大庆油田欠平衡钻井技术的发展与应用前景.pdf

大庆油田欠平衡钻井技术的发展与应用前景 关 枫 翟洪军 王洪英 大庆石油管理局钻井工程技术研究院 黑龙江 大庆163413 摘 要 20世纪90年代以来 由于勘探开发难度日益增加 国际石油市场竟争更加激烈 而欠平衡技 术因解决了许多勘探开发的困难和复杂问题 提高了产量 降低了成本 因此成为国际上继水平井技 术之后的第二个钻井技术发展热点 本文针对大庆油田的实际情况 针对形成的适合于大庆长垣东部 深层特点的欠平衡钻井工艺技术 介绍了大庆油田欠平衡钻井技术的关键技术以及发展和应用前景 为今后欠平衡钻井的开展提供了依据 关键词 欠平衡钻井 大庆 充气钻井 应用前景 井底压力 中图分类号 TE2 文献标识码 B 文章编号 1004 5716 2007 08 0064 05 欠平衡钻井技术 就是在钻井过程中始终保持钻井 液循环体系井底压力低于地层孔隙压力 使产层的流体 有控制地进入井筒并将其循环到地面 20世纪90年代 由于勘探开发难度日益增加 国 际石油市场竟争更加激烈 而欠平衡技术因解决了许多 勘探开发的困难和复杂问题 提高了产量 降低了成本 因此成为国际上继水平井技术之后的第二个钻井技术 发展热点 在20世纪90年代中 后期发展极快 尤其以 美国和加拿大两国最为突出 针对大庆油田深层勘探的需要 大庆石油管理局钻 井工程技术研究院开展了欠平衡钻井工艺及配套技术 研究 于2000 2005年在大庆长垣东部完成了宋深 101井等12口探井欠平衡钻井施工和2口开发井欠平 衡钻井施工 形成了一套适合于大庆油田的欠平衡钻井 技术 取得了较好的勘探开发效果 1 大庆欠平衡钻井技术的发展现状 1 1 基础理论研究现状 1 在欠平衡钻井过程中 为了实现井底负压的精 确控制 在充分考虑机械钻速产生的岩屑对井底压力影 响的情况下 建立了环空岩屑影响井底压力增量的理论 计算模型 该模型是 为深井欠平衡钻井井底实现精确 负压控制提供理论依据 2 在充分考虑固相和多相流加速压降的影响情况 下 修正并完善了流钻欠平衡钻井环空多相流井底压力 计算模型 为欠平衡设计计算与精确控制井底负压值提 供了理论依据 3 欠平衡钻井监测与分析软件开发 充分考虑了 井壁稳定 井内压力波动 储层压力预测误差 欠平衡钻 井装备的承受能力等因素的影响之后 合理确定了欠平 衡井底负压差 欠平衡井筒多相流压力分布规律 密度 分布规律的研究与计算 确定了欠平衡钻井储层 井 筒 地面一体化多相流计算模型 并开发了工程软件 1 2 工艺技术发展现状 1 确立了一套适合大庆长垣东部地层特点的欠平 衡钻井完井工艺配套技术 其中 钻井液密度调整规则 井底负压值的合理控制技术 起下钻压井技术 紧急情 况处理措施等研究成果通过14口井的检验 已经完善 成熟 2 地面设备和井下工具的选型和配套基本满足了 大庆长垣东部欠平衡钻井作业的要求 3 研制出适合大庆长垣东部地层欠平衡钻井特点 的低密度水包油钻井液体系 实现了水包油钻井液在 国内应用抗温180 的突破 特别是在保持井壁稳定 提高机械钻速 有利于气层的发现等方面起到了积极的 作用 4 研制成功了随钻井底压力温度测试仪器 实测 出井底压力温度变化 为勘探开发提供准确的实测数 据 5 形成了一套流钻欠平衡探井随钻地面数据采集 监测与分析处理技术 6 探索并试验了充气和空气欠平衡钻井技术 初 步形成了一套人工诱导的欠平衡钻井技术 7 形成了一套行之有效的欠平衡钻井科研攻关 现场试验 技术管理 生产协调组织 配合协调等内容的 配套措施与管理办法 2 大庆油田欠平衡钻井发展的关键技术 2 1欠平衡钻井工艺技术 2 1 1 欠平衡钻井装备的选型与配套 46 西部探矿工程 2007年第8期 欠平衡钻井特殊设备 除常规井控设备外 还包括 旋转防喷器 节流管汇 液气分离器 油水分离器 或撇 油罐 以及点火装置等 通过对美国的Williams公司和Shaffer公司的旋 转防喷器的技术对比分析 结合大庆油田实施欠平衡钻 井区块的地质特点 于2000年引进了2套Shaffer公司 的主动式旋转防喷器 旋转防喷器的胶心使用寿命是欠平衡钻井的关键 在所钻的14口井中 卫深5井 肇深11井 汪深1井和 徐深1 1井显示较好 在欠平衡井段旋转防喷器始终 处于工作状态 其胶心使用数据统计见表1 表1旋转防喷器胶心使用数据表 井号 单只使用时 间 受压 h 正常钻 进时间 h 进尺 m 通过钻 具长度 m 过接 头数 个 卫深5井19091 62971001160 17094 55190673152 肇深11井178125 25240960196 汪深1井3763055981196256 徐深1 1井2602296761352335 其中汪深1井胶心使用寿命创造了最高纪录 徐深 1 1井胶心使用进尺创造了最高纪录 2 1 2 井身结构及钻头选型 大庆欠平衡深层探井多采用三层套管井身结构 即 444 5mm钻头 339 7mm表层套管 311mm钻 头 244 5mm技术套管 215 9mm钻头 139 7mm尾管 或生产套管 经过对大庆长垣东部深层岩石力学性质的研究 对 欠平衡井段所用钻头进行优选 选择了江汉钻头厂生产 的HJ T617 637系列钻头 使用效果见表2 表2欠平衡井段钻头使用效果最好的三口井数据统计表 井号 井段 m 进尺 m 钻时 h 平均机械钻速 m h 卫深501井3098 34573591382 60 肇深11井3170 3410240125 251 92 达深2井3065 4050985363 32 71 注 达深2井单只钻头进尺544 5m 3064 5 3609m 时效 4 14m h 创造了欠平衡钻井钻头寿命和时效最高纪录 卫 深501井和肇深11井均用一支钻头完成欠平衡段 2 1 3 欠平衡井控技术 井底压力控制是欠平衡钻井成功的关键 如果井底 压力控制不当 会造成过压钻井 导致油气层污染 从而 降低油气井产能 甚至引起井漏等井下复杂事故 因此 影响整体勘探开发效果 根据井底压力因素的分析 我 们进行了以下研究 1 气侵后环空钻井液密度及压力分布规律研究 2 地层气体侵入井内的预测方法研究 3 欠平衡钻井地层气体上窜时间预测技术研究 4 井底压力控制技术研究 推导出井底负压值与泵压间的关系 根据井内压力关系 当排量 钻井液入口性能不变 而随钻产油气量变化或气体滑脱上升时 PM PZJ PZ Pp 为常量 设k PM Pp PZJ PZ 显然 k亦为常数 则 上式可写成 PF k PB 井底负压值与井口压力及排量间的关系 根据水力学有关计算公式 层流状态 当随钻产油 气量不变时 推导出 PF Pp Pm Pt aQ b 其中 当井眼条件和钻井液性能不变时 a b为常 数 当随钻产油量不变 同时入口钻井液性能不变 而 排量Q变化时 Pm Pp为常量 设 K Pp Pm 显然 K 为常数 则 PF K Pt aQ b 2 2欠平衡水包油钻井液技术 为了实现低密度流钻欠平衡钻井 在室内研究评价 的基础上 优选了水包油钻井液体系作为大庆探区深层 气藏欠平衡钻井液体系 自2000年以来 水包油钻井液 已经成功使用了18口井 其中近平衡井4口 欠平衡井 14口 其中包括吉林油田的长深1井 施工均很顺利 2 2 1 欠平衡钻井液体系的优选 满足欠平衡钻井的钻井液体系至少应满足下面六 个条件 1 钻井液密度是否能保证实现欠平衡 2 井壁稳定要求 3 钻井液的抗温性能以及携屑能力 4 对录井 测井以及固井的影响 5 对地层产出物的敏感性 6 经济性和安全性 根据上述条件 研究人员首先确定了2种体系进行 室内评价实验 第一种体系为正电胶体系加减轻剂 室内实验表明 由于在高温高压条件下有近30 的减 轻剂破裂 起不到减轻作用 钻井液密度从0 98g cm3 升至1 02g cm3 现场钻井液混入钻屑后估计密度要 达到1 04 1 06g cm3 而且减轻剂的粒度比较粗 只 56 2007年第8期 西部探矿工程 有60目 固控设备的使用受到限制 会使现场钻井液密 度更不易控制 第二种体系为水包油钻井液体系 水 包油钻井液按照不同的油水比可配制出密度不同的钻 井液 可实现最低密度0 90g cm3 常规性能和工艺均 能满足欠平衡钻井要求 综合考虑了密度 钻井液性能 经济性 安全性 通过室内实验及评价 最终确定了水包 油钻井液为欠平衡钻井流体系 水包油钻井液室内研 制性能见表3 表3水包油钻井液 油 水 60 40 性能表 密度 g cm3 温度 600 300 200 100 6 3 初切 终切 Pa Pa PV MPa s YP pa 分层 情况 0 92室温100 6045 276 53 0 3 54010不分层 0 92160 16h老化后90 6351 3610 85 0 5 03713不分层 0 92160 96h老化后138 9173 429 73 0 5 04722不分层 1 20室温101 6145 275 43 0 5 04011不分层 1 20160 16h老化后126 8569 4510 74 0 6 04122不分层 1 60室温150 10079 537 64 0 5 05025不分层 1 60160 16h老化后152 10683 599 85 0 6 04630不分层 从表3实验数据看出 室内配制的水包油钻井液具 有较强的乳化稳定性 高温后油水不分层 具有较合适 的静切力 悬浮性强 流变性好 API失水小于1mL 2 3 欠平衡钻井参数自动采集与分析处理系统 欠平衡钻井需要时刻了解井下欠平衡动态 为了 达到这一目的 我们研究编制了一套欠平衡钻井参数采 集与分析处理系统 实时分析井底欠平衡钻井动态 如 井底负压值的大小 地层流体侵入量变化情况等 根据 采集分析处理数据 对影响欠平衡钻井的诸要素实时调 整 进而实现安全快速钻进的目的 欠平衡钻井数据自动采集分析处理系统研究的主 要内容是 实时采集钻井过程中的相关钻井机械参数 水力参数 钻井液性能参数以及其它与井底负压值相关 的参数 并结合地层参数和实时的井眼参数 实时分析 预测井下的负压值等 平衡钻井参数自动采集与分析处理系统能够对欠 平衡钻井相关的参数进行自动采集 通过计算机软件对 采集的数据进行分析处理并指导欠平衡钻井现场作业 该系统经过在10口欠平衡井中的应用并完善 可 以可靠而高效运行 同时对欠平衡钻井现场作业及事后 分析具有重要的指导作用 2 4 充气欠平衡钻井技术 2 4 1 推导了压降计算多相管流的基本方程 1 压降计算多相管流的基本方程 质量守恒方程 9 9t n j Xji jEj 9 9s n j Xji jEjvj 0 式中 n 混合物流体各相相数总和 i j 多相流中的i j相 Xji 第i相在第j相中的质量分数 对于气液两相流变为 气相 9 9t Xlg l l Xggg g g 9 9s X lg l lvl Xgg g gvg 0 式中 l 液相压强比 g 气相压强比 液相 9 9t X ll l l Xglg g g 9 9s X ll l lvl Xgl g gvg 0 动量守恒方程 9 9t A n j j jvj 9 9s A n j j jv 2j Agcos n j j j 9 9s AF 0 对于两相 9 9T A l lVj g gVg 9 9s A l lV2l g gV2g Ag l l g g cos 9 9s AF 0 2 充气钻井液携屑能力 岩屑的平衡下降速度 V0 4gD g m 2 mCd 0 5 式中 Cd 沉降系数0 8 1 2 4 2 充气钻井水力学计算软件 通过对充气水力学计算模型研究 编制了充气钻井 水力学计算软件 软件包括输入模块 计算模块 分析 模块 优化模块 输出模块 存储模块 2 5 欠平衡井底压力及温度测量技术 66 西部探矿工程 2007年第8期 为科学指导欠平衡钻井施工 准确掌握井下是否处 于欠平衡状态 了解钻井过程中井下的实际情况和实现 随钻井下压力 温度的实时采集 以及在流钻欠平衡钻 井地层流体进入井筒内的第一时间监测到井底压力 温 度的变化 为了提高勘探成功率等提供一种新的有效发 现储层的手段 因此进行了抗高温抗震条件下随钻井下 压力温度测试技术的研究 2 5 1 结构原理 该仪器的结构原理是根据国外有线随钻测量系统 和无线测量系统 MWD LWD和EM MWD 原理 就 是在井下工具本体上设计一个内外部连通的孔 在工具 内安装传感器 通过压力传递装置将管外压力和温度传 给工具内的传感器 达到自动测量记录管外压力和温度 的功能 同时由工具内的存储器自动记录工具内的压力 和温度 通过对井下压力 温度随钻采集储存并且结合 其它数据资源进行综合分析 处理解释 计算出比较精 确的井底负压值 根据设计进行调整 指导下步欠平衡 钻井设计和施工参数控制 2 5 2 达到的技术指标 通过进行井下测试仪器的抗高温 抗震的研究 实 现了井下数据的随钻采集 建立了欠平衡环空多相流井 底压力计算模型 完善欠平衡钻井数据采集分析软件 探索出利用实测的井底压力 温度数据和地面截取数据 综合判断气层 水层精确位置的方法 使随钻井下压力 温度测试技术达到如下的指标 1 测试仪器抗温180 测试仪器最大测量压力 105MPa 压 力 测 试 精 度0 03MPa 压 力 分 辨 率 0 002MPa 2 压力采集接头上各道密封安全可靠 压差试验 承压达到20MPa 压力传感器抗振性良好 目前井底工 作时间1028h 满足钻井工况要求 通过与美国哈利伯顿公司研制的井下测量系统 PWD和威德福公司研制的井下采集工具进行对比 见 表4 可以看出 研制的井下采集存储系统在测量精 度 温度量程和抗温性方面达到了国际先进水平 3 欠平衡技术在汪深1井中的应用 汪深1井是大庆油田第5口欠平衡预探井 位于安 达市升平镇畜牧农场西北约0 1km 该井设计欠平衡 段 2930 3900m 预测目的层地层压力系数1 03 钻探 目的是评价松辽盆地东南断陷区徐家围子断陷与安达 断陷过渡带营城组火山岩含气情况 兼探登娄库组 沙 河子组 泉一 泉二段含油气情况 欠平衡井段钻井液 的密度窗口在0 90 0 94g cm3之间 动压差取值应为 0 74 2 32MPa 设计 钻 井 液 密 度0 94 0 98g cm3 尽量以配浆密度低限作为第1循环周 即 三开钻井液密度设计值为0 94g cm3 后在钻进过程中 根据甲方要求降为0 92g cm3 取得了较好的控制效 果 满足了勘探的需要 具体为 3 1 井底负压值控制效果 通过数据采集进行分析 在整个欠平衡井段负压值 变化规律为 刚打开气层时负压值最大 当时泵冲低 在 后续的钻进过程中 由于提高泵冲 95 冲 分 致使负 压值减小 其它高的井底负压值出现在接单根后效时 在处理后效过程中降低泵冲 致使井底负压值增大 后 效过去后 恢复正常泵冲 井底负压值随之恢复正常 1 0 0 5MPa 见图1 表4采集存储工具性能指标 工具名称 压力 量程 MPa 压力 准确度 MPa 抗温 温度 量程 温度 精度 贮存 容量 测量 方式 自行研制0 1050 031800 180 0 2 500000 组数据点 存储 哈利伯顿 PWD 0 1550 081750 175 0 2 实时 传输 威德福0 1050 051650 165 0 5 500000 组数据点 存储 图1 井深与井底欠压值 地层压力系数的关系曲线 3 2 计算环空压力分布规律 图2中曲线1为分析环空压力分布规律 曲线2为 根据分析计算的地层压力系数计算的地层压力 根据 2条曲线及井深与井底欠压值曲线对比 基本符合实际 情况 3 3 欠平衡效果 该井 钻 进 至 井 深2966m时 气 测 全 烃 值 升 至 81 8659 点火成功 火焰高度约2m 气体流量为 1621m3 h 3月18日0 40气体流量开始逐渐增大 下转第70页 76 2007年第8期 西部探矿工程 情况 指导锚索成孔施工 在进场之初分别对小框架及 抗滑桩部位施工两个取芯孔 结果与设计提供地层情况 基本吻合 2 针对现场具体地层情况 综合考虑工期要求 设 备 工艺水平等因素 积极组织技术人员开展科技攻关 优化偏心跟管钻具 自行设计了分体式无锁对心跟管钻 具 无锁自锐式对心跟管钻具 电动拨管机等设备和机 具 确保了锚索施工的质量和工期 3 在抗滑桩锚索施工区覆盖层较厚 松散破碎严 重 加大了造孔难度 而现有设备跟管钻进深度有限 遂 采用了异径跟管 一次性跟管钻具 孔底割管等施工工 艺 确保了造孔达到设计要求 取得良好效果 3 2 破碎地层段 在钻遇破碎地层时 钻具发生剧烈跳动现象 钻进 负荷加大 甚至坍孔 埋钻 卡钻 给正常钻进施工带来 一定的影响 为此 必须采取有效措施 以保证正常钻进 施工 1 崩坡积层采用跟管钻进工艺 待锚索钢绞线和 压浆管送入孔底后 方可拨出套管 2 在基岩接触面岩层较破碎 尤其是采用偏心跟 管时 易出现卡钻 掉钻等孔内事故 因此 必要时采用 注浆固结孔壁的措施 待凝固后 继续扫孔钻进 通过以下处理措施 都能够顺利通过破碎地层 在 起拔套管时也能顺利拔出套管 加快了钻进速度 取得 了良好的技术效果 3 3 地下水和承压水 在钻遇地下水 承压水时 跟管钻进的排碴 排粉效 果较差 可加入一定的泡沫剂 同时增大风量强行吹孔 如果仍不能解决正常钻进 可提钻具 下栓塞 通过钻杆 注浆处理该地层 待凝后继续扫孔钻进 3 4 黄粘土层及其他软弱夹层 在钻遇黄粘土 滑面 其他软弱夹层 若为干孔 无 地下水 采用降低钻进速度 多提动钻具 充分排粉的 处理措施 若有地下水 加入一定的泡沫剂 同时增大风 量 如果仍不能正