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钻井新技术讲座 姚振华高级工程师钻采工艺技术研究院 水平井钻井技术大位移井钻井技术丛式井钻井技术分支井钻井技术旋转钻井技术地质导向钻井技术 水平井钻井技术 一 水平井钻井技术发展状况二 水平井钻井工艺技术三 水平井钻井液工艺技术 一 水平井钻井技术发展状况 水平井的概念水平井由于增加了井筒与油层的接触面积 从而可大大提高单井产量 目的 降低综合成本和提高油层的开采量 水平井 直井 油层 50年代初 水平井作为一种提高油气井产量的方法曾在前苏联 美国和加拿大等国家的许多油田受到重视 但由于技术和经济因素的限制 水平技术发展缓慢 直到80年代 水平井的应用规模才迅速发展 水平井钻井技术的发展为提高勘探效果 提高油气藏采收率开辟了一条崭新的途径 给石油工业发展带来了一场新的革命 已列为当今发展石油工业重要技术之一 水平井是指井眼轨迹达到水平 900左右 以后 再继续延伸一定长度的井 延伸的长度一般大于油层厚度的六倍 1 适用范围2 水平井效益3 水平井钻井记录4 水平井钻井新技术5 水平井完井新技术 水平井钻井技术发展状况 1 水平井应用的地层 地区 目前已作为常规钻井技术应用于几乎所有类型的油藏 水平井应用的地层 裂缝性碳酸盐岩页岩砂岩水平井应用的储层 枯竭油藏致密气藏低渗油藏边际油藏高渗油藏 美国水平井应用主要地区及地层 加拿大水平井应用主要地区 美国 加拿大水平井应用主要目的 水平井的新用途 水平井作为注入井 提高产量分支水平井开采多个产层开采老油田剩余油多目标开发产层开采气藏或疏松砂岩油藏水平井资料用于油藏描述薄层油藏 注水剖面修正 持续增产 2 水平井的效益 水平井钻井成本已降至直井的1 5 2倍 甚至有的水平井成本只是直井的1 2倍 水平井产量是直井的4 8倍 据费舍尔 Fisher BakerHughesInteq公司工程经理 预计 水平井将使美国石油储量增加13 7亿t 即占原油储量的2 加拿大国家能委会计算了阿尔伯达省和萨斯喀彻省大部分碎屑岩和碳酸岩油田储量的增加 他们估计平均总开采量可增加1 表明储量增加9 8 美国和加拿大水平井项目的技术成功率分别在90 和95 以上 美加两国轻油碎屑岩油藏的经济成功性相似 但加拿大碳酸岩地层的经济成功性比美国更普遍 加拿大稠油油藏的经济成功率远远大于美 加两国其它的油藏类型 3 国外水平井钻井技术指标 至2004年 水平井最大水平段达6118米 水平井最大垂深6062米 水平井最大单井进尺10172米 双侧向水平井总水平段长度达到4550 1米 该井垂深1389 9米 多分支水平井总水平段长度达到11342米 国外水平井钻井技术正在向集成系统发展 即以提高成功率和综合经济效益为目的 结合地质 地球物理 油层物理和各工程技术 对地质评价和油气藏筛选 水平井设计和施工进行综合优化 水平井钻井技术的应用向综合应用方向发展 如小井眼水平井钻井 横向多分支水平井钻井 大位移水平井钻井等技术都已投入实际应用 采用的技术包括导向钻井系统 随钻测量系统 串接泥浆马达 PDC钻头和欠平衡钻井 水平井技术已用于油田的整体开发 例如 美国能源部利用水平井来减缓ELKHills26R油藏的原油产量递减速度并延长油藏经济寿命 从1988年到1995年共钻了14口水平井 结果获得了较好的经济效益 在这些井的寿命期间扣除成本后的净收入为2 23亿美元以上 成功地控制了产量的递减 使该油藏的最终可采储量比原来提高了18 5 4 国外水平井钻井新技术 塔里木油田从1994年已钻各类水平井115口 冀东水平井与邻井常规井产量对比 产量是邻井的8 86 15 1倍 含水量也大大低邻井 而钻井成本只有邻井常规井的1 7倍 冀东 大庆 大庆应用水平井在特低渗油层增产 典型高难度水平井实例 薄油层水平井 大庆油田的朝平1水平井在4m 6m的薄油层中钻水平段809m L 809m 典型高难度水平井实例 多目标水平井 胜利油田为完善临2断块的开发井网 发挥断块剩余油潜力 钻成临2平2双目标阶梯式井水平井 获得高产工业油流 典型应用实例 胜利的埕东油田 埕东油田的埕科1水平井一口井钻穿19个油层 累积油层厚211 5m 试油第20号油层 产量日产油230吨 不整合面 屋脊式油藏 双井连通式水平井 产量比直井提高8倍 带动相关学科技术发展 水平井钻井技术 钻井新技术研究 多分支井大位移井地质导向钻井 水平井地质研究 水平井油藏研究 水平井开发研究 钻水平井的特点 水平井由于其形态特征与其它类型井相比 重力由有利于钻井变为不利于钻井 由此带来诸多技术难点 精确控制几千米远的钻头走向难度大 钻水平井的难点 如何针对不同类型的油藏对水平井进行科学的地质 油藏工程和钻井工程设计 如何在如此复杂的地层中精确控制水平井井眼轨迹 精确控制几千米远的钻头走向难度大 钻水平井的难点 如何在不同地层情况下防止水平井井壁坍塌 保证安全钻井 如何针对不同油藏类型合理设计与之适应的完井方法并保证完井工程质量 精确控制几千米远的钻头走向难度大 钻水平井的难点 如何将测井仪器下入水平井中 完成水平井工程和地质测井 精确控制几千米远的钻头走向难度大 一 水平井的用途天然垂直裂缝避免水锥和气锥低渗透性地层薄油层不规则地层溶解采矿层状油层重油 稠油 油层 二 水平井钻井工艺技术 二 水平井钻井工艺技术 二 水平井钻井工艺技术 二 水平井钻井工艺技术 水平井开发缝性油藏 二 水平井钻井工艺技术 二 水平井的分类及特点 水平井分类 1 长半径水平井 小曲率水平井 造斜率K 6 30m 曲率半径R 286 5m 2 中半径水平井 中曲率水平井 造斜率K 6 20 30m 曲率半径R 286 5 86m 3 短半径水平井 大曲率水平井 造斜率K 3 10 m 曲率半径R 19 1 5 73m 二 水平井钻井工艺技术 二 水平井的分类及特点2 水平井的特点 二 水平井钻井工艺技术 二 水平井的分类及特点3 三种基本类型水平井的主要优缺点 二 水平井钻井工艺技术 二 水平井钻井工艺技术 二 水平井钻井工艺技术 三 水平井的剖面设计水平井的设计思路和基本方法是 目的层油藏地质设计 产层预测 完井方法选择 水平段设计 目的层以上剖面设计 套管程序设计 井下工具 测量方法选择 水力参数设计与地面设备选择 经济评价 简而言之 水平井设计是一个 先地下后地面 自下而上 综合考虑 反复寻优 的过程 二 水平井钻井工艺技术 三 水平井的剖面设计1 油藏描与精细地质设计 1 对油藏进行综合的精细描述 建立水平井目的层地质模型 2 以地质模型为依据 应用油藏数值模拟技术 优化设计水平井井位参数 确定水平井井位布置原则 确定水平段长度和井眼直径的设计原则 确定水平段方向 二 水平井钻井工艺技术 三 水平井的剖面设计2 水平井完井方法的选择合理的完井方法对水平井的正常生产与高产十分重要 目前水平井的完井方法可分为如下4种基本方法 1 裸眼完井 2 筛孔 割缝衬管完井 3 筛孔 割缝衬管带管外封隔器完井 4 衬 套 管注水泥固井射孔完井 二 水平井钻井工艺技术 三 水平井的剖面设计3 水平井靶区参数的设计与定向井的靶区不同 水平井的靶区一般是一个包含水平段井眼轨道的长方体或拟柱体 靶区参数主要包括水平段的井径 方位 长度 水平段井斜角 水平段在油层中的垂向位置以及水平井的靶区形状和尺寸即水平段的允许偏差范围 确定这些参数要综合考虑地质 采油和钻井工艺的要求与限制 以保证高产 安全 低成本目的的实现 二 水平井钻井工艺技术 三 水平井的剖面设计3 水平井靶区参数的设计 1 水平段长度设计 2 水平段井斜角确定 3 水平段的垂向位置的确定 4 水平井靶体设计 水平井的靶体设计实质上就是要确定水平段位置的允许偏差范围 二 水平井钻井工艺技术 三 水平井的剖面设计4 水平井剖面设计剖面设计就是要确定水平段以上的井眼几何轨道 除了在特殊情况下因需绕障而要对井身轨道进行三维设计 一般情况下都是二维设计 即把井身轨道设计成通过水平段的铅垂面内的曲线或曲 直线段的组合 井眼轨道的设计是轨道控制的基础和依据 二 水平井钻井工艺技术 三 水平井的剖面设计4 水平井剖面设计水平井常用的井身剖面 1 单弧剖面又称 直 增 水平 剖面 它由直井段 增斜段和水平段组成 其突出特点是用一种造斜率使井身由0 造至最大井斜角 H 这种剖面适应于目的层顶界与工具造斜率都十分确定条件下的水平井剖面设计 二 水平井钻井工艺技术 4 水平井剖面设计水平井常用的井身剖面 2 双弧剖面又称 直 增 稳 增 水平 剖面 它由直井段 第一增斜段 稳斜段 第二增斜段和水平段组成 其突出特点是在两段增斜段之间设计了一段较短的稳斜调整段 以调整由于工具造斜率的误差造成的轨道偏离 这种剖面适用于目的层顶界确定而工具造斜率尚不十分确定的情况 是中 长半径水平井比较普遍采用的一种剖面 二 水平井钻井工艺技术 4 水平井剖面设计水平井常用的井身剖面 3 三弧剖面又称 直 增 稳 增 稳 增 水平 剖面 它由直井段 第一增斜段 第一稳斜段 第二增斜段 第二稳斜段 第三增斜段和水平段组成 其突出特点是在三个增斜段之间相继设计了两个稳斜段 第一稳斜段用于调整工具造斜率的误差 第二稳斜段则用于探油顶 即调整目的层顶界误差 这种剖面适用于目的层顶界和工具造斜率都有一定误差的条件下 尤其适用于薄油层水平井设计 二 水平井钻井工艺技术 四 水平井常规钻具组合 1 311mm井眼动力钻具造斜组合 311mm钻头 197mm弯壳体螺杆钻具 带稳定器 308 310mm 197mm无磁钻铤1根 含MWD随钻测斜仪 178mm无磁钻铤1根 305 310mm稳定器 加重钻杆 2 311mm井眼转盘钻造斜组合 311mm钻头 308 310mm近钻头稳定器 146mm钻铤1根 197mm无磁钻铤1根 含MWD随钻测斜仪 305 310mm稳定器 加重钻杆 二 水平井钻井工艺技术 四 水平井常规钻具组合 3 216mm井眼动力钻具造斜组合 216mm钻头 165mm弯壳体螺杆钻具 带稳定器 213mm 206 213mm稳定器 171mm无磁钻铤1根 含MWD随钻测斜仪 165mm无磁钻铤1根 加重钻杆 4 216mm井眼转盘钻造斜组合 GiliiganBHA 216mm钻头 213 214mm近钻头稳定器 127mm加重钻杆1根 171mm无磁钻铤1根 含MWD随钻测斜仪 171 165mm无磁钻铤1根 213 214mm稳定器 加重钻杆 二 水平井钻井工艺技术 四 水平井常规钻具组合 5 216mm井眼水平段动力钻具组合 216mm钻头 165mm反向双弯 或小角度单弯 螺杆钻具 206 213mm稳定器 171mm无磁钻铤1根 含MWD随钻测斜仪 165mm无磁钻铤1根 加重钻杆 6 152mm井眼动力钻具造斜组合 152mm钻头 120mm单弯壳体螺杆钻具 148mm无磁稳定器 120mm无磁钻铤2根 含MWD随钻测斜仪 加重钻杆 7 152mm井眼水平段动力钻具组合 152mm钻头 120mm反向双弯 或小角度单弯 螺杆钻具 148mm无磁稳定器 120mm无磁钻铤2根 含MWD随钻测斜仪 加重钻杆 二 水平井钻井工艺技术 五 水平控制的技术要点 1 钻具稳平 钻具稳平 的含义是从指钻具组合设计和选型方面来提高和加强稳平能力 2 上下调整在水平段中 方位调整相对很少 控制主要表现为对钻头的铅垂位置和井斜角的上下调整 3 多开转盘在水平段钻进中应尽量多地采用导向钻进状态方式 即多开转盘 在水平段开转盘的进尺应不小于水平段总长的75 4 注意短起在水平段中每钻进一段距离 如50m左右 尤其是对定向纠斜井段 应进行一次短程起下钻 5 动态监控 6 留有余地 7 少扭方位 三 水平井钻井液工艺技术 一 水平井与钻井液有关的特殊问题1 携屑能力降低水平井 大斜度井和直井 常规定向井相比 在同样的条件下 钻井液的携屑能力明显降低 很多文献都指出 当井斜角在40 55 时很容易形成岩屑床 增加钻进和起下钻磨阻 甚至会造成卡钻事故 2 井眼稳定性变差随着井斜角的增加 裸眼井段在易坍塌地层中的长度会大幅度增加 随着水平段加长 施工周期也相应较长 增加了井壁失稳坍塌的可能性 三 水平井钻井液工艺技术 一 水平井与钻井液有关的特殊问题3 井漏的可能性变大在水平井中 由于岩屑床会增加流动阻力和循环当量密度 长水平段也会增加流动阻力 从而导致钻井液对地层的压力变大 使井漏发生的可能性变大 由于水平段是在储层内进行钻进 基本上不允许封堵以免损害油层 一旦发生井漏 非常棘手 4 磨阻增大水平井中 重力的影响使钻柱与井壁摩阻增大 使钻柱与套管磨损增加 摩阻严重时会造成钻头难以加上钻压 钻柱难以送进 限制了水平段的钻进长度 并增加钻机的起升负荷 在设计水平井钻井液体系时 减少摩阻是要考虑的重要问题 三 水平井钻井液工艺技术 二 对水平井钻井液的要求和选型原则1 要考虑保护油层 2 要有较好的流变性 以保护井眼清洁 不形成岩屑床 顺利进行固井和测井作业 3 要有较好的润滑性 以减少摩阻 施加钻压 避免卡钻 4 要有合适的密度 井壁稳定的关键之一在于钻井液的密度在要求的临界值以上 以保持井眼稳定并防止井漏 5 要有较好的抑制性和滤失性 以免损害地层和发生卡钻 以便进行测井作业 6 井漏时采用的堵漏材料不能对井下工具和仪器的工作造成影响 7 钻井液体系应易于调整维护 8 要符合环保要求 根据以上的各项要求 水平井钻井液的选型原则可概括为 在保护油层的前提下优选指标适宜的钻井液体系 三 水平井钻井液工艺技术 应认真地控制API高温高压失水和动失水 并保持在通常钻直井和常规井所使用的值以下 泥饼应是薄 韧而有弹性 显然 良好的泥饼增加了渗透层中的地层破裂压力梯度 因为多数水平井的目的是实现高产 所以必须控制滤失量以使因化学或物理作用而造成的地层损害程度降到最小 对储层的认识可能有显著地差别 但却应选择以渗透率恢复值为基准判断损害程度最低的钻井泥浆 三 水平井钻井液工艺技术 三 水平井井眼净化分析1 Tomren的实验研究实验提供了模拟井斜角从0至90 钻井状况下环空携砂能力的实验成果 研究表明井眼的净化状况与井斜有关 并有三种不同的流动区域 1 井斜小于30 井斜角在10 之内的井基本上被认为是垂直的 当井斜角较大并且环空返速低于37米 分时 在低边形成一层薄的岩屑床 小于3 2毫米 颗粒在床上反复翻滚 环空返速处于37米 分和55米 分之间时 不形成岩屑床 颗粒在井眼低边以团状或段塞状被输送 甚至在层流的初期 段塞也被认为是紊流 超过55米 分 颗粒被平稳地输送 它们朝外朝下增加浓度梯度 非均质流动 在紊流中可观察到波浪运动 三 水平井钻井液工艺技术 2 过渡带或临界角 30 60 当井斜角40 和50 环空返速分别小于46米 分和55米 分情况下 形成向下滑动的岩屑床 当环空返速大于55米 分时 颗粒以段塞状被输送 如果形成岩屑床 它们呈间歇性变化 一段具有岩屑床的环空井段紧跟着无固体颗粒床井段 显示出准平衡状态 在此种状态的地方 高返速井段 由于颗粒床的形成引起有效环空间隙减少所引起的 被冲蚀使得颗粒进到没有颗粒床存在的井段 这样较低返速井段又引起颗粒沉淀 如此自身反复循环 在层流中 颗粒在床形成之前基本上没被携带 从而引起横截面积的减少 导致 环空 返速增高 在紊流中 一些颗粒在颗粒床形成之前到达环空顶部 停止循环时 应注意岩屑床是由环空 下沉至井底 而形成的 三 水平井钻井液工艺技术 3 大井斜角 60 90 在大井斜角时 岩屑床实质是瞬间形成的 它与临界角范围形成的岩屑床不相同 大井斜角情况下所形成的岩屑床不会移动 即使在停泵时亦不会移动 颗粒在两个不同地带被输送 紧密聚集的颗粒在岩屑床上十分薄的层中发生轴向移动 从而构成了第一个带 在第一带上面由稀疏的普通颗粒立刻组成 这些颗粒以十分小的段塞流平稳地移动 转动的作用是使岩屑床朝切线方向摇晃 引起颗粒从颗粒床移动出来而进入第一带 准平衡状态存在于颗粒床与正在移动的颗粒之间 足够颗粒床沉淀已经发生的地方 流动面积可降至发生输送那一点 准平衡层的厚度随流速与粘度的降低而增加 可以推测当管线泥浆传输的数据指示出环空流速为90米 分时 将发生不均匀流动 三 水平井钻井液工艺技术 4 钻柱与井眼的偏心对于倾斜的环空 当钻柱与井眼同心时 形成的岩屑床是最低的 当钻柱向井眼低边移动时 岩屑床较快地形成 并且岩屑床的轴向传输是较慢的 5 流体的粘度和流动状态倾斜井眼中 流体粘度增加 层流中岩屑床的厚度减少 形成也慢 紊流中 岩屑床的厚度仅稍微地减薄 而床的形成快慢与流体的粘度基本上无