涪陵页岩气水平井定向工艺技术实践

2014-08-20胡小兰中石化江汉石油工程有限公司钻井一公司湖北潜江433121

石油天然气学报 2014年11期

胡小兰（中石化江汉石油工程有限公司钻井一公司，湖北潜江433121）

涪陵页岩气示范区地质条件较为复杂，钻井施工中存在漏失，井壁不稳定，地层含硫化氢，为确保高效开发，水平井的钻井速度提高非常关键。就目前焦石坝区块水平井实际施工情况来看，经过逐步攻关和探索，形成了包括井眼轨迹设计及控制、钻头选型、钻具组合优化、钻井参数调整等为主的水平井定向工艺技术，在保证井身质量的前提下，达到了提速提效的目的。

1 涪陵页岩气水平井难点

1）φ311.2mm井眼软硬地层交错、夹层多、岩性变化大，定向、复合钻造斜率变化大。

2）三维井定向井段和水平段进尺占全井总进尺的70%以上。φ311.2mm造斜井段及裸眼井段长，地层可钻性差，机械钻速低。

3）三维井井口与A、B靶方位连线跨度距离长，造成φ311.2mm井眼大井斜稳斜段长、大井斜扭方位工作量大，二开后期摩阻扭矩大，定向施工困难。

4）长水平段的轨迹控制难度大。由于标志层、目的层及地层倾角不明确，并且要穿越2个不同层位，造成轨迹控制难度增加，几何导向技术控制井眼轨迹难度大。

5）水平段长，随着井深和水平位移的延伸，重力效应突出。

6）井眼清洁、携砂困难，岩屑上返井段长，造成岩屑沉积，易形成岩屑床。

2 井眼轨迹优化设计

合理的轨道设计是长水平段水平井取得成功的关键，井身剖面在保证不超过钻柱扭矩极限的情形下，还需要满足尽量增大水平延伸距离，降低摩阻扭矩，提高钻柱和测量工具的通过能力。设计低摩阻井眼轨道是非常重要的手段，较之常规水平井，涪陵地区长水平段水平井井眼轨迹设计具有特殊要求。

1）采用渐增式定向模式，在刚开始定向时尽可能采用较低的造斜率施工，降低最大侧向力，保证井眼轨迹平滑，降低全井摩阻扭矩，提高钻柱和测量工具的通过能力，保证井下钻具安全。

通过摩阻扭矩计算分析，一口井中侧向力最大的井段主要在造斜点以下100m左右的井段。而侧向力越大，摩阻扭矩就越大，同时对钻柱及套管的磨损和破坏也越大，并且钻柱、套管发生屈曲破坏、断裂基本上也全在造斜点附近侧向力最大的井段。为减少侧向力，主要对井眼剖面进行了优化，降低造斜点附近的井眼曲率变化。以焦页9－2HF井为例，分别做出2种剖面，剖面1是直接以设计造斜率连续定向施工，剖面2是先以小造斜率定向，然后递增直到稳定在设计造斜率，造斜点均为1800m。通过摩阻软件计算（见图1、2；表1），可以看出在造斜点附近，剖面1的侧向力明显大于剖面2，起下钻、下套管的摩阻也明显大于剖面2。

图1 剖面1起钻工况侧向力计算

图2 剖面2起钻工况侧向力计算

2）剖面设计中预留相应的调整段进尺和探顶段进尺，以应对靶点的临时调整。由于二开中完前有浊积砂井段，该井段地层垂深不确定、可钻性很差、定向易卡。因此，剖面设计中，必须在二开中完前和三开时设计一段复合钻（不低于60m）穿过浊积砂井段，以避开浊积砂井段定向。

3）采用复合钻辅助增斜技术，增加复合钻进尺，减少定向进尺，提高φ311.2mm大井眼定向速度，保证井眼轨迹的平滑。

4）涪陵焦石坝区块尚属新区块，地层的不确定因素较多，对于目的层的具体位置无法进行精确判断。因此，往往在定向施工的中期、后期甚至水平段，经常会对设计目的层靶点进行临时改动，并且上下调整幅度很大。①由于一般在井斜70～75°左右，地层的对比基本可以明确，目的层垂深的调整已经可以大致确定。在做剖面时，在井斜70°左右加上一段30～50m的复合钻调整段，以随时应对靶点垂深的调整。此时不论靶点是上提还是下移，轨迹的调整空间都比较大。②在进入设计目的层前，以小于设计井斜2°左右的井斜角，预留一段20～30m的复合探顶段，以应对目的层垂深的最终调整。采用稳斜探顶的方法，准确地探知目的层顶的位置后，再根据需要增至设计井斜，这样能够有效克服地层不确定度，提高进层控制的成功率。③采用 “低－高－低”的变曲率剖面。初始定向时为减小侧向力，采用低造斜率施工；定向中期（井斜70°以前）采用略高于设计的造斜率，将井斜定至高于设计井斜；后期再采用低于设计的造斜率施工。这样设计的目的，是为了保证当靶点垂深临时调整时，可以在不用更换大度数螺杆的前提下，以原设计的造斜率去应对靶点调整，避免了造斜率的突增造成过高的局部狗腿，保证了井眼的平滑。

表1 各工况下2种剖面摩阻对比表

综上所述，井眼轨迹优化如下：

二维井剖面，剖面类型选为单圆弧剖面（直井段－增斜段－水平段），定向至井斜20～30°，采用复合钻增斜（造斜率0.06～0.1°/m ）直到中完（50～55°）。

三维井剖面，剖面类型选为五段制剖面（直井段－增斜段－微增斜段－增斜段－水平段），定向至井斜25°左右，复合钻600～1400m，井斜微增到35～40°（造斜率0.01～0.02°/m），定向扭连线方位，然后复合钻微增斜直到中完（50～55°）。

优化后的井眼剖面，非常适合于涪陵地区水平井的特点，在提高定向机械钻速的同时，能有效降低全井摩阻和扭矩。

3 井眼轨迹控制技术

3.1 二开大井眼长稳斜段控制

φ311.2mm大井眼长稳斜段一直是涪陵区块，同时也是国内定向技术方面的难题。涪陵焦石坝区块以三维水平井为主，一般在井斜25°左右以后需要稳斜或微增进尺达到600～1400m，稳斜段非常长，钻具组合的选择和调整非常关键。如果钻具选择合理，采用PDC＋螺杆复合钻进，没有或只有极少的定向进尺，可以极大地提高机械钻速。反之，则会频繁地起下钻，不断调整钻具组合或者频繁地定向，井眼轨迹差，行程钻速低，摩阻扭矩大。

研究表明，单弯双稳导向钻具近钻头稳定器到上稳定器的距离及上稳定器的直径、螺杆钻具弯度大小的变化，都对复合钻进增斜力有一定的影响。目前已创新总结出一套比较成熟的适合φ311.2mm大井眼长稳斜段的钻具组合：

φ311.2mmPDC钻头＋φ216mm×1.25°单弯螺杆＋φ203.2mm短钻铤＋φ285mm 扶正器＋浮阀＋φ203.2mm无磁钻挺＋LWD组件＋φ127mm加重钻杆

该钻具采用1.25°单弯螺杆和φ285mm欠尺寸扶正器，并且在螺杆与欠尺寸扶正器之间加了一根短钻铤。在实际施工中，复合钻平均增斜率0.01～0.02°/m，比较稳定，非常符合井眼剖面中井斜微增的要求。由于地层原因，每口井使用相同的钻具组合，其稳斜效果会产生不同的变化。实际施工中，根据每口井的地层特点，只需通过调整短钻铤长度就可完成对井斜增降幅度的调整，非常灵活，易于操作。

钻具的调整把握一个原则，即复合钻增斜宜小不宜大，要尽量避免因复合钻增斜过快而不断地进行定向降斜，这样会造成井眼轨迹的不平滑，造成井下的摩阻扭矩的急剧增加。至于通过钻压参数的调整，由于井眼尺寸大、钻具刚性较强，对井斜的增降影响比较微弱，但可以通过改变划眼次数来减缓井斜的增降幅度。

3.2 长水平段控制

长水平段水平井是页岩气开发的主要钻井方式，如何能在长水平段维持井斜与方位的稳定是水平井钻井成功与否的关键，选择合适的稳斜钻具组合也就变得尤为重要。在水平段控制中，要求钻具组合具有一定的纠斜能力，可在定向状态进行有效的增降井斜和纠方位操作，可在复合钻基础上钻出长稳斜段。

通过摸索实践，总结出了一套适合焦石坝区块页岩气长水平段穿行的钻具组合：

φ215.9mmPDC钻头＋φ72mm×0.75°单弯螺杆＋φ213mm扶正器＋浮阀＋φ127mm无磁承压钻杆＋LWD组件＋φ127mm加重钻杆×9根＋φ127mm钻杆（倒装）＋φ127mm加重钻杆×21根

这种钻具采用小度数0.75°单弯螺杆，在起到稳斜作用的同时，可保证一定纠斜能力。同时，螺杆本体扶正块尺寸定做为φ211～212mm，上端欠尺寸扶正器采用φ213mm，形成下小上大，能起到很好的稳斜效果，并可通过调整钻压来达到辅助稳斜的效果。另外，采用不完全倒装钻具，在下部保留一定数量的加重钻杆，以加强下部钻具的刚性，减弱钻具的增斜效果。

该钻具组合稳斜效果非常明显，复合钻平均增斜率只有0～0.01°/m，保证了井眼轨迹的平滑，在减少定向纠斜工作量的同时，提高了机械钻速。

但由于每口井的地质情况不同，稳斜效果肯定也有所变化。实钻过程中，可以通过每口井水平段的稳斜效果进行钻具组合的微调，通过改变欠尺寸扶正器尺寸、使用短螺杆、改变螺杆扶正器尺寸等方法进一步优化钻具组合，以达到高质量、高速度的钻进效果。长水平段穿行时采取以复合钻进为主、滑动钻进为辅、坚持 “勤调微调”的原则，合理调整滑动钻进与复合钻进的比例，以控制或减缓井斜的变化趋势，这样既能够起到很好的稳斜效果，又能避免水平段轨迹大幅度的起伏，有效地保证了井眼轨迹质量，确保井眼轨迹平滑。同时，还可利用调整钻压、增加划眼次数的方式来达到控制井斜的目的。

另外，在水平段控制中，必须要考虑井眼惯性的影响。在钻进过程中需要调整工具的造斜率，但调整的结果并不能够马上实现按调整后的造斜率钻进，会沿原井眼前进趋势继续钻进一段后，才能实现按调整后的造斜率钻进，这种调整的滞后现象被称之为 “井眼惯性”，也是指从一种井眼曲率变化到另一种井眼曲率时需一定长度的过渡井段。

4 泡沫定向技术

为解决φ311.2mm大井眼定向速度慢的问题，同时起到防漏作用，在国内首次应用了泡沫定向技术，在焦页13－2HF井和焦页9－1HF井初步试验成功。

通过将EMWD电磁波仪器抗震性和稳定性加强后，在焦页13－1HF井进行了第3次泡沫定向试验。在该井二叠系茅口组－志留系韩家店组实施泡沫钻定向技术，进尺524.92m，定向机械钻速4.75m/h，复合机械钻速14.65m/h，平均机械钻速达到9.7m/h。泡沫钻定向技术在涪陵地区页岩气井成功应用，为今后在易漏地层实施定向钻进具有较好的指导作用。