伊朗雅达油田优快钻井技术.pdf

第 36 卷 第 4 期 2014 年 7 月 石 油 钻 采 工 艺 OIL DRILLING it is a carbonate reservoir with high temperature and high pressure and multiple pressure systems, and contains acidic gases like high concentrations of hydrogen sulfide, carbon dioxide, etc. Five exploration wells with depths of 4 500-5 000 m were drilled from 2001 to 2003, which all experienced outstanding issues of low rate of penetration, mud loss, differential sticking, heavy oil influx, etc. These wells were drilled with long drilling period, and so safe and fast drilling faced great challenge. This paper has analyzed the difficulties in drilling and completion operations and the application scheme of optimized fast drilling technology in the field, including pressure detection technique in limestone ation, non-permeate anti-sticking drilling fluid technology, highly efficient rock breaking and parameters optimization, heavy oil layer drilling technology, etc. These solutions were fully utilized in casing program, bit selection, rate of penetration improvement and drilling fluids, etc., and have achieved remarkable economic benefit with average rate of penetration up by over 40. Key words Yadavaran Oilfield; limestone ation; high temperature and high pressure; acid environment; optimized fast drilling 作者简介 侯立中， 1971 年生。1994 年毕业于江汉石油学院钻井专业， 2005 年毕业于北京理工大学工商管理专业， 高级工程师， 工程部 副经理， 多年从事国际石油工程管理和项目管理工作。电话010-69165308。E-maillzhou.sipc。 伊朗雅达油田为世界现存不多的年产 1 000 万 吨的世界级未开发整装油田之一［1］。2007 年中石 化与伊朗国家石油公司签定了“伊朗雅达油田开发 服务合同” 。依据双方达成的主开发合同， 该油田开 发的全部投资由中方承担， 中石化计划分三期进行 开发。其中第一期钻井投资约 10 亿美元， 建成 55 口油井， 投产后日产原油 85 000 桶。雅达油田的开 发将是中国石化集团一个新的战场， 对中石化的能 源接替和持续发展战略举足轻重。因此， 如何又好 又快地开发该油田是亟待解决的重大问题。针对油 田钻完井问题， 开展了一系列优化设计及技术研究工 作， 形成了以孔隙型灰岩地层压力综合检测技术、 非 渗透防卡钻井液技术［2-5］、 沥青层强钻技术为特色的 雅达油田安全快速成井配套技术， 研究成果在雅达油 田一期近 30 余口 Fahiliyan 井中进行了应用。通过对 研究成果的应用， 机械钻速得到了大幅度提高， 钻井 石油钻采工艺 2014 年 7 月（第 36 卷） 第 4 期14 周期缩短40以上。 取得了较大的社会与经济效益。 雅达油田地质条件复杂， 储层高温高压、 含有高浓 度硫化氢、 二氧化碳等酸性气体。八年前已钻 5 口 探井表明油田钻井完井面临着一系列突出问题， 主 要包括钻井周期较长；油田普遍存在井漏问题； 地层存在多套压力体系及高压地层， 压差卡钻问题 突出。 1 地层特征 雅达油田为具有分层特点的碳酸盐岩孔隙性 油藏， 油藏圈闭为大型的背斜圈闭。二迭 三叠纪 主要沉积物为蒸发岩和碳酸盐， 主要有 3 个含油层 Sarvak， Gadvan 和 Fahliyan， 其中 Sarvak、 Fahliyan 为 油田主力储层。 表 1 雅达油田地层分层描述 地层划分地层 界系统地层 顶深 / m 层厚 / m 岩性描述 可钻性级值 Kd 新生界 第三系 中新统 - 上新统Aghajari201 090 砂岩， 泥岩， 泥灰岩， 薄层石灰岩， 石膏及无水石膏 13 中新统Gachsaran1 110440无水石膏， 泥岩和泥灰岩24 渐新统 - 中新统Asmari1 550240砂岩， 泥岩夹石灰岩和页岩34 上古新统 - 下渐新统Pabdeh1 790480泥灰质， 浅棕色、 浅灰色石灰岩36 中生界 白垩系 上统 Gurpi2 270390灰色泥质石灰岩， 泥灰岩46 Ilam2 660100棕色石灰岩， 棕色 / 白色石灰岩46 Lafan2 76010泥岩， 灰绿色页岩46 Sarvak2 770670浅棕色、 深棕色石灰岩， 灰色白垩质石灰岩57 下统 Kazhdumi3 440150深色沥青页岩， 灰色石灰岩57 Burgan3 59040深灰与灰色泥岩57 Dariyan3 630170 白色 / 棕色石灰岩， 沥青灰岩， 灰色石灰岩， 灰色泥灰岩 57 Gadvan3 800330 泥岩， 灰色泥灰岩， 棕色石灰岩， 灰色页岩， 棕色 / 灰色砂岩 67 Fahliyan4 130320 D 石灰岩67 2 钻井难点 雅达油田早期钻过 5 口探井， KSK-1 井为该油 田在构造北部（KSK 区块）部署的第 1 口探井， 于 1999 年开钻， 2001 年 9 月完钻， 完钻井深 5 187 m， 完钻层位为侏罗系顶部 Gotnia 组， 完整地揭示了下 第三系和白垩系地层。2002 年 7 月在构造南部 （HOS 区块） 完钻第 2 口探井 HOS-1 井， 完钻井深 4 360 m， 完钻层位为白垩系 Fahliyan 组。2 口井在 Sarvak 和 Fahliyan 组均获得工业油气流， 展示了该区的勘探 开发前景。为了加快该油田的勘探开发步伐， 相继 又完钻了 3 口评价井， 即北部 KSK-2 和南部 HOS- 2、 HOS-3 井。在钻井方面主要存在如下问题 （1） 与 国内相近井深井相比， 钻井速度低、 周期长。 （2）井 漏问题突出， 造成了大量的钻井液损失， 增加钻井成 本及钻井施工的风险， 并对油气层造成损害。 （3） 存 在多套压力体系及高压地层， 溢流、 卡钻等复杂情 况频繁发生。 （4） 上部地层易漏、 中部高压盐水层及 下部小间隙导致的固井质量不理想。 （5） 井内富含 CO2和 H2S 气体， 对管材与水泥石有腐蚀风险。 （6） Kazhdumi 地层沥青侵入严重。沥青质稠油主要存 在于 Kazhdumi 地层（厚度约 150 m） ， 目前已钻穿该 地层的 20 口井中， 7 口井出现了明显的沥青质稠油 污染问题， 其中 F13 井、 APP2 井由于沥青量大， 无法 控制导致工程临时弃井。 3 优快钻井技术 3.1 优化井身结构 雅达油田开发 Fahliyan 储层现用的井身结构为 一开 444.5 mm 钻头钻至 300 m， 339.7 mm 套管 下至 298 m；二开 311.2 mm 钻头钻至 1 497 m， 244.5 mm 技术套管下至 1 495 m；三开 212.7 mm 钻头钻至 3 987 m， 177.8 mm 尾管下深 1 3953 985 m；四开 149.2 mm 钻头钻至 4 505 m， 114.3 mm 尾管下深 3 8854 503 m。通过不断总结和提高， 对 井身结构进一步优化。主要思路是在保证安全的 前提下， 简化套管程序， 实现安全与优快统一的 目标。 3.1.1 延长 311.2 mm 技术套管方案 Kazhdumi 地层存在高压沥青地层， 由于沥青侵入井筒， 严重污 15侯立中伊朗雅达油田优快钻井技术 染了钻井液， 严重时使钻井液失去了流动性， 影响了 正常的钻井施工。在处理沥青侵入时， 需要调整钻 井液性能控制沥青侵入， 如提高钻井液密度。然而 在中上部的 Asmari 及 Pabdeh 地层存在易漏地层， 如果与沥青层同一裸眼段， 在加重钻井液密度时造 成此段地层的漏失。根据构造位置情况， 预测潜在 存在高压沥青层的井， 采用了加深技术套管的方案， 即将技术套管加深至 Pabdeh 地层以下， 封隔上部的 易漏地层， 为下部控制沥青层创造条件。 3.1.2 专打专封井身结构方案［6-8］ 244.5 mm 技 术套管下深到 Sarvak 储层底部， 揭开 Kazhdumi 地 层之前， 深度为 3 400 m 左右， 单独揭开沥青层的方 式为处理沥青时各种措施实施创造了条件。由于 244.5 mm 技术套管由上层 2 200 m 延长到 3 400 m， 存在 3 000 多米的长裸眼段， 裸眼段内包含 2 个 易漏层， 一个潜在高压盐水层， 需要增加一层技术套 管， 下深到 Gachsaran 潜在高压盐水层底部。 3.1.3 控压钻井技术强钻 漏喷同存情况下， 安全 密度窗口较窄（甚至不存在） ， 选择钻井液密度至关 重要， 但难度很大。结合控压钻井的优势， 认为采用 控压钻井钻穿该层成功的几率较大， 决定在 F13 的 替代井 S3 进行尝试。其工艺原理是停泵时通过节 流阀把等同于循环压降的压力施加到井口上， 使井 底压力与循环钻进时维持不变， 避免了井底压力的 波动， 使其始终处在窄密度窗口之内， 从而避免井漏 或坍塌问题， 维持安全钻井。 3.2 优选钻头 开展了地层岩石的力学参数实验和地层可钻性 分析， 建立了岩石力学与可钻性剖面， 以此为基础， 结合实钻资料进行了钻头选型及参数优化， 见表 2。 表 2 钻头选型推荐 编号直径 /mm类型井段 /m 1 444.5IADC215/13520300 2444.5IADC215/135备用 3311.2M2238002 267 4311.2IADC215/437/M223备用 5212.7M2232 2672 700 6212.7M3232 7003 400 7212.7M3333 4003 912 8212.7IADC437/537/M323备用 9149.2M4333 9124 306 10149.2M433/333/537备用 3.3 优选钻井液体系 3.3.1 钻井液主要问题 （1） 一开井段 444.5 mm 钻头 300 m， 钻遇的 地层为 Aghajari 顶部泥岩段。钻井液的处理重点是 大井眼尺寸的井眼清洁问题。 （2） 二开井段 311.2 mm 钻头 （3001 560） m， 钻遇地层为Aghajari中下部及Gachsaran地层。 钻井 液的处理重点是上部井段大段泥岩易缩径， 易造成 短起下遇阻和划眼困难， Aghajari 底部和 Gachsaran 地层硬质石膏夹层， 钻井液性能易遭受钙侵污染， 影 响钻井液流变性和失水量， 处理不及时或处理不当 会进一步增加短起下遇阻和划眼困难。 （3） 三开井段 212.7 mm 钻头 （1 5603 900） m， 裸眼段长达2 340 m， 钻遇地层为Asmari、 Pabdeh、 Gurpi、 Ilam、 Laffan、 Sarvak、 Kazhdumi、 Dariyan 和 Gadvan 地层。本开次长裸眼段钻进地层差异性大， 部分地层孔隙发育及不整合面发育易导致钻井液严 重漏失， 如 Pabdeh/Jahrum 地层易发生严重或失返性 漏失， Sarvak 地层渗漏较为普遍；Kazhdumi 地层易 出现沥青质稠油， 造成钻井液流变性能变差、 劣质固 相增加等， 且常出现井涌和井漏同时发生的复杂情 况；Gadvan 地层岩性多样， 胶结性差， 泥页岩易发 生剥落掉块的问题。 （4） 四开井段 149.2 mm 钻头 （3 9004 500） m， 该井段主要钻遇 Fahliyan 储层段， 由于 Fahliyan Upper 与 Fahliyan Lower 地层压力差别大， 同时揭开 的情况下， 钻井液液柱压力与 Fahliyn Lower 地层间 的压力差会达到 1520 MPa， 且 Fahliyan Lower 层物 性发育好， 极易发生压差黏附卡钻， 对钻井液的封堵 润滑性能提出严峻考验。 3.3.2 钻井液体系的优化 （1） KCl 聚合物钻井液体系。上部 Gachsaran 为 潜在高压盐水层， 考虑到高压盐水层易出现严重蠕 变和盐水侵等问题， 上下两层钻进时分别采用 KCl 聚合物体系和欠饱和盐水体系， 实际钻井过程中并 未发现预期高压， Gachsaran 层返出岩屑为富含硬质 石膏夹层泥岩， Gachsaran 井段钻进过程中未出现任 何钻井复杂， 因此配合井身结构的调整， 钻井液体系 也进行了相应优化， 现场选择了延续使用 KCl 聚合 物钻井液来钻穿 Gachsaran 井段。 钻井液在原二开 KCl 聚合物钻井液体系配方 的基础上， 重点优化提高了钻井液的稳定性和抗钙 侵能力。优化后的 KCl 聚合物钻井液体系为 3 膨 润 土 0.4Na2CO30.3NaOH0.2XXNPACCD 0.3（H）0.5SWQW（L）0.3XNPAC（L） 石油钻采工艺 2014 年 7 月（第 36 卷） 第 4 期16 1ZWJS5KCl。 （2） 储层高密度 KCl 聚磺钻井液体系。Fahliyan 地层作为雅达油田的主要开发目的层之一， 属于异 常压力层， Fahliyan Upper 和 Fahliyan Lower 尽管都 属于良好的油气储层， 但两层间的地层压力差别较 大， Fahliyan Upper地层压力系数为1.601.65， Fahliyan Lower 地层压力系数则为 1.381.40， 在同时揭开的 情况下钻井液密度需要达到 1.75 g/cm3左右， 这就 要求钻井液具有良好的高温稳定性和封堵润滑防 卡能力。项目组根据地层特点 KCl 聚磺钻井液体 系进行了区域应用性优化。配方2 膨润土 0.2 Na2CO31NaOH0.5SWQW（L）0.5XNPAC （L）4NBGS-22XNJS4TCFD3JHC3K CL0.5 碱式碳酸锌。 实验结果表明， 优化后的 KCl 聚磺体系钻井液 密度为 1.601.80 g/cm3可调， 且能保持较好的钻井 液性能， 满足钻进过程中密度的调整变化。 （3） 钻井液性能设计见表 3。 表 3 雅达油田 Fahliyan 生产井钻井液性能 井眼直径 /mm444.5311.2212.7149.2 钻井液体系预水化膨润土浆KCl 聚合物钻井液KCl 聚磺钻井液KCl 聚磺钻井液 井段 /m 03003001 5601 5603 4003 4003 9003 9004 500 井底温度 /℃2880120130150 密度 /g cm–31.051.121.101.501.201.301.351.451.601.75 漏斗黏度 /s801004560456545655070 API 滤失量 /mL≤ 8≤ 5≤ 5≤ 5 HTHP 滤失量 /mL≤ 12≤ 12≤ 12 pH910101110111011 塑性黏度 /m Pa s1520153015302535 动切力 /Pa8158158151020 固相含量 /ALAP121818252635 钾离子含量 /mg L–136 36 36 氯离子含量 mg L–180100 3.4 复合钻进和防斜打直技术 3.4.1 井斜因素分析 在早期生产井施工中， 多井 发生井斜， 最大井斜角达 12 。分析了各井钻具组 合及钻井参数， 井斜影响因素较多， 如地质因素、 工 程因素等。钻压除了影响 BHA 的降斜力以外， 也 能引起地层造斜力的线性增加。当地层造斜力大于 BHA 降斜力时， 井眼增斜。当地层造斜力小于 BHA 降斜力时， 井眼降斜。根据统计的钻具组合和实际 的井斜角， 结合计算结果， 大体估计地层造斜系数在 80120 N/t 左右。即地层造斜力可计算为 WOB （80120） 。通过此造斜力与计算出的 BHA 降斜力只 能初步估计井斜趋势。计算结果显示， 现场采用的 这几种降斜组合都具有降斜作用， 但降斜力大小与 井斜角和钻压都有关系， 结果较为复杂。对雅达油 田已钻井的 212.7 mm 及 311.2 mm 井眼的井斜、 钻具组合进行了分析， 模拟不同的钻压、 不同的初始 井斜角情况下， 钻具组合的降斜效果。 3.4.2 防斜技术对策 通过实践表明， 采用不同的 BHA、 PDM 优选钻头能够起到防斜打直的效果。 （1） 优选钻具组合。不宜将 BHA 配置为钻头 3 根钻铤 稳定器的形式， 更不宜配成钻头 3 根 钻铤 稳定器 1 根钻铤 稳定器， 上述两种 BHA 由于钻头与稳定器之间距离过长， 钻铤变形较大， 导 致钻头向上井壁倾斜的角度变大， 引导钻压造斜严 重抵消了 BHA 的降斜作用， 严重时甚至会产生增斜 作用。 钻头 2 根钻铤 稳定器 1 根钻铤 稳定器 钻铤的配置， 综合来看降斜效果最好， 但是当钻压大 于 10 t， 井斜角小于 3 时， 钻头 2 根钻铤 稳定器 钻铤的配置更好一些。 对于 212.7 mm 井眼， 推荐采用钻头 2 根钻 铤 稳定器 1 根钻铤 稳定器 钻铤的配置。 （2） 优选采用井下动力钻具。实践表明， 井下动 力钻具（PDM）PDC 具有较好的降斜效果， 因此 推荐采用钻头 PDM1 根钻铤 稳定器 钻铤。 其防斜机理是由于 PDM 本身具有较高的转速， 如 再加上转盘转速， 钻头转速提高， 可以采用较小的钻 压， 从而降低了地层造斜力。 17侯立中伊朗雅达油田优快钻井技术 （3） 可试用短钻头体的 PDC 钻头或牙轮钻头。 各井使用的 PDC 钻头为常规强保径钻头， 该钻头的 保径部分较长， 侧向切削差， 不利于降斜。因此， 推 荐在该易斜井段使用钟摆钻具组合的情况下， 可试 用短钻头体的 PDC 钻头或牙轮钻头。 4 现场应用及效果 通过井身结构的优化、 高效破岩工具优选以及 先进提速技术应用， 钻井周期显著缩短， Fahliyan 生 产井平均钻井周期较早期生产井缩短 40 以上， 较 前期探井平均缩短 60 以上。井身结构优化后节 省了大量的钻井物资， 钻井周期的缩短节省了大量 的钻井成本， 取得了巨大的社会与经济效益。 根据探井实钻情况， 在一期钻井施工中大量采 用 PDC 钻头代替牙轮钻头， 取得显著提速效果， 钻 井进展过程中继续对钻头选型方案进行优化、 不断 采用新技术， 如 PDC 螺杆的复合钻进技术， 空化射 流技术。图 1 列出了详细数据， 从图中可以看出， 机 械钻速是逐步提高的。 图 1 前期探井和评价井与目前施工井平均机械钻速对比 5 结论 （1） 针对伊朗雅达油田复杂地质条件下的钻井 难题， 通过不断分析研究， 建立了一套安全快速成井 工艺， 取得了较好的效果， 为类似的地区高效钻井提 供了好的经验。 （2） 碳酸盐岩地层的压力预测是世界性难题， 通 过对雅达油田孔隙型灰岩的研究、 应用及完善了先 进的有效应力模型， 建立了油田的地层压力剖面。 在此基础上， 完成了井身结构的优化， 钻井实践取得 了较好的效果， 钻井安全顺利， 效率提高。 （3） 研究分析了雅达油田地层的强度及可钻性 基础数据， 以及实钻资料， 开展了钻头优选、 空化射 流、 PDC 螺杆等研究， 建立了一套适合雅达油田的 钻井地质特点提速配套技术， 是雅达油田提速的重 要手段。 （4） 针对雅达油田井斜等问题， 从地层及井下钻 具、 钻井参数等几个方面， 提出了复合钻进等措施， 并取得了较好的防斜效果， 提高了机械钻速。 （5） 针对沥青层侵入复杂难题， 实践表明利用 控压钻井技术是可行的， 在 S3 井及 APP2 井取得了 成功， 为该油田的高效开发探索了一条卓有成效的 途径。 参考文献 ［1］ 鲍洪志， 杨顺辉， 侯立中， 等 . 伊朗 Y 油田 F 地层防卡技 术［J］. 石油钻探技术， 2013， 41 （3） 67-72. ［2］ 王治法， 肖超， 侯立中， 等 . 伊朗雅达油田复杂地层钻井 液技术［J］. 钻井液与完井液， 2012， 29 （5） 40-44. ［3］ 刘任远 . 俄罗斯萨哈林 E 号区块优快钻井技术［J］. 石油钻采工艺， 2010， 32 （2） 97-102. ［4］ 许孝顺 . 墨西哥 EPC 区块优快钻井技术［J］. 石油钻 探技术， 2011， 39 （9） 53-57. ［5］ 张辉， 高德利 . 钻头选型方法综述［J］. 石油钻采工艺， 2005， 27 （4） 1-6. 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