长宁页岩气小井眼水平井钻井技术分析及发展探讨.pdf
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1、天 然 气 勘 探 与 开 发 NATURAL GAS EXPLORATION AND DEVELOPMENT 118 2023 年 6 月 第 46 卷 第 2 期长宁页岩气小井眼水平井钻井技术分析及发展探讨代 锋1孙钰淇2付 利2雷正义3刘 力2衡 德1陈正桥41.四川长宁天然气开发有限责任公司2.中国石油集团工程技术研究院有限公司 3.中国石油西南油气田公司开发事业部 4.四川华顺通能源技术开发有限公司摘要页岩油气资源的规模效益开发是我国能源安全的重要保障,创新页岩气开发工艺方法是降本增效的主要途径。小井眼水平井钻井技术具有机械钻速高、钻井周期短、成本低、安全可靠等优点,具有良好的应用前
2、景,受到越来越多的关注与重视,特别是适配小井眼水平井钻井工具及工艺的大力研发,极大推动了小井眼水平井技术的发展。通过回顾小井眼技术的发展概况,分析了国内外小井眼水平井的技术现状,阐释了环空水力学、携岩效率、配套工艺工具等小井眼水平井关键技术研究;开展了长宁气区小井眼水平井钻井方案可行性分析,优化了小井眼水平井井身结构、长水平段钻井液性能、固井下套管工艺等工程设计,优选配套提速工具,强化钻井参数;初步测算了钻井液材料、岩屑处置、固井材料等消耗成本。研究结果表明,小井眼水平井单井成本可节约 150 万 200 万元,极大降低了工程成本,实现钻井提质增效。关键词长宁地区页岩气小井眼水平井钻井技术井身
3、结构优化单井成本提质增效DOI:10.12055/gaskk.issn.1673-3177.2023.02.015Slimhole horizontal-well drilling technology for Changning shale-gas block and its prospectDAI Feng1,SUN Yuqi2,FU Li2,LEI Zhengyi3,LIU Li2,HENG De1,and CHEN Zhengqiao4(1.Sichuan Changning Gas Development Co.,Ltd.,Chengdu,Sichuan 610000,China;2
4、.CNPC Engineering Tech-nology R&D Company Limited,Beijing 102206,China;3.Development Division,PetroChina Southwest Oil&Gas-fieldCompany,Chengdu,Sichuan610051,China;4.SichuanHuashuntongEnergyTechnologyDevelopmentCo.,Ltd.,Chengdu,Sichuan 610000,China)Abstract:The extensive and beneficial development o
5、f shale-oil and shale-gas resources is the important guarantee for Chinas energy se-curity,and innovative development methods for shale gas are the main way to reduce costs and increase efficiency.One technology of slim-hole horizontal-well drilling boasts high rate of penetration(ROP),short drillin
6、g cycle,low cost,safety and reliability.It has a bright future achieving more and more attention.Particularly,the vigorous R&D of slimhole horizontal-well drilling tools and processes greatly promote this technological development.So,the development was reviewed,the current status was analyzed for t
7、he slimhole horizontal-well tech-nology around the world,in particular some key technological points,like annular hydraulics,cuttings-carrying efficiency,and supporting processes and tools.Furthermore,a feasibility analysis was conducted on its drilling scheme for Changning gas block.A few engineeri
8、ng designs were optimized for slimhole horizontal wells,including casing program,performance of drilling fluid in long horizontal interval,and casing-running processes for cementing.Supporting tools were optimally selected for ROP increase,and drilling parameters were mended.On top of that,consumpti
9、on costs on drilling-fluid material,cutting disposal and cementing substance were primarily measured and calculat-ed.Results shows that single-well costs in the slimhole horizontal wells can be reduced by 1.5 million to 2 million yuan,which helps tremen-dously reduce engineering costs as well as imp
10、rove drilling efficiency and performance.Key words:Changning area;Shale gas;Slimhole;Horizontal well;Drilling technology;Wellbore-structure optimization;Single-well cost;Improvement of efficiency and performance基金项目:四川长宁天然气开发有限责任公司科学研究与技术开发项目“长宁区块长水平段小井眼钻井技术研究”(编号:20210401-10)作者简介:代锋,1984 年生,男,高级工程师
11、,硕士;2010 年毕业于西南石油大学,主要从事页岩气钻完井工程相关科研及管理工作。地址:(610051)四川省成都市成华区猛追湾横街 99 号世茂大厦。E-mail:通信作者:孙钰淇,1995 年生,男,工程师,硕士;2021 年毕业于中国石油大学(北京),主要从事非常规油气钻完井技术、钻井提速工具研发等方面研究工作。地址:(102206)北京市昌平区黄河街 5 号院 1 号楼。E-mail:代锋等:长宁页岩气小井眼水平井钻井技术分析及发展探讨 119 2023 年 6 月 第 46 卷 第 2 期0引言小井眼钻井技术,是指使用小尺寸钻头进行钻井作业,钻井的井眼尺寸偏小。对小井眼井的定义归纳
12、为以下 4 种,达到任何一个条件即为小井眼井:最后开次裸眼直径小于 215.9 mm;全井段 90%以上井眼直径小于 179.2 mm;水平井井眼直径小于 179.2 mm;井眼尺寸小于常规井眼尺寸1-2。20世纪 50 年代中期,在美国犹他州,阿肯色州,路易斯安那州等地先后进行 108 口小井眼钻井作业3。20世纪 80 年代初,受国际油价的影响,由于施工成本较低,小井眼钻井技术得到快速发展4。自2004年起,北美页岩气小井眼水平井钻井技术日渐成熟,其中Haynesville、Marcellus、Eagle Ford 等区块通过缩小井身结构尺寸,并结合配套钻井工具和工艺,实现钻井提速提效。目
13、前,国内页岩气小井眼水平井仍处于试验阶段,近年来,在大庆油田、辽河油田、大牛地气田、顺北油田、冀东油田、苏里格气田等多地开展了大量的作业试验,掌握了小井眼钻井设计、装备与钻具组合、施工操作、井眼质量控制等配套技术,但与国际先进水平还存在一定差距,仍存在较大的进步空间。1国内外小井眼钻井技术现状1.1小井眼水平井钻井的优势与局限性小井眼钻井技术可以降低钻井成本,偏远地区的小井眼勘探井成本比常规钻井作业降低30%60%,开发井成本降低 25%40%5。BP公司针对小井眼钻井的成本优势进行研究发现,与常规钻井作业相比,小井眼钻井运输成本降低了60%6,Oryx 能源公司在 Pearsall 油田进行
14、小井眼水平井钻井发现,小井眼水平井的水平段钻井成本节约了 16%7,Carter 石油公司的综合报告显示,小井眼井的全井费用较常规钻井减少了 18%8,这说明小井眼井更具有经济优势。小井眼钻井作业产生的岩屑较少,所需钻井液及固井材料较少。小井眼钻井所需的钻井泵功率也低于传统的钻井泵功率,从而减少了燃料消耗和空气污染,对环境更为友好9。但另一方面,由于小井眼的井径小、环空小、使得钻具组合转速较高,导致与常规井相比,小井眼环空压耗会增加 25%30%10,且环空压耗占比大,占整个循环压耗的 70%。高环空压耗会造成小井眼水平井水平段岩屑床堆积,携岩困难11。另外,小井眼的管柱尺寸小,与常规井相比摩
15、阻扭矩增加30%40%,钻头黏滑托压风险高12,这些都是制约小井眼钻井技术发展亟须解决的问题。1.2北美地区小井眼水平井技术现状北美页岩气区块通过井身结构的“瘦身”,减少钻井岩屑产生,降低钻井液排放,为钻井提速提效创造条件(表 1)。Haynesville 页岩气区目前采用非标井身结构,三开井眼尺寸由 215.9 mm 缩小至165.1 mm、171.5 mm,选用 114.3 mm 钻杆,水平段钻井液密度由 1.92 g/cm3降至 1.71 g/cm3,平均机械钻速由 3 6 m/h 提升至 15 24 m/h,机械钻速更快,钻井周期更短,单井成本降低 25%以上。Marcellus 页岩
16、气区小井眼水平井三开井眼尺寸为114.3 mm,小尺寸井眼使得套管用钢总量从 210 t 降至 125 t,减少 40%,固井水泥用量降低 34%13。Marcellus 页岩气区约有 78%小井眼水平井的水平段长度超过 2 432 m,而水平段长度超过 4 256 m 的井占比 18%,井身结构的“瘦身”使得长水平段小井眼水平井的施工成本降低了 69%。Duvernay 页岩气区三开井眼尺寸为 171.5 mm,其中生产套管主要采用 139.7 mm+114.3 mm 复合管柱形式,采用“三高两大”的钻进参数,最高转速 255 r/min,泵压30 39 MPa,最大钻压 120 150 k
17、N,三开平均机械钻速 16 25 m/h14。Eagle Ford 页岩气区通过井身结构优化,三开井眼尺寸“瘦身”至 215.9 mm,下入 139.7 mm 生产套管,“瘦身”后平均机械转速提高 20%,套管成本降低 15%,单井成本节约 40%15。加拿大 Groundbirch 页岩气区将井身结构缩小一级,一开井眼尺寸由 311.2 mm 缩小至 222.3 mm,下入177.8 mm 套管,二开水平段井眼尺寸由 215.9 mm缩小至 159.0 mm,下入 114.3 mm 套管,平均钻井周期缩短 3.2 d,钻井成本降低 33%16。1.3国内小井眼水平井技术现状目前,国内页岩气水
18、平井少量井次开展了小井眼钻井技术应用,暂未规模推广应用。20132014 年,富顺区块钻进 10 口小井眼井,三开主要使用史密斯 MDi513 钻头及斯伦贝谢 Archer 钻进,165.1 mm 井段平均长度 1 999 m,钻井周期 18.9 d,平均机速 7.6 m/h17。中石化新页 HF-2 井四开水平段尺寸 152.4 mm,通过优化钻具组合和钻井液性能,保证了定向仪器的正常工作,但随着井深增加,泵压增大,排量有减小趋势,给正常钻进带来较大风险18。大牛地气田第 1 口小井眼长水平井 DP19代锋等:长宁页岩气小井眼水平井钻井技术分析及发展探讨 120 2023 年 6 月 第 4
19、6 卷 第 2 期井三开井眼直径 152.4 mm,水平段长 1 200 m,其井身剖面选择了典型的双增剖面,水平段采用氮气泡沫钻井技术,避免因井眼尺寸小造成的岩屑堆积问题19。塔里木盆地顺北油田 5-5H 井四开井眼直径 120.65 mm,通过设计小尺寸定向 PDC 钻头,评估水平段钻具组合移延伸能力,优化轨迹控制等措施,定向长度达 870 m,井眼轨迹符合率达90%20。20202022 年,四川盆地磨高构造共完成水平井(五开水平段井眼 149.2 mm)17 口,平均垂深 4 912 m,水平段平均长 1 296 m(图 1)。小井眼水平井钻井技术在致密气田也开展了相关应用,苏里格致密
20、气区通过分段优化钻井液性能,强化井眼轨迹控制技术,优选高效 PDC 钻头、大功率螺杆、水力振荡器等提速工具,选择转速 50 60 r/min、排 量 25 31 L/s、钻 压 100 140 kN 的 激 进钻井参数,形成 152.4 mm 小井眼(生产套管114.3 mm)优快钻井技术模板,2019 年完钻的小井眼水平井平均机械钻速 12.7 m/h,平均钻井周期39.12 d,较 2018 年平均机械钻速提高 23.1%,平均钻井周期缩短 23.7%21。表 1 北美地区小井眼水平井水平段相关参数表页岩气区开次水平段井眼尺寸/mm生产套管尺寸/mm水平段长度/m目的层垂深/mHaynes
21、ville三开165.1/171.5127.0平均大于 2 6503 050 4 120Marcellus三开158.8114.3平均大于 3 080最长 5 5111 700 2 310Duvernay三开171.5139.7+114.33 000 3 3003 100 3 900Eagle Ford三开215.0139.72 1004 400Groundbirch二开159.0114.32 200 3 5002 250 2 700图 120202022 年四川盆地磨高构造 149.2 mm 水平段长统计图2小井眼水平井关键技术研究进展2.1小井眼环空水力学及携岩效率研究由于小井眼水平井的井
22、眼尺寸与环空间隙较小,钻柱偏心、旋转和钻杆接头等因素对环空压耗的影响远远大于常规井眼,其压耗分布与常规井眼也明显不同。Delwiche 等提出,钻柱在小尺寸井眼钻进时,会产生由旋转引起的“库特效应”及偏心引起代锋等:长宁页岩气小井眼水平井钻井技术分析及发展探讨 121 2023 年 6 月 第 46 卷 第 2 期的“新月效应”,并针对不同钻井液流变模式、钻柱旋转、钻柱偏心的因素,建立了小井眼环空压耗计算模型,奠定小井眼水力学理论基础22。Mustafa 等指出,环空过窄会引起环空压耗的激增,进而导致ECD(Equivalent Circulating Density)接近甚至高于地层破裂压力
23、23。Cartalos 等提出了一种钻柱偏心、钻柱旋转、钻柱偏心率耦合的小井眼环空压耗计算模型24。汪海阁等通过实验模拟了钻柱旋转速度、钻柱偏心度、钻井液性能、环空返速、钻具接头等因素对小井眼环空压耗的影响25,建立了小井眼环空压降简化模型10。宋洵成等建立了适用于幂律流体和赫巴流体的小井眼环空压耗计算模型,模型计算误差小于 10%26。Han 等基于数值模拟,分析了小井眼环空中固相运移过程,分析了流体黏度、环空倾角、钻柱旋转速度对岩屑运移的影响规律27。Zhang 等通过分析小井眼岩屑运移临界条件,建立了小井眼岩屑运移模型28。Kim 等通过室内实验,测定了小井眼环空中岩屑运移摩擦系数、压力
24、损失、颗粒输送比和颗粒体积分数29。Sun 等通过计算小井眼环空固相粒子速度与分布,研究了窄环空流体速度、倾角、钻柱转速对环空岩屑浓度的影响30。Zhu 等分析了岩屑运移速度、岩屑浓度和岩屑床运移距离对环控携岩的影响,并提出一种脉冲钻井液携岩方法31。2.2小井眼钻井液体系小井眼钻井液体系以低固相或无固相体系居多,这是因为小井眼循环压力损失较大,钻井液中的固相含量过高会导致环空流动阻力升高,导致 ECD 升高,并伴随井壁失稳等风险32。另外,小井眼钻井液需控制好流变性能,来满足环空携岩的要求;为保证井壁稳定,小井眼钻井液体系还需有一定的抑制性,降低滤失量33;小井眼钻井液还需具有良好的润滑性,
25、以防止钻具出现黏卡等事故。针对上述问题,国内外众多学者在钻井液体系优化等方面开展了大量的室内与现场试验。Enilari 等基于宾汉流变模型和幂律流变模型对小井眼钻井液进行比对分析,研究发现聚丙烯酰胺水基钻井液摩擦压力损失最小34。常洪超等设计了钾铵基聚合物钻井液、钾铵基沥青复合防塌钻井液体系,解决了鄂尔多斯盆地直罗组大段泥页岩地层易膨胀分散、剥落掉块、起下钻困难、岩屑床阻卡等难题35。Hosein 等制备 25 种水基钻井液样品,并比较其在小井眼结构中的压耗、井壁抑制性和经济性,确定了两种最优的钻井液配比36。杨春旭等采用氮气泡沫钻井液进行小井眼钻井,能够防止泥页岩因吸水膨胀垮塌造成的井壁失稳
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