氮气水平井钻井技术在吐哈油田的研究与应用-初稿版

西部钻探吐哈钻井工艺研究院 氮气水平井钻井技术在吐哈油田的研究与应用 1 氮气水平井钻井技术在吐哈油田的研究与应用氮气水平井钻井技术在吐哈油田的研究与应用 西部钻探吐哈钻井工艺研究院 西部钻探吐哈钻井工艺研究院 摘要 摘要 吐哈油田是典型的具有低压 低孔 低渗特性的 三低 油田 具有断层多 地层坍塌压力 大 可钻性差 储层压力低等地质特征 利用氮气水平井钻井技术是保护 发现油气层和增产 提高单井 产能的有效工艺技术 通过在三塘湖油田牛东平 1 井和牛东 8 13 井两口氮气水平井的现场应用与试验 成功的将全过程氮气欠平衡工艺 岩屑携带 井眼轨迹监测与控制等技术有效的结合起来 取得了良好的 效果 但是如何解决携岩困难和井眼轨迹监测与控制是实现氮气水平井的关键技术 关键词 关键词 氮气水平井 吐哈 牛东平 1 井 牛东平 8 13 井 偏心环空 EM MWD 一 概况一 概况 三塘湖油田牛东区块属于典型的火成岩储层 不仅具有低压 低孔 低渗 三低 储层特性 同时其孔隙 裂缝型发育较为活跃 在常规钻井过程中及易发生恶性井漏 储 层严重受到了外来固相和液相的侵害 部分井在钻井过程中油气显示较好但完井后却未获 得理想的工业油气流 如何有效保护储层 提高单井产量显得至关重要 而全程气体欠平 衡钻井技术在保护油气层 发现油气层方面的独到优势已经得了到全世界钻井行业的普遍 认可 为此首先在牛东平 1 井展开了氮气水平井的先导性试验 通过现场试验不仅填补了 吐哈气体水平井的空白 同时也积累了宝贵的经验 随后又在牛东平 8 13 井展开了氮气 水平井钻井 通过应用 EM MWD 成功的解决了气体钻井中井眼轨迹监测难题 使得吐哈氮 气水平井技术水平得到了大幅度提升 同时也为加快勘探开发吐哈油田 三低 油藏探索 了一项新的技术手段 二 氮气水平井工艺技术二 氮气水平井工艺技术 1 1 设备配套设备配套 氮气水平井较常规钻井最不同的地方是氮气钻井需要使用专用的井控和循环设备 来 实现气体的压力控制 循环携岩 旋转分流 流体处理等多项功能 以保证安全 快速钻 井 同时还需要制氮车或液氮泵车提供氮气 然后将其增压入井作为循环介质完成携带岩 屑 提取砂样和消除粉尘 考虑到地层出液情况 将氮气欠平衡 充氮气欠平衡和液相欠 平衡组合安装 视情况而定可立即转化为其他钻井方式 这样就大大节约了钻井周期 2 2 井身结构 井身结构 氮气水平井井身结构设计主要考虑到钻井成本和安全钻井两个方面的问题 为了降低 氮气钻井成本 在满足油气开采的前提下 应尽量减小井眼尺寸 减少设备和材料的使用量 从安全的角度出发 应尽量缩短氮气钻井裸眼井段 以减小井下复杂和事故的发生率 因此 对于气体水平井 由于受气体造斜钻进技术限制 同时封隔上部易缩径 垮塌地层 一般 采用常规泥浆造斜钻进至目标储层中上部 A 点 下入技术套管 再采用氮气欠平衡钻水 西部钻探吐哈钻井工艺研究院 氮气水平井钻井技术在吐哈油田的研究与应用 2 平段 为氮气水平井的成功实施提供保障 图 1 牛东平 1 井井身结构 3 3 钻具组合 钻具组合 氮气钻井钻头可按常规钻井设计钻头选用 一般不装水眼 钻具设计应尽量简单化 如 不要求控制井身质量 可采用光钻铤钻具组合 否则可采用满足井身质量的降斜钻具组合 为防止压缩气体从钻具内倒流 应在接近钻头的位置安装 1 只浮阀和 1 只单流阀 泄压时 为防止钻具内的高压气体被泄掉 再次充满增加接单根的时间 下钻完后应安装 1 只下旋塞 和 1 只单流阀 正常钻进后钻柱上部每隔一段距离加用一只单流阀 这样可减少接单根时排 气卸压时间和提高操作安全性 通过优化设计 确定了氮气水平段采用双扶正器钻具组合 152 4mmPDC 钻头 121mm 浮阀 1 只 148mm 稳定器 121mm 单流阀 1 只 预弯曲 短钻铤 1 120mm 无磁钻铤 1 根 142mm 稳定器 89mm 加重钻杆 3 根 89mm 斜 坡钻杆 300m 89mm 加重钻杆 12 根 89mm 斜坡钻杆 至井口 120mm 旋塞阀 120mm 箭形单流阀 89mm 斜坡钻杆 1 根 120mm 方钻杆下旋塞 108mm 六方方钻杆 4 4 注入参数优选 注入参数优选 氮气钻水平井时 随着氮气量的增加 岩屑及时带出井筒 井底压力逐渐降低 此时 井底压力属于静压控制区 井底压力降至最小值后 随着氮气排量的增加 井底压力反而 会增大 这是由于气体排量太大在环空造成了较大的摩阻导致井底压力会逐渐增大 此时 属于摩阻控制区 可见最小井底压力对应的氮气排量为最佳排量 目前我们主要利用莫尔 软件和 HUBS 软件进行模拟设计 设计注入参数原则是保证井眼净化 氮气用量 动力和 设备要求尽可能低和欠压值在允许的范围内 其具体注入参数应该根据现场实际情况进行 校正 从而得到最优的注入参数 5 5 安全钻井 安全钻井 273mm套管 180 03m 375mm钻头 180 50m A 241mm钻头 1587 25m 177 8mm套管 1586 52m 造斜点1280m 152 4mm钻头 2087 00m 西部钻探吐哈钻井工艺研究院 氮气水平井钻井技术在吐哈油田的研究与应用 3 卡钻 氮气钻水平井时 由于钻开的地层瞬间处于负压状态 地层流体快速进入井 筒 突然失去平衡的地层岩石的裂缝和孔隙瞬间收缩 将可能导致井壁失稳 这是所有气 体钻井所不可避免的 此外 当地层出油后 高速上返的油气流激烈冲刷井壁也将可能导 致井壁失稳 同时地层出液还可能导致岩屑粘附成团 这些都可能导致钻井过程中出现遇 阻或卡钻等复杂或事故情况 井喷 氮气欠平衡钻井时 井筒只有气体 岩屑或少量油气流 在没有液柱压力的 情况下 井筒处于高度负压状态 地层流体更加容易进入井筒 油气更容易上窜至井口诱 发井口失控 为此井口压力控制显得尤为重要 三 氮气水平井钻井三 氮气水平井钻井中的两大技术难题中的两大技术难题 1 1 水平段岩屑携带 水平段岩屑携带 氮气钻水平段较垂直段携岩要困难的多 岩屑易在水平段沉积形成岩屑床 若地层出 液可能使岩屑粘结成团 如果不加以处理 岩屑团会越结越大 大尺寸岩屑团会沉降在水 平段的下井壁 导致井眼净化不良 环空堵塞或卡钻等井下复杂 牛东平 8 13 井因钻遇 低产层 致使岩屑粘附钻具造成井下复杂 被迫转化为充气钻进 难点主要表现在 难点主要表现在 岩屑一旦被破碎 脱离井底后 很难再次回到井底被钻头重复破碎 而是小颗粒被 气流带走 大颗粒则可能会滞留在水平段某处的下井壁处 岩屑的重力方向与气体流动方向相垂直 气体流动不能象在垂直井筒内那样直接克 服重力沉降而使岩屑运移 重力使钻具躺在下井壁上 这种偏心环空造成下井壁处低速区 而这些低速区恰是 岩屑在重力作用下的滞留区 主要解决方法 主要解决方法 足够的气量是水平井氮气钻岩屑携带出井筒的保证 同时也是井下出现复杂 及时 处理复杂的重要保证 采用变径短节 扶正器等使钻柱抬升 脱离下井壁 消除下井壁处偏心环空造成的 低速区 造成岩屑堆积 保持水平段钻柱旋转 以改善水平段的岩屑滞留 堆积现象 经常短距离地上提下放钻具 使钻头提离井底后再回到井底 将钻头附近大颗粒岩 屑推回井底重复破碎 限制钻速 低钻压 高转速 使钻头第一次破碎产生的岩屑不致于过大 2 2 轨迹监测与控制 轨迹监测与控制 氮气钻水平井是采用氮气做为循环介质 无线随钻监测仪在气体中无法传输脉冲信号 因此 无法进行无线随钻监测 有线随钻监测井口高压循环头位置只对具有较高粘度和稠 西部钻探吐哈钻井工艺研究院 氮气水平井钻井技术在吐哈油田的研究与应用 4 度的泥浆进行密封 对清水密封都会发生泄漏 它对气体几乎没有密封作用 因此不能使 用于气相钻井体系钻井 难点主要表现在 难点主要表现在 在充气或纯气体欠平衡钻井作业中 无线随钻监测仪 MWD 无法传输脉冲信号 无法对井眼轨迹进行随钻监测 不能保证井身结构质量 就难确保中靶目标 主要解决方法 主要解决方法 在实施氮气欠平衡钻井作业前 采用常规单弯动力钻具组合将井斜角和方位角调控 到要求值附近 牛东平 1 井采用电缆投放 打捞可回收式电子多点测斜仪进行吊测 当氮气钻水平 段钻进 100m 之后 起钻至直井段 通过电缆投放电子多点侧斜仪 下钻至井底测斜 测 斜后起钻至直井段 通过电缆下入测斜仪打捞工具 捞出测斜仪 结合测斜结果 决定钻 具组合 牛东平 8 13 井引进电磁波随钻监测仪 EM MWD 有效的解决了充气 纯气体欠平衡钻 井作业中的轨迹监测难题 根据监测结果选用钻井参数或钻具组合对井眼轨迹进行调控 四 井下复杂与事故的判断和处理四 井下复杂与事故的判断和处理 1 1 井下复杂与事故判断 井下复杂与事故判断 地层出油的征兆和判断 注气压力增大 排砂口液体流出 火焰增高 并且顶部有 黑烟冒出 地层出水的征兆和判断 注气压力增大 排出口有水流出 地层坍塌的征兆及判断 注气压力增大 转盘扭矩增大 排气口喷出的岩屑增多 上提钻具阻力增大 下钻遇阻 泥饼环的产生征兆及判断 注气压力增大 转盘扭矩增大 排气口喷出的岩屑减少 甚至没有 上提 下放钻具阻力增大 2 2 井下复杂与事故处理 井下复杂与事故处理 地层出油的处理 1 增大氮气注入排量 将地层出油粘附后的岩屑携带出地面 2 如地层出油量较大 应视情况而定转化钻井方式 地层出水的处理 1 发现注气压力上升 立即上报 并继续监测 2 地层出 水速度较小时 逐渐增大氮气注入速度 满足井眼净化的需要 3 地层出水速度较大 视情况而定转化为其他钻井方式 地层坍塌的处理 1 采用减慢钻进速度或进行划眼等措施 防止卡钻 2 加 大氮气的注入速度 3 在井下情况不明时 可采取起钻至套管内 静止 2 3h 再下钻 将井下坍塌物钻掉 泥饼环的处理 1 停止钻进 增大氮气的注入量 清除井下沉砂 2 进行倒 西部钻探吐哈钻井工艺研究院 氮气水平井钻井技术在吐哈油田的研究与应用 5 划眼作业 清除泥饼环 3 待转盘扭矩 悬重 注气压力和排气口岩屑返出恢复正常 后方可继续钻进 五 氮气水平井的现场应用与试验五 氮气水平井的现场应用与试验 1 1 牛东平 牛东平 8 138 13 井简介井简介 牛东平 8 13 井位于三塘湖油田牛东区块的一口欠平衡氮气钻三开水平井 设计井深 2132 49m 水平段 AB 段长 545 86m 整个纯氮气欠平衡钻井段 219 84m 1587 25 1807 09m 充气欠平衡钻井段长 279 91m 1807 09 2087 00 A 点井斜为 65 00 B 点井斜为 75 00 完钻井深 2087 00m 2 2 氮气设备安装 氮气设备安装 考虑到钻井过程中地层出油 出水及井下复杂情况的发生 将氮气钻井设备 充气钻 井设备和泥浆欠平衡设备组合安装 若地层一旦出水或井下出现复杂之后 可选择性的立 即转化为其他欠平衡钻井方式以适应井下安全的需要 图 2 氮气欠平衡设备安装示意图 3 3 氮气钻井施工 氮气钻井施工 钻完水泥塞后起钻下入氮气欠平衡钻井钻具组合 气举 干燥井眼待排砂口返出干燥 气体后开始正常钻进 钻至 1736m 时钻遇低产油层 1701m 曾钻遇低产油层 排砂口出现 黑油 混杂着砂石 原油呈连续状返出 排量不大 为了防止岩屑不能带出井底 引起井 下复杂 采用进一退二的钻进方式 但由于地层出油少 原油粘附大量的岩屑 致使岩屑 无法带离井底 在后面的钻进和短起下钻过程中均严重遇阻 在钻至 1807 09m 时排砂口 砂子无返出 决定起钻 在起至 1725m 时遇阻 接方钻杆注气 憋压 11MPa 未通 后泄 压至 6 MPa 出口畅通 甩两根单根后成功解阻 在起至 1637m 时再次遇阻 接方钻杆注 气循环正常后起钻 在起钻过程中摩阻均较大 为了防止氮气钻井井下进一步复杂 经过 现场领导小组研究决定并报请甲方同意 在剩余井段将氮气钻井改为充气钻井 表 1 氮气钻井参数 井段 m钻压 KN转盘转速 rpm注气量 m3 min注入压力 MPa 西部钻探吐哈钻井工艺研究院 氮气水平井钻井技术在吐哈油田的研究与应用 6 1587 25 1807 0910 2050 70130 1506 5 7 0 在邻井同一地层常规钻井中被确定为干层的情况下 在 1701m 和 1736m 分别钻遇低产 油层 排砂口原油呈连续状返出 同一区块 用不同的钻井方法 取得的效果完全不同 用传统的方法钻探 资料解释为干层 而采用纯氮气欠平衡钻井技术 则发现很好的油气 显示 并很好地保护了油气层 充分体现了纯氮气欠平衡钻井对储层的发现和保护 4 4 氮气水平井技术 氮气水平井技术难点难点 牛东平 1 井是吐哈油田的第一口氮气水平井 并首次将投捞式电子多点测斜仪使用在 气体钻井中 初步解决了气体钻井中随钻监测仪无法传输信号的难题 通过技术引进 在 牛东平 8 13 井首次将电磁随钻测斜技术和纯氮气欠平衡钻井技术结合起来 有效的解决 了气体钻井中井眼轨迹监测与控制的难题 改变了吐哈油田长期以来欠平衡钻井以直井为 主的状况 对解决吐哈油田储层压力低 储层渗透力低 储层在钻井过程中易发生井漏 污染油气层 直井产量低等问题提供了一条有效途径 图 3 EM MWD 在气体钻井中接收到的信号图 5 5 效果分析 效果分析 牛东平 8 13 井在氮气欠平衡钻进过程中 五次点火成功 持续时间最长达 45min 火 焰高达 2 5m 火焰呈桔黄色 略带有黑烟 充分体现了氮气欠平衡钻井解放和保护油气层 的功效 表 2 牛东平 8 13 井点火情况统计 时间 点火频次 日期时段时长 h min 当时井深 m描述 第一次6 01 7 400 051721 00 火焰高 4 5m 呈桔黄色带黑 烟 第二