涪陵页岩气田江东区块优快钻井技术研究与应用

黄迪箫笙

(中石化重庆涪陵页岩气勘探开发有限公司，重庆 408000)

1 概况

涪陵页岩气田江东区块是气田二期产建重点开发区域，地处四川盆地盆缘山地过渡地带，境内地势以低山丘陵为主，地面海拔介于45～800 m之间。江东区块储量动用面积49.8 km2。

2 江东区块钻井工程主要难点

2.1 地质条件复杂，岩石可钻性差

江东区块地质条件复杂，经历过多期构造运动，断层、裂缝较发育，发育断层39条，相对于焦石坝主体区块地层较为破碎[1-3]。一开钻遇地层须家河组为灰白、黄灰色石英砂岩与泥岩互层；雷口坡组为灰色、紫红色泥页岩与灰色灰岩、角砾状灰岩互层，可钻性6～8级；嘉陵江组、飞仙关组岩性为灰色灰岩及紫红色泥岩，均质性强，可钻性较好。二开钻遇地层长兴组浅层气发育，龙潭组、茅口组、栖霞组、梁山组地层硬度大，夹层多，可钻性差，致使钻头消耗量增加；韩家店组、小河坝组地层研磨性强，可钻性7～8级，憋跳钻严重，导致钻头钻速低、失效快、进尺短[4-5]。三开龙马溪组上部浊积砂可钻性变差，龙马溪组目的层岩性主要为泥页岩，含砂量相对焦石主体区增加，研磨性增强。统计已完钻井数据，江东区块单井平均消耗钻头20.6只，与焦石坝主体区块14.7只相比，钻头消耗增加了40.1%。

2.2 轨迹调整频繁，定向施工难度大

江东区块西南部江东鞍部及乌江1号断背斜一带构造复杂、变形强，乌江断裂具压扭性质(图1)。地层倾角变化大，本区由南到北地层倾角逐渐增大，最高可达30°，致水平段高程差逐渐增加[6-8]。较焦石坝一期相比，龙马溪目的层埋深更大(焦页X2-4HF井最大垂深4474 m)，随钻伽马曲线与上部地层相比变化幅度小，标识层不清晰，导致地质导向评价分析准确度降低[9-10]。A靶点垂深预测偏差大(焦页C-2HF在A靶点误差达到272 m)，造成三开井眼轨迹调整频繁且着陆控制困难，水平段地层倾角变化大，致轨迹调整频繁。井眼轨迹造斜率大，水平段呈波浪状，致使滑动钻进摩阻增大，定向托压严重，机械钻速低[11]。例如，焦页A-2HF井在三开调整次数高达32次，三开水平段呈W形，造成定向施工耗时长，严重影响钻井进度，该井水平段机械钻速相对于焦石坝区块水平段平均钻速下降29.3%。

图1江东区块构造特征地震图
Fig.1Seismic map of the structural features of Jiangdong Block

3 钻井提速技术研究与应用

3.1 针对地层岩性特征优选钻头

3.1.1 二开龙潭组、茅口组地层优选牙轮钻头

江东区块二开龙潭组地层中部岩性以灰、深灰色灰岩、含泥灰岩为主夹薄层含生屑灰岩；上、下部岩性为灰黑色炭质泥岩。茅口组地层以灰岩、云质灰岩、泥质灰岩为主，夹薄层灰黑色泥岩、深灰色含灰泥岩及含生屑灰岩，地层胶结不整合、缝洞发育。其中，龙潭组下部及茅口组上部泥岩不适合用PDC钻头，宜使用牙轮钻头钻穿。而焦石坝区块成熟钻头不适用江东区块岩性，憋跳钻严重、易崩齿、易失效。经多轮次钻头优选，江钻牙轮钻头HJT637GL锥型齿牙齿小、耐磨损、抗冲击性强，破岩提速效果显著，单个HJT637GL钻头进尺相较于初期使用的钻头增加了90.9%，机械钻速提高了69.63%(见表1)。

3.1.2 三开龙马溪组浊积砂岩段优选混合钻头

江东区块浊积砂岩地层定向困难、机械钻速低，优选使用江钻混合钻头KPM1642ART。混合钻头兼具PDC钻头和牙轮钻头的优点，锥型齿形成破碎坑，有利于地应力的提前释放，PDC齿快速切屑地层，机械钻速显著高于牙轮钻头，具有良好的耐磨性和防托压效果。对比邻井使用牙轮钻头，在浊积砂中钻进，混合钻头机械钻速比牙轮钻头平均提高100.4%(见表2)。

3.1.3 针对三开龙马溪组、五峰组页岩层段优选PDC钻头

表1 江东区块二开优选钻头使用效果对比Table 1 Comparison of drilling results of the selected bits for Stage-2drilling at Jiangdong Block

表2 浊积砂层混合钻头使用效果对比Table 2 Comparison of the drilling results of mixed drill bits at Jiangdong Block

江东区块三开龙马溪组、五峰组地层均质性不强，局部硅质含量高，研磨性强。钻井施工过程中需多次调整井眼轨迹，部分井段大造斜率追层，易造成PDC钻头肩部崩齿、磨齿，导致钻头提前失效。针对江东区块龙马溪组地层岩性特征，通过现场不断试验，优选型号为江钻KSD1652AGR和KMD1652ADGR。

两款钻头均采用浅内锥、侧切能力强的轮廓线型等为定向井设计，适用于三开水平段施工。其中江钻KMD1652ADGR采用双排齿设计，增加减震结构。江钻SD1652AGR具有深排屑槽布置方位以及优化水力结构，使得钻头具有更好的水力效果，并且刀翼采用螺旋保径设计。通过现场不断试验，两款钻头对于江东区块水平段优快钻井有明显的提速效果(见表3)。

表3 江东区块水平段优选PDC钻头使用效果对比Table 3 Comparison of the drilling results of selected PDC bits for the horizontal section at Jiangdong Block

3.2 井眼轨道优化设计与实时调控

3.2.1 井眼轨迹优化

针对江东区块地层自然造斜能力强、长稳斜段轨迹控制难度大等问题，钻井设计提前考虑复合钻进时地层造斜率增量，将常规“直-增-稳-增-平”剖面设计优化为“直-增-微增-稳-增(扭方位)-平”剖面(见图2)。降低初始造斜段的造斜率，由原设计的14°～16°/100 m降至6°～10°/100 m，后续微增井段依靠地层自然造斜率增斜，减少滑动进尺，提高复合钻进比例。该优化设计降低全井段造斜率，减少定向滑动钻井比例，减少滑动钻进摩擦阻力，大幅降低轨迹控制难度(图3)。

图2 焦页D-1HF井轨道优化设计Fig.2 JYD-1HF Well path optimization design

图3 焦页D-1HF井轨迹优化滑动钻进摩阻对比Fig.3 Comparison of sliding drilling friction with JYD-1HF optimized well trajectory

3.2.2 近钻头随钻测量技术

近钻头随钻测量系统零长小于1 m，较常规测量仪器LWD(零长约17 m)有较大优势，可及时发现钻遇地层变化情况，指导井眼轨迹实时调整，提高井眼轨迹控制的精度，提高优质页岩气层的钻遇率[12-14]。江东区块16口井配套应用了近钻头仪器，优质储层的钻遇率均在95%以上(见表4)。

表4 江东区块近钻头使用情况Table 4 Near-bit Drilling results at Jiangdong Block

3.3 针对性推广使用提速工具

3.3.1 水力振荡器

针对江东区块二开定向段、三开水平段托压等问题，在施工过程中使用水力振荡器。水力振荡器利用阀板机构，把单纯的机械式加压改为机械与液力相结合的加压方式，为钻头提供有效、真实的钻压，可提高机械钻速，减少钻头磨损，延长单趟钻有效进尺，减少起下钻次数，缩短钻井周期[15]。从前期试用到目前推广使用，水力振荡器定向钻井提速较为显著，平均机械钻速提高20%以上(见表5)。

3.3.2 射流冲击器

射流冲击器是利用钻井液经过换向机构，交替作用到活塞上、下端面，推动活塞带动冲锤产生高频往复运动，冲锤高频冲击作用到砧子上，冲击能量由传递机构传递到钻头，提高动静态耦合作用下的钻头破岩效率[16]。针对江东区块二开茅口组机械钻速低的问题，在焦页H平台使用Ø228 mm射流冲击器对二开直井段提速，机械钻速提高26.81%(见表6)。

表5 江东区块部分平台水力振荡器使用情况Table 5 Use of hydraulic oscillators on some platforms at Jiangdong Block

表6 焦页H平台射流冲击器使用效果对比Table 6 Comparison of the results of jet impactors in JY H platform

3.4 “一趟钻”钻井技术

“一趟钻”技术是指利用一只钻头入井一次打完一个开次的所有进尺。利用该技术使得水平井降本增效效果明显。“江东区块”由于其地质条件复杂、地层情况不清，导致三开造斜段及水平段实现“一趟钻”技术困难。目前，在江东区块三开水平段“一趟钻”仅有5次，较焦石坝主体产建区三开水平段“一趟钻”使用较少。

焦页A-1HF井全井使用国产工具，合理使用射流冲击器和水力振荡器，根据地层优选钻头类型，实现一开一趟钻，二开五趟钻，三开造斜段一趟钻，水平段一趟钻。该井钻井周期52.5 d，创江东区块钻井周期最短记录；一开机械钻速最高24.27 m/h，二开直井段单日进尺最多505 m，二开定向段单日进尺最多301 m；三开单只混合钻头进尺最多601 m；三开首次实现江东区块水平段一趟钻(见表7)。

4 江东区块优快钻井技术应用效果分析

经过4年的技术探索和经验总结，江东区块钻完井技术不断成熟。导眼段平均机械钻速由2015年的3.53 m/h提升到2018年的8.36 m/h，整体提升了1.4倍(见表8)。一开钻井克服地层可钻性差且漏失频繁的难点，保证机械钻速不落后。二开钻井克服小河坝定向施工困难和破碎带掉块等难题，机械钻速提升14.53%。三开水平段“一趟钻”技术成果显著，累计成功5井次；三开井段平均机械钻速提高39.1%。钻井周期从2015年的235 d缩短至2018年的90.33 d，实现了江东区块钻井施工整体“降本增效”的目的。

表7 焦页A-1HF井“一趟钻”应用情况Table 7 Results of “one-pass” bits in JYA-1HF Well

表8 江东区块优快钻井效果统计表Table 8 Comparison of fast drilling effects at Jiangdong Block

5 结论

(1)根据地层岩性特征优选钻头类型，二开龙潭组、茅口组地层推荐使用牙轮钻头HJT637GL，三开龙马溪组浊积砂段推荐使用混合钻头KPM1642ART，水平段推荐使用PDC钻头KSD1652AGR和KMD1652ADGR，现场应用取得了良好的钻井提速效果。

(2)钻井设计提前考虑复合钻进时地层造斜率增量，降低全井段造斜率，减少定向滑动钻井比例，可大幅降低轨迹控制难度。近钻头随钻测量系统可提高井眼轨迹控制的精度，现场应用表明，优质储层的钻遇率均在95%以上，建议三开钻井全部使用近钻头随钻测量系统。

(3)水力振荡器定向钻井提速较为显著，平均机械钻速提高在20%以上；射流冲击器提高了动静态耦合作用下的钻头破岩效率，机械钻速提高在30%以上。建议后续钻井推广使用水力振荡器和射流冲击器。

(4)江东区块钻井周期从开发前期的235 d缩短至90.33 d，机械钻速、储层钻遇率不断提高的同时，定向钻井托压、钻头提前失效等工况逐渐减少。通过4年发展，涪陵气田江东区块优快钻井集成技术逐渐成熟，对其他深层页岩气的勘探开发具有较强的参考价值。