钻井工程优化设计技术2011.5

钻井工程设计优化技术,目的,1.加深对钻井工程设计理念的理解,进一步提高对钻井工程设计重要性的认识;2.熟悉钻井工程设计工作程序，掌握钻井工程设计方法；3.进一步提高钻井设计水平，更好地服务于油田勘探、开发。,内容,油藏地质,钻井工程,地面建设,采油工程,钻井是中间过程，其作用主要有两个：建立油藏到地面的通道；认识、发现油气的主要手段。,“钻头不到，油气不冒”，钻井是油气勘探开发中必不可少的关键环节。钻井工程需要耗费大量的人力、物力和财力。据统计：钻井成本约占油气勘探成本的70%80%，约占油气开发成本的40%50%。钻井已不单是构建油气通道，而是成为了提高勘探成功率、开发钻遇率和采收率的主要手段。,绪论钻井在油田勘探开发的地位,钻井设计,钻井施工的依据钻井监督的依据甲乙方结算的依据,合理地规划钻井工艺技术，预算钻井周期和成本。,钻进过程的难易,钻井成本的高低,勘探开发的整体效益,勘探开发的成败,绪论钻井设计的作用、意义,对于油田勘探、开发部门，其关注点是：有效地保护油气层；油气井寿命长；满足采油工艺、储层改造的要求；钻井成本低。对于钻井服务承包商，其关注点是：封隔不同的压力及复杂层位以利于钻井施工；有利于井控作业及其他复杂故障的处理；钻井成本合理。,绪论钻井设计的作用、意义,绪论钻井设计的作用、意义,高效开发社会经济效益最大,为有效兼顾各方的关注点，需确立“系统优化”的设计理念，既把油田的勘探开发作为一个整体，以油田的勘探开发综合效益最高为目标，确定钻井设计原则。,体现“系统优化”的设计理念,绪论优化钻井设计的理念,内容,(1)满足地质设计对工程的要求钻井是实现地质目的的手段，钻井也是为地质目的服务，对于探井是取得地层资料，力争获得地质发现，对于开发井来说是快速建成生产能力。钻井设计必须以保证实现地质任务为前提，充分考虑录井、测井、中途测试、完井、试油等方面的需要，因此钻井设计必须提高服务于地质目的的意识。通过采取一系列先进适用技术，适当的成本投入，提高为地质目的服务的质量。如探井应为油气发现与评价创造良好的条件，钻井液密度尽可能接近于地层孔隙压力，避免使用影响气测与录井的添加剂，有利于录井捕捉油气显示，提高井眼质量，并为录井、试油创造良好的环境，减少油气层污染，为准确评价油气层创造条件。对于开发井应建立良好的采油（气）与注水、井下作业的井筒环境，保证油气井安全生产与后期作业。,二、原则和依据,1、基本原则,(2)钻井设计法律法规遵循原则钻井设计是在充分分析有关地质和工程资料基础上进行编制，必须符合国家及当地政府有关法律、法规和要求，必须依据国家、行业、企业有关标准及规定进行编制，保证钻井的合法性。钻井设计前必须对钻井地质、工程、井位、周边环境等进行前期研究和现场调研，区域探井和重点预探井必须完成可行性论证报告。在此基础上设计应按照安全、快速、优质和高效的原则编制，形成的钻井设计必须具有可操作性，所提出的钻井指标要体现该地区或可比地区的钻井先进水平。,二、原则和依据,1、基本原则,(3)客观、公正原则钻井设计要体现业主对钻井工程施工的要求，同时也要本着客观、公正的原则，平衡各方利益，在工期、材料消耗设计时要考虑平均水平，使大多数施工队伍按设计施工都不亏损。设计的工期在考虑技术进步，情况下按一般平均水平考虑，如果风险费不能体现钻井向更复杂地区发展的实际，设计工期还应附加一定的风险工期。,二、原则和依据,1、基本原则,(4)安全与环保优先原则作为负责任的大公司，应树立百年发展意识，也就是其生产活动必须保证在长达100年以上的时间内不会对环境造成严重的损害，因为这种损害一旦发生，将付出沉重的代价，甚至导致公司无法取得社会公众的支持。钻井活动对安全与环境影响巨大，12.23等数次特大安全环境事故都发生于钻井行业，对公司的社会形象造成极其恶劣的影响。钻井设计必须树立安全与环境优先意识，确保钻井以及后期油气开发生产中不会因为钻井问题而导致对安全与环境的严重损害。例如，一般地表淡水层必须得到有效保护，在稠油开采时应考虑到多次注汽吞吐对水泥环的破坏，因此表层套管应封到淡水层以下，不应考虑这种淡水层目前是否已动用。有些淡水层虽然现在没有动用，但未来可能会需要动用，今天的无人区可能明天成为繁华的都市。在井身结构、套管强度以及弃井设计中都必须考虑长时间不会对环境造成严重危害。,二、原则和依据,1、基本原则,(5)责任与权利、义务相统一原则钻井设计人员负有安全的责任，地质设计人员并不能承担钻井安全的责任，因此钻井设计的地层压力预测必须由钻井人员完成才能体现责任与义务的相统一。一般地质设计人员关心目的层的压力情况，对钻井需经过的上部地层可能研究不深入，不排除由于地质人员的主要目标是油气层保护与地质发现，而有意修正预测结果，以最大限度有利于自己工作成果取得的可能性。区域预探井钻井设计应利用地震、邻区情况进行压力预测，评价井与开发井应利用邻井地层压力监测、检测与地层压力测试资料预测本井地层压力。老区开发井应分析近几年各开发动用油气层压力公报，搞清全部所钻地层的压力。,二、原则和依据,1、基本原则,(6)钻井风险与经济性统一原则钻井总是会存在风险的，减少风险往往带来钻井成本的增加，有时甚至表面上看增加了施工成本可以减少风险，但事实上又带来新的风险，因此设计必须平衡钻井的风险与经济性，做到风险与经济性的统一，以适中的投资适度控制钻井的风险。钻井设计在主要目的层段必须体现有利于发现与保护油气层，而在非目的层段应主要考虑满足钻井工程施工作业安全和降低成本的需要。,二、原则和依据,1、基本原则,(7)强制性与推荐性措施区分钻井设计是业主单位利益的体现，对于业主单位有影响的内容如对质量要求、安全要求等，应是强制执行的设计内容。但由于设计者并不能保证是知识最全面、最具权威性的人，因此对于提高钻井生产效率的措施应是推荐措施，应鼓励施工单位采用自己最先进的特色技术，不断提高钻井生产效率，降低钻井风险，从而提高自身的经济效益。因此设计应区分推荐性与强制性措施，以便于充分发挥施工单位的积极性，设计单位也可通过及时收集施工信息，不断提高设计的水平。,二、原则和依据,1、基本原则,(8)设计要科学合理、详尽、完备性原则设计必须做到科学合理、详尽、完备，这就要求设计不能出现遗漏，但对于有区块标准设计的批钻井，在执行区块标准设计基础上，可以只对差异部分做出具体设计，共性部分可以执行标准设计（或已形成的相应规范）。,二、原则和依据,1、基本原则,(9)采用技术成熟、先进、适用原则钻井面临的对象复杂多变，钻井需克服各种复杂的地质情况，同时钻井还要追求最高的效率与效益，先进适用的技术是实现这一目标的保证，钻井设计应尽可能采用先进、适用的技术，提高钻井安全性与效率。钻井设计中采用的技术必须是成熟的技术，如果现有技术难以满足钻井作业需要时，应积极组织攻关研究，探索解决钻井难题的途径，确保钻井目的的实现，还没有成熟的技术进入设计应提出试验保证措施。,二、原则和依据,1、基本原则,(10)充分研究地层、地质条件原则钻井的必须与具体的地层、地质条件打交道，解决钻井过程中出现的地质问题，因此钻井设计必须认真分析地质、地层情况，使钻井设计的措施更具有针对性，尽可能减少钻井施工的风险。,二、原则和依据,1、基本原则,(11)充分分析并提供邻井资料原则邻井资料分析是设计的基础，只有充分参考邻井的经验与教训，才能充分优化钻井设计。同时邻井资料也是现场施工人员的重要参考，一个设计即便水平不高，只要邻井资料提供全面，分析正确，一个有经验的井队工程师也能制订出最佳的措施，高效完成钻井施工，反之如果设计中没有提供充分的邻井资料，则井队工程师可能难以吃透设计精神，执行措施可能不具有针对性，因此不可避免地会出现各种复杂情况，重复别人犯过的同样错误。设计书中要有邻井资料与情况分析的详细内容,二、原则和依据,1、基本原则,二、原则和依据,2、基本依据,基本依据,技术标准、规定,钻井地质设计,油藏地质设计,安全类标准,AQ2012-2007石油天然气安全规程,SY/T5087-2005含硫化氢油气井安全钻井推荐作法,SY/T5225-2005石油天然气钻井、开发、储运防火防爆安全生产技术规程,SY/T5225-2005石油天然气钻井、开发、储运防火防爆安全生产技术规程,SY/T5974-2007钻井井场、设备、作业安全技术规程,SY/T6426-2005钻井井控技术规程,SY/T5964-2006钻井井控装置组合配套、安装调试与维护,AQ2012-2007石油天然气安全规程：5.2.3钻井工程设计5.2.3.1井身结构设计应符合下列规定：钻下部地层采用的钻井液，产生的井内压力应不致压破套管鞋处地层以及裸露钻的破裂压力系数最低的地层；下套管过程中，井内钻井液柱压力与地层压力之差值，不致产生压差卡套管事故；考虑地层压力设计误差，限定一定的误差增值，井涌压井时在套管鞋处所产生的压力不大于该处地层破裂压力；对探井，考虑到地层资料的不确定性，设计时参考本地区钻井所采用的井身结构并留有余地。根据井深的实际情况具体确定各层套管的下入深度；含硫化氢地层等特殊井套管设计，应符合5.2.3.5的规定。,AQ2012-2007石油天然气安全规程：5.2.3.2随钻底层压力预测与监测应利用地震、地质、钻井、录井和测井等资料进行预测地层压力和随钻监测；并根据岩性特点选用不同的随钻监测底层压力方法。5.2.3.3钻井液设计应符合下列规定：应根据平衡地层压力设计钻井液密度；应根据地质资料和钻井要求设计钻井液类型；含硫化氢气层应添加相应的除硫剂、缓蚀剂并控制钻井液pH值，硫化氢含量高的井一般应使用油基钻井液，并符合4.5.7的规定；探井、气井和高压及高产油气井，现场应储备一定数量的高密度钻井液和加重材料，储备钻井液应经常循环、维护；施工前应根据本井预测地层压力梯度当量密度曲线绘制设计钻井液密度曲线、施工中绘制随钻监测地层压力梯度当量密度曲线和实际钻井液密度曲线，并依据监测结果和井下实际情况及时调整钻井液密度。,二、原则和依据,基础类标准,方法类标准,质量类标准,SY/T5313-2006钻井工程术语,SY/T5333-1996钻井工程设计格式,SY/T5431-2008井身结构设计方法,SY/T5724-2008套管柱结构与强度设计,SY/T5088-2008钻井井身质量控制规范,Q/SHSLJ0005.1-2002井身质量,Q/SL0005.2-2001钻井取心质量,二、原则和依据,二、原则和依据,质量要求,井身质量,固井质量,完井井口质量,质量要求,Q/SHSLJ005.1:井身质量评定钻井井身质量的项目最大全角变化率，(0)30m井底水平位移（m）；最大井斜角，(0)；平均井径扩大系数。,二、原则和依据,质量要求,井身质量,固井质量,完井井口质量,质量要求,二、原则和依据,质量要求,井身质量,固井质量,完井井口质量,质量要求,二、原则和依据,质量要求,井身质量,固井质量,完井井口质量,Q/SHSLJ005.3:固井质量,水泥环质量鉴定(1)水泥环质量鉴定应以声幅(CBL)为准。声幅测井要求测至水泥面以上5个稳定的接箍讯号，讯号明显，控制自由套管声幅值在812cm(横向比例50mv/cm，即400600mV)。而在百分之百套管与水泥胶结井段声幅值接近零线，曲线乎直，不能出现2mm负值。测量前后幅度误差不超过土10，测速不超过2000m/h。凡水泥浆迟至地面的井和尾管井，测声幅前在同尺寸套管内确定钻井液声幅值。(2)声幅相对值在15以内为优等，一般30为合格。对低密度水泥声幅值暂定40合格。(3)经声幅测井其质量不能明确鉴定是否符合设计要求时，可用变密度(VDL)等其它方法鉴定。(4)正常声幅测井应在注水泥后2448h内进行，特殊井(尾管、长封固段、缓凝水泥等)声幅测井时间依具体情况而定。(5)声幅曲线必须测至最低油气层底界以下10m。(6)油层套管固井，水泥环声幅质量鉴定，主要针对封隔油气层段部分。,二、原则和依据,质量要求,井身质量,固井质量,取心质量,完井井口质量,Q/SHSLJ005.2:取心质量,二、原则和依据,2、基本依据,基本依据,技术标准、规定,钻井地质设计,油藏地质设计,二、原则和依据,油藏地质设计,井位部署构造位置地质目标（靶点坐标）储层物性流体性质开采方式质量要求,钻井工程设计的基础数据,二、原则和依据,辛176,王58,王X583,王60,牛X114,压力系数1.43,压力系数1.23,压力系数1.2,压力系数1.22,压力系数1.06,构造位置,二、原则和依据,井位部署地质目标（靶点坐标）地理环境采油工艺,油藏地质设计,涉及到井型、整体方案优化,二、原则和依据,油藏地质设计,流体性质,油气是否含H2S、CO2密度、粘度地下水性质等,涉及到钻井整体设计优化,二、原则和依据,油藏地质设计,e.g.如果储层流体是天然气，且含硫化氢从井场布置到井身结构、井控、钻井液体系、套管选材、水泥浆体系、健康安全环保等一系列环节都需要针对“硫化氢”、“气井”展开。,例,胶乳防气窜水泥浆体系,抗硫金属密封,二、原则和依据,油藏地质设计,e.g.如果储层流体属于稠油（粘度50mPas，相对密度0.92）油层套管尺寸：适应稠油热采要求，一般用7套管；套管强度：适应井口高温高压产生额外应力的要求，钢级TP110H；水泥浆体系：水泥加砂，提高水泥石热稳定性；,例,e.g.地下水性质影响到钻井液性能的维护，如：地层水中Ca2+、Cl-的浓度偏高会导致钻井液粘度、失水增大。,二、原则和依据,油藏地质设计,储层物性,渗透性：e.g.低渗透油气藏埋藏深，储层物性差，储量丰度低，直井单井控制储量小，为改善开发效果，提高采收率，常考虑复杂结构井开发技术。储层敏感性：直接影响储层保护技术对策的制定。,孔隙度渗透性孔喉特性储层敏感性等,二、原则和依据,油藏地质设计,油气水显示及油气水层位置,尽可能详尽的提供邻井钻井过程中槽面油气水的显示情况，及当时钻井液密度的使用情况和所钻层位、深度等资料；给出当前井的预测油气水层位置。,二、原则和依据,2、基本依据,基本依据,技术标准、规定,钻井地质设计,油藏地质设计,二、原则和依据,地质分层、地层岩性,地质分层要准确，在涉及套管下深原则时影响整个钻井过程的安全。地层岩性要明确特殊岩性的分布，像石膏、煤系、砂砾岩体等,二、原则和依据,地下压力情况地层压力、破裂压力、坍塌压力,三压力剖面是确定合理钻井液密度、进行井身结构设计、开展油气层保护的基础数据，其准确性关系到钻井液密度及井身结构的合理性，直接关系到钻井安全。三压力剖面是油气井压力井控的基础数据。,二、原则和依据,地层造斜特性地层倾向、倾角的具体数据,井口位置优选井眼轨道优化钻具组合优选,二、原则和依据,2、基本依据,基本依据,技术标准、规定,钻井地质设计,油藏地质设计,二、原则和依据,2、基本依据,基本依据,技术标准、规定,钻井地质设计,油藏地质设计,二、原则和依据,可借鉴的经验教训复杂情况同构造邻井使用钻井液密度周围注水井注水压力,已钻井资料,内容,钻井工程系统优化的目标,打的成,安全钻井,保护环境,打的快,打的好,满足质量要求,满足采油工艺的要求,保护油气层,油井寿命长,打的便宜,开发效益高,建立通道,提高油气动用率、采收率,优化设计目标,优化设计目标,打的成,依据地层压力和地层岩性,按照井身结构设计方法,确定井身结构方案,钻井工艺,固井工艺,钻井液工艺,实现地质目的,优化设计目标,打的成,经过几十年的科研攻关,形成了以发现和保护油气层为核心的配套钻完井技术、以提高泄油面积、降低成本为核心的提高油气井产量及采收率配套钻完井技术、以提高油气井质量和钻井速度为核心的安全高效钻完井技术。较好地适应了常规井安全钻井的要求。但是，对于复杂地层深井的特殊结构井还存在“打成”问题。例如：东营北带深层的特殊结构井，由于地温梯度高，最高达190多度，目前的定向井水平井测量仪器抗温能力为125C。,优化设计目标,打的成,经过几十年的科研攻关,形成了以发现和保护油气层为核心的配套钻完井技术、以提高泄油面积、降低成本为核心的提高油气井产量及采收率配套钻完井技术、以提高油气井质量和钻井速度为核心的安全高效钻完井技术。较好地适应了常规井安全钻井的要求。但是，对于复杂地层深井的特殊结构井还存在“打成”问题。例如：东营北带深层的特殊结构井，由于地温梯度高，最高达190多度，目前的定向井水平井测量仪器抗温能力为125C。,优化设计目标,打的成,大位移井的延伸能力还存在问题大位移井对于油田开发滩海油田有着非常重要的意义。自“八五”水平井技术攻关以来，胜利油田水平井技术得到了大规模的推广应用。胜利油田成功完成大位移水平井埕北21-平1井，完钻井深4837.40m，水平位移3167.34m，垂深2637.36m。金平1井现场试验，位垂比2.803：1,水平井水平段1356.55m。目前国外的最大水平位移达到10728m，位垂比达到6.55。采用常规的钻井技术，位移超过3500m的大位移井还存在打成的问题以及套管安全下入的问题。,优化设计目标,打的成,一、复杂地层深井的特殊工艺井1、引进或研制抗高温动力钻具、仪器。2、合理的井身结构。二、大位移井1、引进旋转导向工具。2、加快旋转导向工具的商业化进程。3、对关键的施工过程进行模拟分析。,优化设计目标,打的快,胜利油田在中深井钻井方面，2007年共完井1721口，钻井进尺411.5万米，平均井深2369米，在定向井、水平井进尺占62.4的情况下，平均机械钻速接近20米/小时，平均建井周期20.1天。2008年钻井机械钻速基本稳定在20米/小时以上。但是对于东营北带等深层砂砾岩层钻井仍然存在着机械钻速低的情况。,优化设计目标,打的好,减少钻井过程中的复杂情况。提高钻井质量1、井身质量。2、固井质量。3、完井质量。提高油层钻遇率。做好油层保护工作。,优化设计目标,打的好,目前存在钻井过程中存在的问题。1、井漏问题（车660区块，潜山油藏）2、井壁稳定问题（河148区块，砂岩疏松地层，低渗透油藏）3、水平井的固井质量和水层的有效封隔问题。水平井套管和筛管的损坏问题（草27区块，郑411区块）解决方案：1、对于复杂区块的问题进行针对性的研究；2、在加强技术攻关的同时，加强过程监督。,优化设计目标,打的便宜,设计层面1、确立系统优化的理念2、在三个结合（上与地质、下与采油、中间与钻井新技术紧密结合）的基础上，优化方案加强勘探开发一体化的程度，让钻井工程实施的主体能够分享到“打的便宜”的成果,优化设计目标,打的便宜,设计层面1、确立系统优化的理念2、在三个结合（上与地质、下与采油、中间与钻井新技术紧密结合）的基础上，优化方案加强勘探开发一体化的程度，让钻井工程实施的主体能够分享到“打的便宜”的成果,优化设计目标,打的便宜,设计层面1、确立系统优化的理念2、在三个结合（上与地质、下与采油、中间与钻井新技术紧密结合）的基础上，优化方案加强勘探开发一体化的程度，让钻井工程实施的主体能够分享到“打的便宜”的成果,优化设计目标,打的便宜,设计层面1、确立系统优化的理念2、在三个结合（上与地质、下与采油、中间与钻井新技术紧密结合）的基础上，优化方案加强勘探开发一体化的程度，让钻井工程实施的主体能够分享到“打的便宜”的成果,优化钻井设计的基本内容,开发要求,质量要求,已钻井资料,钻井方式钻井工程施工存在的技术难点,工艺技术现状,井身结构设计,钻井液设计,固井设计,体系设计,性能指标,材料用量,钻具组合,钻井参数,钻头设计,井控设计,套管管柱,注水泥设计,后期作业成本,钻井作业成本,开发效益最高,根据目前的工艺技术水平风险评估,轨道设计,以钻井环境、开发要求、工艺技术现状、实钻经验、相关标准规定为依据，以系统工程的理论和方法为指导，以整体优化为原则，建立整个开发系统的“最优方案”，,钻井工程设计系统优化设计思路,层次,涉及,设计系统优化影响因素,部门,专业,钻井工程设计系统优化设计思路,涉及专业,油藏地质,地球物理,钻井工程,采油工程,涉及部门,涉及层次,影响因素分析,管理部门,建设单位,施工单位,设计单位,技术工艺,配套工艺,安全环保,开发目标,组织沟通能力,系统协调能力,专业知识能力,在钻井工程设计优化时，涉及众多的设计项目，且每个不同的项目又有不同的方案，面对诸多影响因素，需确定主要影响要素。通过主要要素的优化，实现优化的目标。,优化钻井设计的基本思路,开发要求,质量要求,已钻井资料,钻井方式钻井工程工艺存在的技术难点,工艺技术现状,井身结构设计,钻井液设计,固井设计,体系设计,性能指标,材料用量,钻具组合,钻井参数,钻头设计,井控设计,套管管柱,注水泥设计,后期作业成本,钻井作业成本,开发效益最高,根据目前的工艺技术水平风险评估,轨道设计,优化钻井设计的基本思路,油藏地质设计,地面条件,采油工艺要求,钻井方式,直井,定向井,水平井,单井,丛式井,井型,工艺,常规,气体,欠平衡,优化钻井设计的基本思路,油藏地质设计,地面条件,采油工艺要求,钻井方式,直井,定向井,水平井,单井,丛式井,井型,工艺,常规,气体,欠平衡,采用丛式井技术应进行钻井总体设计确定井场个数，每个平台的钻井数量和钻井顺序。,根据钻井能力布置钻井井场（平台）和根据油藏开发意图布置钻井井场（平台）的思路进行优化,优化钻井设计的基本思路,2008年完成的垦东12人工岛大型丛式井组，共计94口井，累计进尺148800m，最终建成年产20104t的产能。,井距小（2.7m）造斜点浅（70-300m）井位密（54口）超浅地层、大井眼定向（33口井在135/8井眼定向）位移大（12口井底位移超过1000m）最大位移为1796.5m，位垂比为1.7:1,三维定向井（3口）,从钻井到采油的协调优化钻井工程与地面（海工）工程的优化工程经济评价优化.,优化钻井设计的基本思路,1、老168丛式井组井位部署及井场分布,井斜大井斜角60的井20口位移垂深的比值大井底水平位移2500m的井3口,作业日费：41363美元/天待命日费：20000美元/人员日费：国内工程师800美元/天.人（2人）国外工程师1400美元/天.人（2人）国内工程师动复员费：2500$/人国外工程师动复员费：35000$/人旋转导向工具动复员费：76000$作业、人员日费合计：45763$（320341元）人员、工具动复员费合计：151000$（1057000元）.,优化钻井设计的基本思路,优化钻井设计的基本思路,油藏地质设计,地面条件,采油工艺要求,钻井方式,直井,定向井,水平井,单井,丛式井,井型,工艺,常规,气体,欠平衡,根据油藏开发的要求、结合目前的工艺技术水平确定钻井工艺,例如：裂缝性储层。采用欠平衡压力钻井方式,优化钻井设计的基本思路,优化钻井设计的基本思路,油藏地质设计,地面条件,采油工艺要求,钻井方式,直井,定向井,水平井,单井,丛式井,井型,工艺,常规,气体,欠平衡,根据压力特点、结合安全钻井的需要确定钻井工艺,例如：漏涌同层。采用欠控压钻井方式,优化钻井设计的基本思路,优化钻井设计的基本思路,优化钻井设计的基本思路,油藏地质设计,地面条件,采油工艺要求,钻井方式,直井,定向井,水平井,单井,丛式井,井型,工艺