2016年05月10日 星期二

松辽盆地实现陆相泥页岩地层长水平井精确钻探

来源:非常规油气室 作者:徐兴友 刘卫彬 发布时间:2020-01-08

摘要:松辽盆地青山口组蕴藏着十分丰富的页岩油资源,是较为现实的接替领域,长水平井精确钻探技术是实现页岩油商业开发的关键技术。针对长水平段管柱摩阻大、陆相泥页岩地层井壁失稳严重、裂缝发育段易坍塌、薄目标靶层井轨迹控制困难等技术难点,以地质-工程一体化理念为指导,通过优化井身轨迹及钻具组合,采用防塌、防漏钻井液体系,应用地质-地球物理精确导向技术,创新形成了陆相页岩油钻井配套技术。吉页油1HF井在陆相泥页岩地层中水平钻进1252m1.94m目标靶层钻遇率100%,实现了陆相泥页岩地层长水平段钻探突破,对我国陆相页岩油水平井钻探具有借鉴意义。

1.项目概况

松辽盆地青山口组优质烃源岩分布广、厚度大,有机质丰度高、热演化程度适中、生烃强度大,源内地层超压普遍发育,页岩油资源潜力巨大。中国地质调查局高度重视松辽盆地页岩油调查研究工作,积极响应国家振兴东北老工业基地号召,部署实施松辽盆地页岩油科技攻坚战。2017-2018年,中国地质调查局油气资源调查中心在松辽盆地南部开展《大兴安岭西缘西缘中生界油气战略选区》二级项目,部署实施吉页油1HF井页岩油水平井,探索攻关松辽盆地南部长岭凹陷大情字地区青一段三角洲外前缘带页岩油资源潜力。

吉页油1HF井于2017年完成导眼井施工,2018年优选青一段地质+工程双甜点层实施水平井钻探,克服水平段长度大、陆相泥页岩地层粘土矿物含量多、裂缝发育、非均质性强,目标靶层薄等技术难题,创新形成系列陆相页岩油钻井配套技术,成功实现页岩油长水平井精确高效钻进,水平段获得良好页岩油显示。

2.成果简介

1)优化水平井井身轨迹及钻具组合,降低了管柱摩阻和扭矩,提高施工效率

吉页油1HF井设计井深3963m,设计水平段长度1200m,为了探索青一段整体页岩油资源潜力,设计了阶梯式的水平井轨迹。水平井井眼轨迹复杂,水平段长度大、落差大,导致滑动钻进过程中钻具摩阻和扭矩增大,施工难度、周期和风险也大大增加。为解决这一难题,采用计算机数值分析模拟技术对井眼轨迹和钻具组合进行优化、优选。为实现钻具摩阻和扭矩的最小化,采用LANDMARK模拟软件,模拟对比水平井不同造斜点深度、不同靶前位移、不同造斜率、不同剖面类型等参数对井眼轨迹圆滑度、钻具摩阻和扭矩的影响,优选出造斜点井深2016m,靶前位移490m,最大造斜率4.5°/30m为最优轨迹参数, 设计了的井眼轨迹及三开井身结构(图1)。为实现高钻速、高精度、高造斜率的钻探目的,对钻具组合进行了优化。选用5刀翼16mm双排齿PDC钻头可显著提高机械钻速(图2);使用斜坡钻杆,减少钻具与井壁的接触面积,降低摩擦阻力;采用加重钻杆代替钻铤,减小钻具直径,降低摩阻;优选近钻头方位GR导向仪器+单弯螺杆+变径稳定器钻具组合进行导向和定向(图3),精确控制井眼轨迹;采用水力振荡器降低钻具摩阻,有效传递钻压,提高水平段延伸能力。通过该技术应用,水平井钻井过程中,钻具摩阻较小,起下钻顺利,未出现卡钻、托压、钻具扭曲变形等事故,水平段长度延伸至1252m,水平段施工周期缩短至32天。

1 吉页油1HF井井身结构及井身轨迹图

 

2  5刀翼16mm双排齿PDC钻头示意图

3  近钻头方位伽马导向钻具组合示意图

2)采用防塌、防漏钻井液体系优化技术,保证裂缝泥岩地层井壁稳定

吉页油1HF井目的层青一段岩性主要为暗色泥岩,粘土矿物含量高,可达40%,易水化、易膨胀、易分散,并且青一段上部地层裂缝比较发育,易掉块、易坍塌,给水平井钻探施工带来较大的风险。根据水平段地层特点及钻井技术难点,采用钻井液配方及性能优化技术,配制具有强抑制、强封堵,高润滑性和造壁性的钻井液配方。通过线性膨胀率实验、钻屑回收率实验及封堵效果评价实验,对水平井各开次的钻井液配方进行优选。二开选用强抑制KCL聚胺钻井液钻井液体系,三开采用油基钻井液体系,岩屑回收率试验表明,KCL聚胺钻井液钻屑滚动后回收率可达99.1%,油基钻井液钻屑滚动后回收率可达99.8%(表1)。根据偶极子声波、地层岩石力学、地层压力等参数,建立了基于流变模型的地应力剖面,预测水平井周向应力分布及对应的泥浆密度,获取了水平井不同位置的泥浆密度窗口,确定青一段泥浆密度窗口为1.45—1.60g/cm3,其他性能参数要求漏斗黏度60—80s,失水小于1mL,泥饼厚度小于0.5mmpH8-11,含砂小于0.2%,油水比大于80:20,破乳电压大于600V。通过该技术应用,水平井钻井过程中未出现井壁垮塌、钻井液漏失等工程事故,施工周期内井壁稳定性好。

1  吉页油1井钻井液配方及钻屑回收率试验结果对比表

钻井液类型

基本配方

滚动前重量/g

滚动后重量/g

钻屑回收率/%

清水

清水

10.03

9.65

96.2

KCL聚胺

清水+4%膨润土+0.2%Na2CO3+0.2%NaOH+0.3%包被剂HP+0.5%乳液聚合物PL+0.5%LV-CMC+0.3%聚胺+0.51.0%防塌剂PZ-7+0.50.8%聚合物降滤失剂COP-HFL+0.51%NH4-HPAN+57%KCL+12%超细碳酸钙QS-2 +12%磺化沥青FT-1+13%液体润滑剂

10.16

10.07

99.1

油基钻井液

基液(油水比80:20+2%有机土+3%生石灰粉+5%油包水主乳化剂+ 5%油包水辅乳化剂+5%油基降滤失剂(FT)+3%油基封堵剂(树脂类)+3%超细凝胶封堵剂+2%QS-1+2%QS-2+2%QS-3+重晶石

10.14

10.12

99.8

3)应用地质-地球物理一体化精确导向技术技术,精确控制井眼轨迹

水平井井眼轨迹精确控制技术是水平井钻探的核心技术,吉页油1HF井目标靶层厚度仅1.94m,水平段沿其穿行长度大,井眼轨迹控制难度较大。为保证较高的目标靶层钻遇率,应用地层精细对比技术、三维地震构造精细解释技术、地层倾角预测技术、斯伦贝谢近钻头伽马导向技术,实现了着陆点的精确预测和薄目标靶层的精确控制。前期综合利用工区地震、钻井及测井等资料对青一段的岩性、电性、含油气性等特征进行精细描述和刻画,建立高精度层序地层格架。利用三维地震构造精细解释技术,预测目标层地层倾角变化及微构造起伏形态,构建三维地质模型,精细表征目标层空间分布规律及水平井井眼轨迹展布形态。水平井着陆前,选取邻井岩性、电性特征突出的标志层作为对比层,钻进过程中,使用随钻地质导向数据与邻井标志层做精细对比,逐层对比分析,直至成功入靶。根据岩电特征差异,将1.94m厚目标靶层自上而下细分为3个小层,精细刻画各小层岩性、伽马、气测等特征的差异,明确导向追踪依据。采用了斯伦贝谢近钻头方位伽马导向技术,结合岩性录井、气测录井及伽马成像技术,依据上、下伽马曲线形态及交互关系变化,气测曲线变化,地层倾角变化,伽马成像形态变化,明确钻头钻遇岩性特征,判断钻头在目标靶层中所处的位置,实时调整定向方案(图4)。该技术的应用,实现水平段沿1.94m薄目标靶层穿行率100%

导向模型

4  吉页油1井水平段多技术综合精确导向图

3. 成果意义

吉页油1HF井是松辽盆地页岩油科技攻坚战重点井,对松辽盆地陆相页岩油勘探具有重要引领意义。通过创新应用陆相页岩油钻井配套系列技术,吉页油1HF井实现水平段长度1252m的超长钻探目标,实钻轨迹与设计轨迹高度吻合,1.94米目标靶层钻遇率100%,目的层井径扩大率<6%,井身质量优质,并且水平段钻获888m油斑显示,为后期地层含油气性测试奠定了良好的基础,有望实现松辽盆地页岩油重大突破。该水平井钻探工程的成功实施,为我国陆相页岩油长水平井钻探提供了系列创新技术,积累了宝贵的实践经验,具有重要的创新和借鉴意义。