新港1井超深定向井钻井技术.pdf

石油天然气学报 江汉石油学院学报2 0 1 4 年 7 月 第 3 6 卷 第 7 期 J o u r n a l o f O i l a n d G a s T e c h n o l o g y J ． J P I j u 1 ． 2 o 1 4 V o 1 ． 3 6 N o ． 7 新港 1井超深定 向井钻 井技术 妻 曼 ， ， 窭 中 国 石 油 集 团 渤 海 钻 探 工 程 有 限 公 司 第 三 钻 井 工 程 分 公 司 ， 天 津 30 02 80 张 建 荣 ， 杨静 ，王永路 中国 石油 集团 渤海钻探 工程有限 公司 第三钻井工程分 司 天津 [ 摘要]为探索大港油 田歧 口凹陷新港地 区下古生界 奥陶系油气资源潜力 ，兼探 古近系东 营组和沙河街组 的油气资源潜力，大港油 田设计部 署 了新港 l井。该井 完钻井深 6 7 1 6 m，是 中国东 部油 田 目前最 深 的一 口定 向井。该 井在 实钻过 程中存在 井 眼净 化效果差 、长 裸眼段 井壁易 失稳、高泵压低 环 空返速、下部地 层可钻性差 、套管与钻杆磨损 、特 殊岩性地层 生物灰 岩、灰岩 、玄 武岩、煤层 等 的井漏 、井塌、事 故复杂等钻井技术难题 ，综合应用 了井眼净化 、井壁稳定 、阿特 拉扭 力冲击器 提速、P D C钻 头优选 、抗 高温钻井液体系优选 、井眼轨迹控 制等 钻井技 术，为东部 油 田深定 向井钻探 积累 了一 系列 的钻井施 工经 验 。 [ 关键词]超 深定 向井；大港油 田；井壁稳定 ；钻头优选；轨迹控制；套管防磨；新港 1井 [ 中图分 类号]T E 2 4 3 [ 文献标 志码]A [ 文章编号]1 0 0 0 9 7 5 2 2 0 1 4 0 7 0 0 9 6 0 4 随着大港油 田油气勘探的不断深入 ，勘探 目标正在向深层油气藏发展。潜山油气藏埋藏较深 ，通常 超过 5 0 0 0 m，近年来陆续完成歧深 8 1 井 5 2 8 5 m 、滨深 2 1井 5 4 8 7 m 、滨深 3 1井 5 5 8 3 m 等深井 的钻井 ，普遍存在机械钻速低 ，事故复杂时效高等问题 ，加上地层岩性复杂 ，深部地层温度高， 可钻性差、研磨性强 ，国产牙轮钻头井下工作时间短 ，进尺少 ，行程钻速低 ，严重制约着勘探开发的 进程 ，如何 提高 深层 钻井 速度是 亟待解 决 的 问题 。 新港 1井设计井深接近 6 0 0 0 m，为五开三段制定 向井 ，钻穿沙河街组三段 ，勘探古潜山地层 ，是 目 前在大港油田钻探的第一深井 ，为中石油重点风险探井，井控及施工风险极大 ，各次开钻井眼的钻深均 创油 田新记录；目的层潜山由于油藏埋藏深，井温高，地层压力因数低 ，岩性胶结程度差 ，钻井时极易 漏失 、卡钻 ，井下仪器电动机容易失效 ，井眼轨迹控制难度加大。深部井段的钻头 、钻具组合 、马达仪 器 、钻井参数和钻井液优选、井眼轨迹控制及事故复杂的预防是该井钻探成功的关键。 1 新港 1 井基本概况 新港 1 井是黄骅凹陷新港潜山构造带上的一 口五开三段制定 向井 见 图 1 ，是 目前大港 油田钻探 的第一深井 ，新 港 1井创造 了东部 油 田定 向井井深 最高 纪录，创 造 了中 国石 油渤海 湾盆 地定 向井 j 2 『 4 4 4 ． 5 ram和j 2 『 3 1 1 ． 1 mm井眼钻深 、 3 3 9 ． 7 ram套管和 2 4 4 ． 5 ram 套管下深最 高纪 录；创造 了大港 ● 油田 2 1 5 ． 9 mm 和j 2 『 1 5 2 ． 4 mm井眼钻深、j 2 『 1 7 7 ． 8 mm套管和j 2 『 1 2 7 mm套管下深最高等多项纪录。 2 新港 1 井钻井技术难点分析 2 ． 1 j 2 『 6 6 O ． 4 mm 井眼主 要工 程风 险与施 工难 点 1 井眼尺寸增大和环空返速大幅度减小 ，岩屑举升效率急剧下降 ，携带岩屑的最大粒径 即岩屑 举升效率为 0 ． 5时对应的岩屑粒径明显减小 ，井眼清洁问题突出 。 2 对于j 2 『 6 6 0 ． 4 mm井眼，大直径井眼中机械能量不足的问题 ，据有关文献计算分析，j 2 『 4 4 4 ． 5 ram 钻头的机械破岩能量 比钻压 转速仅相当于 3 1 1 ． 1 ram和j 2 『 2 1 5 ． 9 ram钻头的 7 O 左右 。 ． [ 收稿 日期]2 0 1 40 2 2 5 [ 作者简介]许京 国 1 9 6 7一 ，男 ，1 9 9 0年 中国石油大学 华东毕业 ，高级工程 师 ，现从事钻井技术管理工作 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 6卷第 7 期 许京 国 等 新港 1井超深定向井钻井技 术 2 ． 2 4 4 4 ． 5 mm 井 眼 主 要 工程 风险 与施 工难 点 1 设 计 中 提 示 井 段 2 1 9 4 ～ 2 2 3 5 m 有 4 1 m 玄 武 岩 ，存 在 玄 武 岩 垮 塌 问 题 、 钻 头选 型 困 难 ，制 约 钻 井 速 度 。 2 二开 井 眼大 ，在 现有 的机 泵 条 件 下 ，钻 井 液 环 空 返速 低 ，井 眼净化 困难 。 2 ． 3 3 1 1 ． 1 mm 井 眼 主 要 工 程风 险与 施工 难点 1 该井 段 需要 钻穿 沙 河 街组 、中生 界 地 层 以 及 玄 武 岩 等 特 殊 岩 性 ，可 钻 性 差 、 研磨 性 强 ，钻 具 磨 损 严 重 、 P D C钻 头选 型 困难 l 3 ] 。 2 三 开 井 段 钻 井 周 期 长，井 口防喷器组 、套管头、 技 术套 管 防磨 问题 。 平原组 2 6 0 m 明化镇组 1 8 5 3 m 馆 陶组 2 2 2 4 m 东营组 3 2 9 4 - - 3 2 3 0 m 沙一段 4 8 1 5 - 4 6 0 4 m 沙三段 4 9 6 8 ～ 4 7 4 5 m 中生界 6 2 4 6 --- 5 9 3 2 m 二叠系 6 4 O 5 ～ 6 O 8 O m 石炭系 6 6 1 9 ～ 6 2 8 3 m 奥陶系 671 6～63 75m 导管 07 6 2 m m8 3 ． 0 8 m 表层套管 西6 6 0 ． 4 m n1 5 0 2 m 5 0 8 n X 1 5 0 0 ． 0 6 5 m 水泥返深地面 ’ 回接筒位置3 1 4 6 ． 6 7 0 m 3 新港 1井钻井技术及应 用效 果 图 1 新 港 1井 实 际井 身 结 构 图 针对新港 1 井存在的技术难点和施工风险 ，主要应用了以下几项关键钻井技术 ，保证了该井顺利完 井竣 工 。 3 ． 1大 尺寸 井 眼净化 技术 一 开 6 6 0 ． 4 ram 井 眼 钻 进 时 排 量 不 低 于 8 0 L ／ s ；强 化 固 控 设 备 使 用 ； 每 钻 进 2 0 0 m 过 8 0 s稠 浆 1 5 ～2 0 m。 ， 清 洁井 眼 ，解决 了一 开井 眼清 洁 问题 。 二 开 4 4 4 ． 5 ram 井 眼使用 合适 密度 和 黏 切 的钻 井 液 ，保 持 泵 排 量 大 于 6 5 L／ s ；适 时 过 稠 泥浆 或 倒 划 眼 、短起 下铲 除 岩屑床 ，托带 岩屑 、清 洁井 眼_ 4 J 。 三开钻进时保证排量达到 5 5 6 0 L ／ s ，最高泵压达到了 3 0 MP a ，基本满足了使用动力钻具、环空返 速与携砂能力要求。 3 ． 2井壁 稳定控 制 该井一开存在的典型井壁稳定问题是明化镇组地层易造浆 ，因钻头 “ 泥包” 、起钻抽吸易导致卡钻 、 井塌 。一 开 8 0 6 7 0 m 井段 钻井 液 采用 大 循 环方 式 ，6 7 0 ～ 1 5 0 2 m 井段 采 用 小 循 环方 式 控 制 造浆 ，控 制 钻井液密度大于 1 ． 1 3 g ／ c m。 ，防止浅气层造成井侵 ，同时防止缩径 ；二开井段使用抑制性较强的淡水 聚 磺润滑防塌钻井液体系，保持体系中聚合物有效含量 ，保证其抑制性 ，密度执行设计上限 ，平衡地层坍 塌压力 ；从井 深 2 3 0 0 m 至 3 l 1 l m，有 5次 因井 下异 常提 高钻井 液密 度 ，密 度 由 1 ． 2 3 g ／ c m。上提 至 1 ． 3 4 g ／ c m。 ，保证了井壁稳定 ；三开井段裸眼段长 、钻井时间长浸泡时间长 ，所钻地层 复杂 、井温高 等都是导致井壁不稳定的因素。通过增强钻井液抑制性 以及下列技术措施保证井壁稳定 1 提高钻井液密度 ，依靠液柱压力来保障井壁稳定。三开井段设计最高钻井液密度为 1 ． 3 5 g ／ c m。 ， 钻 进过 程 中 ，根 据返 出岩 屑情 况判 断 井壁 的稳 定情 况 ，期 间 4次提 高钻 井液 密度 ，三开井 段完 井前 密度 提高到 1 ． 4 5 g ／ c m。 ，在三开完井测井时发生划眼，最终以 1 ． 4 7 g ／ c m。的密度完成三开完井 电测 。 2 钻进中及时补充防塌材料 白沥青 、羟 甲基磺化酚醛树脂和高温防塌降黏降滤失剂 ，增强钻井 ．。。_．． ． i -l n l- 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 9 8 石 油天 然气工程 2 O 1 4年 7月 液的抑制性能，提高钻井液的封堵防塌性能 。 3 控制钻井液滤失量保持在 3 mL左右，控制高温高压失水小于 1 2 mL ，控制泥页岩吸水膨胀 。 3 ． 3 钻 头优 选及 应用 效果分 析 一 开 采用 1只 6 6 0 ． 4 mm P D C钻头 S D 9 5 4 1 Z C，成 功钻 完一 开进 尺 ，机 速 1 2 ． 5 6 m／ h 。二开 钻 头使 用了中成、百施特及金工万邦 3个厂家的 P DC钻头钻砂泥岩地层，结合江汉钻头厂三牙轮钻头钻玄武 岩以及大井眼初始定向获得成功 ，共计使用钻头 9只，其 中 P D C钻头 5只，三牙轮钻头 4只，纯钻 时 间 7 8 9 ． 0 9 h ，平 均机 械 钻 速2 ． 3 5 m／ h 。 根 据 二 开 钻 头 使 用 情 况 及 其 技 术 指 标 分 析 ，对 于 二 开 j 2 『 4 4 4 ． 5 mm 井 眼 ， 明 化 镇 组 和 馆 陶 组 上 部 建 议 使 用 P 1 9 5 2 J GH 钻 头 ，馆 陶 组 底 部 和 东 营 组 推 荐 使 用 T S 1 9 5 2 AGU 和 MS 1 9 5 2钻 头 ，沙 河 街 组 一 段 E s 全 使 用 MD 9 5 4 1 Z C 钻 头 可 能 会 进 一 步 缩 短 钻 井 周 期 见 图 2 。三 开 开 始 时 ，选 用 百 斯 特 钻 头 钻 E s 上 部 可 钻 性 较 好 的 地 层 ，钻 至 井 深 4 0 5 3 m 后 ， 由 于 地 层 的 可 钻 性 变 差 ，对 百斯 特 钻 头 磨 损 严 重 ， 成 功 选 用 贝 克 休 斯 1 4 0 0 1 6 0 0 1 8 0 0 2 0 0 0 2 2 0 0 2 4 0 0 2 60 0 2 8 0 0 3 0 0 0 3 2 0 0 3 4 0 0 1 0 0 0 9 0 0 8 0 0 7 0 0 { 6 0 0 5 0 0 j 封4 0 0 3 0 0 2 0 0 1 0 0 O _ 、 1 进尺 ／ 僵 | 一 机 械 钻 速 | f ⋯ 一 | ■ 一 | I 入 | ／ ／ ＼ ■ ／＼ _ L ／ 、 。 ／ ■ ＼ ＼ ． 、 ／ 。 ／1 ， _ ～ ／ ■ 图 2新港 1 井二开钻头使用分析 1 3 0 0． 7 3 ／ 6 贝克休斯 百斯特 阿特拉 1 0 图 3 三开 E s t 钻头选用分析 图 4三开 E s 3 钻 头选用分析 P D C钻头 ，钻头单只进尺与机械钻速 明显提高。进人沙河街 组三段 E s 。 后 ，地层 的研磨性 明显 提 高，因此 P DC钻头的抗研磨性是延长钻头使用时间的关键 。在试用阿特拉 P D C钻头后使用 了百斯特钻 头厂 T1 3 7 5 七刀翼钻头 ，效果很不理想 ，又尝试应用了贝克休斯公司的 Q5 0 6 F X钻头 ，取得了较好 效果 见 图 3 、4 。 3 ． 4井 眼轨 迹控制 技术 一 开使用塔式钟摆钻具组合来实现垂直钻进 ，控制钻压 2 0 ～4 0 k N，2 0 0 3 0 0 m测斜 1次 ；二开直 井段使用钟摆钻具钻穿馆陶组地层 ；下部定向段、稳斜段使用牙轮／ P D C钻头螺杆钻具组合 ，在使用 常规钻具时加入 MWD随钻测斜 ，根据测斜数据及时调整钻井参数和钻具组合 ，井眼轨迹得到 了有效 控制 ；三开上部稳斜井段采取导 向钻具组合 ，4 6 7 2 m 以下井段使用常规稳斜钻具 ，上部使用导 向钻具 提高机械钻速并控制好井眼轨迹 ，确保下部使用 常规 稳斜 钻具能够 中靶 ，下部使用常规稳斜钻具 带 MWD随钻测斜；四开与五开井段使用常规钻具 ，由于钻压加大时顶驱电机负荷大 ，实钻时通过改变扶 正器 的位置来控制井斜，利用起下钻时 间投测 多点来 获取轨迹数据 ，该井使 用微增钻具控制钻 压在 1 0 0 k N以内，获得 良好的稳斜效果。 3 ． 5 套 管 防磨技 术 1 套管磨损预测针对新港 1 井三开裸眼段长，地层可钻性差，钻井周期长，钻进过程中钻杆将对 3 3 9 ． 7 mm套管产生严重磨损等特点，开展了套管磨损预测与保护技术研究[ 6 1 o ] 。通过预测发现在造斜井段井 一 一 上． u J 蓠 苯鬓 8 6 4 2 O 一 ． ￡菁 姆篝毒 2 1 0 们 ∞ ∞ 踟 ∞ 们 加 O Ⅲ， 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 6 卷第 7期 许京 国 等 新港 1井超深定向井钻井技 术 深 2 3 0 4 ． 0 9 2 5 8 7 ． 2 m处套管磨损严重，2 3 0 4 ． 0 9 m处 1 2 ． 1 9 mm壁厚套管的剩余壁厚仅为 6 ． 9 6 m m。鉴于该井钻 进过程中技术套管可能发生严重磨损 ，实钻过程中采用减阻防磨套对套管进行保护。 2 使用情况效果分析该井的减阻防磨套从井深 3 8 5 0 m 开始入井使用 ，至 5 7 2 0 m 采用的是S 一 5 5 0 、 HT 一 5 5 0型减阻防磨套 ，累计人井使用 1 1 1 d ，完成进尺 1 6 3 6 m。使用过程 中，没有产生附加摩阻、循环 泵压没有上升、扭矩相对降低 。期 间起下钻具及最终拆卸后 ，每套减阻防磨套经检查完好无损 、无脱 落 、无位移 ，邻近的钻杆接头外径无磨损 ，起到了保护套管的作用。 3 ． 6 钻 井液 体 系优选 该井为环渤海湾最深井 ，为此优选抑制性强、抗温能力高的 B H P S M 抗高温聚磺钻井液作为该井 钻井液体系 ，B H P S M 钻井液 配方如 下0 ． 3 B Z B B J 抗 盐包 被抑制剂0 ． 5 S D J A 氨基聚合 物4 - 0 ． 8 P AMS 6 0 1 降滤失剂6 S D1 0 1 羟甲基磺化酚醛树脂4-6 S D2 0 2 高温防塌降黏 降滤失剂6 S AS 磺化 沥青 1 QS _ 2 桥 堵剂 1 B Z - D F T 低 渗透 封堵 剂 2 ． 5 S D 5 0 5 极压润滑剂1 S D F 2 6 硅氟降黏剂 配方中的百分数代表体积分数 。 室内评价及现场试验表明，抗高温聚磺钻井液抗温达到 2 1 0 ℃，有效解决 了抗 高温 、井壁稳定 、井 眼净化 和润 滑 防卡 等难题 ，现 场应 用取 得 了 良好 的效果 ，实 现 了该 井 的安全 、快 速钻 井 。 3 ． 7扭 力 冲击器 应 用 针对深层沙河街组地层硬度高 ，研磨性强，机械钻速慢等技术难点 ，通过 国内外技术交流对比，引 入美国阿特拉公司的扭力冲击器提高钻井速度口 ] 。扭力冲击器巧妙地将泥浆 的流体能量转换成扭 向 的、高频的、均匀稳定的机械冲击能量并直接传递给 P D C钻头 ，使钻头和井底始终保持连续性 。 在新港 1井实施过程中，2次使用阿特拉扭力 冲击器 ，第 1次进尺 4 1 m 4 9 1 7 ～4 9 5 8 m 井段 ，机 械钻 速 1 ． 2 3 m／ h ；第 2次人 井进 尺 5 3 m 5 1 5 7 5 2 1 0 m 井 段 ，机 械钻 速 0 ． 7 9 m／ h 。 4 结论 1 通过优选 P D C钻头、应用阿特拉扭力冲击器技术 ，有效提高了新港 1井深部井段 的钻井速度 ； 应用 了淡水抗高温聚磺强抑制钻井液体系 ，解决 了新港 1 井抗高温稳定性 以及井壁稳定问题 ；应用套管 防磨 技 术 ，实现 了新 港 1井安 全快 速钻 井 。 2 新港 1 井创造 了东部油田定 向井井深最高纪录，创造 了中国石油渤海湾盆地定向井 4 4 4 ． 5 mm 和 3 l 1 ． 1 mm 井 眼 钻 深 、 3 3 9 ． 7 mm 套 管 和 2 4 4 ． 5 mm 套 管 下深 最 高 纪 录；创 造 了大 港 油 田 j 2 『 2 1 5 ． 9 mm和 1 5 2 ． 4 mm井眼钻深、j 2 『 1 7 7 ． 8 mm套管和j 2 『 1 2 7 mm套管下深最高纪录。 该 文为 中石 油渤 海钻探 公 司科技 攻 关项 目 2 0 1 1 Z 0 1 2 K 一 4 产 出论 文 。 [ 参考文献] [ 】 ]李贵宾 ，刘泳敬 ，柳耀泉 ，等 ．堡古 1井花岗岩地层钻头优选与应用 [ J ]．石 油钻采工艺 ，2 0 1 1 ，3 3 6 1 0 6 ～ 1 0 9 ． [ 2 ]李树盛 ，谭 春飞 ，蔡镜仑 ．深井 大直径井 段的钻井 问题研究[ J ]．石油学报 ，1 9 9 9 ，2 0 6 6 7 7 2 ． [ 3 ]李贵宾 ，马金山 ，贾平军 ，等 ．大港油 区 P D C钻头个性 化优选 提速实践 [ J ]．钻采工艺 ，2 0 1 1 ，3 4 4 1 1 4 ～1 1 8 ． [ 4 ]张国龙，曹满党，倪益明 ，等 ．深井大尺寸井眼钻速低的原 因及对策 口]．石 油钻探技术 ，2 0 0 2 ，2 9 2 2 4 2 5 ． [ 5 ]吕军 ，钟水 清，刘若 冰 ．钻井液对井壁稳定性 的影 响研究[ J ] ． 钻 采工 艺 ，2 0 0 6 ，2 9 3 7 4 7 5 ，8 1 ． [ 6 ]于会嫒 ，张来斌 ，樊建春 ，等 ．深井超深井 中套管磨损机理及试验研究发展综述[ J ]．石油矿场机 械 ，2 0 0 6，3 5 4 4 ～7 ． [ 7 ]姜伟 ．渤海地 区套管磨损 问题 的研究[ J ]．中国海上油气 工程 ，2 0 0 2 ，1 4 1 3 1 ～3 4 ． [ 8 ]孙永 兴，林元 华，廖 平，等 ．I S O1 0 4 0 0油管套管抗 内压爆裂设计 [ J ]．石油钻探技术 ，2 0 1 0 ，3 8 3 6 7 6 9 ． [ 9 ]高连新 ，杨勇 ，张风锐 ．套管 内壁磨损对其抗挤毁性能影响 的有限元分析 [ J ]．石油矿场机械 ，2 0 0 0 ，2 9 3 3 7 3 8 ． [ 1 O ]丁丽芳 ，周宝义 ，王小 月 ， 等 ．超深井新港 1 井 钻井 技术实践 与认识 [ J ]．石油钻采工艺 ，2 0 1 3 ，3 5 1 5 ～9 ． [ 1 1 ]周祥林 ，张金成 ，张东清 ，等 ． To r k B u s t e r 扭力冲击器在元坝地区的试验应用 口]．钻采工艺 ，2 0 1 2 ，3 5 2 1 5 ～1 7 ． [ 1 2 ]吕晓平 ，李 国兴 ，王震宇 ，等 ．扭力 冲击器在鸭深 1井志 留系地层的试验应用 口]．石油钻采工艺 ，2 0 1 2 ，3 4 2 9 9 ～1 0 1 [ 编 辑] 黄 鹂 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m