_sygcjs_file_2012012016744.pdf

石油工程技术 PETROLEUM ENGINEERING TECHNOLOGY Vol 9 No 4 Dec 2011 第9卷第4期 2011年12月 基金项目 中石化项目 元坝地区优质快速钻井关键技术研究 中的部分内容 项目编号P09084 收稿日期 2011 05 25 改回日期 2011 11 08 作者简介 赵洪山 1980 男 2007年毕业于中国石油大学 华东 石油工程学院 博士 工程师 现从事钻井工艺 油气井管柱力学方面研究 E mail zhaohongshan2002 通讯地址 山东省东营市北一路827号钻井工艺研究院钻井所 元坝地区位于九龙山构造带南翼 通南巴背斜 带西南侧 川中古隆起北部斜坡 属于元坝低缓构 造带的主体部分 具有发育大型礁滩相储层的沉积 背景 是继普光气田之后中石化天然气增储上产的 又一重点探区 也是川气东送工程的重要能源接替 阵地 然而 该地区地质因素复杂 存在陆相地层 厚度大 砂泥岩互层频繁 岩石可钻性差以及自流 井组 须家河组地层超高压 压力窗口窄等特点 钻井过程中普遍存在溢流 井漏 垮塌等井下复杂 和事故 导致机械钻速低 施工周期长 1 3 通过 开展气体钻井 液相控压钻井 涡轮钻具配合孕镶 钻头钻井 抗高温螺杆配合高效PDC钻头复合钻 井等新技术研究 形成了一套适合元坝地区超深井 钻井提速的配套新技术 大大提升了该探区的钻井 技术水平 1 地层压力系统复杂 从实钻情况来看 四 川元坝地区纵向压力分布为 常压 高压 常压 4 千佛崖组及其以上地层为常压 千佛崖组及部分下 沙溪庙组有气层 自流井组至须家河组为高压低 渗 裂缝性气藏 压力窗口窄 漏 涌时有同层 井下复杂问题多 嘉陵江组未钻遇较好气层 但部 分井钻遇高压盐水层 飞仙关组和长兴组同为一个 常压压力系统 以溶孔性气层为主 可钻性好 雷 口坡组 茅口组和栖霞组有局部存在高压气层的可 能 2 地层分布复杂 剑门关组存在裂缝性漏 层 多数井上部有微出水层 上沙溪庙组上部微出 水层的承压能力不高 钻井液密度超过1 90 g cm3 时易漏失 底部存在垮塌层 空气钻井难以实施 自流井组至须家河组多为裂缝性油气藏 地层压力 窗口窄 压井时易出现喷 漏同存 自流井组与须 家河组的砂砾岩层可钻性极差 泥岩段不稳定 钻 井过程中机械钻速低 易出现掉块卡钻 多口井在 嘉陵江组钻遇高压盐水层 对钻井速度造成一定影 响 3 井下事故及复杂情况多发 元坝地区超深 井平均非生产时效达到11 7 个别井甚至超过 20 严重影响了钻井施工进度 具体主要表现在 以下4个方面 4 钻具与钻头事故 空气钻井过 程中经常出现卡钻和断钻具事故 须家河组复杂地 层多发生钻头与卡钻事故 累计损失时间占该地 区事故总时间的33 97 溢流 井漏 由于地 层压力分布规律不均衡 溢流 井漏频繁发生 不 仅损失了大量的施工时间 而且浪费大量的钻井 液 造成巨大的经济损失 转浆复杂 气体钻井 转换为钻井液钻井后 容易发生井下复杂情况 被 迫划眼甚至出现卡钻 固井问题多 由于地层承 压能力难以准确掌握 加之井下温度高 固井施工 难度加大 固井时经常发生漏失 导致固井返速 低 质量差 赵洪山 1 冯光通 1 高 思 2 常晓锋 2 1 胜利石油管理局钻井工艺研究院 山东东营 257017 2 胜利石油管理局西南 石油工程管理中心 四川德阳 618000 元坝地区地质因素复杂 钻井过程中普遍存在溢流 井漏 垮塌等复杂和事故 导致机械钻速低 施 工周期长 通过开展泡沫钻井 空气钻井 液相控压钻井 涡轮钻具配合孕镶金刚石钻头钻井及抗高温长寿命螺 杆配合高效PDC钻头复合钻井等新技术研究 形成了一套适合该地区超深井钻井提速的配套新技术 应用该技 术的元坝124井比之前该地区钻井指标最好的元坝1井平均机械钻速提高40 钻井周期缩短42 d 超深井钻井提速井身结构优化气体钻井控压钻井复合钻井应用 2011年12月石油工程技术 18 表1元坝地区气体钻井优化参数 近两年来 针对元坝地区的地质工程特点 通 过技术攻关及引入国内外先进的钻井工艺和技术 大大提升了探区钻井技术水平 逐步为提高该地区 机械钻速开辟了一条合理的模式 元坝探区钻井普遍较深 钻探茅口组的井已接 近7500 m 区域压力系统十分复杂 优化前采用 的井身结 构主 要 为 覫508 0 mm 覫339 7 mm 覫273 1 mm 覫193 7 mm 覫146 1 mm 各开次下 深见图1中 原方案 该套井身结构存在的问题 有 5 导管下深浅 不能有效封隔疏松表层及地 表水 导致导管钻井过程中发生渗漏 并严重影响 下一开次实施空气钻井 表层套管下深浅 不能 有效封固上沙溪庙组低承压地层 给二开带来极大 的风险 引发故障与复杂 技术套管不能完全封 固须家河组 雷口坡组的高压层 导致雷口坡组 嘉陵江组使用高密度钻井液钻进 不仅增加了安全 风险 而且受密度的限制 许多提速措施难以实 施 钻井速度受到很大影响 且极易发生卡钻事故 针对存在的问题 对原井身结构进行了优化设 计 图1中的 新 方案 增加了覫508 mm 覫339 7 mm和覫273 1 mm套管的下深 有效封隔 了复杂层位 为新技术应用创造了条件 同时 新 井身结构设计 留有余地 如果在嘉陵江组钻遇 高压层 可以提前下入覫193 7 mm套管 采用 覫146 1 mm尾管完井 处理井下复杂情况的能力 得到提升 自2005年底首次在老君1井使用空气钻井以 来 气体钻井技术已经成为探区内陆相地层钻井中 控制井斜和提速的重要手段 6 在解决恶性井漏 长裸眼段泥页岩地层水化膨胀垮塌等复杂情况方面 积累了丰富经验 设备配套也得到进一步完善 同 时 在气体 包括N2 钻井的基础上 推广应用 了泡沫钻井技术 并形成成熟技术 元坝地区陆相上部地层为白垩系及侏罗系的蓬 莱镇组 遂宁组 地层厚度大 岩性不均 以泥岩 和石英砂岩为主 且多变 岩石坚硬 可钻性差 但地层相对稳定 没有油气层 比较适合空气钻 井 由于白垩系下部地层普遍存在水层 为了保证 空气钻井的顺利实施 设计导管下深500 700 m 采用泡沫钻井方式钻进 表1为适合元坝地区的气 体钻井参数 钻井方式 井深 m 钻头 气体排量 m3 min 立压 MPa 钻压 kN 转速 r min 液排量 L s 类型尺寸 mm 喷嘴 空气 0 700牙轮660 4不装喷嘴150 2701 6 2 540 18045 650 0 700牙轮444 5不装喷嘴150 2001 0 2 040 18045 650 0 700牙轮406 4不装喷嘴120 1801 0 2 040 18055 650 700 2500空气锤444 5不装喷嘴150 1802 4 3 010 3025 300 700 3300牙轮444 5不装喷嘴150 2401 5 3 040 12050 650 700 2500空气锤311 2不装喷嘴120 1601 5 2 210 3025 300 700 3300牙轮311 2不装喷嘴100 2002 0 4 060 18050 700 泡沫 0 700牙轮660 4不装喷嘴100 1501 6 3 540 12050 658 12 0 700牙轮444 5不装喷嘴160 2201 0 2 040 14055 706 12 0 700牙轮406 4不装喷嘴150 2001 0 2 040 14060 756 12 图1元坝地区井身结构优化前后对比 地质分层 剑门关 蓬莱镇 遂宁 上沙溪庙 下沙溪庙 千佛崖 自流井 须家河 雷口坡四段 雷口坡三段 至一段 嘉陵江 飞仙关 长兴 原方案 覫508mm 200m 不能有效封隔地表水 覫339 7mm 2000m 不能封固低承压层 覫273 1mm 4500m 不能完全封固高压层 覫193 7mm 6500m 嘉陵江底 覫146 1mm 井底 新方案 覫508mm 500 700m 封隔疏松表层及地表水 覫339 7mm 3200m 封隔上沙溪庙组低承压层 覫273 1mm 5200m 封隔陆相高压层和复杂层 覫177 8mm 井底 赵洪山等 元坝地区超深井钻井提速新技术及其应用第9卷第4期 19 元坝陆相下部地层主要钻遇下沙溪庙组 千佛 崖组和自流井组 采用常规钻井工艺 钻井速度 慢 易出现地层漏失 压差卡钻 钻杆脱扣及因地 层压力窗口狭窄而造成的既涌又漏等问题 使非生 产时间增多 井控难度加大 采用液相欠平衡 控 压钻井技术 井口安装旋转控制头 钻井液密度适 当降低 可以解决井漏或降低漏失程度 在保证安 全的前提下尽量减小 压持效应 提高机械钻速 如果钻遇天然气发生气侵时 在压力控制的情况下 可以边处理边钻进 7 8 在自流井组使用能够压稳 产层的钻井液近平衡钻开产层并钻完 如果气层发 育状况不好 在保证安全的前提下可以降低钻井液 密度继续进行控压钻井 直至须家河产层顶部以上 50 m 元坝陆相下沙溪庙组至须家河组 地层岩性一 般为砂泥岩互层 其软硬交错 可钻性极差 特别 是自流井组底部存在的大段砾石层和须家河组的致 密石英砂岩研磨性极强 导致钻头过早磨损 元坝 1井在该层段钻进 平均机械钻速0 94 m h 最低 机械钻速0 31 m h 最低单只钻头进尺仅为4 59 m 机械钻速慢 单只钻头进尺少 起下钻次数多 是导致元坝1井全井钻井速度慢 钻井周期长的最 重要原因 为了解决下部陆相地层提速的瓶颈 引进并应 用了 孕镶钻头 涡轮 钻具 图2 复合钻井技 术 为提高深井 硬地层 大尺寸井眼机械钻速提 供了一套全新的模式 涡轮钻具的优点有 能量效 率高 性能好 转速可以达到1444 r min 是普通 螺杆的5倍以上 工作平稳 可以减少井下震动引 起的损害 如碎齿 胎体断裂 掉齿等 延长钻 头寿命 设计加工精细 没有橡胶件 工作寿命 长 井下工作时间长达400 1000 h 孕镶金刚石 钻头是一种自锐性钻头 通过磨削破碎地层 金刚 石镶进钻头本体内 并采用交叠设计 可以保证钻 头对井底全接触 并且金刚石的耐磨性高 适合采 用高转速 比较适应须家河组高研磨性地层 元坝地区海相地层埋藏深 地层压力系数较 低 岩性主要为膏岩 灰岩 白云岩 地层坚硬 岩性单一且均质 可钻性好 非常适合PDC钻 头 9 10 高速螺杆与PDC钻头配合使用具有低钻压 高转速的特点 可以大大提高机械钻速 缩短钻井 周期 有效控制井斜 减轻对上部技术套管的磨 损 图3为国民油井公司抗高温高效螺杆结构示意 图 元坝124井是元坝地区的一口重点预探井 设 计井深7120 m 2010年4月22日3 00开始钻导 眼 12月31日23 10 三开 钻至7032 49 m完 钻 钻井过程中先后应用了泡沫钻井 空气钻井 控压钻井 孕镶钻头 涡轮钻井 复合钻井等多项 新工艺新技术 取得了显著的提速效果 1 40 691 m的导管段采用泡沫钻井 通过 合理调整气液比 增加供气量 优化钻井参数等技 术措施 克服了地层出水后导致的井下复杂 有效 解决了泡沫钻井过程中的井壁稳定等问题 本井泡 沫钻井进尺651 m 平均机械钻速4 46 m h 一开 691 00 3252 68 m井段采用空气钻井 共使用川 石SJT537GK钻头2只 平均机械钻速达到13 33 m h 单只钻头最大进尺1698 8 m 有效提高了上 图3国民油井公司抗高温高效螺杆结构示意图 轴承组合 油密封 泥浆润滑 可调弯组合 3Deg 直式 固定弯曲 动力部分 HEMIDRIL 常规 传动轴组合 高载荷 常规 图2孕镶金刚石钻头和涡轮钻具 轴承端 BSA 动力部分 TSH 5 97m 11 73m 241 3mm 2011年12月石油工程技术 20 部大尺寸井眼的机械钻速 2 二开3264 3684 11 m井段采用低密度 高压射流喷射控压钻井技术 通过强化钻井参数 控制钻井液密度 1 15 g cm3左右 平均机械钻 速1 82 m h 与采用常规钻井液钻井的元坝101井 0 97 m h 相比 机械钻速提高近2倍 3 二开下沙溪庙组至须家河组采用 孕镶钻 头 涡轮 钻井技术共进行了5趟钻 据估计 采 用牙轮钻头 常规钻进方式 大约需要30趟钻 进尺1144 71 m 平均机械钻速1 21 m h 提速效 果良好 表2 本井涡轮配合孕镶金刚石钻头复合 钻井钻具结构 覫311 2 mm孕镶钻头 覫241 3 mm 150级MK1T2 BSA涡轮 浮阀 覫228 6 mm钻铤 3根 731 630接头 覫203 2 mm钻铤 6根 旁通 631 520接头 521 631双公接头 覫203 2 mm 震击器 覫177 80 mm钻铤 2根 覫139 7 mm加重 钻杆 9根 覫139 7 mm钻杆 钻井参数 钻压 50 130 kN 转速50 60 r m 排量38 45 L s 立压30 31 MPa 钻井液密度1 58 1 99 g cm3 黏度55 58 s 4 雷口坡组三段至飞仙关组二段 5124 3 7032 49 m 使用 贝克休斯HCD506ZX高效PDC 钻头 抗高温长寿命螺杆 钻具复合钻进 共使用 3只PDC钻头 累计进尺1908 19 m 平均机械钻 速3 42 m h 显著提高了海相地层的机械钻速 大 大减少了起下钻次数 缩短了钻井周期 5 本井创造了元坝区块机械钻速最高 钻井 周期最短等多项纪录 全井平均机械钻速2 8 m h 钻井周期253 84 d 与之前该地区钻井指标最好的 元坝1井相比 全井平均机械钻速提高40 钻 井周期缩短42 d 元坝1井全井平均机械钻速2 0 m h 钻井周期295 92 d 1 优化后的井身结构延长了气体钻井井段 提高了大尺寸井眼的机械钻速 加之技术套管下深 增加 可以封隔更多的复杂层位 有效减少了处理 复杂情况的时间 避免采用小井眼 小钻具施工 应对异常情况的能力增强 2 控压降密度钻井技术有利于消除钻井液液 柱对井底岩石和钻屑的 压持效应 有效延长了 钻头寿命 显著提高了机械钻速 避免了因钻井液 漏失导致的黏卡事故 保证了钻井施工的安全 3 在高强度 高研磨性的自流井组 须家河 组 应用涡轮钻具配合孕镶金刚石钻头复合钻井技 术 较大幅度地提高了机械钻速和行程钻速 为深 井 硬地层 大尺寸井眼提高机械钻速提供了一套 全新的工艺 4 为了加快我国超深井钻井水平的发展 建 议针对元坝地区不同地层特点 进一步加大国产 孕镶钻头 涡轮钻具 高效PDC钻头 抗高温螺 杆 等新工具的研制 改进 现场试验与推广应 用 参考文献 1 李伟廷 侯树刚 李午辰 等 元坝1井超深井钻井技术 研究与应用 J 石油天然气学报 2009 31 3 84 87 2 王光磊 侯健 于承朋 等 元坝1井钻井设计与施工 J 石油钻探技术 2008 36 3 41 45 3 李伟廷元坝