引用本文
陈志伟. 页岩气水平井钻井沉砂卡钻监测方法研究及应用[J]. 录井工程, 2020,31(2): 12-15.
CHEN Zhiwei. Research and application of monitoring methods for solids settling and sticking in shale gas horizontal well drilling[J]. Mud Logging Engineering, 2020,31(2): 12-15.
Doi:10.3969/j.issn.1672-9803.2020.02.003  
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页岩气水平井钻井沉砂卡钻监测方法研究及应用
陈志伟
中国石油长城钻探工程有限公司录井公司

作者简介：陈志伟 高级工程师,1971年生, 1995年毕业于大庆石油学院石油地质专业,现任中国石油长城钻探录井公司副总经理兼总工程师,主要从事录井科研、技术管理、信息化推广等工作。通信地址:124010 辽宁省盘锦市兴隆台区石油大街77号。电话:13842718583。E-mail:chenzw.gwdc@cnpc.com.cn

修回日期: 2020-05-07
摘要

页岩气有利目标箱体地层多发育天然微裂缝,呈现硬脆性力学特征,地层稳定性差,水平井钻进过程中井壁容易剥落产生掉块,如果不能及时将掉块从井筒环空循环排除,可能导致钻井沉砂卡钻事故。鉴于目前还无法直接测量井壁剥落掉块严重程度,进行了利用随钻环空压力监测环空掉块数量及其在环空中分布情况的研究。通过定义最小关泵压力、最大关泵压力、平均关泵压力、停泵和开泵状态及停泵时间实现了环空压力监测窗口自动捕捉;根据提取不同窗口的特征建立随钻环空压力数据与停泵期间井壁剥落掉块严重程度表征关系,通过定义沉砂卡钻风险等级实现了对页岩气钻井沉砂卡钻风险评价。现场测试实例表明,该方法可以实现对沉砂卡钻风险的识别,有助于对沉砂卡钻事故的预判和预防,提高页岩气水平井施工安全性,具有现场应用推广价值。

关键词: 页岩气; 水平井; 沉砂卡钻; 监测; 环空压力; 环空掉块
中图分类号:TE132.1 文献标志码:A
Research and application of monitoring methods for solids settling and sticking in shale gas horizontal well drilling
CHEN Zhiwei
CNPC GWDC Mud Logging Company, Panjin, Liaoning 124010, China
Abstract

Natural micro-fractures mainly develop in favorable target box formation of shale gas, presenting mechanical characteristics of hard and brittle and the formation stability is poor. During the drilling of horizontal wells, wellbore wall easily peels off and produces blocks. If the block cannot be removed in time from the annulus circulation of wellbore, drilling solids settling and sticking accidents may occur. Given the fact that the severity of wellbore peeling is not yet possible to be directly measured, a study of monitoring the number of annulus blocks and their distribution in annuls using the annulus pressure while drilling was conducted. By defining the minimum pump shutoff pressure, maximum pump shutoff pressure, average pump shutoff pressure, pump shutoff and on status and pump shutoff time, automatic capture of annulus pressure monitoring window was realized. Phenetic relationship between annulus pressure data and the severity of wellbore wall peeling while drilling was established based on the characteristics of different windows. By defining solids settling and sticking risk rank, the risk assessment of solids settling and sticking in shale gas drilling was realized. Field test examples showed that this method can realize the identification of solids settling and sticking risk. It is conductive to the pre-judgement and precaution of solids settling and sticking, improving the safety of shale gas horizontal well construction, and is worth on-site promotion and application.

Keyword: shale gas; horizontal well; solids settling and sticking; monitoring; annulus pressure; annulus block
0 引言

随着页岩气勘探开发的持续深入, 页岩气水平井技术得到规模化应用, 为了尽可能提高页岩气水平井单井产量, 要求水平井钻井过程中, 钻头尽可能在拥有较高渗透能力或具备可改造条件的泥页岩裂缝发育带的有利目标箱体中穿行, 保证足够的水平段长度。但是, 页岩气有利目标箱体地层多发育天然微裂缝, 呈现硬脆性力学特征, 地层稳定性差[1], 钻进过程中井壁容易剥落产生掉块, 如果不能及时将掉块从井筒环空循环排除, 可能导致钻井卡钻事故, 所以页岩气水平井钻井在要求单井产量最大化前提下, 必须对井壁易剥落地层中的卡钻风险及时进行识别[2]。

鉴于目前还无法直接测量井壁剥落掉块严重程度, 而环空掉块的数量及在环空的分布情况直接影响环空压力的大小, 尽管随钻环空压力井下采集技术发展成熟[3], 但缺少相关的利用随钻环空压力评价沉砂卡钻风险的方法。本文研究了一种停泵时环空压力窗口捕捉方法, 通过建立随钻环空压力数据与停泵期间井壁剥落掉块严重程度表征关系, 实现了对页岩气钻井沉砂卡钻风险评价, 有助于对沉砂卡钻事故的预判和预防, 提高页岩气水平井施工安全性。

1 页岩气水平井钻井沉砂卡钻原因分析

搜集整理四川威远页岩气区块76口井钻井数据可知, 发生卡钻事故34口井, 采用循环划眼处理卡钻事故损失时间占比14%, 其中卡死、填井或提前完钻21口井, 严重影响钻井时效, 增加钻井成本。对发生卡钻事故井进行分析认为:卡钻事故大多发生在起下钻或停泵接立柱后上提期间, 卡点多数在扶正器和钻头处, 可以正常循环, 钻具下放顺利, 但上提困难, 其原因是上部地层剥落产生掉块, 停泵后由于钻井液失去携带能力和悬浮能力不足导致掉块(或岩屑)沉降在井眼底边, 位于扶正器和钻头等处环空间隙窄小处, 如图1所示, 钻具上提时掉块和钻具及井壁硬性接触导致沉砂卡钻发生。

图1 钻具上提时掉块(或岩屑)在井眼底边堆积情况

上部地层剥落产生掉块的原因如下:一是在硬脆性页岩地层由于起下钻或接立柱期间钻具上提和下放产生的压力波动、开泵和停泵期间由于循环压力导致井底附加压力的有无, 造成井底压力和地层坍塌压力的差值变化; 二是钻具移动对硬脆性页岩地层的机械碰撞。因此, 预防页岩气钻井沉砂卡钻的关键是监测停泵期间井壁剥落掉块数量以及掉块在钻具和井壁形成的环形空间中的分布情况。

2 页岩气水平井钻井沉砂卡钻监测方法
2.1 环空压力监测窗口捕捉

停泵状态下测量的环空压力与钻井液密度、井口回压和环空掉块(或钻屑)数量有关, 因此当钻井液密度和井口回压不变时, 停泵状态下测量的环空压力大小可以直接反映环空掉块数量[4]; 在停泵到开泵的瞬间测量的环空压力大小与钻井液结构力、井口回压和使沉降的掉块重新悬浮的作用力有关, 而使沉降的掉块重新悬浮需要的作用力与掉块在环空分布情况有关(影响环空间隙)。因此, 当钻井液结构力和井口回压不变时, 在停泵到开泵的瞬间测量的环空压力大小可以直接反映掉块在环空分布情况, 通过定义环空压力监测窗口实现停泵期间测量的环空压力在时间序列上可对比, 并且可以表征掉块对沉砂卡钻的影响程度[4]。

为了方便现场工程应用, 将环空压力转换为当量钻井液密度EMW, 相应地环空压力监测窗口就表示一定时间内当量钻井液密度随时间的变化关系, 如图2所示。

图2 停泵期间环空压力监测窗口示意

确定环空压力监测窗口方法是确定最小关泵压力、最大关泵压力、平均关泵压力、停泵和开泵状态及停泵时间[3], 各量分别定义如下:

最小关泵压力pmin:停泵期间由于起下钻和接立柱期间钻具上提轴向运动引起抽吸压力时环空压力值(pmin, tmin)。

最大关泵压力pmax:使钻井液恢复循环引起激动压力时测量的环空压力值, 发生在由停泵到开泵瞬间(pmax, tmax)。

平均关泵压力pave:停泵期间钻具静止稳定一定时间内测量的环空压力平均值(pave, tave)。

停泵和开泵状态:测量钻具内水眼压力为pi, 测量环空压力为pa, 当pi≤ pa时可判断是停泵状态, 当pi> pa时可判断是开泵状态。

停泵时间t:根据停泵和开泵状态方法, 从判断的停泵时刻toff直到下次开泵时刻ton, 那么ton-toff就是停泵时间t。

根据环空压力监测窗口捕捉方法, 可以得出环空压力监测窗口((pmin, pmax), (toff, ton)), 其中pmax-pmin表示窗口高度, ton-toff表示窗口宽度。

2.2 沉砂卡钻风险评价

pave -pmin(pd)可以用来指示停泵期间环空掉块数量, pmax-pave(ps)可以用来指示停泵期间环空掉块分布情况, 根据二者数据变化关系可以评价沉砂卡钻风险大小, 具体流程如图3所示。

图3 基于环空压力窗口的沉砂卡钻风险评价流程

第一步:读取环空压力和钻具水眼测量数据, 首先判断环空压力和钻具水眼压力大小关系用以识别停泵和关泵状态。从开泵到停泵期间环空压力变化特征是慢慢下降, 直到等于钻具水眼压力, 记录此时刻t1作为窗口左边界; 从停泵到开泵期间环空压力变化特征是逐渐升高到最大值, 慢慢下降并趋于稳定, 记录稳定时刻t2作为窗口右边界。

第二步:在窗口左、右边界之间, 通过比较数据之间大小关系, 找出最小环空压力数值(pmin, tmin), pmin作为窗口下边界p1, 找出最大环空压力数值(pmax, tmax), pmax作为窗口上边界p2; 在tmin和tmax之间环空压力数据变化稳定期间取5条环空压力数据平均值作为平均环空压力值(pave, tave)。

第三步:计算pave-pmin值pd用于监测掉块在环空的数量, 计算pmax-pave值ps用于监测掉块在环空分布情况; 对实测环空压力数据重复上述步骤得出全部接单根过程pd和ps值, 按照顺序依次绘制pd和ps曲线, 并对两条曲线进行实时监测。

第四步:将沉砂卡钻风险定义为4个等级, 分别是高、较高、低、较低。如果pd和ps曲线同时增大, 提示沉砂卡钻风险等级高; 如果pd曲线减小, ps曲线增大, 提示沉砂卡钻风险等级较高; 如果pd曲线增大, ps曲线减小, 提示沉砂卡钻风险等级低; 如果pd和ps曲线同时减小, 提示沉砂卡钻风险等级较低。现场实际施工过程中, 根据风险提示等级制定井眼清洁操作策略, 防止沉砂卡钻发生。

3 应用实例

四川威远区块龙马溪组地层硬脆特征明显且局部裂缝发育, 造成井下压力波动敏感, 钻进过程中容易产生掉块, 区域已钻井中在停泵上提钻具时发生多次“ 秒杀式” 卡钻。A 井是一口页岩气开发水平井, 如图4所示, 在2 950~3 050 m井段, 钻遇龙一段14号层、龙一段13号层、龙一段12号层、龙一段11号层, 地层脆性指数0.37~0.77, Ca、Mg元素含量先增大后减小, 井斜由61° 增加到81.6° , 钻井液密度2.0 g/cm3, 排量1.9~2.2 m3/min, 转速90~120 r/min, 利用岩屑称重设备[5]所测量的体积差由0.4 m3逐渐增大到2.1 m3, 返出角状掉块增多, 最大尺寸3.8 cm, 平均1.5 cm(图4)。以上变化表明:(1)该井段钻遇多个小层, 地层脆性逐渐增大, 地层脆性主要受白云岩、方解石影响; (2)随着井斜角的逐渐增加, 地层坍塌压力逐渐增大; (3)返出岩屑体积差逐渐增加, 井壁剥落产生掉块。该井段井壁稳定性差, 钻进过程井壁易剥落产生掉块, 如果掉块未及时返出则容易导致“ 秒杀式” 卡钻事故。因此, 需要在停泵上提钻具时评价掉块卡钻风险, 通过优化施工, 提高钻井施工安全。

图4 A井井眼清洁监测图

为了进一步验证本文研究方法评价沉砂卡钻的可行性, 在2 950~3 050 m井段实时测量了井下环空压力值, 随钻捕捉了环空压力监测窗口。图5显示了连续采集5次接立柱期间的最大环空压力当量密度EMWmax、平均环空压力当量密度EMWave和最小环空压力当量密度EMWmin变化情况; 图6显示了利用本文研究的沉砂卡钻风险评价方法得到的掉块在环空的数量pd和掉块在环空分布ps变化情况。可以看出每次接立柱期间EMW的大小和变化趋势:从第1号立柱到第4号立柱, 随着EMWmax和EMWave增加, 相应的pd在增加; 随着EMWave和EMWmin增加, 相应的ps在增加。这表明井下沉砂卡钻风险高, 现场技术人员据此及时建议钻井操作人员增加循环时间和拉划次数提高环空掉块(或岩屑)返出效率, 防止沉砂卡钻事故发生。建议得到采纳后, 第5号立柱pd 和ps同时减小, 表明沉砂卡钻风险降低到安全水平; 同时, 第4号立柱打完循环和拉划期间发现实际返出岩屑数量大于理论值, 证明了利用本文研究的方法判断沉砂卡钻风险的正确性。

图5 EMW值变化趋势曲线

图6 掉块分布和掉块数量趋势曲线

4 结论与认识

本文利用随钻环空压力分析环空掉块含量和分布情况, 建立了基于随钻环空压力监测窗口的沉砂卡钻评价方法, 为页岩气水平井卡钻预判和预防提供了可行的技术手段, 在研究和应用中取得了如下认识:

(1)威远页岩气水平井卡钻突发性强, 属于掉块、钻柱和井壁硬性接触的力学卡钻, 要想对其实现预判和预防需要直接和间接评价环空掉块情况。

(2)本文建立的沉砂卡钻风险评价方法可以有效分析停泵期间环空岩屑浓度和环空岩屑分布, 根据二者变化趋势得出沉砂卡钻风险等级。

(3)下一步需要根据建立的沉砂卡钻评价方法开发一套基于环空压力的页岩气水平井钻进卡钻风险评价软件系统, 有效支撑页岩气水平井钻井卡钻事故防治。

(编辑 姜 萍)

参考文献
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