大宁-吉县区块深层煤岩气水平井钻井技术.pdf
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1、钻井技术与装备大宁-吉县区块深层煤岩气水平井钻井技术王 维1,2 韩金良1,2 王玉斌1,2 杨 干1,2 苗 强1,2 辛 江1,2 李 猛3(1.中联煤层气国家工程研究中心有限责任公司 2.中石油煤层气有限责任公司 3.重庆科技学院石油与天然气工程学院)王维,韩金良,王玉斌,等.大宁-吉县区块深层煤岩气水平井钻井技术 J.石油机械,2023,51(11):70-78.Wang Wei,Han Jinliang,Wang Yubin,et al.Drilling technology for deep coal rock gas horizontal wells in Daning-Jixi
2、an block J.China Petroleum Machinery,2023,51(11):70-78.摘要:为了解决鄂尔多斯盆地东缘大宁-吉县区块深层煤岩气先导性试验区大平台钻井轨道设计困难、长裸眼段反复漏失、泥灰互层可钻性差、泥岩和煤岩易坍塌、水平段固井质量差等技术难题,从先导性试验区煤岩储层特征和岩石力学特性入手,开展了井眼轨道优化设计、防漏堵漏工艺技术、高性能 PDC 钻头设计、长裸眼段钻井液技术和固井工艺技术等关键技术的研究,形成大宁-吉县区块深层煤岩气水平井钻井技术。在先导性试验区 25 口水平井中应用结果表明:高性能 PDC 钻头平均进尺、平均机械钻速明显提升,复杂时效有效
3、降低,钻井周期明显缩短,防漏堵漏提升明显,固井质量合格率100%,提质提效效果明显。研究成果可为鄂尔多斯盆地东缘深层煤岩气的有效动用提供技术支持,对我国其他深层煤岩气区块勘探开发具有一定的借鉴意义。关键词:深层煤岩气;轨道优化设计;刘家沟井漏;井壁失稳;增韧防窜水泥浆中图分类号:TE242 文献标识码:A DOI:10.16082/ki.issn.1001-4578.2023.11.009Drilling Technology for Deep Coal Rock Gas Horizontal Wells in Daning-Jixian BlockWang Wei1,2 Han Jinlia
4、ng1,2 Wang Yubin1,2 Yang Gan1,2 Miao Qiang1,2 Xin Jiang1,2 Li Meng3(1.China United Coalbed Methane National Engineering Research Center Co.,Ltd.;2.PetroChina Coalbed Methane Company Limited;3.School of Petroleum Engineering,Chongqing University of Science and Technology)Abstract:In order to solve th
5、e technical problems such as difficult drilling trajectory design of large platform,repeated lost circulation in long open hole section,poor drillability of marl interbed,easy collapse of mudstone and coal and poor cementing quality in horizontal section occurred in the deep coal rock gas pilot test
6、 area of Daning-Jixian block in the eastern margin of the Ordos Basin,starting from the reservoir characteristics and rock-mechanical properties of coals in the pilot test area,the key technologies such as optimized design of wellbore traj-ectory,lost circulation resistance and plugging technology,h
7、igh-performance PDC bit design,long open hole sec-tion drilling fluid technology and cementing technology were studied,and horizontal well drilling technology for deep coal rock gas in the Daning-Jixian block was formed.The application results in 25 horizontal wells in the pi-lot test area show that
8、 the average footage of bit and average rate of penetration have been significantly improved,the complexity time has been effectively reduced,the drilling cycle has been significantly shortened,lost circula-tion resistance and plugging have been significantly improved,the cement acceptability is 100
9、%,and the quality 07 石 油 机 械CHINA PETROLEUM MACHINERY2023 年 第 51 卷 第 11 期基金项目:中国石油天然气股份有限公司前瞻性、基础性科技项目“煤系地层 三气合采 立体开发技术研究”(2021DJ2304);中石油煤层气有限责任公司“研发一代”科技项目“深层煤层气效益开发关键技术研究及应用”(2021-KJ-04)。and efficiency improvement effect is obvious.The research results provide technical support for the effective
10、produ-cing of deep coal rock gas in the eastern margin of the Ordos Basin,and have certain reference significance for the exploration and development of other deep coal gas blocks in China.Keywords:deep coal rock gas;optimized design of trajectory;lost circulation;wellbore instability;tough-ened ant
11、i-channeling cement slurry0 引 言2019 年以来,中石油煤层气有限责任公司在大宁-吉县区块以大于 2 000 m 的太原组 8 号煤储层为研究对象,设置深层煤岩气先导性试验区,对深层煤岩气开展勘探评价工作。历时 3 年,探明国内首个整装的千亿立方米大型深层煤岩气田。研究表明,该地区 8 号煤储层发育稳定,是鄂东缘煤岩气和煤系地层天然气重要的烃源岩,埋深 800 2 800 m,平均厚度 7.8 m,以亮煤和半暗煤为主。该煤储层具有“埋藏深度大、煤层厚度大、含气量高、割 理 裂 隙 发 育、基 质 渗 透 率 低”等 特点1-7。2022 年,在该深层煤岩气先导性试
12、验区共部署水平井 34 口,其中每个井台部署井数 2 8口,井深 3 6004 300 m,水平段长 1 0001 700 m,全部采用二开井身结构和三维井眼轨道设计。但该深层煤岩气水平井在钻井过程中,存在井漏严重、泥页岩和煤岩井壁失稳、固井质量差、太原组机械钻速慢等技术难题。为此,本文开展了井眼轨道优化设计和井眼轨迹控制、防漏堵漏、高性能 PDC 钻头设计、长裸眼段钻井液和煤岩气水平井固井等技术攻关,形成了大宁-吉县区块深层煤岩气水平井钻井配套技术。该技术在先导性试验区 25 口深层煤岩气水平井进行了应用,应用后钻完井周期大幅缩短,生产时效明显提高,可为后期规模开发提供技术支撑,也可为鄂尔多
13、斯盆地东缘深层煤岩气水平井安全高效钻进提供借鉴。1 深层煤岩气地层特性及钻井难点1.1 地层特性大宁-吉县区块深层煤岩气水平井自上而下钻遇第四系、延长组、纸坊组、和尚沟组、刘家沟组、石千峰组、石盒子组、山西组、太原组和本溪组地层。其中,第四系地层岩性以黄土层为主,且存在漏层;刘家沟组和石千峰组地层岩性以灰绿色泥岩、细砂岩为主,易水化分散,地震预测该段地层发育纵向裂缝;石盒子组地层岩性以棕红色泥岩、含砾细砂岩为主,易水化膨胀;山西组-太原组地层岩性以灰黑色碳质泥岩、灰色泥岩、煤和中细砂岩为主。目的层太原组 8 号煤储层位于太原组底部、本溪组顶部,顶底板组合类型主要有灰岩-煤层-泥岩、灰岩-煤层-
14、泥岩-煤层-泥岩 2 种。其中,煤层含气量高、割理发育、抗压强度低、泊松比大,易力学失稳;泥岩黏土矿物含量高、层理和微裂缝发育,易水化分散;灰岩抗压强度、黏聚力和内摩擦角均大于其他岩性,可钻性差。1.2 钻井难点在深层煤岩气先导性试验区开发之前,大宁-吉县区块仅完钻了 4 口煤岩气水平井,平均完钻井深 3 645 m,平均钻井周期 78.91 d,平均机械钻速5.83 m/h,平均水平段长 1 114 m,煤层钻遇率80.89%。对前期已完钻井和先导性试验区首轮完钻井分析可知,大宁-吉县区块深层煤岩气水平井钻井主要存在以下难点:(1)每个井台部署 28 口井,井口距离仅有5 m,试验井排距 1
15、00200 m,且有 40%占比部署井偏垂比大于 0.2,属于中偏移距三维水平井8,不利于轨道设计。(2)据地震预测,在刘家沟组、石千峰组地层发育纵向裂缝带9-12。先导性试验区首轮 6 口井均在刘家沟组底部发生漏失,初始漏速 4 60 m3/h,堵漏次数 2 21 次/井,平均单井漏失量417.7 m3,平均单井损失时间 6.77 d。这表明常规桥堵浆和水泥堵漏效果差,钻井过程中容易反复发生井漏,导致钻井周期长、生产时效低。(3)山西组-太原组为增斜扭方位井段,滑动钻进进尺多、比例高,且会钻遇 150200 m 的灰岩,可钻性级值达到 7 级,钻井时机械钻速不足 2 m/h,需要 23 只钻
16、头才能完成该段进尺,不利于钻井提速。(4)二开同一裸眼段存在多个易塌层位,泥页岩水化作用强13,煤岩割理发育、抗压强度低,均易发生井壁剥落掉块造成井下复杂情况。(5)深层煤岩含气量高,但固井时水泥浆候凝过程中气窜严重,影响固井质量。172023 年 第 51 卷 第 11 期王 维,等:大宁-吉县区块深层煤岩气水平井钻井技术 2 钻井技术及主要技术措施2.1 井眼轨道优化设计2.1.1 上部井眼轨道优化设计先导性试验区均为丛式水平井组,优化设计为“直井段-二维增斜段-稳斜消偏段-三维增斜扭方位段-二维增斜入靶段-水平段”的六段制井身剖面14。其主要设计原则为:根据设计轨道的走向和老井轨迹进行井
17、口灵活分配,要求井中心距离大于 15 m 或分离系数大于 1.5。造斜点选择应避开漏层,以纸坊组或石盒子组为宜,二维增斜段选择每 30 m 造斜 45,初始方位角选择应以降低扭方位工作量为原则。稳斜段井斜角应介于1540,避免堆积形成岩屑床15。三维增斜扭方位段轨道设计原则:为了兼顾降低钻井过程中的摩阻、扭矩和减少无效进尺,有效靶前距小于 340 m、偏垂比大于 0.2 的水平井,其余井设计为每30 m 增斜 56;本段轨道以扭方位为主,增斜为辅,确保在第一个标志层 5 号煤层之前扭方位至水平段方位,为入靶井段留足空间,降低入靶难度。2.1.2 水平段井眼轨道设计利用已钻井资料,结合大宁-吉县
18、区块二维、三维地震数据,建立三维地质模型,以精细表征煤层及其顶底板不同岩性的空间变化规律,指导水平段轨道设计、入靶及水平段随钻跟踪16-18。分别设计 2 种顶底板组合类型:一分型煤层(见图 1a)中下部 8-2#煤层、8-3#煤层发育高 GR 标志线,上部 8-1#煤岩煤质好,发育原生结构煤,具有低GR、高气测、低灰分、高含气的特点,为地质甜点段分布区,井眼轨道设计在距顶板 35 m 位置;二分型煤层(见图 1b)8-1#煤层和 8-2#煤层具有气测高、煤体结构好、含气量高的特点,但 8-1#煤层厚度仅 13 m,从安全钻井来看,8-1#煤层和 8-2#煤层间的泥岩夹层长期浸泡易使井壁失稳。
19、因此,综合考虑,将井眼轨道设计距泥岩夹层 34 m 的 8-2#煤层中。同时,根据水平段井眼轨道所钻遇的煤层微构造发育情况,逐段设置控制点,定位储层埋深,为该井段井斜选取提供依据,确保同时实现高钻遇率和井眼轨迹平滑。2.2 防漏堵漏工艺技术2.2.1 井身结构优化延长组本溪组地层压力系数为 0.851.10,属于正常压力梯度,为采用二开井身结构提供了先图 1 2 种类型煤层井眼轨道设计方案Fig.1 Wellbore trajectory design for two types of coal seams决条件。其中延长组 纸坊组地层压力系数为0.850.90,且地层胶结疏松,承压能力低,为
20、必封井段,故将井身结构设计为:406.4 mm 钻头339.7 mm 导管+311.1 mm 钻头244.5 mm 套管+215.9 mm 钻头139.7 mm 套管,一开封固纸坊组。刘家沟组裂缝性地层漏失压力当量密度仅为1.121.15 g/cm3,为了稳定上部井段井壁,钻井液密度一般为 1.08 g/cm3,该井段密度窗口窄。采用标准 SY/T 52342016 中环空压耗计算公式计算可知,215.9 mm 井眼的环空压耗当量密度为0.057 g/cm3,311.1 mm 井眼的环空压耗压力梯度当量密度为 0.021 g/cm3(见图 2)。图 2 不同尺寸井眼环空压耗对比图Fig.2 A
21、nnular pressure loss in different sizes ofboreholes因大尺寸井眼可有效降低作用在漏层上的压力,故将一开表层套管下入层位由纸坊组优化至石千峰组,从而封隔刘家沟组、石千峰组裂缝性漏层(见图 3),为后期裸眼段施工提供良好井眼环境。2.2.2 自适应随钻防漏堵漏技术针对纵向裂缝漏失,优选一种自适应随钻防漏剂,其结构见图 4。该防漏剂主要由热塑型树脂、外包覆壳和凝胶颗粒内核两部分组成。其中凝胶颗粒包括内核丙烯酰胺凝胶、海藻酸鲺凝胶和充填粒子 3 部分,整体具备“内刚外柔”特性,可在井27 石 油 机 械2023 年 第 51 卷 第 11 期图 3 优
22、化前后水平井井身结构Fig.3 Horizontal well profile before and after optimization壁岩石表面和微裂缝中聚集形成颗粒胶束体,依靠聚合物胶束或胶粒界面吸力及其可变形性,封堵岩石表面较大范围的孔喉和微裂缝。从表 1 砂床滤失试验结果可以看出,该随钻防漏剂具有良好的防漏效果和抗老化性能。图 4 自适应随钻防漏剂的结构示意图Fig.4 Schematic structure of adaptive loss circulation material while drilling表 1 自适应随钻防漏剂砂床滤失评价Table 1 Evaluation
23、 on sand bed filtration of adaptive loss circulation material while drilling防漏剂浓度/%543老化前侵入深度/cm1011.513.5老化前漏失量/mL000老化后侵入深度/cm111314老化后漏失量/mL000注:老化条件为 120 条件下滚动 16 h。通过室内评价不同粒径自适应性随钻防漏剂与纤维堵漏剂、刚性堵漏剂配比的关系,优化形成不同漏速条件下的防漏堵漏配方,室内测得其最高承压能力可达 7.7 MPa,见表 2。表 2 自适应随钻堵漏配方性能评价Table 2 Evaluation on performan
24、ce of adaptive sealing formula while drilling编号配 方裂缝宽度/mm 承压能力/MPa1井浆0.5/2井浆+3.0%防漏剂(4080 目)0.53.63井浆+1.0%防漏剂(4080 目)+1.0%防漏剂(80120 目)+1.0%防漏剂(120200 目)0.54.34井浆+1.0%防漏剂(4080 目)+1.0%防漏剂(80120 目)+1.0%防漏剂(120200 目)+1%纤维堵漏剂0.56.75井浆+1.0%防漏剂(4080 目)+1.0%防漏剂(80120 目)+1.0%防漏剂(120200 目)+1%纤维堵漏剂+1%刚性堵漏剂0.57
25、.72.3 高性能 PDC 钻头设计为了解决山西组-太原组增斜扭方位井段机械钻速慢、钻头进尺少的技术难点,开展大宁-吉县区块的岩石力学和钻头磨损情况分析。山西组-太原组砂岩抗压强度高、内摩擦角大,地层吃入性较差,研磨性高,地层可钻性差,起出的钻头以肩部和保径齿磨损为主;灰岩抗压强度高、内摩擦角大,地层难吃入、研磨性高,地层可钻性最差,起出的钻头以肩部和心部切削齿崩齿为主;煤岩抗压强度极低、内摩擦角小,地层研磨性低、可吃入性好,可钻性好,钻头磨损轻微。山西组和太原组地层岩石力学参数见表 3。表 3 山西组和太原组地层岩石力学参数Table 3 Rock-mechanical parameters
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