长宁页岩气开发井气体钻井技术研究-石化机械研究

乔李华1，周长虹1，高建华2
(1中国石油川庆钻探工程公司钻采工程技术研究院2中国石油川庆钻探工程公司测井公司)

乔李华等.长宁页岩气开发井气体钻井技术研究.钻采工艺，2015，38(6):15－17

摘　要：长宁地区部分井区表层溶洞、裂缝发育，全区中下部韩家店、石牛栏地层岩性致密，可钻性差。前期开发井采用常规钻井液方式在表层段钻井易发生恶性井漏，在韩家店、石牛栏井段钻井机械钻速低、钻井周期长。通过在上述地层开展气体钻井可行性分析，优化气体钻井方案，最终成功在本区开发井应用气体钻井技术，表层平均单井漏失量由2000m3降至0m3，韩家店～石牛栏平均机械钻速由3.1m/h提高至7.31m/h，该段钻井时间由18d降低至4.5d，2014年累计节约钻井成本1500万元以上，达到了治漏、提速、降本的效果。

关键词：井漏;可钻性;气体钻井;可行性分析;井身结构;提速

DOI:10.3969/J.ISSN.1006－768X.2015.06.05

收稿日期:2015－04－30;修回日期:2015－10－30 
作者简介:乔李华，工程师，2005年毕业于中国石油大学(华东)，主要从事钻井技术研究。地址:(618300)四川省广汉市中山大道南二段川庆钻采工程技术研究院钻井完井研究设计中心，电话:(0838)5152077，E－mail:Qiaolh_sc@cnpc.com.cn

四川长宁页岩气田页岩气资源丰富，是中国石油页岩气建产核心区域之一。该气田部分井区表层碳酸盐地层溶洞裂缝发育，中下部韩家店、石牛栏地层岩性致密，可钻性差，研磨性强。前期开发井采用钻井液钻井方式时，部分井表层井漏严重;韩家店、石牛栏井段钻井机械钻速低，单只钻头进尺少，钻井周期长，以上问题严重制约该气田页岩气的高效勘探开发。气体钻井近年来在四川相国寺［1］、川东北［2］等构造钻井实践表明，该技术在可以大幅降低裂缝溶洞型碳酸盐地层钻井时的钻井液漏失量和漏失复杂损失时间，也可以大幅提高难钻研磨性地层钻井的机械钻速。针对长宁页岩气田工程地质特点，开展了气体钻井技术应用研究，现场应用取得了良好的治漏、提速效果。

长宁页岩气田地表属喀斯特山地地貌，沟谷纵横，地形崎岖，地面海拔400～1300m，最大相对高差约900m，表层为雷口坡、嘉陵江等海相碳酸盐地层，溶洞裂缝发育，部分井钻井液钻井时，井漏严重。

长宁页岩气田韩家店、石牛栏井段地层岩性为灰岩、粉砂岩，地层抗压强度高，研磨性强，钻井液钻进时，机械钻速低，单只钻头进尺少，耗费钻井周期长。统计资料显示，2013年完钻的7口开发井，本段平均段长为773m，平均机械钻速为3.1m/h，平均单只钻头进尺仅为172m，平均耗费钻井周期18d。

1.地层三压力情况分析

长宁页岩气田雷口坡－嘉陵江地层，韩家店－石牛栏地层孔隙压力系数均在1.0左右，属于正常的地层孔隙压力系统;同时上述地层破裂压力系数分别为1.93～2.08，2.32～2.41;采用专业软件分别对上述地层进行气体钻井条件下坍塌压力计算表明，上述地层在气体钻井条件下坍塌压力分别为0.08～0.15及0.05～0.08。从地层三压力剖面上看，上述地层在气体钻井条件下均具有良好的压力安全窗口，且上述井段最高地层孔隙压力在22MPa左右，使用35MPa井控装置能够有效控制，具备进行气体钻井的地层压力条件。

2.井壁稳定性分析

雷口坡－嘉陵江地层为海相碳酸盐地层，主要岩性为云岩、灰岩，钻井液介质下钻井的井径资料显示该段地层井径扩大率在2%～6%之间，地层稳定性好。韩家店－石牛栏地层岩性主要为灰岩、粉砂岩地层，岩石压实性、胶结性均较好，钻井液介质下钻井的井径资料显示该段地层井径扩大率一般为2%～5%之间，地层稳定性强。综合分析上述地层的坍塌压力、岩性及井径资料可得出结论:长宁页岩气田雷口坡－嘉陵江，韩家店－石牛栏地层井壁稳定，具备进行气体钻井的地层稳定性条件。

3.地层油、气、水及含硫情况分析

长宁页岩气田前期探井、开发井在雷口坡－嘉陵江地层，钻井液介质下钻井过程中均无油气显示，存在水侵现象，钻井、地质资料表明，该段无气层存在;韩家店－石牛栏段，钻井液介质下钻井过程中有少量气测显示，测井资料解释为干层或差气层，无水层，钻井、地质资料表明，本段不含H2S，因此上述地层具备实施气体钻井的地层流体条件。

综上所述，长宁页岩气田雷口坡－嘉陵江地层为常压地层，地层稳定性好，无气层存在;韩家店－石牛栏段为常压地层，地层稳定性好，最高地层压力低于35MPa，气量少，不含硫化氢，具备实施气体钻井的可行性。

1.井眼轨迹及井身结构的优化设计

长宁页岩气田前期开发井钻井过程中，采用常规螺杆造斜工具，造斜能力较低，为确保满足地质靶区闭合距要求，造斜点设计在韩家店组地层，韩家店－石牛栏地层为造斜井段，不具备开展气体钻井的井眼轨迹条件;同时由于前期井身结构设计将龙潭等易垮塌地层与韩家店－石牛栏地层设计在同一井眼段钻进，未将它们进行分隔，不具备进行气体钻井的井身结构条件。随着高造斜能力旋转导向工具、优质防塌油基钻井液投入使用，造斜点和井身结构的优化设计成为可能。2014年初，为便于在韩家店－石牛栏难钻地层实施气体钻井，将造斜点由韩家店优化设计至龙马溪地层，将技术套管下深优化设计至韩家店顶部，使韩家店－石牛栏地层处于直井段，并与上部龙潭易垮塌地层进行有效分隔，具备了使用气体钻井的井眼轨迹和井身结构条件，井眼轨迹及井身结构优化设计示意见图1。

图1　长宁页岩气田开发井造斜点及井身结构优化示意图

2.钻井介质的优选

鉴于长宁页岩气田表层无浅层气，但有水侵现象，因此表层段采用空气钻井，一旦钻进中地层出水，则转换为空气雾化钻井或充气钻井，韩家店－石牛栏为干层或差气层，无水层，因此韩家店－石牛栏组井段首先采用空气钻井，若钻遇地层出气，则转换为氮气钻井。

3.注气、注液参数优化设计

长宁页岩气444.5mm井段气体钻井主要在600m以内井段进行，地层出水量在5m3/h左右。据此特点设计计算参数如下:钻头井深600m、井口压力为0.1MPa、岩屑颗粒直径2.5mm、最高机械钻速10m/h、地层出水量5m3/h。(www.xing528.com)

气体钻井时，井底压力低，破岩效率高，注入压力高，对设备、管汇抗压能力要求越高。从井底压力、注入压力随注气量变化曲线可知，当注气量达到120m3/min后，井底压力随气量的增加降低很小，而此时注气压力最低。

图2　井底压力、注入压力随注气量变化曲线

从岩屑浓度随注气量变化曲线可知，在注气量在未达到125m3/min时，岩屑浓度随气量的增加而降低，当注气量达到125m3/min时，最高岩屑浓度为0.52%，当超过此气量后，环空最高岩屑浓度随注气量变化甚微。

图3　最高岩屑浓度随注气量变化曲线

图4　注气量与注液量的关系

根据雾化钻井时，气体与液体注入量的关系曲线可知，当气量为125m3/min时，此时合适的注液量为0.3m3/min。

根据前面模拟计算结果，结合以往相邻构造气体钻井经验，444.5mm井眼雾化钻井注气、注液参数优化如表1。

表1　444.5mm井眼雾化钻井注气、注液参数优化表

采用同样方法，设计韩家店～石牛栏钻井参数如表2。

表2　215.9mm井眼气体注气、注液参数优化表

4.钻井参数的优化设计

表层应用气体钻井治理井漏，不出水可考虑使用空气锤，出水后采用牙轮钻头钻进。韩家店－石牛栏层段采用牙轮钻头进行防斜打快。见表3。

表3　钻井参数设计

2014年，长宁页岩气田开发井一开表层段实施气体钻井8井次，均顺利钻达设计层位，平均单井漏失量由钻井液钻井时的2816m3降低至0m3，井漏复杂损失时间由平均2.09d降为0d;韩家店－石牛栏地层实施气体钻井12井次，均为1只钻头顺利钻完该层段，同比钻井液钻井节约钻头3.5只，平均机械钻速达8.35m/h，同比钻井液钻井的3.1m/h提高了169.35%，平均钻井周期4.1d，同比钻井液钻井缩短14d;累计节约钻井成本1500万元以上，达到了良好的治漏、提速、降本效果。

(1)长宁页岩气田表层易漏地层和中下部韩家店－石牛栏可钻性差地层，可以通过采用气体钻井技术，达到治漏、提速的目的。

(2)气体钻井技术在长宁页岩气田的成功应用，大幅降低了单井钻井漏失量和单井钻井周期，同时单井可节约钻井成本100万元以上，为长宁页岩气田的规模效益开发提供了一条高效、经济、适用的技术手段。

(3)气体钻井技术在长宁页岩气田的成功应用，再次证明了气体钻井在治漏、提速方面具有突出的技术优势，也证明了通过科学地开展地层气体钻井可行性分析、采取合理、经济的技术措施可以为气体钻井的使用创造条件，对于气体钻井的推广应用具有重要的借鉴作用。

(4)近期长宁页岩气田部分井区表层埋藏地质年代较新，欠压实，易漏、易垮，钻井液钻井、常规气体钻井均钻进困难，成为目前上述井区钻井提速的瓶颈地层，建议在上述地层加快开展对易漏、易垮地层具有较强适应性的气体反循环钻井技术、气体连续循环钻井技术研究与试验，解决上述钻井提速瓶颈。

参考文献

［1］周长虹，许期聪，周薇，等.气体钻井技术在相国寺构造的应用成效［J］.钻采工艺，2014，37(4):97－97.

［2］侯树刚，刘新义，杨玉坤.气体钻井技术在川东北地区的应用［J］.石油钻探技术，2008，36(3):24－32.

(编辑:黄晓川)