黃迪簫笙
(中石化重慶涪陵頁巖氣勘探開發(fā)有限公司,重慶 408000)
涪陵頁巖氣田江東區(qū)塊是氣田二期產(chǎn)建重點(diǎn)開發(fā)區(qū)域,地處四川盆地盆緣山地過渡地帶,境內(nèi)地勢(shì)以低山丘陵為主,地面海拔介于45~800 m之間。江東區(qū)塊儲(chǔ)量動(dòng)用面積49.8 km2。
江東區(qū)塊地質(zhì)條件復(fù)雜,經(jīng)歷過多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng),斷層、裂縫較發(fā)育,發(fā)育斷層39條,相對(duì)于焦石壩主體區(qū)塊地層較為破碎[1-3]。一開鉆遇地層須家河組為灰白、黃灰色石英砂巖與泥巖互層;雷口坡組為灰色、紫紅色泥頁巖與灰色灰?guī)r、角礫狀灰?guī)r互層,可鉆性6~8級(jí);嘉陵江組、飛仙關(guān)組巖性為灰色灰?guī)r及紫紅色泥巖,均質(zhì)性強(qiáng),可鉆性較好。二開鉆遇地層長興組淺層氣發(fā)育,龍?zhí)督M、茅口組、棲霞組、梁山組地層硬度大,夾層多,可鉆性差,致使鉆頭消耗量增加;韓家店組、小河壩組地層研磨性強(qiáng),可鉆性7~8級(jí),憋跳鉆嚴(yán)重,導(dǎo)致鉆頭鉆速低、失效快、進(jìn)尺短[4-5]。三開龍馬溪組上部濁積砂可鉆性變差,龍馬溪組目的層巖性主要為泥頁巖,含砂量相對(duì)焦石主體區(qū)增加,研磨性增強(qiáng)。統(tǒng)計(jì)已完鉆井?dāng)?shù)據(jù),江東區(qū)塊單井平均消耗鉆頭20.6只,與焦石壩主體區(qū)塊14.7只相比,鉆頭消耗增加了40.1%。
江東區(qū)塊西南部江東鞍部及烏江1號(hào)斷背斜一帶構(gòu)造復(fù)雜、變形強(qiáng),烏江斷裂具壓扭性質(zhì)(圖1)。地層傾角變化大,本區(qū)由南到北地層傾角逐漸增大,最高可達(dá)30°,致水平段高程差逐漸增加[6-8]。較焦石壩一期相比,龍馬溪目的層埋深更大(焦頁X2-4HF井最大垂深4474 m),隨鉆伽馬曲線與上部地層相比變化幅度小,標(biāo)識(shí)層不清晰,導(dǎo)致地質(zhì)導(dǎo)向評(píng)價(jià)分析準(zhǔn)確度降低[9-10]。A靶點(diǎn)垂深預(yù)測(cè)偏差大(焦頁C-2HF在A靶點(diǎn)誤差達(dá)到272 m),造成三開井眼軌跡調(diào)整頻繁且著陸控制困難,水平段地層傾角變化大,致軌跡調(diào)整頻繁。井眼軌跡造斜率大,水平段呈波浪狀,致使滑動(dòng)鉆進(jìn)摩阻增大,定向托壓嚴(yán)重,機(jī)械鉆速低[11]。例如,焦頁A-2HF井在三開調(diào)整次數(shù)高達(dá)32次,三開水平段呈W形,造成定向施工耗時(shí)長,嚴(yán)重影響鉆井進(jìn)度,該井水平段機(jī)械鉆速相對(duì)于焦石壩區(qū)塊水平段平均鉆速下降29.3%。
圖1江東區(qū)塊構(gòu)造特征地震圖
Fig.1Seismic map of the structural features of Jiangdong Block
3.1.1 二開龍?zhí)督M、茅口組地層優(yōu)選牙輪鉆頭
江東區(qū)塊二開龍?zhí)督M地層中部巖性以灰、深灰色灰?guī)r、含泥灰?guī)r為主夾薄層含生屑灰?guī)r;上、下部巖性為灰黑色炭質(zhì)泥巖。茅口組地層以灰?guī)r、云質(zhì)灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r為主,夾薄層灰黑色泥巖、深灰色含灰泥巖及含生屑灰?guī)r,地層膠結(jié)不整合、縫洞發(fā)育。其中,龍?zhí)督M下部及茅口組上部泥巖不適合用PDC鉆頭,宜使用牙輪鉆頭鉆穿。而焦石壩區(qū)塊成熟鉆頭不適用江東區(qū)塊巖性,憋跳鉆嚴(yán)重、易崩齒、易失效。經(jīng)多輪次鉆頭優(yōu)選,江鉆牙輪鉆頭HJT637GL錐型齒牙齒小、耐磨損、抗沖擊性強(qiáng),破巖提速效果顯著,單個(gè)HJT637GL鉆頭進(jìn)尺相較于初期使用的鉆頭增加了90.9%,機(jī)械鉆速提高了69.63%(見表1)。
3.1.2 三開龍馬溪組濁積砂巖段優(yōu)選混合鉆頭
江東區(qū)塊濁積砂巖地層定向困難、機(jī)械鉆速低,優(yōu)選使用江鉆混合鉆頭KPM1642ART。混合鉆頭兼具PDC鉆頭和牙輪鉆頭的優(yōu)點(diǎn),錐型齒形成破碎坑,有利于地應(yīng)力的提前釋放,PDC齒快速切屑地層,機(jī)械鉆速顯著高于牙輪鉆頭,具有良好的耐磨性和防托壓效果。對(duì)比鄰井使用牙輪鉆頭,在濁積砂中鉆進(jìn),混合鉆頭機(jī)械鉆速比牙輪鉆頭平均提高100.4%(見表2)。
3.1.3 針對(duì)三開龍馬溪組、五峰組頁巖層段優(yōu)選PDC鉆頭
表1 江東區(qū)塊二開優(yōu)選鉆頭使用效果對(duì)比Table 1 Comparison of drilling results of the selected bits for Stage-2drilling at Jiangdong Block
表2 濁積砂層混合鉆頭使用效果對(duì)比Table 2 Comparison of the drilling results of mixed drill bits at Jiangdong Block
江東區(qū)塊三開龍馬溪組、五峰組地層均質(zhì)性不強(qiáng),局部硅質(zhì)含量高,研磨性強(qiáng)。鉆井施工過程中需多次調(diào)整井眼軌跡,部分井段大造斜率追層,易造成PDC鉆頭肩部崩齒、磨齒,導(dǎo)致鉆頭提前失效。針對(duì)江東區(qū)塊龍馬溪組地層巖性特征,通過現(xiàn)場(chǎng)不斷試驗(yàn),優(yōu)選型號(hào)為江鉆KSD1652AGR和KMD1652ADGR。
兩款鉆頭均采用淺內(nèi)錐、側(cè)切能力強(qiáng)的輪廓線型等為定向井設(shè)計(jì),適用于三開水平段施工。其中江鉆KMD1652ADGR采用雙排齒設(shè)計(jì),增加減震結(jié)構(gòu)。江鉆SD1652AGR具有深排屑槽布置方位以及優(yōu)化水力結(jié)構(gòu),使得鉆頭具有更好的水力效果,并且刀翼采用螺旋保徑設(shè)計(jì)。通過現(xiàn)場(chǎng)不斷試驗(yàn),兩款鉆頭對(duì)于江東區(qū)塊水平段優(yōu)快鉆井有明顯的提速效果(見表3)。
表3 江東區(qū)塊水平段優(yōu)選PDC鉆頭使用效果對(duì)比Table 3 Comparison of the drilling results of selected PDC bits for the horizontal section at Jiangdong Block
3.2.1 井眼軌跡優(yōu)化
針對(duì)江東區(qū)塊地層自然造斜能力強(qiáng)、長穩(wěn)斜段軌跡控制難度大等問題,鉆井設(shè)計(jì)提前考慮復(fù)合鉆進(jìn)時(shí)地層造斜率增量,將常規(guī)“直-增-穩(wěn)-增-平”剖面設(shè)計(jì)優(yōu)化為“直-增-微增-穩(wěn)-增(扭方位)-平”剖面(見圖2)。降低初始造斜段的造斜率,由原設(shè)計(jì)的14°~16°/100 m降至6°~10°/100 m,后續(xù)微增井段依靠地層自然造斜率增斜,減少滑動(dòng)進(jìn)尺,提高復(fù)合鉆進(jìn)比例。該優(yōu)化設(shè)計(jì)降低全井段造斜率,減少定向滑動(dòng)鉆井比例,減少滑動(dòng)鉆進(jìn)摩擦阻力,大幅降低軌跡控制難度(圖3)。
圖2 焦頁D-1HF井軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)Fig.2 JYD-1HF Well path optimization design
圖3 焦頁D-1HF井軌跡優(yōu)化滑動(dòng)鉆進(jìn)摩阻對(duì)比Fig.3 Comparison of sliding drilling friction with JYD-1HF optimized well trajectory
3.2.2 近鉆頭隨鉆測(cè)量技術(shù)
近鉆頭隨鉆測(cè)量系統(tǒng)零長小于1 m,較常規(guī)測(cè)量?jī)x器LWD(零長約17 m)有較大優(yōu)勢(shì),可及時(shí)發(fā)現(xiàn)鉆遇地層變化情況,指導(dǎo)井眼軌跡實(shí)時(shí)調(diào)整,提高井眼軌跡控制的精度,提高優(yōu)質(zhì)頁巖氣層的鉆遇率[12-14]。江東區(qū)塊16口井配套應(yīng)用了近鉆頭儀器,優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的鉆遇率均在95%以上(見表4)。
表4 江東區(qū)塊近鉆頭使用情況Table 4 Near-bit Drilling results at Jiangdong Block
3.3.1 水力振蕩器
針對(duì)江東區(qū)塊二開定向段、三開水平段托壓等問題,在施工過程中使用水力振蕩器。水力振蕩器利用閥板機(jī)構(gòu),把單純的機(jī)械式加壓改為機(jī)械與液力相結(jié)合的加壓方式,為鉆頭提供有效、真實(shí)的鉆壓,可提高機(jī)械鉆速,減少鉆頭磨損,延長單趟鉆有效進(jìn)尺,減少起下鉆次數(shù),縮短鉆井周期[15]。從前期試用到目前推廣使用,水力振蕩器定向鉆井提速較為顯著,平均機(jī)械鉆速提高20%以上(見表5)。
3.3.2 射流沖擊器
射流沖擊器是利用鉆井液經(jīng)過換向機(jī)構(gòu),交替作用到活塞上、下端面,推動(dòng)活塞帶動(dòng)沖錘產(chǎn)生高頻往復(fù)運(yùn)動(dòng),沖錘高頻沖擊作用到砧子上,沖擊能量由傳遞機(jī)構(gòu)傳遞到鉆頭,提高動(dòng)靜態(tài)耦合作用下的鉆頭破巖效率[16]。針對(duì)江東區(qū)塊二開茅口組機(jī)械鉆速低的問題,在焦頁H平臺(tái)使用?228 mm射流沖擊器對(duì)二開直井段提速,機(jī)械鉆速提高26.81%(見表6)。
表5 江東區(qū)塊部分平臺(tái)水力振蕩器使用情況Table 5 Use of hydraulic oscillators on some platforms at Jiangdong Block
表6 焦頁H平臺(tái)射流沖擊器使用效果對(duì)比Table 6 Comparison of the results of jet impactors in JY H platform
“一趟鉆”技術(shù)是指利用一只鉆頭入井一次打完一個(gè)開次的所有進(jìn)尺。利用該技術(shù)使得水平井降本增效效果明顯。“江東區(qū)塊”由于其地質(zhì)條件復(fù)雜、地層情況不清,導(dǎo)致三開造斜段及水平段實(shí)現(xiàn)“一趟鉆”技術(shù)困難。目前,在江東區(qū)塊三開水平段“一趟鉆”僅有5次,較焦石壩主體產(chǎn)建區(qū)三開水平段“一趟鉆”使用較少。
焦頁A-1HF井全井使用國產(chǎn)工具,合理使用射流沖擊器和水力振蕩器,根據(jù)地層優(yōu)選鉆頭類型,實(shí)現(xiàn)一開一趟鉆,二開五趟鉆,三開造斜段一趟鉆,水平段一趟鉆。該井鉆井周期52.5 d,創(chuàng)江東區(qū)塊鉆井周期最短記錄;一開機(jī)械鉆速最高24.27 m/h,二開直井段單日進(jìn)尺最多505 m,二開定向段單日進(jìn)尺最多301 m;三開單只混合鉆頭進(jìn)尺最多601 m;三開首次實(shí)現(xiàn)江東區(qū)塊水平段一趟鉆(見表7)。
經(jīng)過4年的技術(shù)探索和經(jīng)驗(yàn)總結(jié),江東區(qū)塊鉆完井技術(shù)不斷成熟。導(dǎo)眼段平均機(jī)械鉆速由2015年的3.53 m/h提升到2018年的8.36 m/h,整體提升了1.4倍(見表8)。一開鉆井克服地層可鉆性差且漏失頻繁的難點(diǎn),保證機(jī)械鉆速不落后。二開鉆井克服小河壩定向施工困難和破碎帶掉塊等難題,機(jī)械鉆速提升14.53%。三開水平段“一趟鉆”技術(shù)成果顯著,累計(jì)成功5井次;三開井段平均機(jī)械鉆速提高39.1%。鉆井周期從2015年的235 d縮短至2018年的90.33 d,實(shí)現(xiàn)了江東區(qū)塊鉆井施工整體“降本增效”的目的。
表7 焦頁A-1HF井“一趟鉆”應(yīng)用情況Table 7 Results of “one-pass” bits in JYA-1HF Well
表8 江東區(qū)塊優(yōu)快鉆井效果統(tǒng)計(jì)表Table 8 Comparison of fast drilling effects at Jiangdong Block
(1)根據(jù)地層巖性特征優(yōu)選鉆頭類型,二開龍?zhí)督M、茅口組地層推薦使用牙輪鉆頭HJT637GL,三開龍馬溪組濁積砂段推薦使用混合鉆頭KPM1642ART,水平段推薦使用PDC鉆頭KSD1652AGR和KMD1652ADGR,現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用取得了良好的鉆井提速效果。
(2)鉆井設(shè)計(jì)提前考慮復(fù)合鉆進(jìn)時(shí)地層造斜率增量,降低全井段造斜率,減少定向滑動(dòng)鉆井比例,可大幅降低軌跡控制難度。近鉆頭隨鉆測(cè)量系統(tǒng)可提高井眼軌跡控制的精度,現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明,優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的鉆遇率均在95%以上,建議三開鉆井全部使用近鉆頭隨鉆測(cè)量系統(tǒng)。
(3)水力振蕩器定向鉆井提速較為顯著,平均機(jī)械鉆速提高在20%以上;射流沖擊器提高了動(dòng)靜態(tài)耦合作用下的鉆頭破巖效率,機(jī)械鉆速提高在30%以上。建議后續(xù)鉆井推廣使用水力振蕩器和射流沖擊器。
(4)江東區(qū)塊鉆井周期從開發(fā)前期的235 d縮短至90.33 d,機(jī)械鉆速、儲(chǔ)層鉆遇率不斷提高的同時(shí),定向鉆井托壓、鉆頭提前失效等工況逐漸減少。通過4年發(fā)展,涪陵氣田江東區(qū)塊優(yōu)快鉆井集成技術(shù)逐漸成熟,對(duì)其他深層頁巖氣的勘探開發(fā)具有較強(qiáng)的參考價(jià)值。