控压钻井技术在川科1井的应用.pdf

1 l 4 钻 采 工 艺 DRI I ． I JI NG ＆ PR0DUC TI ON T ECHNOLOGY 2 0 0 9年 5月 Ma v 2 0 0 9 控压钻井技术在川科 1井的应用 黄 明 中石化石油工程西南有限公司钻井工程研究院 黄明．控压钻井技术在川科 1 井的应用． 钻采工艺， 2 0 0 9 ， 3 2 3 1 1 41 1 5 ， 1 1 7 摘要川科 1 井是中石化南方勘探分公司在四川盆地川西孝泉构造部署的一口超深重点科学探索井， 井深 7 5 4 0 n l ， 井身结构为四开制。在川西新场构造， 该井首次将不同压力体系的须家河组地层放在同一裸眼井段钻进， 须家河组上部地层 须三 、 须四段 为 高压含 气层 ， 压 力 系数 为 2 ． 0～ 2 ． 0 2 ， 下部须二段地层为新场构造主 力产层 ， 压 力 系数 1 ． 6～ 1 ． 7 ， 易漏、 易喷， 属于典型的狭窄钻井液密度窗口井。该井采用控压钻井工艺对须三、 须四段适度欠压， 有控制引流燃烧该段天然气， 须二井段近平衡钻井， 以防止井喷和井漏。实钻过程中， 实时计算并控制井底压力， 保持压差稳定及产 出天然气在可控制范围内。文章介绍 了控压钻井的工艺特点， 施工过程及取得成果。 关键词复杂地层；压力系统；井喷；井漏； 控压钻井；井身结构； 钻井提速 中图分类号 T E 2 4 2 文献标识码 B DO I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 67 6 8 X ． 2 0 0 9 ． 0 3 ． 0 3 8 控压钻井技术始于 6 O年代， 通过应用先进的井控设备 和方法实现钻井最优化的一种工艺技术 ， 能够解决复杂地层 钻井所出现的复杂问题， 如由漏失造成的钻井液费用过高， 压差卡钻、 井控问题， 以及在狭窄压力窗口下钻井时可能发 生的涌 一 漏现象 ， 以提高钻井效率、 降低钻井成本⋯ 。川 科 1 井须家河组上部地层须三、 须四段为高压含气层， 压力 系数为 2 ． 0 2 ． 0 2， 下部须二段地层为新场构造主力产层 ， 压 力系数 1 ． 6～1 ． 7 ， 易漏 、 易喷， 难以选择钻井液密度。本井采 用控压钻井工艺对须三、 须四段适度欠压， 控制引流燃烧该 段天然气， 须二井段近平衡钻井， 防止井喷和井漏。 ’ 一 、基础 数据 1 ． 钻 遇地层及压力梯度 川科 1井三开钻进 中采取控压钻井技术主要钻穿须家 河二段地层， 须二地层压力系数 1 ． 6 01 ． 7 0 ， 厚约 5 5 0 m 见表 1 。 表 1 钻遇地层剖面 川科 1 井 地压梯度 破压梯度 系 统 组 段 岩性综述 垂深 m 钻厚 m MP a ／ m MP a ／ m 须五 3 1 9 5 5 0 5 页岩与细粒 岩屑砂岩 ， 中粒富岩 屑砂岩不 等厚一等厚互 层夹 黑 0 ．01 8 5 0． O 22 8 须 色煤层 线 叠 上 家 须四 3 8 7 5 6 6 O 砂岩 ，粉砂岩及煤层 O ． O 2 o 0 O ． O 2 4 5 系 统 河 组 须三 4 6 2 5 7 5 0 页岩与砂岩 ， 略等厚互层夹粉砂岩及煤层 O ． 0 2 0 o 0 ． 0 1 9 9 须二 5 1 7 5 5 5 0 灰 、 浅灰色细、 中粒长石岩屑石英砂岩夹黑色页岩 、 炭质 页岩 0 ． 0 1 7 0 0 ． 0 2 9 2 ． 控压钻 井井段油气 水显 示 本区须家河组二段为新场气田的主力产层， 气产量大。 新 8 5 1 井、 新 8 5 6井、 新 2井、 新 8 5 3井须二段均获高产工业 气流， 其中新 8 5 1 井 日产天然气 1 5 01 0 m 。本井钻达须 四段有气层显示 ， 且预测在须二段钻遇主产气层。 井身结构及套管程序见表2 。 - 二、 技术难点 1 常规钻井方式下， 无法选择合适的钻井液密度。由 于须四、 三段压力系数为2 ． 0～2 ． 2 ， 须二段压力系数为 1 ． 6 0 ～ 1 ． 7 0 ， 须四、 三段与须二段的地层压力系数相差0 ． 4 0 ． 5 ， 压差 1 8 MP a 。邻井资料显示 ， 钻井液密度在 1 ． 6 01 ． 7 0 g ／ cm。 范围内， 钻进中须二段普遍存在井漏。而须三、 四段地层 钻遇多层高压气层 本井须三段在钻井液密度2 ． 0 2 g ／ c m 情 况下 ， 钻进中出现溢流 。因此 ， 如采用平衡须三、 四段钻井 液密度钻进须二段 ， 易发生上喷下漏的复杂情况。 ’ 2 须二段是新场构造主产层 ， 产气量大， 井控风险大。 3 须四段有高压气层， 需控制地层出气量以保证控压 收稿 日期 2 0 0 90 32 2 作者简介 黄明 1 9 7 0一 工程师 ， 1 9 9 0年 7月毕业于重庆石 油学校钻 井专业 ， 现 任中石化 石油工程 西南公 司钻 井工程研究 院副总工 程 师 、 欠平衡钻井所所长。地址 6 1 8 0 0 0 IJ l l 省德 阳市天韵大酒店钻井工程院 ， 电话 0 8 3 8 2 6 0 1 6 2 0 。 第 3 2卷 V0 1 ． 3 2 第 3期 N0 ． 3 钻 采 工 艺 D R I L L I N G＆P R0 D U C T 1 0 N T E C H N0 L O G Y 1 1 5 钻井正常施工。根据新 l 0井须四段液体欠平衡施工情况 ， 钻井液密度为 1 ． 9 0 g ／ e m。 可安全施工， 但本井钻进须家河组 二段常规钻井液密度为 1 ． 7 0～1 ． 7 5 g ／ c m 时， 须四的产气量 尚不清楚。如产气量超出地面设备处理量， 则钻井液密度不 能降至须二段要求钻井液密度 ， 可能出现严重漏失。 4 没有配套不压井起下钻装置及 自动控制管汇台， 起 下钻作业时， 需提高钻井液密度， 平衡地层压力起钻， 可能导 致须二段地层出现漏失； 且井内压力频繁波动， 易造成井壁 失稳 。 5 本井段前期施工钻井液密度高达 2 ． 1 2 g ／ c m ， 转换 为控压钻井方式 ， 由于降低钻井液密度， 地层出气 ， 易造成井 壁垮塌 。 三、 施 工方案及 准备工作 1 安装控压钻井旋转防喷器 、 节流管汇、 分离器等地面 设备 ， 下钻 到底 。 2 降低钻井液密度。控压钻井前钻井液密度为 2 ． 1 2 g ／ e m。 ，采用边循环边下调密度方法 ， 首先将钻井液密度降低 至 2 ． 0 g ／ c m ， 下调密度过程中， 密切观察井壁稳定性、 地层 出气量。若出气量大， 循环排气。待出气量降低后， 下调钻 井液密度至 1 ． 9 5 g ／ 3 m 。待 钻井 液密 度下 调至 1 ． 8 0 g ／ e m 时 ， 开始钻进须二段地层 。 下调钻井液密度的原则 保证井壁稳定且地层产气量控 制在地面设备处理范围内 气量小于3 1 0 m ／ d ， 地层出 水不影响正常施工， 确保须二段实施近平衡钻井。 3 控压钻进中， 若出现漏失， 上提钻具进行堵漏， 提高 地层承压能力。堵漏成功后， 继续钻进。 4 钻达井深 5 5 8 0 m后， 根据实际情况平衡地层压力 起钻。 表 2 J I I 科 1井身结构 及套管程序 开钻 钻头程序 套管程序 井眼尺寸 完钻深度 尺寸 下入井段 程序 m mm m mm 1 6 6 0． 4 4 9 9 5 08 0 4 9 7 2 4 4 4． 5 3 2 0 o 3 4 6． 1 0 31 9 8 3 31 1 ． 2 5 5 8 0 2 5 7． 2 3 0 7 0～ 5 5 7 7 悬挂 ● 0～ 3 0 7 0 回接 5 4 3 0～7 5 4 0 悬挂 4 2 1 5 ．9 7 5 4 0 l 3 9 ． 71 7 7 _ 8 0 ～ 5 4 3 0 回接 注 3号控压钻井段 。 为顺利实施控压钻井施工， 需准备以下钻井液材料 1 现场储备密度 2 ． 3 0 g ／ c m 以上高密度钻井液 6 0 0 m 。 ，密度为2 ． 1 4 g ／ e m ’ 的控压钻进转换钻井液4 0 0 m ， 另配 5 0 m 。 的堵漏浆， 并由专人负责储备浆的日常维护工作。 2 每次起下钻置换钻井液时， 先注入 2 03 0 m 堵漏浆 浓度 2 5 ％， 密度2 ． 0 8 ec c m 全封须二段， 提高井底承压能 力 ， 防止井漏。 3 井浆中加入随钻防漏堵漏剂， 提高井壁稳定性。 表3 8只钻头实钻数据 所钻 钻速 钻压 转速 排量 进 口密度 须 四段欠压 须三段欠 井底 压力 出气量 序号 地层 m／ h k N r ／ m i n L ／ s g ／ c m 值 1 l P a 压值 1V l P a MP a 1 0 m ／ d 3 8 须三段 0 ． 7 2 4 0～2 6 0 5 5 3 3～ 3 4 2 ． 1 4 1 O 1 3 7 7 ． 5 3 9 须二段 0 ． 8 5 2 6 0～2 8 0 5 5 3 3～ 3 4 1 ． 7 8 l 8 ． 5 2 l 7 3 ． 5 4 0 须二段 1 ． 3 2 2 4 0～2 6 0 5 5 3 3～ 3 4 1 ． 7 5 1 9 ． 5 2 1 ． 5 7 6 ． 5 3 4 1 须二段 1 ． 0 4 2 4 02 6 0 5 5 3 3 3 4 1 ． 7 5 1 9 ． 5 2 1 ． 5 7 7 ． 2 4 2 须二段 O ． 7 5 2 4 0～2 6 0 5 5 3 3～ 3 5 1 ． 8 0 1 5 1 7 8 4 ． 8 4 3 须二段 1 ． 0 2 2 4 0～2 6 0 5 5 3 3～3 4 1 ． 8 O 1 5 1 7 8 6 ． 2 4 4 须二段 0 ． 9 7 2 4 0～ 2 6 0 5 5 3 3～3 4 1 ． 8 O 1 5 1 7 8 8 ． 1 2 ． 5 4 5 须二段 0 ． 7 0 2 4 0～ 2 6 0 5 5 ’3 3～3 5 1 ． 8 5 1 3 l 5 9 l 四、 控压钻井施工情况 8月 2 9日开始控压钻进， 钻井液入 口密度降至 2 ． 0 2 g ／ cm。 时地层开始出气 ， 排气口火焰高度 0 ． 51 m， 入口密度继 续降低至 1 ． 9 0 g ／ c m ’ 时， 火焰高度 81 0 m， 估算产气量 3 X 1 0 m ／ d ， 达到地面设备处理能力， 维持入 V I 钻井液 1 ． 9 0 g ／ e m 钻达须二段顶部 ， 钻进过程中产气量逐渐减小。继续降 低钻井液密度， 至9月 6日钻井液入口密度逐渐降低至 1 ． 7 5 g ／ c m 时， 排气口火焰高 68 m， 满足钻进须二段密度要求， 直至钻穿须二地层。 控压钻井井段 4 6 7 1 ． O 0～5 4 3 1 ． 7 O m， 共使用牙轮钻头 8只， 表3为各趟控压钻井参数各欠压值。 从表 中可知 ， 须三、 四段 欠压值较大， 压差 1 0～2 1 ． 5 M P a ， 须二段近平衡钻进， 压差 5 MP a ， 有效地防止了井漏的 发生。共钻进7 6 0 ． 7 0 m 4 6 7 1 5 4 3 1 ． 7 0 m ， 平均机械钻速 0 ． 9 1 m ／ h ， 比常规钻井 液钻 井有所提高 。 五、 实钻过程井简压力分析 控压钻进过程中， 井深 5 4 3 2 m时， 排量为 3 5 L ／ s ， 井底 产气量 3 X 1 0 m ／ d时， 钻井液密度为 1 ． 7 5 g ／ e m 时， 多相流 软件计算环空当量密度 ， 井筒压力分布如图 1所示。 计算立压为 2 0 ． 9 M P a ， 与施工结果相符， 环空当量密度 为 1 ． 5 6 g ／ c m ， 井底压力为 8 3 MP a 。须四3 4 0 0 m处环空循 环压力为 5 0 MP a ， 须二 4 9 0 0 m处环 空循 环压力为 7 4 ． 6 M P a ， 根据新场构造须四段 、 须二段地层压力统计 ， 须 四段 3 4 0 0 m， 地层压力约为7 0 MP a ， 须二段地层 下转第 1 1 7页 第 3 2卷 V0 1 ． 3 2 第 3期 No ． 3 钻 采 工 艺 DR I L L I NG＆P RO D U C T I O N T E C H NO L O G Y 1 1 7 剂在钻井液中的含量保持在 0 ． 0 5 ％ ～ 0 ． 1 ％之间， 加强固相 控 制 ， 控制钻井液密度低 于 1 ． 0 6 g ／ c m 。 本井在 8 5 1 ． 4 6～1 8 1 2 ． 1 8 m井段出现十二次钻具被刺 和钻铤断裂落井的井内复杂情况。在处理十二次钻具被刺、 钻铤断裂落井过程 中， 只有第十二次钻铤断裂落井， 处理时 井内情况较为复杂 第一趟钻下入公锥套铣打捞一次成功， 但上提阻力较大。倒扣后第二趟钻打捞下入公锥套铣， 因钻 头水眼被堵， 采用倒划眼上提 1 7 0 k N提出 4 0 m钻具后顺利 起完钻具。其余的十一次的复杂情况处理过程、 起下钻均顺 利， 井壁稳定。本井段处理钻具被刺、 钻铤断裂落井等井内 复杂情况共计耗时 1 1 ． 3 d 。尽管出现十二次钻具被刺、 钻铤 断裂落井的井内复杂情况。但使用无黏土相聚合物钻井液 配合工程快速钻井， 井壁稳定 ， 无掉块， 进尺 1 7 1 9 I l l ， 平均机 械钻速 1 0 ． 0 2 m ／ h ， 取 得显著的提速效益 。 通过大邑 1 0 1 井使用无黏土相钻井液实钻使用情况分 析， 无黏土相聚合物钻井液在压力梯度较低 ， 泥页岩胶结较 好， 水化分散性不强 ， 地层可钻性差， 且地层含水较丰富， 但 水层压力梯度不高的井段运用 ， 能满足钻井施工的要求， 达 到提高机械钻速目的。与常规聚合物钻井液施工比较 ， 最明 显的优点主要表现在以下几个方面 1 机械钻速成倍增加。无黏土钻井液固相含量低， 钻 井液结构黏度低 ， 有利于提高钻头水力破岩作用， 因此能大 幅度提高机械钻速 ； 与已钻同构造邻井钻速比较， 使用无黏 土相钻井液钻井施工， 钻速明显高于常规钻井液钻井。大邑 构造上同井段使用钾铵聚合物钻井液施工的大邑 2 0 1井及 大邑 3 井平均机械钻速为 1 ． 5～ 2 m ／ h ； 大邑4井使用无黏土 相钻井液平均机械钻速可达 5 ． 8 m ／ h 。大邑 1 0 1 井使用无黏 土相钻井液平均机械钻速高达 1 O ． 0 2 m ／ h ， 大邑 1 井同井段 使用气体钻井 ， 平均机械钻速为 1 0 ． 5 5 m ／ h ， 但该井气体钻井 准备时间及钻井成本远高于大邑 1 0 1井。 2 无黏土相聚合物钻井液使用处理剂类型少， 配制及 维护处理简单易行， 在大邑构造易于推广应用。只要求控制 好钻井液中絮凝剂的合理含量， 确保絮凝剂充分预水化分 散 ， 提高絮凝能力 ， 就能满足大邑构造沙溪庙组以上井段钻 井施 工的需要。 3 钻井液成本较低。使用无黏土相聚合物钻井液在大 邑构造沙溪庙以浅井段施工， 对 比钻井液成本 ， 其钻井液成 本只相当于使用钾铵聚合物钻井液成本的三分之一， 加之提 高机械钻速降低的施工成本 ， 经济效益明显。 4 已使用无黏土相聚合物钻井液的几 口井 ， 钻井施工 及特种作业都较顺利， 无黏土相聚合物钻井液中无分散型处 理剂 ， 钻井液抑制性强， 有利于提高井壁稳定性， 防止井壁粘 土矿物水化分散垮塌导致井内复杂情况。 四、 认识与体会 1 根据大邑构造沙溪庙以浅地层地质特征， 在大邑构 造沙溪庙以浅地层钻井施工使用无黏土相钻井液能满足钻 井施工的要求 。 2 无黏土相钻井液能有效提高钻井机械钻速 ， 但对井 内频繁的刺、 断钻具是否与无黏土相钻井液有关 ， 目前认识 还不 充分 。 3 使用无黏土相钻井液施工 ， 要求钻井精心操作 ， 尽量 避免钻具静止 ， 防止钻屑沉淀埋钻井内复杂情况。 4 无黏土相钻井液体系配制、 维护处理简单易行， 降低 钻井液成本， 经济效益显著。 编辑 黄 晓川 上接第 1 1 5页 4 9 0 0 m， 地层压力 约为 7 0 MP a 。可见 ， 须 四 负压差为 2 0 M P a ， 而须二井底压力大于地层压力 4 ． 6 MP a ， 压差小， 不易造成井漏。 O 曼 1 0 0 0 2 0 0 0 4 3 。 。 。 0 O O 5 00 0 压力 MP a 图1 钻柱及环空压力计算结果 六 、 结论 I 川西以须二为 目的层的深井井身结构通常采用 四 开制， 根据川科 1 井施工情况， 可将井身结构进行改进成三 开制， 二开技术套管可下至须五以上地层， 三开生产套管下 至设计井深。三开须五至须三段底部采用液体欠平衡提速， 目的层须二段采用控压钻井技术， 进一步降低开发成本 ， 提 高川西深井钻井效率。 2 形成了J I I 西新场构造须家河组控压钻井的工艺技 术， 上部高压气层采用欠平衡钻井， 在主产层须二段采用近 平衡钻进。 3 控压钻井技术避免了因地层压力体系不同， 出现上 喷下漏的复杂情况。用于上喷下漏， 严重漏失层钻进可以有 效避免常规钻井技术带来的井下复杂情况 ， 大幅度缩短钻井 周期 。 4 由于本井没有配置不压井起下钻装置 ， 地面压力补 偿系统及 自动控制节流管汇， 起下钻钻井液转换和密度调节 过程复杂， 使本井的控压钻井技术显得粗糙和不完善， 但在 控压装备配套不断完善的条件下 ， 控压钻井技术水平必得更 大提高。 参考 文献 [ I ] 严新新， 陈永明， 燕修良．M P D技术及其在钻井中的应用[ J ] ， 天然气勘探开发 ， 2 0 0 7 ， 6 6 26 6 ． [ 2 ] Ha n g e g a n D o n M．Ma n a g e d P r e s s u r e D ri l l i n g in Ma r i n g E n v i r o n me n t sC a s e S t r u d i e s [ J ] ．S P E ／ I A DC 9 2 6 0 0， 2 0 0 5 ． ． 编辑 黄晓川