泡沫定向钻井技术在涪陵焦石坝地区页岩气井的试验

杨海平（江汉石油工程公司钻井一公司，湖北 潜江 433121）

1 工程概况

涪陵焦石坝地区页岩气田地处重庆市涪陵区，构造位置处于川东褶皱带，主体位于万县复向斜，是中石化第一个页岩气田，也是我国第一个页岩气产能建设示范区。自2013年3月该项目启动以来，二开造斜段因漏失严重、大井眼定向钻井速度慢，已成为影响钻井速度的瓶颈，严重影响了工程进度。为提高施工进度，尽快完成产能建设任务，二开定向井段（茅口组～龙马溪组）试验泡沫定向钻井。

1.1 地层特点

以JY9－1HF井为例，从上到下地层分别为三叠系、二叠系、石炭系、志留系，目的层为龙马溪组碳质页岩。根据实钻情况，地表溶洞、裂缝发育，部分井段嘉陵江组－飞仙关组含水层，长兴组、茅口组含裂缝气层或气水同层，韩家店组、小河坝组存在低承压漏失层。

表1 JY9－1HF井设计地质分层

1.2 钻井施工方案

根据表1给出的地层特点，设计井身结构见表2。

目前采用丛式井组开发，各平台布署3口井，二维水平井1口，三维水平井2口。设计井眼剖面：直－增－稳－增－稳（水平段），造斜率20°／100m。9号平台三维水平井JY9－1HF井设计井眼剖面如表3所示。

表2 JY9－1HF井井身结构设计方案

表3 JY9-1HF井设计井眼剖面

JY9－1HF井为三维水平井，设计造斜点1180m，地层为栖霞组（Pqx），二开中完井深2453.80m（垂深2229.76m），井斜52.98°，方位341.12°。

由于地层硬，漏失严重，直井段一般使用空气钻井，钻井速度得到极大提高，二开311.2mm井眼最高日进尺480m，为牙轮钻头常规钻井速度的10倍。但此前造斜段无法使用气体钻井，钻达造斜点后，必须转换为钻井液钻井，影响了钻井速度。目前使用常规定向钻井方式，日进尺约40～50m；韩家店组、小河坝组存在低承压地层，JY1HF井、JY9－2HF井、JY6－2HF井、JY10－2HF井均发生严重漏失，有的井损失时间超过27d，漏失钻井液超过5000m3。

造斜段泡沫定向钻井可提高涪陵焦石坝地区页岩气钻井速度，降低钻井液成本和减少环境污染。

2 泡沫定向钻井工艺

常规泥浆定向钻井，特别是水平井钻井，需要使用无线随钻测斜仪和井下动力钻具，测量的井眼参数依靠泥浆脉冲信号传输给地面仪表，井下动力钻具如螺杆、涡轮也依靠泥浆提供动力。空气定向钻井由于钻井介质改变，由泥浆改变为空气，需要使用以电磁波为传输信号的无线随钻测斜仪（EMWD）和以空气为动力的空气螺杆。

2.1 无线随钻测斜仪（EMWD）

EMWD测量原理与常规MWD相同，信号传输方式不同。EMWD使用电磁波为传输信号，其工作原理是：绝缘短节把钻具分为上下二极，测量仪器接在绝缘短节下端，仪器发射天线接在绝缘短节上端，形成电磁波传输回路。测量参数转换为电磁波信号并发射出来，透过地层传输到地面，被地面装置接收；当信号弱时可在钻具中使用钻杆偶极天线，放大电磁波信号。EMWD具有不进行泡沫循环即可测量工程参数、传输速度快、可靠性高、使用及维护成本低等优点。

国产CEM－1型EMWD仪器性能参数如下：井斜角为0～180°（精度±0.1°）；方位角为0～360°（精度±1.0°）；工具面角度为0～360°（精度±1.0°）；工作温度为0～125℃ ；井下连续工作时间为液相≥150h，空气、泡沫≥300h；数据速率为2～10bit／s；天线短节外径为203mm／165mm／120mm；井下仪器长度为6500mm／7700mm（带伽马）。

2.2 空气螺杆

空气螺杆与泥浆螺杆的工作原理相同，空气压缩机输出的高压气体直接进入空气螺杆马达，在马达进出口处形成一定的压差推动马达的转子旋转，并将扭矩和转速通过万向轴和传动轴传递给钻头。但由于空气的可压缩性，空气螺杆与常规液体螺杆相比，具有以下2个显著的工作特点：当钻压增大时，马达进出口间的压差增大，马达入口处压力升高，使通过马达的空气流量减小，因而输出的转速降低，螺杆转速降低，当钻压增大到一定值时会出现 “制动”现象；当钻压降低时，马达进出口间的压差减小，马达入口处压力降低，使通过马达的空气流量增大，螺杆转速加快，当钻压突然消失时会出现 “飞车”现象，易造成钻具倒扣。因此，与泥浆螺杆的结构相比：空气螺杆无旁通阀，替代接头取代旁通阀；马达头数采用最高头数9头，以获得较大扭矩；转子和定子曲面采用较小定子齿顶曲率半径的线型。

螺杆使用应注意以下几点：①钻头应装喷嘴。钻头不装喷嘴时，高速气流处于亚声速流状态时，施加钻压时很可能出现制动和 “飞车”情况，影响螺杆使用寿命。②空气螺杆的冷却和润滑完全依靠所加入的润滑剂；如果不加入润滑剂，螺杆的传动轴总成很快会过热抱死，定子橡胶过热会导致橡胶提前老化失效，使定子橡胶脱落（特别是在井口试运转时）；空气螺杆使用寿命和良好的冷却润滑密不可分。③钻进时应缓慢施加钻压，钻头提离井底时应非常缓慢地减小钻压，并且钻头提离井底之前将排量减小50%，避免螺杆马达 “飞车”造成钻具损坏。④空气螺杆不使用旁通阀，因此必须在空气管路中设有压力释放阀和单向阀，防止管路的压力过高和防止空气返流。⑤螺杆在地面试验时，应降低空气排量，推荐井口试验空气排量45m3／min。目前国产空气螺杆主要由天津立林和北京石油机械厂生产。表4为K9LZ216×7.0—2.5螺杆（天津立林）技术参数①天津立林石油机械有限公司 .空气螺杆使用手册，2013.。

表4 K9LZ216×7.0—2.5螺杆的性能参数

2.3 泡沫钻井

泡沫钻井是指空气钻井、氮气钻井等钻遇地层出水，为保证携砂和井壁稳定，根据出水量和气体排量，注入一定量的泡沫液，泡沫液与气体混合成循环介质的钻井方式。泡沫液配方为清水＋起泡剂＋稳泡剂＋CMC＋烧碱＋防塌抑制剂。性能要求是：发泡量大于400ml，半衰期大于30min，满足携带钻屑和井壁稳定要求。泡沫钻井施工流程如图1所示。

空气螺杆高速转动，转子和定子高速摩擦，加上干燥高压气流冲蚀，空气螺杆相比常规的寿命短。目前通常采用润滑剂以增加其工作时间，其配方为液体皂＋石墨粉＋胶结剂＋机油，按0.4～0.6L／h排量循环加入。由于空气不导电，为实现EMWD信号传输和空气螺杆的润滑、冷却，涪陵焦石坝地区使用泡沫定向钻井技术进行钻井。

2.4 钻头选型及钻具组合

泡沫定向钻井钻头选型与常规泥浆钻井、空气钻井的钻头相同。

钻具组合基本与常规空气钻井及定向井钻井的钻具组合相似，只是在常规定向井钻井的钻具组合中加入EMWD短节，在EMWD短节上部加入1根钻铤，通常为：钻头＋空气单弯螺杆＋钻具止回阀＋无磁钻铤1根＋EMWD短节＋钻铤1根＋斜坡加重钻杆＋斜坡钻杆。

现场备用EMWD中继器，第1次下入仪器时钻具组合中不加入，一旦入井工具EMWD信号弱，则在井口可以随时接入EMWD中继器。泡沫定向钻井的参数见表5。

图1 泡沫钻井流程

表5 泡沫定向钻井参数

3 试验结果

JY13－2HF井、JY9－1HF井二开气体钻至造斜点前30m，转换为泡沫钻井，试钻进30m，井壁稳定，井下情况正常，具备泡沫定向钻井试验条件。

3.1 JY13－2HF井（志留系小河坝组）

1）试验井段 ①泡沫复合钻进2030.00～2036.00m，进尺6.00m；②泡沫定向钻进2036.00～2056.00m，进尺20.00m；③泡沫复合钻进2056.00～2070.00m，进尺14.00m。

3）钻井参数 钻压40kN，转盘转速45r／min，空气排量100m3／min，泡沫注入量10L／s，立管压力3.8MPa。

4）反扭角 设计工具面310°，在上述钻井参数下，工具面基本稳定在295～315°，工具面波动范围＜20°。

5）空气螺杆工作时间 12h40min。

6）泡沫定向段造斜率 测深2036m，井斜6.8°，方位56.4°；测深2056m，井斜7.3°，方位52.9°。平均造斜率为0.03°／m。

7）钻时 该井段泡沫定向钻井平均钻时10.74min／m；JY9－2HF井所对应的地层和井段使用泥浆定向钻井平均钻时21.33min／m，与之相比，平均钻时降低了1倍。

3.2 JY9－1HF井（二叠系栖霞组）

1）试验井段 ①泡沫复合钻进1180.00～1183.70m，进尺3.70m；②泡沫定向钻进1183.70～1203.00m，进尺19.30m；③泡沫复合钻进1203.00～1211.19m，进尺8.19m。

3）钻井参数 钻压60kN，顶驱转速30r／min，空气排量100～130m3／min，泡沫注入量12L／s，立管压力2.2MPa。

4）反扭角 设计工具面280°，在上述钻井参数下，工具面基本稳定在270～285°，工具面波动范围＜15°。

5）空气螺杆工作时间 11h30min。

6）平均造斜率 ①测深1183.70m，井斜2.6°，方位193.8°；②测深1203.00m，井斜3.8°，方位199.5°；③平均造斜率为0.13°／m，根据常规定向初始造斜率，空气螺杆造斜率较高。

7）钻时 该井段泡沫定向钻井平均钻时22.79min／m；JY1－3HF井所对应的地层和井段泥浆定向钻井平均钻时18.61min／m，与之相比，平均钻时低4.18min／m。

4 结论、问题及建议

4.1 结论

1）EMWD电磁波测斜仪在焦石坝地区信号强，传输速度快。

2）空气螺杆反扭角很小，且受钻压、井深影响小。

3）通过控制空气排量和钻压，空气螺杆能够避免 “制动”和 “飞车”。

4）泡沫液能够较好地冷却和润滑空气螺杆。

4.2 问题及建议

1）目前EMWD抗震能力不强。2口井试验均由于EMWD震坏或倒扣而停止试验。建议加强仪器抗震能力研究，能显示所受震动情况，为泡沫定向钻井技术推广应用创造条件。

2）空气螺杆额定工作钻压低，使用牙轮钻头提速效果差。建议国内螺杆生产商加强大功率空气螺杆研发，扩大泡沫定向钻井技术应用井段。

另外，因2口井试验井段短，空气螺杆造斜率和工作时间有待验证。