南祁连地区疏勒坳陷钻井配套技术研究与应用课件

南祁连地区疏勒坳陷钻井配套技术 的研究与应用 2012年西部钻探工程有限公司科技成果 一一. .成果背景成果背景 二二. . 技术研究技术研究 三三. .现场应用现场应用 四四. .主要技术及创新点主要技术及创新点 五五. .与国内外同类技术比较与国内外同类技术比较 六应用前景六应用前景 2012年西部钻探工程有限公司科技成果 一、成果背景 玉门油田公司为了落实新探区油气储量，2011年 在南祁连盆地，部署了世界第一高海拔油井祁参1井 。施工区域海拔4100m、表层有冻土层、地层及钻井资 料缺失，由西部钻探统一部署，组织科研单位和院校 对冻土层施工、地层岩性、物性及压力剖面、可钻性 等进行研究，顺利完成了祁参1井的钻探作业。 2012年西部钻探工程有限公司科技成果 二、技术研究 （一）、钻井难点分析 2012年西部钻探工程有限公司科技成果 二、技术研究 难 点1 ：冻土层钻进风险高 南祁连区块年最低气温-31.3，最高20，全年夜间温 度在0以下。据地质勘探及临近煤矿开采资料显示，其地表 至600m深度存在冻土层，地层温度在0以下，冻土厚度不 清。温度升高冻土溶解速度快、井壁垮塌严重、地层下陷施 工风险高、环境污染严重、复杂事故预防手段少。 2012年西部钻探工程有限公司科技成果 冻土层照片 地表冻土情况 地表2-5米深处冻土情况 地表3-9米处坚硬冻土层 2012年西部钻探工程有限公司科技成果 难 点2 ：冻土层固井难度大 冻土层是指0以下，含有冰的各种岩石和土壤。它是一 种对温度极为敏感的土体介质，含有丰富的地下冰，冻土中 有一定数量的未冻水存在，具有流变性。 祁参1井表层和技套1需封固冻土层。而冻土固井作业与 常规固井不同，因常规水泥浆体系在低温下强度发展极为缓 慢，在环境温度低于0时，由于水泥浆体系中水组份凝固结 冰，不参与水泥水化反应，导致水泥浆不凝固无强度，从而 影响固井质量。 二、技术研究 2012年西部钻探工程有限公司科技成果 难 点3 ：缺少邻井资料、地层不清楚 钻头选型难度大。钻头选型只有通过录井岩性分析和上一只起出 钻头具体情况,再决定下一只钻头选型。 复杂事故预防难度大。 煤层情况不清。中侏罗统窑街组 、罗统红沟组 、三叠统尕勒得寺 组300m井段存在煤层，但具体厚度不 清楚，施工难度大。 提速新工艺选择困难。提前制定提速 方案难度较大，只有根据实钻遇到的困 难，随时调整提速方案。 地层倾角大，井斜控制难度大。 二、技术研究 2012年西部钻探工程有限公司科技成果 难 点4 ：地层压力不清楚、井控风险高，存在不可预见风险 地层测线提供的地层压力与实际相差较大，不能为实 际钻井提供参考价值，容易出现喷漏，井控风险高。 参数井施工，只能依据地质设计预测的地层，参考 国内外同类型地层进行方案准备，施工工程存在众多变 数，各种方案变化过程必须紧跟实际钻井，各项应变处 置能力要求高，不可预见风险大。 二、技术研究 2012年西部钻探工程有限公司科技成果 难 点5 ：海拔高、路途远、环境恶劣后勤保障要求高 海拔4100m进行钻井作业，远离公司后勤基地(1000KM) ，工作区域50KM内荒无人烟，道路只有简易的沼泽路，人员 如何进入、如何正常工作作为祁参1井工作首要难题。 二、技术研究 2012年西部钻探工程有限公司科技成果 难 点6 ：三江源施工、环保工作责任重大 该区域 3-5月份为风季（最大达到7.0级以上），7 月份进入雨季，8月底雨季结束，日最大降雨量42.8mm ，施工现场紧邻河道，粉尘和钻井液对环境污染防护工 作难度大。 二、技术研究 2012年西部钻探工程有限公司科技成果 二、技术研究 （二）、冻土层固井技术研究 2012年西部钻探工程有限公司科技成果 1、水泥的优选 检验项目试验条件行业标准 水泥性能 天山葛洲坝 密度(g/cm3)W/C=0.441.89-1.911.911.91 游离液(ml)常压5.92.11.8 稠化时间(min)52/35.6Mpa90-120111118 初稠(BC)15-30min301216 强度(MPa) 38/8h2.12.67.8 60/8h10.312.615.6 对于低温水泥浆体系，其强度和游离液是两项最重要的指标，对比天对于低温水泥浆体系，其强度和游离液是两项最重要的指标，对比天 山和葛洲坝水泥可以看出，葛洲坝水泥质检游离液更小，其强度发展更山和葛洲坝水泥可以看出，葛洲坝水泥质检游离液更小，其强度发展更 快更高，由此选择葛洲坝水泥快更高，由此选择葛洲坝水泥。 （二）、冻土层固井技术研究 2012年西部钻探工程有限公司科技成果 2、外加剂的优选 以以M59SM59S与中石化与中石化DZ-Z DZ-Z和西南石油和西南石油 大学大学ZC-2SZC-2S两种早强剂对比，发现后两种早强剂对比，发现后 两种最低实验温度在两种最低实验温度在30-5030-50，不适合，不适合 冻土层冻土层0 0的条件。的条件。对比对比M59SM59S与与DWZDWZ -1-1发现，同样的配方发现，同样的配方M59SM59S在温度更低在温度更低 时强度发展更快，由此选择早强剂时强度发展更快，由此选择早强剂 M59SM59S。 油井水泥胶结油井水泥胶结 剂剂M19SM19S是一种水是一种水 泥水化激活剂，能泥水化激活剂，能 增进氢氧钙的反应增进氢氧钙的反应 速度，提高水泥石速度，提高水泥石 强度，同时改善水强度，同时改善水 泥浆的沉降稳定性泥浆的沉降稳定性 。特别是它与。特别是它与 M59SM59S低温油井水低温油井水 泥早强剂配合使用泥早强剂配合使用 ，在低温下，对水，在低温下，对水 泥石强度的发展，泥石强度的发展， 有显著的促进作用有显著的促进作用 。 配方：水泥+3%早强剂+44%水 DWZ-14/24h无强度 M59s0/24h1.4MPa （二）、冻土层固井技术研究 2012年西部钻探工程有限公司科技成果 7、 0水泥浆体系的调配 早强剂加量对流变性的影响早强剂加量对流变性的影响 通过改变早强剂加量，发现早强剂对水泥浆流变性影响较大，在通过改变早强剂加量，发现早强剂对水泥浆流变性影响较大，在 室温室温6 6下，将下，将早强剂的加量从早强剂的加量从0.5%0.5%增加到增加到4%4%，其流行指数显著降低，其流行指数显著降低 ，稠度系数明显增加，水泥浆有明显增稠现象。，稠度系数明显增加，水泥浆有明显增稠现象。 （二）、冻土层固井技术研究 2012年西部钻探工程有限公司科技成果 7、 0水泥浆体系的调配 同时改变早强剂和胶结剂同时改变早强剂和胶结剂M19sM19s的加量，发现水泥浆反而没有单一增加早的加量，发现水泥浆反而没有单一增加早 强剂明显，说明强剂明显，说明胶结剂对浆体流变性并无明显影响。胶结剂对浆体流变性并无明显影响。 （二）、冻土层固井技术研究 2012年西部钻探工程有限公司科技成果 对比外加剂对强度的影响，我们取纯水泥、盐水速凝水泥对比外加剂对强度的影响，我们取纯水泥、盐水速凝水泥 以及加早强剂和胶结剂的水泥进行对比，发现在低温下，以及加早强剂和胶结剂的水泥进行对比，发现在低温下，5%5%盐盐 水不能起到提高早期强度的作用，而早强剂和胶结剂加量在水不能起到提高早期强度的作用，而早强剂和胶结剂加量在2-2- 3%3%性能差异较小。通过性能差异较小。通过加入加入3%3%早强剂和胶结剂后早强剂和胶结剂后，72h72h水泥石水泥石 强度可达到强度可达到8.5MPa8.5MPa，可满足固井施工的要求。可满足固井施工的要求。 3、 0水泥浆体系的调配 （二）、冻土层固井技术研究 2012年西部钻探工程有限公司科技成果 对稳定性、触变性、失水的影响对稳定性、触变性、失水的影响 实验发现早强剂和胶结剂的加入使得浆体实验发现早强剂和胶结剂的加入使得浆体 触变性明显增强，且随着早强剂和胶结剂加量触变性明显增强，且随着早强剂和胶结剂加量 从从0.5%0.5%提高到提高到4%4%的过程中，水泥浆触变性越来的过程中，水泥浆触变性越来 越强，当早强剂加量超过越强，当早强剂加量超过3%3%，新浆静置，新浆静置3min3min后后 ，流动度从，流动度从20cm20cm降为降为13cm13cm，静置，静置5min5min后浆体基后浆体基 本失去流动性，但一经搅拌，浆体又逐渐恢复本失去流动性，但一经搅拌，浆体又逐渐恢复 流动性。流动性。 其稳定性和失水大小与早强剂和胶结剂的其稳定性和失水大小与早强剂和胶结剂的 加量呈规律变化，外加剂加量越大，加量呈规律变化，外加剂加量越大，浆体稳定浆体稳定 性越好，失水量越小性越好，失水量越小。 新搅浆 5min后 （二）、冻土层固井技术研究 2012年西部钻探工程有限公司科技成果 通过对外加剂对水泥浆各性能的影响规律，我们通过对外加剂对水泥浆各性能的影响规律，我们 发现当早强剂和胶结剂的加量均为发现当早强剂和胶结剂的加量均为3%3%时，水泥浆浆体时，水泥浆浆体 具有较好的搅动流变性、水泥石有明显的早期强度（具有较好的搅动流变性、水泥石有明显的早期强度（ 72h72h强度达到强度达到8.5MPa8.5MPa，满足后期作业要求）、浆体的，满足后期作业要求）、浆体的 触变性强、稳定性高、失水量小、短期可凝固，可满触变性强、稳定性高、失水量小、短期可凝固，可满 足冻土层固井的需要。足冻土层固井的需要。 配方：葛G+3%M19S（固）+3%M59S（固）+0.1%TW501+44%水 水灰比0.44密度1.90 g/cm3造浆率0.75m3/t 实验调节6/常压流变性257/192/151/107/33/24 n0.53K（Pa.Sn）3.6 失水（ml ） 55 稠化时间320min 强度（0 ） 1.4MPa/24h；3.4MPa/48h；8.5MPa/72h； 配配 方方 及及 性性 能能 （二）、冻土层固井技术研究 2012年西部钻探工程有限公司科技成果 4、冻土层固井配套技术措施 尽量尽量减少裸眼口袋的长度减少裸眼口袋的长度，套管鞋距井底长度控制在，套管鞋距井底长度控制在 0.5m0.5m以内。以内。 严格严格控制注水泥浆及替浆的排量控制注水泥浆及替浆的排量，采用层流顶替，防止，采用层流顶替，防止 在高速流冲蚀下冻土层坍塌。在高速流冲蚀下冻土层坍塌。 降低配浆水的温度降低配浆水的温度，将配浆水的温度控制在，将配浆水的温度控制在0-100-10，减，减 少因温差大而加速冻土层的溶蚀。少因温差大而加速冻土层的溶蚀。 延长测井时间延长测井时间，根据化验时间的强度发展情况，确定测，根据化验时间的强度发展情况，确定测 井时间为井时间为72h72h。 （二）、冻土层固井技术研究 2012年西部钻探工程有限公司科技成果 （三）、地层可钻性研究 测试 编号 岩石编号 实验温度 () 实验围压 (MPa) 泊松比 弹性模量 (MPa) 抗压强度 (MPa) 11 39/473017.50.2177235.271.8 2 10.00.3666752.446.7 32 13/177045.40.31943987.7258.5 445.40.31738524.5301.9 527.00.31137571.6271.0 627.00.35134894.3219.6 73 14/217046.30.42645625.7292.6 846.30.48043662.8250.7 927.00.45437487.3204.8 1027.00.36141744.4210.3 115 17/298052.80.32851886.1366.9 1252.80.19737600.6304.4 1331.00.22635864.3122.8 1431.00.06829798.2186.3 岩石三轴实验结果表 （1）岩石力学实验 2012年西部钻探工程有限公司科技成果 测试 编号 岩石 编号 实验 围压 (MPa ) 抗压强 度 (MPa) 抗压强 度 均值 (MPa) 岩石抗剪参数 内聚力 (MPa） 内摩擦角 () 内聚力 均值 (MPa） 内摩擦角 均值 () 11 39/47 17.571.8/ 3.1738.75 / 210.046.7/ 32 13/17 45.4258.5280.2/29.13/ 445.4301.9/ 527.0271.0245.3/ 627.0219.6/ 345.4258.5/46.0530.9245.3733.93 627.0219.6/ 445.4301.9/68.9327.16 527.0271.0/ 445.4301.9/21.1243.71 627.0219.6/ 岩石三轴实验内聚力、内摩擦角结果表 （三）、地层可钻性研究 2012年西部钻探工程有限公司科技成果 根据随钻录井资料， 建立了祁参1井全井段地 层岩性剖面图。 （三）、地层可钻性研究 2012年西部钻探工程有限公司科技成果 （2）建立岩石力学剖面 通过岩石力学参数模型研 究，选择符合祁参1井的计算 参数，建立岩石力学剖面。 （三）、地层可钻性研究 2012年西部钻探工程有限公司科技成果 根据岩石力学剖面、岩性剖面及工程地质设计，形成以 下钻头选型。 地层层井眼尺寸 （mm） 钻头型号 牙轮钻头轮钻头PDC钻头钻头 R444.5 ST517GK J311 HA517G HA537G ST915TUK XY656J M1665MSS T311 HA517GM1665MSS T216 HJ617G HJ637G U513M M1355R MT1657 （四）、钻头选型研究 2012年西部钻探工程有限公司科技成果 （五）、地层三压力剖面研究 通过地层孔隙压力计算模型、层速度-有效应力关系预测地层压力、 地层坍塌压力计算模型 、地层破裂压力计算模型 、建立了祁参1井三压 力剖面。 祁参1井破裂压力总体上随着 井深呈现规律性增加的趋势，三 叠系，二叠系地层中有一定的波 动；孔隙压力在2300 m以上的 井段呈规律性增加的趋势，侏罗 系下部到三叠系中部的孔隙压力 较上部地层有较为明显的增幅， 下部孔隙压力波动较为明显。坍 塌压力在该井的整个井段都有一 定的波动值，但整体趋势明显。 2012年西部钻探工程有限公司科技成果 （六）、地应力特征研究 通过研究，得出：祁参1井全井段三地应力剖面关 系为：上覆岩层压力最大水平主应力最小水平主应 力。祁参1井三地应力总体趋势随着井深的增加而增 大，3400 m以下井段的最大水平主应力和最小水平主 应力增加趋势小于上部井段，且呈现较大的波动。 2012年西部钻探工程有限公司科技成果 （七）、井身结构优化研究 （1）井身结构优化原则 1)表层套管：钻穿第四系冻土层和砾石层完钻，设计井深60m，下入表层套 管，水泥返至地面。封固第四系冻土层、砾石层和浅层水，安装井口装置，确保二开 安全钻进。 2)技术套管：钻穿上第三系的砾石层，进入侏罗系稳定地层50m-100m完钻 ，设计井深500m，下入套管，水泥返至地面。 3)技术套管：钻穿侏罗系进入三叠系，钻过3#煤页岩层和2#油气层进入泥岩 稳定地层完钻，设计井深3200m，下入套管，水泥返至地面。 三叠系3#煤页岩层预 计底界深度3000m，2#油气层底界深度3000m，如钻遇好的显示，可提前中完。 4)油层套管 ：钻至4150m完钻，确认为气层，套管下入井段：0-4150m，水 泥返至井口；若确认为油层，套管下入井段：0-4150m，水泥返至1800米。 5)油层套管（备用）：四开后若钻遇复杂地层无法继续安全钻进，先期中完 ，下入177.8mm油层套管，尾管悬挂，水泥返至喇叭口，而后采用152mm钻头五开 ，若存在气层下入127mm直联气密封套管，井段0-4150m，水泥返至地面。 2012年西部钻探工程有限公司科技成果 （2）井身结构优化结果 开钻次序 井深 (m) 钻头尺寸 (mm) 套管尺寸 (mm) 套管下入 地层层位 套管下 入井段 (m) 环空水泥浆 返高 (m) 60660.4508Q0-600 2500444.5339.7J0-5000 33200311244.5T0-32000 44150216139.7AnP0-41500 （七）、井身结构优化研究 2012年西部钻探工程有限公司科技成果 （八）、钻井液技术研究 一开 （0-57.5m) 8%膨润土+0.05%NaOH 二开 (56.50-587.50m) 8-10%膨润土+0.2-0.3%Na2CO3+0.2-0.3%NaOH 三开 （567.50-3112.00m） 0.3%CHM+0.4%NW-1+4%HS- 1+2%CaO+4%FcLs+0.8%NaOH+0.5%RH +0.1%SD505 四开 （3112.00-4065.00m） 0.3%CHM+0.4%NW-1+4%HS- 1+2%CaO+4%FcLs+0.8%NaOH+0.5%RH +0.1%SD505 钻井液配方 针对祁参1井实际情况，强化了阳离子体系的抑制性 和封堵防塌性能。 2012年西部钻探工程有限公司科技成果 1 ：前期施工保障 修造简易道路，达到 通行要求；保证基础稳 定，使用电热毯等克服 低温，实现基础养护要 求；对周围环境进行防 污隔离。 基础建设结实可靠，设备顺利搬运至井场。 三 、现场应用 2012年西部钻探工程有限公司科技成果 三 、现场应用 2 ：冻土层钻进 工程：加固导管胶结质量，优化参数及钻具结构，达到快 速钻进，快速下入套管。 泥浆：严禁加入无机盐，准备足够泥浆并增加循环周时间 ，使钻井液自然降温。 1.83小时完成表层，固井水泥浆顺利返至地面 ；没有造成井口大面积坍塌、环境污染等更多复 杂事故。 2012年西部钻探工程有限公司科技成果 3 ：冻土层固井 通过测井检验，祁通过测井检验，祁 参参1 1井表层固井水泥返至井表层固井水泥返至 地面，固井质量优质；地面，固井质量优质； 技套一固井虽然发生漏技套一固井虽然发生漏 失，但下部有效封固井失，但下部有效封固井 段段声幅值在声幅值在10%10%以内，固以内，固 井质量优质。井质量优质。综合分析综合分析 评价，该项技术能够满评价，该项技术能够满 足南祁连冻土层固井的足南祁连冻土层固井的 要求。要求。 三 、现场应用 2012年西部钻探工程有限公司科技成果 4 ：钻头应用，初步形成系列 通过调研其它油田同类地层，钻头应用情况，准备不 同型号的牙轮及PDC，实钻过程不断调整，形成初步应用 系列。在井深1744-2359m井段，应用一只ST915TU，完 成进尺615m，平均机速4.29m/h，相比牙轮机速1.05m/h 提高了308.57%。 三 、现场应用 2012年西部钻探工程有限公司科技成果 5 ：取心技术 根据井下状况和地层实钻情况，选用川7-4取心筒 ,CQP688、CQT405取心钻头；取心前制方案，取心后重新评 估，不断改进。共取心5筒，进尺20.91m，收获率99.62%。 三 、现场应用 2012年西部钻探工程有限公司科技成果 6 ：新工艺应用 钻至三叠系地层，砂砾岩坚硬，牙轮钻头断掉齿严重， 常规PDC不能应用，机速在1m/h以下，为加快速度，将青西 白垩系提速效果较好的扭力钻井在该井应用，机速相比同井 段牙轮钻头和PDC分别提高101.04%和116.98%。 7 ：井身质量控制 应用强刚性钻具结构，制定合理钻井参数，及时进行 质量监测，井身质量的到良好控制。 三 、现场应用 2012年西部钻探工程有限公司科技成果 8 ：钻井液技术应用 应用MEG甲基葡萄糖甙仿油基阳离子钻井液体系； 全井保持低失水； 减少滤液侵入半径，增加井壁稳定； 配合低失水改善泥饼质量； 减少水化分散，降低泥页岩膨胀性坍塌或缩径。 测井成功率100%； 复杂损失0.04%； 井径扩大率小于10%（三开5.3%、四开9.03%）。 三 、现场应用 2012年西部钻探工程有限公司科技成果 9 ：环境保护、人员安全、后勤保障 针对高原施工，配置专用医生、高压氧仓、氧气瓶、正压式呼吸器、 防毒面具等防护工具，同时联系驻守部队，必要时寻求空运支持，在人员 安全方面做到了“未雨绸缪”。挑选身体素质良好员工，并定期对员工进 行身体检查，一旦发现异常，及时转移到低海拔地区休息，做到了“身体 状况不佳不上岗”。 对污水坑进行加固，防止污水侵入河水中；每周定时对周边的白色垃 圾进去清理；每一个月把收集的垃圾拉到垃圾处理场进行集中处理；完井 后以最快时间完成地貌恢复工作；学习法律法规，最大限度降低环境损害 。 开钻前对施工区域的道路交通、气候情况等进行多次调研， 做到心中有数，准备好各种生产、生活物资，提前做好应急准备 ；7-8月为雨季，道路问题显得尤为重要，简