩短３８􀆰００％，机械钻速提高２４􀆰８３％。关键词：一趟钻；水平井；轨迹控制；ＰＤＣ钻头优选；ＭＷＤ；川西油田中图分类号：ＴＥ２４３　文献标识码：Ａ　ｄｏｉ：１０􀆰１６０８２／ｊ􀆰ｃｎｋｉ􀆰ｉｓｓｎ􀆰１００１－４５７８􀆰２０１５􀆰０８􀆰００１ＫｅｙＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｏｆＯｎｅ⁃ｔｒｉｐＤｒｉｌｌｉｎｇＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｉｎＫｉｌｏｍｅｔｒｉｃＨｏｒｉｚｏｎｔａｌＳｅｃｔｉｏｎｆｏｒＭｉｄｄｌｅ⁃ｓｈａｌｌｏｗＧａｓＲｅｓｅｒｖｏｉｒＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｉｎＷｅｓｔｅｒｎＳｉｃｈｕａｎＣｕｉＪｉｅ１，２　ＪｉＹｏｕｌｉａｎｇ１（１􀆰ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＧｅｏｓｃｉｅｎｃｅｓ，ＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＰｅｔｒｏｌｅｕｍ（Ｂｅｉｊｉｎｇ）；２􀆰ＤｒｉｌｌｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，ＳｈｅｎｇｌｉＰｅｔｒｏｌｅ⁃ｕｍＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＬｔｄ􀆰，ＳＩＮＯＰＥＣ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｏａｄｄｒｅｓｓｔｈｅｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｗｅｌｌｉｓｓｕｅｓｉｎｗｅｓｔｅｒｎＳｉｃｈｕａｎｌｉｋｅｌｏｗＲＯＰ，ｆｒｅｑｕｅｎｔｔｒｉｐｐｉｎｇａｎｄｌｏｎｇｄｒｉｌｌｉｎｇｐｅｒｉｏｄ，ｔｈｅＢＨＡｆｏｒｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｓｅｃｔｉｏｎｈｏｌｄａｎｇｌｅｄｒｉｌｌｉｎｇｉｓｏｐｔｉｍｉｚｅｄ􀆰Ｔｈｅｋｅｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｏｆｏｎｅ⁃ｔｒｉｐｄｒｉｌｌｉｎｇｆｏｒｍｉｄｄｌｅ⁃ｓｈａｌｌｏｗｇａｓｒｅｓｅｒｖｏｉｒｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ，ａｓｔｈｅｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｗｅｌｌｂｏｒｅｔｒａｊｅｃｔｏｒｙｃｏｎｔｒｏｌｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｈｏｌｅｃｌｅａｎｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＰＤＣｂｉｔｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ，ｌｕｂｒｉｃａｔｉｎｇａｎｄａｎｔｉ⁃ｃｏｌｌａｐｓｅｄｒｉｌｌｉｎｇｆｌｕｉｄｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｗｉｒｅｌｅｓｓＭＷＤｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｓｔｈｅｃｏｒｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，ｉｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄ􀆰Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅｏｎｅ⁃ｔｒｉｐｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｎｓｅｖｅｒａｌｗｅｌｌｓｉｎｗｅｓｔｅｒｎＳｉｃｈｕａｎｓｈｏｗａｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙｉｍｐｒｏｖｅｄｄｒｉｌｌｉｎｇｉｎｄｅｘｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｓｉｍｉｌａｒｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｗｅｌｌｓｄｒｉｌｌｅｄｉｎ２０１１􀆰ＦｏｒＳｈａｘｉｍｉａｏｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ｔｈｅｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｓｅｃｔｉｏｎｈａｓｂｅｅｎｉｎｃｒｅａｓｅｄ４３４ｍｗｉｔｈｓｈｏｒｔｅｎｅｄｄｒｉｌｌｉｎｇｐｅｒｉｏｄｏｆ１３􀆰７１％ａｎｄｉｎｃｒｅａｓｅｄＲＯＰｏｆ３７􀆰９９％；ＦｏｒＰｅｎｇｌａｉｚｈｅｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ｔｈｅｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｓｅｃｔｉｏｎｄｒｉｌｌｉｎｇｐｅｒｉｏｄｈａｓｂｅｅｎｓｈｏｒｔｅｎｅｄｂｙ３８􀆰００％ａｎｄｔｈｅＲＯＰｈａｓｂｅｅｎｉｎｃｒｅａｓｅｄ２４􀆰８３％􀆰Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｏｎｅ⁃ｔｒｉｐｄｒｉｌｌｉｎｇ；ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｗｅｌｌ；ｗｅｌｌｔｒａｊｅｃｔｏｒｙｃｏｎｔｒｏｌ；ＰＤＣｄｒｉｌｌｂｉｔｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ；ＭＷＤ；ｗｅｓｔｅｒｎＳｉｃｈｕａｎｏｉｌｆｉｅｌｄ０　引　言川西中浅层气藏由侏罗系蓬莱镇组、遂宁组和沙溪庙组气藏构成，气藏孔隙度小、渗透率低和非均质性强的地质特点决定了气井的自然产能较低。为提高气井单井产量和采收率，应用了长水平段水平井技术［１－３］。然而，长水平段水平井技术存在井眼轨迹控制难度大、井眼清洁困难、ＰＤＣ钻头进尺少、对钻井液性能要求高和无线随钻测量成功率低—１—　　２０１５年　第４３卷　第８期石　油　机　械ＣＨＩＮＡＰＥＴＲＯＬＥＵＭＭＡＣＨＩＮＥＲＹ　　　　　　∗基金项目：国家科技重大专项“低渗油气田高效开发钻井技术”之课题三“储层有效进尺最大化钻井技术”（２０１１ＺＸ０５０２２－００３）的部分研究内容。等技术难题，这导致川西油田水平井机械钻速低、起下钻频繁、钻井周期长。为了提高长水平段单趟钻钻井效率，国外油田服务公司采用旋转导向工具施工，而国内缺乏此类工具，普遍使用导向钻具施工，严重制约了单趟钻进尺最大化。鉴于此，对单弯双稳导向钻具组合等相关技术进行研究，逐步形成了川西中浅层气藏千米水平段一趟钻关键技术。１　千米水平段一趟钻关键技术１􀆰１　水平段轨迹控制技术１􀆰１􀆰１　底部钻具组合力学分析可以将导向钻具组合复合钻进视为一个导向工具面有规律不断改变的过程，其总体导向效果不能用某一特定工具面角时钻头上的侧向力来描述，而应该用钻柱旋转１周、工具面角从０°转到３６０°的变化过程中钻头上的合导向力矢量来表述［４］。设导向钻具在某一时刻的工具面角为ω，在这一位置可计算出钻头上的增斜力ｆｚｘ（ω）。取钻具组合旋转１周为研究对象，ω从０°～３６０°均匀取值。设计算点数为ｎ，则装置角变化步长为Δω＝３６０°／ｎ。计算点数应大于或等于３６。钻具组合旋转１周在钻头上作用的增斜力平均值为：Ｆｚｘ＝１ｎ∑３６０ω＝０ｆｚｘ（ω）（１）式中，Ｆｚｘ为复合钻进增斜力，ｋＮ。在井眼轨迹控制施工过程中，可通过计算作用在钻头上的增斜力来评价钻具复合钻进时的稳斜能力。下面以川西地区什邡１０４－３ＨＦ井施工中所用的单弯双稳导向钻具组合为例进行计算。井眼条件：ø２１５􀆰９ｍｍ井眼，井斜角９０°，方位角２７０°，下部钻具组合所在井段为水平井段。钻井参数：钻压５０ｋＮ，复合钻进转盘转速６０ｒ／ｍｉｎ。ＢＨＡ：ø２１５􀆰９ｍｍ钻头×０􀆰２５ｍ＋ø１７２ｍｍ１􀆰２５°螺杆×７􀆰８８ｍ＋ø２１４ｍｍ扶正器×１􀆰５０ｍ＋ø１２７ｍｍ无磁承压钻杆×８􀆰５４ｍ＋ø１５８ｍｍＭＷＤ×１􀆰５１ｍ＋ø１２７ｍｍ斜坡钻杆×１３５４􀆰５４ｍ＋ø１２７ｍｍ加重钻杆×５７５􀆰８３ｍ＋ø１２７ｍｍ钻杆。计算中输入数据：第１跨钻柱长度１􀆰１０ｍ，第２跨钻柱长度７􀆰５５ｍ，弯角１􀆰２５°，结构弯角到近钻头稳定器的距离为０􀆰６８ｍ。图１是单弯双稳导向钻具的上稳定器直径与复合钻进增斜力关系曲线。从图可以看出，上稳定器偏心距越大，即上稳定器直径越小，单弯双稳导向钻具复合钻进的增斜力越大，但增加幅度较小。图１　上稳定器直径与复合钻进增斜力关系曲线Ｆｉｇ􀆰１　Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｕｐｐｅｒｓｔａｂｉｌｉｚｅｒｄｉａｍｅｔｅｒｏｎ　　　ｔｈｅｂｕｉｌｄ⁃ｕｐｆｏｒｃｅｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅｄｒｉｌｌｉｎｇ１􀆰１􀆰２　水平段稳斜钻进控制技术通过对钻具的力学性能分析可知，合理选择上稳定器直径有助于增强导向钻具复合钻进时的稳斜效果。因此，川西水平井水平段优选的钻具组合如下：ø２１５􀆰９ｍｍ钻头＋ø１７２ｍｍ１􀆰２５°螺杆钻具（本体扶正器外径２１２ｍｍ）＋ø（２０８～２０９）ｍｍ扶正器＋ø１２７ｍｍ无磁承压钻杆＋ＭＷＤ＋ø１２７ｍｍ斜坡钻杆＋ø１２７ｍｍ加重钻杆＋ø１２７ｍｍ斜坡钻杆。在主力油层钻进时，钻压控制在５０～７０ｋＮ，配合低转盘转速４０～６０ｒ／ｍｉｎ，排量在３３～３６Ｌ／ｓ范围内，减小方位漂移率和井斜变化率，可以达到稳斜效果。由于水平段钻遇的泥岩夹层和斑点状砾石层较多，地层岩性变化频繁，ＭＷＤ仪器测斜零长１５ｍ，滞后的井眼轨迹测量数据影响水平段延伸能力和钻井效率，所以在施工中应实时监测地质钻时录井、气测录井的情况，及时获取资料并进行对比分析，提前预测地层变化，根据地层变化调整钻井参数。当什邡１０４－３ＨＦ井水平段砂岩中泥质含量较高时，复合钻进有降斜趋势，泥质含量越高，降斜趋势越明显，每３０ｍ降斜率达到０􀆰９°～１􀆰２°，采取提高钻压至７０～８０ｋＮ，排量降至２８～３３Ｌ／ｓ的措施后，降斜趋势缓和，并配合滑动钻进进行轨迹调整，以勤调微调为原则，确保轨迹平滑。图２为广金６－２ＨＦ、新沙２１－２７ＨＦ和什邡１０４－３ＨＦ井采用水平段轨迹控制技术施工效果图。３口井水平段滑动进尺比例占整个水平段长度分别仅为１􀆰６３％、１􀆰９２％和１􀆰１２％，取得了非常好的施工效果。１􀆰２　井眼清洁控制技术井眼清洁是钻大位移水平井的技术难点［５－８］，较高的井眼清洁程度能够减小管柱的摩阻扭矩，保障井下安全，增强水平段延伸能力及提高钻井效率。井眼清洁控制技术的关键是破除岩屑沉积床，主要采取如下措施。（１）适当增大排量，提高钻杆转速，使钻井—２—　　　　　　石　油　机　械２０１５年　第４３卷　第８期液在环空内以螺旋流形式流动。（２）通过提高钻井液的动切力和初切来改善钻井液性能，增强钻井液的悬浮和携岩能力。（３）在钻井过程中，根据岩屑床的实际情况适时做短程起下钻，在起下钻时分段循环钻井液，这样利于清除岩屑；如果岩屑床沉积较严重，则需要多次划眼以清除岩屑床。（４）优化井眼轨迹设计，施工中严格控制造斜段全角变化率，减少岩屑在造斜段堆积。（５）简化井底钻具组合，钻具外径不宜过大。什邡３１０ＨＦ井实施井眼清洁控制技术，在井深２４００～２８４４ｍ时滑动钻进摩阻为２００～２６０ｋＮ，比邻井下降３５％。图２　３口井水平段井斜变化率示意图Ｆｉｇ􀆰２　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆｒａｔｅｏｆｉｎｃｌｉｎａｔｉｏｎ　　　ｏｆｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｓｅｃｔｉｏｎｏｆ３ｗｅｌｌｓ１􀆰３　ＰＤＣ钻头优选技术川西中浅层气藏岩石内摩擦角在３５°以内，地层抗压强度在６０ＭＰａ左右，地层可钻性级值在４左右，适合使用ＰＤＣ钻头钻进。针对川西气田岩石可钻性较好、上部井段含细砾石的特性，优选ＡＢＳ１６０５Ｆ型ＰＤＣ钻头。该钻头采用１９ｍｍ切削齿，５个螺旋刀翼胎体式设计和宽深排屑槽，采用５个可换喷嘴和１个中央喷嘴组合。采用开放多射流技术设置的中心喷射水眼可强制冷却ＰＤＣ钻头的鼻、肩部齿，提高钻头中心部位的岩屑运移能力，可中和横向力，有效防止泥包，消除滞留和回流区域，有效杜绝钻头水眼堵塞、托压和泥包现象，解决了因岩屑运移不畅而导致机械钻速不高的问题［９－１０］。为满足定向要求，在切削齿后增加耐磨节，并对钻头冠部形状和高度进行优化以提高其导向控制能力。什邡１０４－２ＨＦ井ＰＤＣ钻头未优选前机械钻速只有４􀆰０５ｍ／ｈ，什邡１０４－３ＨＦ、广金６－２ＨＦ和什邡３１０ＨＦ井水平段使用优选的ＰＤＣ钻头后，平均机械钻速分别为７􀆰３９、７􀆰１０和７􀆰２４ｍ／ｈ，这说明优选的ＰＤＣ钻头应用效果较好，提高了钻井效率。１􀆰４　润滑防塌钻井液技术一开采用聚胺聚合物钻井液体系，钻井液配方为：（４􀆰０～６􀆰０）％膨润土＋０􀆰２％纯碱＋（０􀆰２～０􀆰３）％两性离子包被剂＋（０􀆰１～０􀆰２）％两性离子聚合物降粘剂＋（０􀆰８～１􀆰２）％两性离子聚合物降滤失剂。钻井液日常处理以细水长流方式加入提前配好的胶液，处理剂以两性离子聚合物为主保持钻井液抑制性及良好的流变性能，根据返出钻井液性能将聚胺抑制剂、聚合物降滤失剂和磺化褐煤等配成胶液进行维护。二开采用聚胺仿油基聚合物钻井液体系，基本配方为：上部基浆＋（２􀆰０～４􀆰０）％沥青类防塌剂＋（０􀆰２～０􀆰５）％聚胺抑制剂＋（２􀆰０～３􀆰０）％甲基葡萄糖甙＋（１􀆰０～３􀆰０）％液体润滑剂＋（０􀆰５～１􀆰０）％极压润滑剂。在基浆中按配方加入磺化