前34井充氮气欠平衡钻井设计与施工.pdf

第 3 8卷 第 4期 2 O 1 0年 7月 石 油 钻 探 技 术 P ETR I EUM DRI I I I N ； - l 、 E 、 H N QUES Vo L 38 No ． 4 J u 1 ．， 2 0 1 0 钻 井与完井 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 0 8 9 0 ． 2 0 1 0 ． 0 4 ． 0 1 8 前 3 4井充氮气欠平衡钻 井设计与施工 陈 勋 中国石油 辽河油 田分公司 ， 辽宁 盘锦 1 2 4 0 1 0 摘 要 为准确评 价前进 潜山腰部 太古界地层的含油气情况 ， 辽 河油 田在前 3 4井应 用 了充 氮气欠平衡 钻井技 术。该 井钻前使用 UB DS Ve r ． 6 ． 2欠平衡钻 井多相流动计算软件 系统进行 了水力参数设计 ， 分析 了井 口套 压及起 下钻过程对欠平衡钻井的影响， 最终确定 了充氮 气欠平衡 钻 井技 术方案 采 用密度 1 ． 2 0 k g ／ L的无固相钻 井液为 充气钻 井基液 ， 井底 欠压差 一3 ． 5 ～ 一1 ． 7 MP a ， 液相排量 1 2 L ／ s ， 注气量 2 5 I n 。 ／ mi n ， 井 12 套压控制在2 MP a以内， 起 下钻速度不超过 0 ． 5 m／ s 。该井在钻井过程 中严格按 照设 计施 工， 真正实现 了井底 欠平衡 ， 避免 了井漏等 井下复 杂情况 ， 有效保护 了储层 。该井与使 用常规钻 井技术的 同类型井相比 ， 机 械钻速提 高 了 2 1 。该 井充 氮气欠平衡 钻 井的成功 ， 验证 了太古界地层深井充氮气欠平衡钻 井的可行性 ， 为辽 河油 田低 压潜 山深部 油层勘探 开发过程 的 油气 层 保 护 和储 能评 价 提 供 了一 条 新 的 技 术 途 径 。 关键词 欠平衡 钻井；注 气量 ；欠压值 ；水力参数设计 ；防止地层损 害；辽河油田；前 3 4井 中 图分 类 号 TE 2 4 9 文 献 标 识 码 B 文 章 编 号 1 0 0 1 0 8 9 0 2 0 1 0 0 4 0 0 7 0 0 5 Ae r a t e d Ni t r o g e n UBD De s i g n a n d Dr i l l i n g i n We l l Qi a n 一 3 4 Ch e n Xa n Li a o h e Oi l f i e l d Co ． ， CNPC， Pa n j i n， Li a o n i n g， 1 2 4 0 1 0， Ch i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o e v a l u a t e t h e r e s e r v e s i n a r c h a e o z o i c f o r ma t i o n i n Qi a n j i n， a e r a t e d n i t r o g e n UB D wa s u s e d W e l l Qi a n 一 3 4 ． Th e h y d r a u l i c s p a r a me t e r s o f W e l l Qi a n 一 3 4 wa s d e s i g n e d u s i n g t h e u n d e r b a l a n c e d d r i l l i n g h yd r a u l i c s c a l c ul a t i o n s of t wa r e U BDS Ve r ． 6 ．2 ． Th e i mp a c t of c as i n g p r e s s u r e a nd t r i p pi ng ve l o c i t y o n UB D wa s d i s c u s s e d ． Th e a e r a t e d n i t r o g e n UBD f o r t h i s we l l wa s d r i l l i n g f l u i d d e n s i t y o f 1 ． 2 k g ／ L， t h e p r e s s u r e d i f f e r e n c e o f一3 ． 5 ～ 一 1 ． 7 MPa ， f l u i d d i s p l a c e me n t o f 1 2 L ／ s ， g a s i n j e c t i o n r a t e o f 2 5 m。 ／ mi n， c a s i n g p r e s s u r e u n d e r 2 MP a a n d t r i p p i n g v e l o c i t y l e s s t h a n 0 ． 5 m／ s ． Th e u n d e r b a l a n c e d d r i l l i n g wa s a p p l i e d a n d t he we l l l e a k i ng a nd o t h e r c ompl e x c o nd i t i o ns we r e a v o i d e d． Co m p a r e d wi t h o t he r we l l s， ROP wa s i n c r e a s e d by 21 ． The s uc c e s s i n t hi s we l l s ho ws t ha t a e r a t e d n i t r o ge n d r i l l i ng i s a p pl i c a b l e i n a r c ha e o z o i c f or ma t i on a nd p r o vi de s a n e w me t ho d f o r f o r m a t i o n pr o t e c t i on a n d e v a l u a t i on i n Li a o he Oi l f i e l d． Ke y wo r d s u n d e r b a l a n c e d r i l l i n g ； i n j e c t i o n v o l u me ； v o l t a g e v a l u e ； h y d r a u l i c s d e s i g n； f o r ma t i o n d a ma g e p r e v e n t i o n； L i a o h e Oi l f i e l d； W e l l Qi a n 一 3 4 辽河 油 田前 3 4井 的 钻探 目的层 为低 压 潜 山地 层 ， 钻 井过程 中易发 生 恶性 漏 失 ， 导 致 裂缝 堵 塞 ， 油 层污染 ， 产能 降低 。该 井 的钻 探 目的是 要 预探 前 进 潜 山腰部太 古界 的含 油 气 情况 ， 正 确 评 价地 层 的储 能 ， 而 这就要 求尽 可能减 小钻井 过程 中的 油层污 染 。 由于欠 平衡钻 井技术 可 以人 为地 使井 眼 内的钻井 液 液柱压力低于产层地层压力 ， 从而达到及时发现和 保 护油 气 层 的 目的口 ] 。 因 此 ， 辽 河 油 田决 定 在 前 3 4井应 用充氮 气欠平 衡钻 井技术 。 前 3 4井欠 平 衡钻 井 设计 及 施 工过 程 中存 在一 些 难题 。首先 ， 该 井 设 计 井深 3 9 2 2 m， 垂 深 3 9 0 0 m， 是 辽河 油 田第 一 次 在 前进 潜 山地 层 和 深 部地 层 应用 充氮 气欠平 衡 钻 井 ， 且地 层 情 况 复杂 ， 因此 ， 对 收 稿 日期 2 0 1 一 一 1 2 ； 改 回 日期 2 0 1 0 一 O 6 3 O 作者简介 陈勋 1 _j 6 ． 1 9 8 ；3年毕业 于江汉石 油学院钻井专 业 ． 钻 井工程部 副处长， 高级 工程 师， 主要 从 事钻 井工程技 术 管理 工作 。 联 系方 式 0 4 2 7 7 2 9 8 7 0l ， c h { n x i n p e t r o c h i n a ． c o i n ． c n 第 3 8卷 第 4期 陈 勋 等 前 3 4井 充 氮 气 欠平 衡 钻 井设 计 与 施 工 水力 参数 设计 及现 场 施 工 都 提 出 了较 高 的要 求 ； 其 次 ， 欠 平衡 钻井 作 业 时 ， 为保 证 井 下 安 全 ， 某 些 情 况 下会 在钻井 过 程 中对 井 口施 加 一定 的 套压 __ 1 “ ] ， 以 平 衡部 分 地层 压力 ， 因 此需 要 根 据 井 场 实 际数 据 对 井 筒压 力 进行 快速 计算 ； 再 次 ， 在起 下钻 过程 中产 生 的抽 汲和 激动 压力 对井 底压 力 的影 响 比较 大 ， 因此 ， 需要 针对 该井 的实 际情 况对 起 下钻 所 引起 的压力 变 化进行 分 析 ， 为现场 施 工提 供指 导 。 1 水力参数设计 在欠 平 衡 水 力参 数 设 计 过 程 中 ， 应 综 合 考虑 井 筒稳 定性 、 地 层压 力 、 井 筒 内 的 当量 循 环 密 度 、 井 底 的欠 压值 、 环 空 携 岩 比等 因 素 。前 3 4井 应 用 中 国石 油大 学 华 东 开 发 的 UB D S Ve r ． 6 ． 2欠 平 衡 钻井 水力 设计 与计 算 软 件 ， 对 水 力 参 数 进 行 了优 化 设计 ， 该 软件 采用 了非 稳 态多 相 流动计 算 方法 _ 1 “ ] ， 并 考虑油 气 相变 、 油层 产 出与 井筒 的连 续 线性 耦合 。 合理 压差 的确 定 是欠 平衡 钻井 设计 的重要 内容 之一 ， 它首 先 要考 虑 井 眼安 全 ， 因此 ， 井 壁稳 定 和 避 免井 漏是 首先 要考 虑 的 因素 。钻井 过程 中影 响井 壁 稳定 的因素很多 ， 大体可归结为钻井液化学和地 层 力学 因素 。 由于 在井 筒压 力小 于 地层 孔 隙压力 的欠 平衡 条件 下 ， 几乎 没有 钻井 液 进人 地层 。因此 ， 应 主 要从 力学 角 度考 虑引 起欠 平衡 钻 井过 程 中井壁 失 稳 的原 因 。欠 平衡 条件 下 ， 保证 井 眼安全 ， 不 发 生剪 切 破 坏 的条件 为 r 0 ． 5 ， 满 足 携 岩 要求 。 0 ㈣ 1 1 2 2 3 3 4 g＼ 醛嫩 2 O 1 0年 7月 目 聪 气体体积分数 图3 不同注气量下井眼内气体体积分数变化曲线 环空摩阻／ MP a 0 0 ．5 1 ． 0 I ． 5 2 ．0 2 ．5 3 ． 0 3 5 图4 不同注气量下环空摩阻的变化曲线 携岩比 图5 不同注气 量下环空携岩 比的变化曲线 其 中， 在井深 3 3 0 0 1 3 3 ． 处 ， 携岩 比降到最 低 ， 这是 因为 该处为钻铤与钻 柱连 接 的地方 ， 环 空面 积达 到最 大 ， 循环流速最低 ， 携岩情况也最差 。欠平衡设 计 中考虑 携岩时， 可参考该处的值进行设计。 通过上 述计算 分析 ， 依据 设计 井底 动欠压 差 一 3 ． 5 ～ 一1 ． 7 MP a ， 综合 考虑 井 眼 内的 当量 循 环密 度、 环空携岩 比等 ， 在液相排量为 1 2 L ／ s 时， 选择注 气量为 2 5 IT I 。 ／ m i n 。表 1为在该 注气 量下 ， 水 力参 数 设计 结果与实际钻井参数 的对 比情 况 。 m k g 撒 L - 锻 1 2 施工方案优化设计 2 ． 1 井 口套 压对欠 平衡钻 井 的影响 笔者 使 用 UB D S V e r ． 6 ． 2软 件对 不 同 井 口套 压 下 ， 井底欠 压值 的变 化情况 进行 了计 算 ， 结果 见 图 6 、 表 2 。其 中注 气量为 2 5 m。 ／ mi n 。 鲁 媾 鞍 图6 不同井口套压下井眼环空内的当量循环密度 井 口套压／ MP a 井底欠压值／ MP a 井底压力增加值／ MP a 从 图 6可 以看 出 ， 随着套 压 的增大 ， 环空 内钻井 液当量循环密度增大。由表 2可知 ， 施加套压后井 底欠 压 值减 小 ， 当套 压 达 到 0 ． 6 MP a时 ， 井 底 为过 平衡 。由表 2还可 以知 道 ， 施 加 套 压 后井 底 压 力 的 增大 值要 大于施 加 的套压 值 ， 如施 加 1 MP a的套 压 后 ， 井 底压力 的增 加 值 为 1 ． 5 6 MP a ， 为所 施加 套 压 的 1 ． 5倍 。因为施加套压后， 一方面会直接引起井 。 湖 姗 咖 姗 ㈣ 姗 l 1 2 2 3 3 4 o 咖 湖 姗 ㈣ ㈣ l l 2 2 3 3 4 目＼ 姥嫩 o o 姗 姗 咖 咖 1 l 2 2 3 3 4 目＼ 聪末 第 3 8卷 第 4期 陈 勋等 前 3 4井 充 氮 气 欠 平 衡 钻 井设 计 与 施 工 底压力 的增加 ； 另 外 ， 施 加 的套 压会 使 井眼 内气 体体 积分 数减 小 如 图 7所 示 ， 这 又 使 井底 压 力 进 一 步 增大 。在 现场 施 工过 程 中施 加套 压 应 该 谨 慎 ， 前 3 4 井估 计 井底 最 大 欠 压 值 为 一3 ． 5 MP a ， 在 施 工 中套 压应 控制 在 2 ． 0 MP a以 内 。 气体体积分数 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 0 图7 不 同井口套压 井眼环空 内的气体体积分数 2 ． 2 起 下钻 对欠 平衡 钻 井 的影 响 前 3 4井 井 深 接 近 4 0 0 0 m， 如 果 起 下 钻 速 度 过 大 ， 会产 生较大 的抽 汲 和激 动 压力 ， 对 安 全钻 进 和 成 功实现 欠平衡产 生影响 ， 因此 ， 需 要 对起 下 钻 所 引 起 的压 力变 化进 行分 析 。笔 者 使用 UB D S Ve r ． 6 ． 2 软 件对 不 同钻井 液黏 度 时起 下钻 速度 对抽 汲压 力 和 激 动压 力 的影响 进行 了计 算 ， 结果 见 图 8 、 图 9 。 叟 ＼ R 趟 需 筑 图8 不同钻井液黏度时，激动压 力随下钻速 度的变化 曲线 由 图 8和 图 9可 以 看 出 ， 随 着 起 ／ 下 钻 速 度 的 加 快 ， 激 动 ／ 抽 汲 压 力 增 大 。其 中 ， 当 起 ／ 下 钻 速 度 达 到 1 m／ s时 ， 抽 汲 ／ 激 动 压 力 将 超 过 2 MP a 。 因 此 ， 在起 钻 过 程 中应 控 制 起 钻 速 度 ， 并 及 时 补 灌 钻 井 液 ， 或 施 加 一 定 的 节 流 压 力 循 环 压 耗 欠 压 值 以防 止 井 眼 内压 力 失 控 ； 在 下 钻 过 程 中 ， 应 控 制下 钻 速 度 防止 井 底 压 力 增 加 过 大 ， 产 生 过 平 衡 ， 甚 至压 裂 地 层 。 重 基 幕 0 l 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 1 0 起钻速度／ m S 图9不同钻井液黏度时，抽汲压 力随下钻速度的变化 曲线 前 3 4井 所 使 用 的钻 井 液 黏度 为 7 ． 5 mP a s ， 在 目的层 段 ， 只要保 证起 下 钻 速 度不 超 过 0 ． 5 m／ s ， 所 产生 的激 动 或抽 汲 压 力 都低 于 1 ． 0 MP a ， 不 会 影 响钻井 的安全进 行 。 2 ． 3施工 准 备及 注意 问题 井 口套 压 大小 的控 制 ， 应 视 旋 转头 承 压 能 力 的 大小 而确 定 。通 过 调 节 地 面 液 压 节 流 阀 的 开 启 程 度 ， 将 井 口回压 控制 在设 定 的安 全工作 压 力范 围 内 。 为 了降低 施工 中的风 险 ， 实施 欠 平 衡 钻 井 时 井 口套 压应 控制 在 2 ． 0 MP a以 内 。 欠 平 衡 钻 井 过程 中 ， 现场 停 泵 接 单 根 和换 胶 芯 时井 眼环 空 的欠 压 值最 大 ， 进 入 环空 的气 液量 大 ， 将 造 成地 面 套压 迅速 升 高 ， 有 时在 几 分 钟 内甚 至 更 短 的时 间 内套压 就会 高 于安全 压 力 ， 为 降低 风 险 ， 在 实 施 欠 平衡 钻井 时 ， 应 注 意 以下几 个方 面 的 问题 1 密 切 观 察 和严 格 控 制 井 口套 压 ， 当 套 压 ≥ 2 ． 0 MP a时 ， 必 须 停 钻 节 流 排 气 排 液 ， 当井 口套 压 恢 复 至安 全压 力值 时再 继续 钻 进 ； 2 保持井 口防 喷器组 处 于 良好 的工 作状 态 ； 3 保持 钻井 泵 与压井 管 汇 连接 完 好 ， 随 时可 以 投入 工作 ； 4 开钻 前对 井 口防喷器 组 进行 分 段试 压 ， 达 到 设 计 要求 方 可开钻 ； 5 准备 8 0 m。卤水 和 3 0 t 加重材料 ， 以备调用 。 3 现 场 施 工 3 ． 1 施 工过 程 前 3 4井 欠 平衡 钻井 及 气 体 钻 井 设 备 安 装 完 成 后 ， 按 照要求从井 深 3 3 0 4 ． 6 6 m 开始先钻进 5 0 m， 然 后 进行 地层 测试 。 O 5 0 5 O 5 3 2 2 1 1 0 O O 0 O O O O 0 O 如 ∞ 如 ∞ 如 ∞ ∞ ∞ 1 1 2 2 3 3 4 目＼ 寐 7 4 石 油 钻 探 技 术 2 O 1 0年 7月 完成充氮气钻井设备安装和调试 ， 进行充氮气 钻进 ， 注液量 1 2 L ／ s ， 注 气 量 2 5 ． 0 ～ 3 2 ． 4 m。 ／ rai n ， 钻至井深 3 4 9 , 6 ． 1 l r n ， 井底当量循环密度 0 ． 8 1 ～ 0 ． 8 5 k g ／ L， 进尺 7 O ． 7 5 m， 纯钻 时间 2 9 ． 7 h ， 平均机 械钻速 2 ． 3 8 m／ h 。而后由于 S h a f f e r 旋转防喷器胶 芯不密封 ， 更换胶 芯后 重新进 行充 氮气钻 井 ， 钻 至井 深 3 4 7 4 ． 8 6 m， 注 液量 1 3 I ／ s ， 注 气 量 2 2 ． 0 ～2 9 ． 4 m。 ／ mi n ， 井底 当量循 环 密度 0 ． 8 1 ～0 ． 8 6 k g ／ L， 平 均 机械 钻速 1 ． 3 7 m／ h 。因为发 现 S h a f f e r 旋 转 防喷器 液压油 漏失仍 然 严 重 ， 起 钻 更 换 XK3 5 1 7 ． 5 ／ 3 5型 旋 转控 制头 。 继续 采 用 充 氮 气 欠 平 衡 钻 进 ， 顺 利 钻 至 井 深 3 6 8 5 ． 1 3 m， 注液量 1 2 L ／ s ， 注气 量 2 1 ～2 4 m 。 ／ mi n ， 井底 当量循环 密度 0 ． 8 2 ～O ． 8 7 ， 平 均机 械钻速 1 ． 7 3 m／ h 。根据 甲方要求 ， 停 止充 氮气欠 平 衡 钻进 ， 采用 无 固相钻 井液 钻至设计 井深 。 3 ． 2欠 平衡钻 井效果 分析 表 3给出 了前 3 4井测后效记 录全烃 值监测 情况 分析 。整个钻进过程 ， 全烃值 不高 ， 均低于 0 ． 9, 5 。 与使 用 常 规 钻 井 技 术 的 同 类 型 井 机 械 钻 速 1 ． 6 1 m／ h 相 比 ， 前 3 4井 充 氮 气欠 平 衡 钻井 的平 均 机械钻 速 1 ． 9 4 m／ h 提高 了 2 1 ， 而且钻 井 过程 中未发生井漏等井下复杂情况， 有效保护了油气层， 获得 了一批 珍贵 的地 层 数 据 ， 从 而 为准 确 评价 该 地 层 的储 能提 供 了依 据 。 4 结论及建议 1 前 3 4井使用 UB DS 6 ． 2欠平衡钻井多相流 动计 算软件 系统进 行 了详细 的水 力参 数分 析和优 化 设计 ， 并 严格按 照设计 参数 进行施 工 ， 成 功实 现井底 欠平 衡 ， 得 到很 好 的 油气 显 示 。与使 用 常 规钻 井 技 术 的同类 型井相 比， 提 高 了机 械钻速 ， 避免 了井漏 等 井下 复杂情 况 ， 有 效保 护 了油气 层 。 2 前 3 4井是辽河油田首次在深井中进行充氮 气钻井 ， 它的钻探成功标志着前进潜山腰部太古界 含 油气情 况预 探成 功 ， 进 一 步拓 展 了 该 区域 的探 明 含油 面积 ， 为下 一步增 储上产 奠定 了基础 。 3 欠 平衡 钻井 作业 时 ， 钻井 过程 中需在 井 口施 加一 定 的套 压 ， 但 其 大 小应 结 合具 体 井 的 实 际情 况 进行分析， 适时通过计算进行调整。 4 建议推进全过程欠平衡钻井技术的研究 ， 集 中力 量加 快 P WD 随钻压 力测量 系统 与 D AP C 动 态环 空压力 控制 系统 的配套 和应用 ， 提 高全过程 欠 平衡 钻井 的精确性 、 可 控性与 安全性 。 参 考 文 献 [ 1 ] 徐开放． 欠平衡钻井环空多相 流压力控制 [ D] ． 四川南充 西南 石油学院石油工程学院， 1 9 9 9 ． E 2 3 陈思路． 空心玻璃微珠在沈 2 8 9井欠平衡钻井中的应用E J 3 ． 石 油 钻 探 技 术 ， 2 0 1 0 ， 3 8 1 6 1 6 2 ． E 3 ] 李相方 ， 刚涛 ， 隋秀香 ， 等． 欠平衡钻井井 口回压控制理论 与方 法_ J ] ． 石油钻探技术 ， 2 0 0 2 ， 3 0 6 1 2 - 1 4 ． E 4 3 李静 ， 赵小祥． 欠平衡钻井技术及 其应用与发展 E J J ． 石油钻 探 技术 ， 2 0 0 2 ， 3 0 6 2 4 2 5 ． E 5 3 杨 虎． 欠平衡压力钻井环空气量对井 内各流动参数的影响[ J ] ． 石 油 钻 探 技 术 ， 2 0 0 1 ， 2 9 1 1 5 - 1 6 ． E 6 2 杨春 国， 侯绪田 ， 曾义金． 欠平衡压力钻井井底压力控制技术 探 讨E J 3 ． 石油钻探技术 ， 2 0 0 0 ， 2 8 5 2 2 - 2 3 ． E 7 3 冯光通 ， 倪益明， 张佃宾 ， 等． 应用欠平衡 水平井技术 开发多层 超薄特低渗油藏E J 3 ． 石油钻探技术 ， 2 0 0 3 ， 3 1 2 2 0 - 2 1 ． [ 8 ] 罗世应． 欠平衡钻井理论研究及数模E D3 ． 四川南充 西南石油 学院石油工程学院 ， 1 9 9 9 ． E 9 3 范军 ， 王西安 ， 韩松． 油气层渗流与井筒多相流动的耦合及应用 [ J ] ． 重庆大学学报 自然科学版 ， 2 0 0 0 ， 2 3 1 0 1 5 4 1 5 7 ． [ 1 O 3都振川 ， 胡文 ， 许 瑞玲． 商 7 4 1 一 平 2井欠平衡 压力钻井 技术 [ J ] ． 石油钻探技术 ， 2 0 0 1 ， 2 9 4 2 7 2 9 ． [ 1 1 ] 杨令瑞 ， 杨 波， 肖润德． 天然 气欠平衡 钻井完井技术 [ J ] ． 钻采 工艺 ， 2 0 0 5， 2 8 1 4 - 7 ． [ 1 2 3 周英操 ， 翟洪军． 欠平衡 钻井技术与应用[ M] ． 北京 石 油工业 出版 社 ， 2 0 0 3 1 l 8 - 1 3 5 ． L 1 3 3 王志远 ， 孙宝江， 高永海． 深水 司钻法压井模拟 计算E J 3 ． 石油 学报 ， 2 0 0 8 ， 2 9 5 7 8 1 7 9 0 ． [ 1 4 3 杨成金 ， 李雅 档， 孙宝江． 欠平衡钻井 中的几个非稳定 过程分 析E J 3 ． 石 油钻探技术 ， 2 0 0 3 ， 3 1 5 6 7 6 9 ． [ 1 5 ] 李相方， 庄湘琦 ， 隋秀香 ， 等． 气侵期间环空气液两相流动研究 E J J ． 工程热物理学报 ， 2 0 0 4 ， 2 5 1 7 3 7 6 ． [ 审稿 陈永明]