（油气井工程专业论文）适合于川西地区提速的欠平衡钻井工艺技术研究.pdf

， ， r e s e a r c ho nu n d e r b a l a n c e dd r i l l i n gt e c h n o l o g y a i m i n gf o rd r i l l i n gr a t e - r a i s i n gi nw e s t e r ns i c h u a n at h e s i ss u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：w a n gm a o l i n s u p e r v i s o r ：j i ny e q u a n o i l g a sw e l le n g i n e e r i n g c h i n au n i v e r s i t yo fp e t r o l e u m ( e a s tc h i n a ) + 1 i z 。 甲1 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对 研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：日期：if 年堂月落日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版和 电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部1 9 ( 机构) 送交学 位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和复印， 将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他复制手 段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名： 曼鱼坠 指导教师签名御 日期：1 1 年上月话e 1 日期：加，年，月讶日 i | r 一 摘要 j i i 西地区地层具有岩石致密、可钻性差，地层压力异常、多压力系统共存，气层众 多、气水关系复杂等特点，工程地质特征的复杂性导致该地区钻速低、井下复杂事故频 发、建井周期长，严重限制了川西地区的勘探开发进度。液体欠平衡钻井技术由于在提 高机械钻速、减少井下复杂情况方面有明显优势，因此在川西地区得到推广运用。 论文在调研国内外欠平衡钻井相关文献的基础上，统计川西地区现场液体欠平衡施 工过程中出现的复杂情况，总结归纳出欠平衡钻井适应性评价的内容，结合欠平衡钻井 的相关标准和现场实钻经验提出了欠平衡钻井适应性评价流程，并对川西主要构造分层 段进行了液体欠平衡钻井技术的适应性分析；近井地带地层流体渗流和井壁岩石温度变 化均会产生诱导应力，从而对井周应力产生影响，影响到井壁稳定性的评价，本文分析 了欠平衡工况下考虑温度和地层流体渗流影响的井周应力，以此为基础建立了以提速为 目标的液体欠平衡钻井的欠压值设计步骤；论文统计现场实钻数据，运用回归方法得到 适合川西地区液体欠平衡钻井的钻速方程和单只钻头钻速随累积进尺的变化规律，引入 钻井成本系数和钻速系数，建立了综合考虑钻井成本和钻速的钻井参数优化模型。 论文以新2 2 井为例，就其适应性分析、欠压值设计和钻井参数优化进行了研究， 理论分析计算的结果与现场施工情况相对比，验证了所提出的理论和建立的模型的正确 性。表明论文的研究成果对液体欠平衡钻井技术的设计和施工具有指导意义，有助于川 西地区以提速为目标的液体欠平衡钻井技术的完善和推广。 关键词：欠平衡，液相，井壁稳定，钻速方程，参数优化 r e s e a r c ho nu n d e r b a l a n c e dd r i l l i n gt e c h n o l o g y a i m i n gf o rd r i l l i n gr a t e - r a i s i n gi nw e s t e r ns i c h u a n w a n gm a o l i n ( c m & g a sw e l le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rj i ny e q u a n a b s t r a c t t h ef o r m a t i o ni nw e s t e r ns i c h u a nb a s a i nc h a r a c t e r i z eb yt i g h tl i t h o l o g y 、p o o rd r i l l a b i l i t y , a b n o r m a lf o r m a t i o np r e s s u r e 、c o e x i s t e n c eo fm u l t i - p r e s s u r es y s t e m ，e x i s t e n c eo fn u m e r o u s g a ss a n d 、c o m p l e xr e l a t i o n s h i pb e t w e e ng a sa n dw a t e r t h ec o m p l e x i t yo fg e o l o g i c a lf e a t u r e s l e dt ol o wd r i l l i n gr a t ei nt h er e g i o n 、c o m p l e xa c c i d e n g t st a k i n gp l a c ef r e q u e n t l ya n dl o n g w e l lc o n s t r u c t i o nc y c l ep e r i o d ，w h i c hl i m i t st h ep r o g r e s so fe x p l o r a t i o na n dd e v e l o p m e n ti n t h ew e s to fs i c h u a n l i q u i du n d e r b a l a n c e dd r i l l i n gt e c h n o l o g yh a v eo b v i o u ss u p e r i o r i t yi n r a i s i n gd r i l l i n gr a t e ，r e d u c i n gc o m p l e xs i t u a t i o nu n d e r g r o u n d ，a sar e s u l t , i tw a sw i d e l yu s e d a n dp r o m o t e di nw e s t e r ns i c h u a n b a s e do ni n v e s t i g a t i o no fp e r t i n e n tl i t e r a t u r eh o m ea n da b r o a da b o u tu n d e r b a l a n c e d d r i l l i n g , c o m b i n i n g 、i t l ls t a t i s t i c so ft h ec o m p l e xs i t u a t i o na p p e a r e dd u r i n gt h el i q u i d u n d e r b a l a n c c dd r i l l i n gc o n s t r u c t i o ni nw e s t e r ns i c h u a nr e g i o n , t h i sp a p e rs u m m a r i z e dt h e c o n t e n t so fu n d e r b a l a n c e dd r i l l i n ga d a p t a b i l i t ye v a l u a t i o n , c o u p l e dt h er e l a t e ds t a n d a r df o r u n d e r b a l a n c e dd r i l l i n ga n do n s i t ee x p e r i e n c e ，o b s t a i n e dt h ea d a p t a b i l i t ye v a l u a t i o np r o c e s s o fu n d e r b a l a n c e dd r i l l i n g a n dt h i sp a p e ra n a l y z e dt h e l i q u i du n d e r b a l a n c e dd r i l l i n g t e c h n o l o g ya d a p t a b i l i t yt oe v e r ys i n g l e l a y e ro fe v e r ys t r u c t u r ei nw e s t e r ns i c h u a na r e a f o r m a t i o nf l u i ds e e p a g ea n dw a l lr o c kt e m p e r a t u r ec h a n g i n gw i l lp r o d u c ei n d u c e ds t r e s s ， w h i c hw o u l da f f e c tt h es t a t eo fs t r e s s e so fw e u b o r ea n dt h ee v a l u a t i o no fw e u b o r es t a b i l i t y w i t hc o n s i d e r i n gt h ei n f l u e n c eo ft e m p e r a t u r ea n df o r m a t i o nf l u i ds e e p a g e , t h i sp a p e r a n a l y z e dt h es t r e s s e s o fw e l l b o r eu n d e rt h eu n d e r b a l a n c e dc o n d i t i o n s ，a sab a s i sf o r e s t a b l i s h i n gt h ed e s i g np r o c e d u r eo fd i f f e r e n t i a lp r e s s u r ef o rf l u i du n d e r b a l a n c e dd r i l l i n g t a r g e t i n gt or a i s et h ed r i l l i n gr a t e t h ep a p e rg a t h e rr e a ld r i l l i n gd a t af r o ms c e n e ，o b s t a i n d r i l l i n gr a t ee q u a t i o nf o rl i q u i du n d e r b a l a n c e dd r i l l i n gi nw e s t e r ns i c h u a na n dt h el a wo f s i n g l eb i t sd r i l l i n gr a t ew i t hv a r i a t i o no fa c c u m u l a t e df o o t a g et h r o u g hr e g r e s s i o n , e s t a b l i s h e d ad r i l l i n gp a r a m e t e r so p t i m i z a t i o nm o d e lw i t hc o m p r e h e n s i v ec o n s i d e r a t i o no fd r i l l i n gc o s t s a n dr a t eb yi n t r o d u c i n gt h ed r i l l i n gc o s tc o e f f i c i e n ta n dd r i l l i n gr a t ec o e f f i c i e n t t a k i n gx i n 2 2w e l lf o re x a m p l e ，p a p e rd i s c u s s e di t sa d a p t a b i l i t ya n a l y s i s ，d i f f e r e n t i a l p r e s s u r ed e s i g na n da n dd r i l l i n gp a r a m e t e r so p t i m i z a t i o n t h ec o m p a r i s o n sb e t w e e nr e s u l t so f t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o na n da c t u a lc o n s t r u c t i o nc o n d i t i o n sv e r i f yt h a tt h ep r o p o s e d t h e o r ya n dm o d e li sc o r r e c t i tp r o v e dt h a tt h er e s u l t so ft h i st h e s i sc o u l dc e r t a i n l yg u i dt h e d e s i g na n dc o n s t r u c t i o no fl i q u i du n d e r b a l a n c e dd r i l l i n ga n dc o n t r i b u t et oo p t i m i z ea n d p r o m o t et h eu n d e r b a l a n c e dd r i l l i n gt e c h n o l o g yt a r g e t i n gt or a i s et h ea r i l l i n gr a t ei nw e s t e r n s i c h u a nr e g i o n k e y w o r d s ：u n d e r b a l a n c e dd r i l l i n g , l i q u i dp h a s e ，w e l l b o r es t a b i l i z a t i o n , d r i l l i n gr a t e e q u a t i o n , d r i l l i n gp a r a m e t e r so p t i m i z a t i o n 目录 第1 章前言1 1 1 研究背景及意义1 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 欠平衡钻井技术的适应性研究3 1 2 2 液相欠平衡钻井技术欠压值设计研究现状5 1 2 3 钻进参数优化研究现状一7 1 3 研究内容与思路8 1 3 1 研究内容8 1 3 2 研究思路。：。8 1 4 论文创新点9 第2 章川西工程地质特征及提速现状l o 2 1 川西工程地质特征简介l o 2 1 1 区域概况l o 2 1 2 川西地区钻井难点1 l 2 2 川西提速现状1 3 2 2 1 川西地区已采取的提速措施二1 3 2 2 2 有待解决的问题1 4 2 - 3 本章小结1 5 第3 章川西地区液体欠平衡钻井技术适应性分析。1 6 3 1 液体欠平衡钻井技术的提速机理与局限性。1 6 3 1 1 液体欠平衡钻井提速机理：1 6 3 1 2 液体欠平衡钻井的局限性1 7 3 2 欠平衡钻井技术适应性评价18 3 2 1 川西液体欠平衡施工复杂情况统计分析1 8 3 2 2 液体欠平衡钻井适应性评价内容与流程2 0 3 3 川西主力构造欠平衡钻井适应性分析。2 3 3 4 本章小结2 7 第4 章川西地区液体欠平衡钻井欠压值设计2 8 4 1 欠平衡钻井过程中井周应力分析2 8 4 1 1 地层流体渗流对井周应力的影响2 8 4 1 2 温度变化对井周应力的影响2 9 4 1 3 考虑地层流体渗流和温差影响的井周应力3 2 l 一 4 2 近井筒地带温度和孔隙压力场的计算3 3 4 2 1 温度压力场耦合模型3 3 4 2 2 温度孔隙压力场的求解3 5 4 3 欠平衡钻井井周应力求解。3 7 4 3 1 基本参数3 7 4 3 2 欠平衡钻井井周应力的计算与分析3 9 4 4 川西地区液体欠平衡钻井欠压值设计4 2 4 5 本章小结4 4 第5 章川西地区液体欠平衡钻井参数设计和优化4 5 5 1 欠平衡钻速方程回归4 5 5 1 1 多元线性回归4 5 5 1 2 欠平衡钻速方程的基本形式4 5 5 1 3 钻速方程的回归4 8 5 1 4 钻速方程的优选与检验5 0 5 2 参数优化模型的建立5 l 5 2 1 基本方程的建立5 l 5 2 2 目标函数5 5 5 3 磨损量与钻进参数优化5 6 5 4 本章小结5 9 第6 章川西地区液体欠平衡钻井实例分析6 0 6 1 基础数据6 0 6 2 欠平衡钻井适应性评价6 1 6 3 欠压值设计分析6 2 6 4 钻进参数优化6 4 6 4 1 最优磨损量的计算6 5 6 4 2 最优钻压的计算6 7 6 4 3 最优转速的计算6 9 6 4 4 优化结果分析7 l 6 5 本章小结7 2 结论7 4 参考文献7 6 致谢7 9 v 毋 翟 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第1 章前言 1 1 研究背景及意义 近年来，随着川西地区勘探开发的进一步深入，原来的主力产层蓬莱镇组和沙 溪庙组已不能满足增储上产的需要，需要寻找新的层位来接替，自2 0 0 7 年开始，中石 化西南油气分公司在川西地区的勘探开发的重点逐渐开始转往深部须家河层段。地质研 究表明，深层须家河组气藏成藏地质条件优越，且须家河组气藏历经多年勘探，证实深 层气藏具有良好的开发效益和勘探开发前景。 但是在j l i 西地区，由于其特殊复杂的工程地质条件导致中深井、深井钻井过程中面 临诸多困难，主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 地层岩石致密，非均质性强，可钻性差。导致常规钻井条件下机械钻速低，在 某些层段的机械钻速甚至不到l m h ；钻头磨损严重，在须家河组的某些层段单只钻头 进尺只有l o o m 左右，起下钻频繁，钻井周期长。 ( 2 ) 地层压力异常，存在多个压力系统，常规钻井的安全钻井液密度窗口窄。复杂 地层钻井事故率高，井控风险大，在同一井甚至同一层段存在多个工程地质问题，由于 有限的套管程序不可能将所有的复杂层段完全封隔，不可避免地出现喷、漏、塌等复杂 情况，增加了非生产时间，极大影响了钻井效率，直接导致了勘探开发成本的上升。 ( 3 ) 纵向气层分布众多、气水分布关系复杂，横向产能差异大。这给钻井施工带来 较多的不确定因素，尤其是地层压力和流体产量及性质很难准确预报。 由于上面所述的工程地质特殊性和复杂性，造成川西地区的中深井、深井钻井过程 中普遍存在钻速慢、钻井周期长、钻井成本高等问题，这些问题严重制约了川西深层气 藏的勘探开发。 欠平衡钻井技术不但在储层保护方面起着重要的作用，同时在深井提速方面也发挥 着不可估量的作用，一方面，由于在井底形成负压差，欠平衡钻井技术能够有效地减小 “各向压缩效应”和“压持效应 ，提高破岩效率；另一方面，欠平衡钻井技术在一定 程度上能有效地避免井漏和压差卡钻事故的发生，减少钻井过程中的非生产时间。因此 欠平衡钻井技术在川西地区得到广泛的推广运用，近年来，为了提高川西地区深井段机 械钻速，在川西地区新2 0 1 、新1 0 、新5 、大邑1 0 2 、大邑1 0 3 等一批井开展了欠平衡 钻井试验，大幅度提高了机械钻速，并获得了新场地区须四地层段的重大油气突破，积 第1 章前言 累了大量欠平衡钻井技术经验，取得了显著的效果。 但由于欠平衡钻井技术特殊的工艺特点，使其在技术和经济上都存在一定局限性， 在实际运用过程中还面临着一系列亟需解决的问题，主要包括如下方面：在钻前针对具 体层段对欠平衡钻井技术的适应性进行评价，以尽量避免施工过程中出现的各种复杂情 况、提高欠平衡钻井施工的成功率；液体欠平衡钻井技术的合理欠压值设计，避免欠平 衡钻井过程中出现缩径、井壁坍塌等复杂情况，在满足工程地质条件、工艺技术和现场 设备的前提下最大限度地发挥其提速作用；欠平衡钻井过程中钻进参数的优化，保证欠 平衡钻井技术取得较好的经济效益或提速效果。 本文将在前人的研究基础上，结合川西地区的实际施工情况，对上述问题进行讨论 和研究，完善川西地区用于提速的液体欠平衡钻井技术的相关工艺，尽可能大地发挥其 在提高川西中深井、深井钻速中的作用。 1 2 国内外研究现状 欠平衡钻井是指通过使用低密度钻井流体使作用于井底的流体压力低于地层孔隙 压力情况下的钻井。运用于欠平衡的低密度钻井流体通常有：空气、气体、泡沫、充气 钻井液，在孔隙压力梯度比水的液柱压力梯度大时，也可使用充气油、水，甚至是加重 钻井液实现欠平衡钻井。 第一次使用轻便的小空压机钻探的石油和天然气井是在2 0 世纪2 0 年代，更多使用 气体作为循环钻井流体开始于2 0 世纪5 0 年代早期，充气钻井流体运用于钻井，开始于 2 0 世纪3 0 年代，到2 0 世纪7 0 年代后期，已经有大约1 0 的深井钻井采用了气体和空 气钻井技术。据专家统计：美国大约三分之一的陆上钻井采用了欠平衡钻井技术，加拿 大大约有4 0 t 1 1 。 我国欠平衡钻井技术在2 0 世纪6 0 年代已在四川油气田磨溪构造的大安寨、凉高山 地层进行过试验，当时只是使用清水钻进，进行边喷边钻。进入9 0 年代以来，我国欠 平衡钻井技术也在加速发展，尤其是塔里木油田解放1 2 8 井、轮古系列欠平衡钻井的成 功，将我国欠平衡钻井推向了一个新的阶段 2 1 。目前，欠平衡钻井在我国各油田逐渐受 到重视，成为开采压力衰竭、低孔低渗油藏，钻进复杂地层、提高钻速的重要技术手段。 在j i l 西地区，地层岩石致密、可钻性差，机械钻速低；地层多压力层系，裂缝发育， 钻井过程中易喷易漏、常规钻井安全钻井液密度窗口窄，种种因素造成该地区钻速低、 钻井成本高、勘探开发进度迟缓。为了解决这些复杂情况，中石化西南油气分公司运用 2 尹 1 每 一 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 了欠平衡钻井技术，以提高整体机械钻速，延长钻头寿命，加快勘探开发步伐，取得了 较好的效果。仅2 0 0 8 年，川西地区使用欠平衡钻井技术施工的井次已经超过2 0 井次。 1 2 1 欠平衡钻井技术的适应性研究 国内对欠平衡钻井技术方面的系统理论研究起步较晚，关于欠平衡钻井的适应性分 析主要是集中在对工程可行性的一些具体分析上。我国现行最新的欠平衡钻井技术规范 中对液相欠平衡钻井的条件如下： ( 1 ) 地层条件 地层压力系统：进行欠平衡钻井设计时，裸眼井段宜选择压力单一地层，若是多个 压力系统，各层压差值均不超过欠平衡钻井允许范围。 地层稳定性：应在钻前进行井壁稳定性分析，评价欠平衡钻井过程中地层稳定性， 要求地层稳定性好，不易发生坍塌。 硫化氢有毒气体：自井内返出的气体，在未与大气接触之前所含h 2 s 浓度大于或等 于7 5 m g m 3 ( 5 0 p p m ) ：或者自井内返出的气体，在其与大气接触的出口环境中h 2 s 浓度 大于3 0 m g m 3 ( 2 0 p p m ) ，应立即终止欠平衡钻井作业【3 1 。 ( 2 ) 地面装备条件 在常规井控装备的基础上，应配备欠平衡钻井特殊装备，并符合相关规定。 相对于液相欠平衡钻井技术来说，气相欠平衡钻井技术对地层地质条件的要求更为 苛刻，除了液相欠平衡钻井对地质条件和地面设备条件的要求外，现行欠平衡钻井技术 规范中对气相欠平衡钻井技术还就如下方面做出了要求： ( 1 ) 地层流体：地层产液量应不致于造成井壁垮塌、钻头泥包、井眼堵塞； ( 2 ) 场地条件： a 、井场具备气体钻井设备安装位置，满足实施气相欠平衡钻井工艺及钻井流体处理 的相关要求，气体钻井设备离井口大于1 5 米，并保证足够的安全通道。 b 、泡沫钻井破泡池容积不小于1 0 0 0 m 3 。 c 、岩屑池位置便于管线安装；岩屑池容量满足岩屑沉降、降尘水沉淀分离的要求， 满足环保要求。 d 、储层段氮气钻井、天然气钻井应修建燃烧池，燃烧池位于井场下风方向7 5 m 以 远安全地带，并具备堆积钻屑和降尘水回收利用条件。 ( 3 ) 队伍条件：欠平衡技术服务队伍具备相应资质；钻井队应具备乙级以上资质( 含 第1 章前言 乙级) 4 】o ， 欠平衡钻井技术规范中对各种欠平衡钻井的条件作出了概述性的要求，以方便各油 田在欠平衡钻井技术使用前针对地层进行大概的评估，但这样的评估不够体系，也不足 够科学。 西南石油大学的孟英峰教授在研究过程中，总结了目前国内外欠平衡钻井分类的方 法，结合各种欠平衡钻井技术的技术特点和运用情况，综合考虑地层孔隙压力和地层流 体性质，提出了一种全新的欠平衡钻井技术分类方法，如图1 - 1 所示：他认为欠平衡钻 井筛选油藏时需要对井壁稳定性、地层潜在伤害、作业可行性、欠平衡钻井风险、提速 潜力、产能和欠平衡钻井经济效益等多个方面进行分析，得到了欠平衡钻井适应性评价 的系统方法【5 1 。 零压 清水 7 ”岩石 7 超重 。? 5 山 石一 ，兹 加 加重 钐 纛 j 灌规 l ；黔l j ：盘 ，。 - 日 ，7 k - ，充气 国 | 厂 囊 气捆， 一气o v b ， 1 速 溉 一r 、 减 泡沫 i气相磨 雾化 啪 u 置 、 气一 气体 _ 手耳导常任用侮正 正 高压异常高压 图1 - 1 实际情况下欠平衡钻井技术分类 f i g l - 1 t h ec l a s s i f i c a t i o no fu n d e r b a l a n c e dd r i l l i n gt e c h n o l o g yu n d e ra c t u a lc a s e s 而国外的石油公司在欠平衡钻井技术适应性研究方面取得了一系列成果，各大石油 公司基本都有一套自己的关于欠平衡钻井适应性分析评价的程序，他们分析评价的内容 主要包括：地层孔隙压力和坍塌压力预测、井壁稳定性评价、地层伤害评价、井漏程度 预测和地层流体及施工风险评估等方面。威德福公司开发了s u r e ( s u i t a b l e u n d e r b a l a n c e dr e s e r v o i re v a l u a t i o n ) 系统，用于欠平衡钻井适应性评价和适宜的地质对象 筛选；哈里伯顿公司主要采用专家评分方式来进行欠平衡钻井对象筛选以及适应性评 4 v 摩 中国石油大学( 华东) 硕上学位论文 价，即根据已经实施欠平衡钻井的经验，针对不同类型的油气藏，列出若干项判断指标， 根据工程师利用油气藏基本参数对相应的指标评分高低来确定能否实施欠平衡钻井【6 1 ； 斯伦贝谢公司还专门针对欠平衡钻井的增产效果进行预测分析，为最终的经济效益分析 评价提供了重要依据【7 j 。 目前，在川西地区对欠平衡钻井的适应性评价主要依靠邻井资料来进行判断，由于 欠平衡钻井和常规钻井的工况存在较大差异，而且在某些情况下邻井之间的地质情况横 向差异较大，所以造成欠平衡钻井适应性评价不是很合理，在欠平衡钻井过程中也出现 了不少复杂情况，严重者甚至导致欠平衡钻井技术在钻达设计目的层之前提前结束。因 此需要采取系统的评价方法，结合实际工程地质特征对川西地区的欠平衡钻井施工做好 钻前适应性分析。 1 2 2 液相欠平衡钻井技术欠压值设计研究现状 国内现行行业标准欠平衡钻井技术规范对液相欠平衡钻井技术中的欠压值设计作 出了如下要求： ( 1 ) 欠压值小于孔隙压力与地层坍塌压力之差值； ( 2 ) 欠压值应结合地面设备能力进行设计； ， ( 3 ) 根据储层类型和岩性特点确定欠压值大小，避免储层发生应力损害； ( 4 ) 根据地层产液( 气) 量确定欠压值大小： 地层压力较大，产液( 气) 量多，则欠压值尽可能小，反之欠压值适当放大； 气油比高，则欠压值尽可能小，反之欠压值适当放大【3 】。 对于气体和雾化钻井，井底欠压值不做特别的设计；对于泡沫和充气钻井，井底负 压值设计余地较大，但由于气相的存在，导致循环系统存在一定的不稳定性，井底负压 值可设计大一些，但同时仍要兼顾井壁稳定和地面设备的处理能力【2 】。 国内现阶段在欠平衡钻井设计施工时大都考虑的方面主要包括：井壁稳定性、地面 设备的油气处理能力和并控安全、套管承压能力和储层保护几个方面。对于以储层保护 为目的的欠平衡钻井技术，欠压值设计只要满足储层段钻进时井底为负压状态、达到储 层保护的目的即可，而对于以提速为目的的欠平衡钻井技术，则要求在保证安全钻进的 情况下欠压值设计尽可能大。 国外在设计欠平衡钻井的压差时同样考虑了井壁稳定和储层保护两个方面。b o y u n g u o 教授认为压差的设计关系到井眼的损害和储层的损害，合理的欠压值可以避免井眼 5 飞，、 _ ， ! 第1 章前言 和储层的伤害，他通过合理设计钻进时气体和液体的注入速率来使并底压差更为合理， 其中也考虑到携岩的要求的最小环空返速以及钻井液返速过快会对井壁稳定产生不良 影响，得到了使用充气钻井液进行欠平衡钻井时的液体和气体注入速率的窗口【8 】【9 1 。 口翘o4 6 0 0 0 气体注入速率c s c 自n ) 图1 - 2 欠平衡钻井气液注入速率安全窗口 f i g l - 2 a t y p i c a lg a s - l i q u i df l o er a t ew i n d o w f o ru n d e r b a l a n c e dd r i l l i n g 图1 - 2 中，横纵坐标分别为充气钻井过程中气体和液体的注入速率，所得的泥浆密 度安全窗口左边界为平衡压力，即地层压力，右边界以坍塌压力为限制，下限以满足携 岩的最小速率为要求，上限防止钻井液上返速度过快，冲刷破坏井壁。可以看出，在使 用充气钻井液进行欠平衡钻井时，钻井液整体的流速主要受液体的注入速率限制，而钻 井液的密度则很大程度上受气体注入速率和液体注入速率的相互关系限制。所以可以通 过设计合理气体和液体注入速率的关系来得到合理的负压值 8 】 9 1 。 现目前国内外在设计欠压值时考虑的因素基本相同，在确定具体标准时会因为设备 和技术水平的差异有细微差别，这其中以井壁稳定性评价最具代表性，井壁稳定一直都 是石油钻井和开采中的一个难题，到目前为止虽然关于井壁稳定性方面的理论和工艺措 施研究都取得了长足的进步，但要准确预测计算出井壁的坍塌压力仍是一件困难的事， 不同的模型、不同的破坏准则、考虑影响因素的差异均会导致评价结果的不同。 由于以提速为最终目标的欠平衡钻井技术，由于其施工过程井底岩石状态与常规钻 井有较大区别，而且施工目标与以储层保护为目的的欠平衡技术有差异，尽可能全面地 考虑影响井壁稳定性的因素，采取与实际更相近的计算模型，取得更接近实际生产、更 准确的模拟结果，对于提速施工中的液体欠平衡钻井技术在的欠压值设计是很重要的。 6 夕 1 液体注入速率露器 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 2 3 钻进参数优化研究现状 最优化钻井的概念，最早是在六十年代末提出来的。在这之前的“钻井科学化阶段 前十年中，主要就喷射钻井相关理论进行了研究并取得巨大成就；之后的平衡钻井使钻 井速度得nt 第二次解放【1 0 1 。在这之后，郭学增前辈等在8 0 年代提出了最优化钻井， 即运用杨格钻速方程和钻头磨损方程建立以单位进尺成本为目标函数的模型，根据各种 约束条件对各钻进参数和钻头磨损量进行优化，这即是经典的钻井优化理论。但由于其 中所采用的钻速方程和钻头磨损方程均只适用于牙轮钻头，所以该理论的运用受到一定 的限制。 后来众多研究者在进行钻进参数优化研究时，大多数均采用了与该理论类似的方 法，即建立钻速方程和钻头磨损模式，以不同的目标建立各种形式的优化模型，在一定 的约束条件下进行钻井参数的优化。同样，由于这些方程的应用只能局限于邻井或同一 地区具有相似地质条件的地区，使得其运用范围具有明显的区域性。 北京石油勘探开发研究院联合华北油田、辽河油田，通过现场试验、统计分析实钻 资料，确定出了各主要钻井参数对钻速和钻井成本的影响，得到了四元钻速方程以及钻 进成本方程，提出了模式搜索法和惩罚函数法来进行多元钻速方程的优化，首次实现了 钻压、转速、泵压和排量的四元优化，并建立了钻井专用数据库和优选参数软件包。并 取得了很好的提速效果【1 1 1 。 大庆油田在研究外围中深井钻井参数优选的过程中，分折了钻井过程中各随机因素 对钻速的影响，以此为基础建立了多元随机钻速模式，提出了钻井参数的可靠性优化方 法。研究人员还深入研究了水力参数和机械参数在破岩清岩中存在的交互作用，把交互 项引入到多元随机钻速模式，并且定量描述了交互作用的程度。同时应用模糊集合理论 把钻井优化过程中的硬性约束条件发展为弹性约束条件，使整个优化方案更加合理，更 加完善【1 2 】。 实际的钻井过程中，钻井条件复杂，影响因素繁多，虽然到目前为止，描述钻井过 程的数学模式取得很大的进步和完善，但由于受到地域条件变化的限制，各种钻速模式 的使用范围都很有限。为此，一些研究者寻求新的方法来进行钻井参数优化。 岩石可钻性能够反映岩石的破碎难易程度，可以综合体现地层的特征。据此，大庆 石油学院的李士斌通过对深井上返岩屑进行分形分析，运用上返岩屑的分形特征来描述 岩石的可钻性，以此为基础，建立了基于可钻性的钻速模式和钻井参数优选的目标函数， 这种方法可根据钻井过程中实时获取的岩屑来进行钻井参数的优化【1 3 】。 7 第1 章前言 此外，大庆石油学院的阎铁教授和常雷通过建立针对徐家围子天然气井的钻井参数 数据库，然后以范例推理理论为基础，建立钻井参数优化模型，利用该模型对大庆徐家 围子深层天然气井进行钻井参数优化研究，得到具体优化结果；他们将钻井工程与范例 推理有机结合，对解决钻井工程领域不确定性问题提供一种有意义的尝试，为钻井参数 优化提供一种全新的研究方法【1 4 】。 目前，在现场设计和施工过程中，工作人员很大程度上参照邻井的钻进参数，通过 对比分析邻井的钻井效果来确定钻进参数，这样不失为一种有效的办法，但是缺乏一定 的理论依据，若是在地质情况复杂，横向差异性较大的地区就不能取得很好的效果了。 此外，常规情况下参数优化均以单位进尺成本最低为最终目标，但在川西地区，出于勘 探开发和增产的需要，在很大程度上对钻速有较高要求，因此，建立综合考虑钻井成本 和钻速的参数优化模型是由很大实际意义的。 1 3 研究内容与思路 1 3 1 研究内容 ( 1 ) 结合川西地区工程地质特征，统计分析欠平衡过程中由于地质因素导致的复杂 情况和停止使用的原因，对液体欠平衡钻井技术的适应性进行分析。 ( 2 ) 结合液体欠平衡钻井技术的特点，研究中深部地层钻进过程中温度和地层流体 向井筒内渗流对井壁稳定的影响，并在此基础上给出川西地区欠平衡钻井的欠压值设计 流程。 ( 3 ) 统计现场实钻数据，回归适合于川西新场地区的液体欠平衡钻井的钻速方程， 为川西地区欠平衡钻井技术的参数优化提供基础。 ( 4 ) 建立以综合考虑钻井成本和钻速为目标函数、以钻进参数和钻头磨损量为自变 量的数学模型，对川西新场地区液体欠平衡钻井技术进行钻进参数优化。 1 3 2 研究思路 本文以优化川西地区用以提速的液体欠平衡钻井技术为研究目标，在文献调研和总 结分析现场施工报告的基础上，结合川西地区的具体工程地质特征和欠平衡技术的特 点，对液体欠平衡钻井技术的适应性、欠压值设计和钻井参数优化三方面相关理论进行 了研究，然后结合施工实例展开了分析，论文研究内容与思路如图1 3 所示。 8 中国石油大学( 华东) 硕十学位论文 图l - 3 论文研究内容与思路示意图 f i g l - 3 s c h e m a t i co ft h e s i sr e s e a r c hc o n t e n t sa n dt r a i no ft h o u g h t 1 4 论文创新点 ( 1 ) 在考虑井壁岩石温度变化和地层流体渗流的条件下，对液体欠平衡钻井过程中 的井壁稳定性进行了分析，以此为基础提出了川西地区用以提速的液体欠平衡钻井技术 的欠压值设计流程。 。 ( 2 ) 引入钻井成本系数和钻速系数，建立了综合考虑钻井成本和钻速的钻井参数优 化模型，用来优化新场地区液体欠平衡钻井参数。 9 第2 章川西工程地质特征及提速现状 第2 章川西工程地质特征及提速现状 2 1 川西工程地质特征简介 2 1 1 区域概况 川西坳陷是指四川盆地西部晚三叠世以来陆相盆地的深坳陷部分。该坳陷为龙门山 推覆构造带的前陆盆地，走向北东，深坳陷的西界为龙门山推覆构造带，东界位于龙泉 山一带，北界为米仓山推覆构造带，南界位于雅安一乐山一带( 整体范围如图2 1 中红线 圈住的部分所示) ，面积5 万余平方公里。， 图2 - 1 川西坳陷地理位置图 f i 9 2 1 l o c a t i o nm a po fw e s ts i c h u a