LG地区提高超深井钻井速度的技术途径.pdf

第 2 9 卷第 1 O 期 天然气工业 L G地 区提 高超深 井钻 井速度 的技术 途径 * 郑有成 凌 忠 1 ． 中国石油西南 油气 田公司勘探事业部 邓 虎 常洪渠 2 ． 川 I 庆钻探工程公 司钻采工艺研究 院 郑有成等． L G地 区提高超深井钻 井速度 的技术途径． 天然气工业 ， 2 0 0 9 ， 2 9 1 O 5 1 - 5 3 ． 摘 要L G地 区侏 罗系下部地层油 气显示活跃， 地层压 力与显示 强度在横 向上差异较大 并难 以准 确预测 ， 岩 石固有 强度 普遍低 于气体钻井 临界 强度 ， 井 眼不稳 定 问题较 为突 出。为解决 以上难 题 ， 利用 测 井手段并 结合 实钻 资料分析 了L G地 区地层压 力剖面特征 、 侏 罗系地层气体钻 井的井眼稳定性和 主要钻井工程地质 问题 ， 提 出如下技 术措施 ①合理控 制气体钻井 的深度 ， 有效规避 气体 钻井 的作 业风 险， 提 高气体 钻井效 率 ； ②在 侏罗 系下部地 层不 适 合气体钻井 的层段 ， 实施欠平衡钻 井和 P D C钻 头复合钻井 ， 来进一步提高超 深井钻井速度。 关 键词 钻 井工程 地 质 超深井 气体钻 井 测井 欠平衡钻 井 复合钻柱 D0I 1 0 ． 3 7 8 7 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 0 0 9 7 6 ． 2 0 0 9 ． 1 0 ． 0 1 5 0 引 言 I G地 区超深 井 钻 井 速 度 比 四川 盆 地 已钻 超 深 井 有大 幅度 的提 高 ， 特别 是该 区 的某 井 ， 通 过应 用 气 体钻井和常规成熟配套工艺技术 ， 仅用 1 4 5 d钻达井 深 6 5 3 0 m完 钻 ， 实现 了 四川 油 气 田超 深 井 钻井 速 度 的历史 性 突破 。I G 地 区 已钻 探 井 相 关 统 计 分 析 表 明 ①气 体 钻井 特 别 是 采 用 空 气 锤 取 代 牙 轮 钻 头 是 提高 钻 井 速 度 非 常 有 效 的手 段 。 与 常 规 钻 井 相 比， 在侏 罗 系地层 j z 『 3 1 1 ． 2 IT l m 井 段平 均 机械 钻 速 和 单 只钻 头进 尺 均可 分别 提 高 1 0倍 以上 ； 须 家 河组 高 研磨性地层实施气体 氮气 钻井也可显著提高机械 钻 速 ， 实钻 统 计 其 平 均 机 械 钻 速 是 欠 平 衡 钻 井 的 5 倍 ， 是平 衡 钻 井 的 9倍 多 。② 气 体 钻 井 作 业 风 险不 能忽视 。个 别井 在 气体 钻井 中发 生 了严 重 事 故 和井 下复杂 情 况 ， 被 迫 侧 钻 ， 损 失 较 大 ， 显 著 降 低 了全 井 钻井速 度 。③P D C钻头 及 复合钻 井技 术 的应 用 对 提 高石 灰 岩 地 层 钻 速 作 用 显 著 ， 机 械 钻 速 和 钻 头 进 尺 明显 高 于 牙 轮 钻 头 与转 盘钻 井 ， 实 现 了 深 井 段 与 超 深井段 小 井 眼快速 钻井 。 1 L G地 区广义地层压力剖面特征分析 1 ． 1 利用测 井精细解 释方法建 立广义地 层压力 剖面 利 用 I G 地 区 已 钻 井 的 测 井 及 实 钻 资 料 ， 对 某 井 3 个压力 孔隙压力、 坍塌压力和破裂压力 进行了定 量计算 ， 建 立了较 完整的广义地层压力剖 面 图 1 _ 1 _ 。 井径曲线 岩石强度姑线 地I监力 3 个地层压力 地 压力系统 井径 抗压强度 恕 喜煎 P p 地层压力系统 深 r i n 、 5 0 Ir ma 3 5 0 0 MP a 2 0 0 0 MP a 1 3 o 0 5 2 5 度 5 2 0 抗剪强度 最小水平主应力 P b 蜩塌压力系统 『 m ．上占 0 MP a 1 5 0 0 Me a 2 0 0 0 MP a 1 3 0 0 5 2 5 、 H _ I L 抗张强度 隧 若 压力 砝裂压力系统 n 1 5 2 O 0 MP a 1 1 5 0 0 f Ⅳ 【 P a 1 2 0 0 0 MP a 1 3 0 0 5 2 5 擎 ≥ ； { 蓑 { ≤ ； 茹 一 毫 要 一 毒 亳 毒 ～ ≯蕃 ‘ l _ 圭 骶 娄 餐 ；。每 ． 量 与 ； 琴 璧 ● 毒 蘩 蓐 雾 量 争 l1 0 0 霪 一 粪 ．一一 1 3 0 0 壁 l 5 O O 1 7 0 0 季 1 9 0 O 2 1 0 0 2 3 0 0 量 量 2 5 0 0 2 7 0 0 主 29 OO 3 1 00 耋 3 300 毒 3 5【x】 霪 3 700 图 1 L G地 区某井广义地层压力剖面测 井解 释图 注 1 i n 2 5 ． 4 ram *本 文受到中 国石油天然气集 团公司科技工程项 目“ I G地 区安全快速钻井 现场试验” 编号 O 7 G2 O 3 O 2 1 O 的资助 。 作者简介 郑有成 ， 1 9 6 4年生 ， 高级工程师 ， 博士 ； 1 9 8 7年毕业 于原西南石油 学院钻井 专业 ； 长期从事钻井 生产 、 技 术管理 工作 。地 址 6 1 0 0 5 1 四J I I 省成都市人 民南路 四段 5 3号 。电话 0 2 8 8 6 0 1 2 4 2 1 。E ma i l z h e n g y c h 2 0 0 0 y a h o o ． c o rn． c n 5 1 天然气工业 2 0 0 9 年 1 O 月 1 ． 2 计 算广 义地层 压 力剖面特 征分 析 1 大部 分 地 层层 段 孑 L 隙压 力 为 正 常 压 力 ， 侏 罗 系下部地 层有 异常 高压存 在 。计算 结 果表 明 ， L G 地 区上侏 罗统 蓬莱镇 组至 上二 叠统 龙 潭组 大 部 分层 段 为常压 地层 ， 但 侏 罗 系 下 部 有 异 常 高 压 存 在 。飞 仙 关 组 和 长兴 组 计 算 的地 层 压 力 亦 为 常压 ， 与测 试 压 力系数 基本 吻合 。 2 破 裂 压 力 较 高 。计 算 破 裂 压 力 系数 普 遍 在 1 ． 6 以上 。 凉 高 山组一 须 家河 组 和嘉 四段一 嘉 五段 相 对较低 ， 浅层 遂 宁组 可超 过 2 ． 0 。 3 坍塌压力较低 。在常规钻井条件下 ， 从总体 上 看 ， I G地 区地层 稳 定 性 较 好 ， 大 部 分 层 段计 算 地 层坍 塌压力 系数 在 1以下 ， 但 沙 一 段 一须 二 段 和嘉 五 段嘉 四段 地层 坍 塌 压 力 系 数 相 对 较 高 ， 计 算 坍 塌压 力系数 平均 值在 1 ． 3 0 左 右 。 1 ． 3 侏 罗系地 层油气 显 示情况 及地层 压 力特征 L G 地 区侏 罗 系 地 层 油 、 气 、 水 显 示 频 繁 ，尤 其 是 在空气 钻 井 条 件 下 ，显 示 更 为 活 跃 。其 中 ， 蓬 莱 镇组 以井漏 及水 浸 为 主 ，遂 宁组 空气 钻 井 见 气测 异 常 ， 其余显 示 主要 分 布在沙 溪 庙组 、 凉 高 山组 及 大安 寨组 ， 在 I G构造的西南侧 ， 也就是越靠近大川 中， 油气显示 越 活跃 。 实钻 情况 和地层 压力计 算 结果 表 明 I G地 区侏 罗系地层 在纵 向上 ， 沙溪庙 组 沙 一段 、 凉 高 山组 凉 上 段 以及 大安寨 组均是 区域 性 含油 气层 ， 但 沙一 段 、 凉 上 段 的 含油 气 性 要优 于大 安 寨组 含 油 气 性 ； 在 横 向 上 ， 各含 油气层 显示 强度 和地 层压 力 差异 均 较 大 ， 以 珍 珠 冲组 为例 ， 多数 井表 现为 常压 ， 但 个 别 井则 为 异 常高压 ， 平衡 钻 井液 密度 最 高达 1 ． 5 6 g ／ m。 。I G 地 区各含油 气 储 层 在横 向上 的不 均 质 特 性 十 分 显 著 ， 这 是各井 油气 显示强 度 和地层 压 力差 异 较 大 的主 要 原因 。 2 L G地 区侏 罗 系地 层气 体 钻 井 的井 眼稳定性分析评价 2 ． 1 气 体钻 井井 眼 稳 定 条 件 与 井 眼稳 定 分 析 预 测 方法 1 气体钻井过程 中， 由于井筒 内气体介质平衡 压力极 低 ， 井 壁不 可能发 生 张力 破坏 ， 井 壁 失 稳 主要 是周 围岩石 所受应 力超 过岩 石 自身 强度 而 产 生 剪切 破坏 ， 对脆性地层会产生井壁掉块坍 塌、 井径扩大 ， 而塑性 地层 则井壁 因塑 性变形 而产 生缩 径 。 2 气体 钻井 中井 壁坍 塌 与否 和井 壁 围 岩 的应力 状态 及强 度特性 等密 切相 关 。利用 测 井 资料 可 以对 52 井壁围岩的应力状态及强度特性进行定量分析。但 是 ， 常规 测井 资 料都 是 在 液 体 介 质 钻井 液 条 件 下 获得 的 ， 其 对井 壁 围岩 的应力 状 态 、 强度 特 性及 孔 隙 压 力 的影 响不 能 忽 视 ， 运 用钻 井 液 与 地 层 相互 作 用 定 量 分析 模 型 ， 消 除钻 井 液浸 入 对 井 壁 围 岩 的应 力 状 态 及 强度 特 性 的 影 响 ， 即 可建 立 原 始 地 层应 力 和 岩 石 强度 剖 面 ， 从 而 对 气 体钻 井 条 件 下井 眼稳 定 性 进行 分 析 评价 。利用 此 方 法对 七 里北 1 0 1 井 、 龙 1 7 井及 I GX井气 体钻井 井 段实 钻资 料 验证 分 析表 明 ， 当地层 某点 的岩石 同有 强度 小 于气 体钻 井 条 件下 保 持井 壁稳 定 的临界 强度 时 ， 井 壁 不稳 定 ， 否 则 井壁 处 于稳定 状态 。 2 ． 2 L G 地 区 已钻 井气 体 钻 井 井 眼 稳 定 性 分 析 与 评价 利用 上述 方 法对 I G 地 区 已钻井 气 体钻 井 条件 下井 眼稳定 性作 了分 析计算 图 2 ， 对 比各井 分析结 果 可得 出 以下认识 舍 羔 一 黑 忙 亘 Ⅱ 爰 4 0 2 0 O O 8 O 6 0 4 0 2 o 0 l 0 0 0 20 0 0 30 0 0 40 0 0 深 m 图 2 L GX井气体钻井井眼稳定性分析图 1 侏 罗 系地 层 气 体 钻 井 临 界 强 度 值 较 稳 定 ， 变 化 幅度 小 而 且 与井 深 基 本 上呈 正 比例 关 系 ， 各 井 气 体钻 井 临界强 度梯度 差异 不大 ， 为 0 ． 0 5 0 0 ． 0 5 8 。 2 地层 固有 强度 变 化 幅度 大 ， 这 是 砂 泥 岩 地 层 岩性 特征 的表 现 。 3 以沙一 段 底 为界 ， 大 多数 井 在 其 上 井 段 岩 石 固有强 度 总体 上 高 于气 体 钻 井 临 界强 度 ， 气 体 钻 井 过程 中井 眼基本处 于稳定状态， 只有个别气井沙二 段底 至 沙一段 底井 段岩 石 固有强 度 接 近或 低 于 临界 强度 ， 实 钻过程 中有 遇阻 和挂 卡情 况 发 生 ； 进 入凉 上 段后 ， 岩 石 固有 强 度 明显 低 于气 体 钻井 临 界 强度 ， 实 钻 中井 眼 稳 定 问题 突 出 ， 个 别 气 井 发 生 严 重 坍 塌 卡 钻 。 3 L G地 区超 深 井钻 井 主要 工程地 质 问题 1 沙 一段 、 凉上 段 以及大 安寨 组 油 气显 示 活 跃 ， 而且 由于 储 层 的不 均 质 性 ， 地 层 压 力 和显 示 强 度 在 第2 9 卷第1 O 期 天然气工业 横向上差异较大 ， 难以做出准确预测 ， 空气钻井作业 风 险较 大 。当钻 遇 异 常 高 压 显 示 时 ， 平 衡 地 层 压 力 的钻 井 液密度 较 高 ， 对 钻 井速 度 的影 响很 大 。 2 凉上 段 至 珍 珠 冲组 底 ， 岩 石 固有 强 度 普 遍 低 于气体 钻井 临界强度 ， 气体钻井 中井 眼不稳定 问题 较 突 出 。 3 在 常 规钻 井 条 件 下 ， 沙 一 段 一须 二 段 和 嘉 五 段一嘉 四段地层坍塌压力 系数相对较 高。浅地层 出 水 ， 第二 次开 钻不 能普 遍 开展 空气 钻 井 ， 影 响 钻速 。 4 下侏 罗 统 地 层 岩性 与 上侏 罗 统 、 中侏 罗 统 地 层 差异 较 大且 变 化 频 繁 ， 细 、 粉 砂 岩研 磨 性 很 高 、 可 钻 性低 ， 加 之 为 大尺 寸井 眼 ， 在 平 衡 钻井 特别 是 高 密 度 条 件下 钻 井速 度很 低 。 5 须家 河组 长段 中粗粒 石 英砂 岩 地 层 研 磨性 极 高 ， 在 平衡 钻井 条 件 下 可 钻 性 差 ， 机 械 钻 速 低 ， 单 只 钻 头进 尺低 ， 对 钻井 速度 的影 响 大 。 6 飞仙关组 和长兴 组储层 流体含硫化氢 ， 对 气 井 完整 性要 求高 。 4 进 一步提 高 L G 地 区超 深 井钻 井速 度的技术途径 4 ． 1 有效 控 制气体 钻 井 的作 业 风 险 。 防止 井下 重 大 复杂 情况 与事 故 的发 生 1 充分认识气体钻井存在 的施工作业风 险。在 钻井设计中和施工作业前应认真做好气体钻井作业 条件与风 险评 估 ， 制 定好 出现复 杂情 况 时 的处 理 预案 。 2 合 理控 制 气 体 钻 井 的深 度 ， 适 时转 换 。根 据 前述 油气 显示 情 况及地 层 压力 特 征 和井 眼稳 定 性 分 析评 价 ， L G 地区侏 罗 系地 层气 体钻 井 一 般 不应 超 过 沙一段底 。实钻情况 也表明， 一般情况下控 制气体 钻井不进入凉高山组也是合理的。在 9口井中， 有 6 口井 均在 沙一 段 地 层 适 时 安 全 转 换 成 常 规 钻井 ， 未 发生严重井下复杂与事故 。须家河组气层可实施氮 气钻 井 。 由于 雷二 段 为 含水 层 ， 同 时为 防 止 雷 三 段 石膏层垮塌 卡钻 ， 用氮 气钻 至雷三段应及 时转换成 常规 钻 井 。实施 气 体 钻 井 时 ， 应 切 实 加 强 油 气 显 示 与 井 眼稳 定状 况 的跟 踪 检 测 与 分 析 ， 并 按 控 制 作 业 风 险 预案 与作 业 规 程 要 求 ， 及 时 正 确处 理 出现 的异 常情 况 。完 善 气 体 钻 井 的工 艺 ， 充 分 发 挥 空 气 锤 的 作用 ， 进一步提高气体钻井效率 。 4 ． 2完善 结 束 气 体 钻 井 时转 换 为 常 规钻 井 的 相 关 工 艺 1 应 根 据 井 眼稳 定 性 分 析 评 价 ， 设 计 储 备 具 有 合理密度与 良好抑制性 的钻井液。沙溪庙组一珍珠 冲组 地 层 转 换 钻 井 液 密 度 一 般 应 不 低 于 1 ． 3 O g ／ cm。 。探索 适 当 的转换 措施 如 替入 可 降低 泥 页 岩水 化 的前 置液 ， 尽可 能减 轻 替入 钻 井 液重 建 井 壁 可 能 产 生 的井下 不 正 常情况 ， 快 速实 现 井 眼稳定 。 2 对侏罗系沙一段一珍珠 冲组 不适合于气体钻 进层 段 采用 P D C钻 头 复 合 钻 井 。如 钻 遇 异 常 高压 气显 示 时 ， 可实 施欠 平衡 钻 井 。 5 结论 1 L G地 区侏 罗 系下部 地层 油 气 显 示 活跃 ， 地层 压力 与显 示 强 度 在 横 向上 差 异 较 大 并 难 以 准 确 预 测 ， 同 时 ， 岩 石 固有 强 度 普 遍 低 于 气 体 钻 井 临 界 强 度 ， 井 眼不 稳定 问题 较 突 出 。 2 合理控制气体钻井 的深度 ， 有效规避气 体钻 井的作业风险， 提高气体钻井效率 ， 对侏罗系下部地 层采用 P DC钻头复合钻井和实施欠平衡钻井 ， 是进 一 步提高超深井钻井速度的重要技术途径。 参 考 文 献 [ 1 ]郑有成 ， 凌忠． 利 用测井精细解释方法分 析龙门山前缘南 段典型构造 的广 义地层压力 I J ] ． 钻 采工艺 ， 2 0 0 7 ， 3 0 5 1 - 6． [ 2 3邓虎． 气体钻 井 井 眼 稳 定 性 及井 筒 流 体 水 动 力 学分 析 [ D] ． 成都 四J I I 石油管理局博士后研 究报告 ， 2 0 0 7 ． [ 3 ]魏武 ， 许期聪 ， 余 梁 ， 等． 利用空气钻井技 术提高钻井速度 研究I- J ] ． 天然气工业 ， 2 0 0 6 ， 2 6 7 5 7 5 8 ． E 4 3许期聪 ， 刘奇林 ， 侯伟 ， 等． 四川 油气 田气体钻井技 术[ J ] ． 天然气 工业 ， 2 0 0 7 ， 2 7 3 6 0 6 2 ． [ 5 ]周 鹏高 ， 熊继 有 ， 钟水 清 ， 等． 喷嘴射流结构数值模拟研 究 I- J ] ． 天然气 工业 ， 2 0 0 6 ， 2 6 增 刊 A 7 4 7 6 ． 修改 回稿 日期 2 0 0 9 0 8 0 7 编辑 钟水清 5 3