阿姆河右岸定向水平井钻井工艺技术实践.pdf

8 钻 采 工 艺 DRI L L I NG ＆ P R0DUCT 1 0N T ECHNOLOGY 2 0 0 9年 1 1 月 N0 v ．2 0 0 9 阿姆 河右岸定 向水平井钻 井工艺技术实践 刘延富 ，吴先忠 ，李万军 ，王小石 ，胡 超。 ， 郭世侯 1中油 土库曼斯坦 阿姆河天然气公 司2中国石油集团钻 井工程技术研 究院 3川庆钻探工程有限公 司钻采工艺技 术研 究院 刘廷富等．阿姆河右岸定向水平井钻井工艺技术实践． 钻采工艺 ， 2 0 0 9， 3 2 6 8 一l 1 摘要中油 土库曼斯坦 阿姆河天然气工程项 目是迄今为止中国石油集团公司在海外最大的天然气项目， 是中亚管道的主要气源地，萨曼杰佩气田S a m3 51 H水平井是土库曼斯坦阿姆河右岸巴格德雷区块的第一口水 平井 ， 其钻探 目的是通过 水平 井实现稀 井高产 。该构造地层复杂 ， 存在 巨厚 盐膏层 有 的含 异常高压 盐水 ， 储 层压 力低 0 ． 9 8 ， 高含 H S ， 该井面临水平位移长及盐膏层定向稳斜难 等技 术难题 。S a m一3 51 H水平井 的成 功实施 ， 为 同类地层 大位移水平井的钻 井积 累了经验。 关键词 土库 曼斯坦 ；阿姆 河右岸；萨曼杰佩 ； 水平 井；钻井 ； 钻井液 中图分类号 T E 2 4 3 文献标识码 A D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 6 7 6 8 X． 2 0 0 9 ． 0 6 ． 0 0 3 随着水平井技术的成熟 ，水平井技术在国内外 得到了快速发展 ， 通过水平井 的实施能够达到稀井 高产 ， 提高采收率 、 降低总体开发成本的 目的。 前苏联在萨曼捷佩气 田进行 了多年的勘探 ， 由 于巨厚膏 盐层 的存 在 ， 工 程 和地质 报废率 各达 到 3 0 ％ ， 没有水平井开发先例。中石油获得该油 田开 发权后 ， 针对该气 田存在底水 ， 是一个大型生物礁底 水气藏 ， 储层厚度大且构造平缓具有水平井开发条 件等特点 ， 为减少开发投资 ， 优化井 网布置 ， 获取最 高采收率， 决定优先用水平开发。S a m一 3 5 1 井综 合运用水平井钻井技术 ， 获 1 4 61 0 m 。 ／ d的高产 量工业性天然气流 ， 是直井天然气产量的 3倍。 一 、地 质情 况和地质要 求 1 ． 地质情况及风险 S a m一3 51井位于土库曼斯坦纳巴特市东部 ， 阿姆河右岸 巴格德雷合同区西北部 ， 萨曼杰佩气 田 北翼 ， 距土乌边境 3 6 2 m。 萨曼捷佩气 田地层 自上而下依次是 新近系、 古 进系、 白垩系、 侏罗系提塘阶、 侏罗系基末利阶、 侏罗 系牛津卡洛夫阶。其 中牛津 卡洛夫阶是 目的层 ， 其 埋深在 2 4 0 0 2 6 0 0 m， 分为硬石膏灰岩互层、 层状 灰岩层、 块状灰岩层 。块状灰岩层储层物性较好 ， 是 主要储层 ， 层状灰岩层是次要储层。储集空间类型 主要 为孔隙、 溶洞 、 裂缝 型。储 层气体 中甲烷含量 8 9 ． 9 ％ ， H 2 S含量在 3 8 ． 1 04 5 ． 1 2 g ／ m ， 属高含硫 气藏 ， C O 含量在 5 8 ． 8～ 9 8 ． 0 g ／ m ， 储层压力系数 低 0 ． 9 8 。基 末利 阶为巨厚盐 膏层 ， 垂厚一 般在 4 2 5 m左右， 是萨曼捷佩气 田良好的区域盖层 ， 主要 分为上石膏层 、 上 盐层、 中石膏层 、 下盐层 、 下石膏 层。其中纯度达 9 7 ％ 以上的纯盐层厚达 3 6 0 m左 右。盐膏层比较软 ， 易溶解和蠕变 ， 中间常伴有高压 盐水 ， 易形成键槽 、 大肚子、 缩径 ， 易造成盐析卡钻、 缩径卡钻 、 键槽卡钻 、 沉沙卡钻 、 挤毁套管 、 井喷等工 程风险。 2 ． 目标靶体 由于气 藏为 底水 气藏 ， 预计 气水 界 面 井深 2 5 2 1 m， 海拔 一 2 3 1 7 m 位于块状灰岩层 X V m 下 部。为 了延缓开发井 的出水 时间， 选择 以卡洛夫 一 牛津阶层状灰岩 X V p层 顶界为人靶点 A ， 以大 斜度斜 向穿过层状灰岩， 出靶点 B 位于块状灰岩 X V m 近顶部 。进入块状灰岩 中部预计气水界 面 以上 2 5 m终靶 。斜井段巷道倾角 1 5 。 ， 水平段巷道 倾角 2 。 。 目标靶体设计 为 厚度 储层含气 区层状 灰岩 块状灰岩含气层厚度 为 1 0 0 m、 宽度为 1 8 0 I T I ， 长度约 1 0 0 0 m的长方体。 S a m一3 51 H井井 口及 入靶 点 A 、 出靶点 B 、 终靶 点 C 点均 在平行 于 土乌边 境线 方位 收稿 日期 2 0 0 9 0 82 8 作者简介 刘廷富 ， 教授级高 级工 程师 ， 1 9 8 5年 西 南石 油大 学石 油 工程 系 毕业 ， 阿姆 河 天然 气公 司 副总 经理 。联系 人 胡超 ， 地址 6 1 8 3 0 0 四川广汉钻采院定 向井中心 ， 电话 0 8 3 8 5 1 5 1 8 7 0 。 第3 2卷第6期 Vo 1 ． 3 2 No ． 6 钻 采 工 艺 D t t I L L I N G＆ P R 0 DU C T 1 0N T E C HN 0 L O G Y 9 1 2 4 。 线上 图 1 。 图1 S a I I r 3 5 一 州井设计 目标靶 体 3 ．轨迹设计要求 定 向方位 1 2 4 。 ， 控制方位 1 1 9 。 ～1 2 9 。 。 人靶点 4 垂深 2 4 2 0 m， 靶前位移 5 1 6 m， 控 制范围4 6 6～ 5 6 6 m。斜井段 长 1 9 3 m， 斜井段水平 位移 1 8 7 m。 出靶点 B 垂 深 2 4 7 0 m， 水 平 位移 7 0 3 m 5 1 6 m1 8 7 m ， 控制范 围 6 5 3～ 7 5 3 m。水平段长 5 0 0 m， 水平位移 4 9 9 m。 终靶点 c 垂深 2 4 9 5 m， 水 平位移 1 2 0 3／ I ／ 5 1 6 1T t 1 8 7 m 4 9 9 m ， 控制范围 1 1 5 2～1 2 5 2 m。 大斜度和水平段巷道总长 6 9 3 m 1 9 3 IT I 5 0 0 m 。 二、 主要技 术难点 根据地 质设 计方 案及 水平 井 钻井 工艺 要求 ， S a m一3 51 H水平井 在钻井过程中主要存 在以下 技术难点。 1 ． 地质构造复杂 萨曼杰佩气 田地质结构复杂， 含有多套压力体 系 ， 地表分布有流沙层 ， 容易垮塌 ； 布哈尔层地下水 较活跃 ； 基末利 阶盐膏层 高含 H S ， 盐岩厚度大 ， 纯 盐层厚度达 3 6 0 m左右 ， 除盐岩本身极易垮塌和塑 性变形外 ， 盐层 内局部还聚集高压盐水 ， 特别是高构 造应力区的复合盐层钻井是世界级钻井技术难题 。 2 ． 井身质量要求高 。 轨迹控制难度大 0 3 1 1大井眼排量高 ， 仪器冲蚀严重 ， 井段长 ， 钻 压传递 困难 ， 定 向钻进脱 压严重 ， 单弯螺杆 复合钻 进， 钻具漂移规律不清， 同时靶区半径较小， 对轨迹 控制精度要求高， 造成轨迹控制难度很大。 3 ． 钻井液抗盐、 抗石膏、 抗 H s污染问题 该地 区含有 巨厚盐膏层 ， 纯盐层和石膏层对钻 井液的污染严重 ， 摸索一套合适的抗盐 ， 抗石膏的钻 井液体系。储层 H s含量高 ， 易发生钻具腐蚀导致 井下管材破坏的事故 ， 造成井下 、 人身安全和环境污 染等问题 。 4 ． 摩阻、 扭矩大 水平井钻井时 ， 在盐膏层定 向钻井及从靶点 A 点 向 B点的增斜作业 中， 随着位移和控制井段的增 加 ， 摩阻和扭矩 明显增大。因此进行钻前 和钻进 中 的扭矩和摩阻预测 ， 进行造斜率 、 斜井段和水平段长 度对扭矩和摩阻影响分析 ， 是水平井轨迹优化和钻 柱优化的基础工作 。 5 ． 井眼 净化 问题 水平井钻井 ， 钻杆偏心严重 ， 岩屑极易在大斜度 井段和水平井段形成岩屑沉积床 ， 给井眼净化造成 困难 。 三、 钻井工艺技术 1 ． 井身结构优化 在综合分析盐膏层特点及 已完直井钻井成功经 验的基础上 ， 确定井身结构设计原则 1 根据该构造直井平均产量预计水平井 日产 量在百万方以上 ， 需用较大尺寸油管开采 ， 因此考虑 水平段用 0 2 1 5 ． 9井眼。完钻后下入 0 1 3 9 ． 7筛管。 2 由于盐膏层 与储层 的压力 系数不一样 为 防止进入低压储层 出现井漏 ， 钻完盐膏层后就应下 一 层套管。 3 为封固地表 疏松地层 、 布哈尔水层和承受 下部钻盐膏层高密度钻井液的需要 ， 表层套管可下 到 7 5 0 m左右 。 根据 已钻井 的情况和设计 的井眼轨迹 ， 井身结 构采用三层套管程序。一开采用 0 4 4 4 ． 5钻头钻至 7 5 6 m左右 ， 下入 0 3 3 9 ． 7技术套管封堵 7 5 6 m 以上 层位 ； 二开采用 0 3 1 1 ． 2钻头钻部分直井段后 ， 定向 造 斜 井 段 钻 完 侏 罗 纪 巨 厚 盐 层 及 石 膏 层 1 8 7 0～ 2 4 2 5 i n ， 下入 0 2 4 4 ． 5技术套管封堵侏罗 纪巨厚盐层及石膏层 ； 三开采用 0 2 1 5 ． 9钻头钻完 设计进尺 ， 下入 0 1 3 9 ． 7筛管和 0 1 7 7 ． 8套管完井 。 2 ． 井眼轨迹优化设计 2 ． 1造斜 点的选择 由于该井为第一 口水平井 ， 盐层 中能否滑动钻 进及其造斜率大小不确定。因此把造斜点选在了戈 捷里夫阶泥岩层， 保证进入盐层时， 井斜达到3 0 。 左 右， 防止后续施工时， 方位产生过大漂移。由于盐膏 层厚 ， 在进入盐层时 ， 井斜也不能太 大， 否则钻达 目 的层会需要更长的井段 ， 会产生比较大的水平位移 ， 1 0 钻 采 工 艺 DRI L U NG ＆ P RODUC TI ON r ECHN0L 0GY 2 0 0 9年 1 1 月 No v ．2 o o 9 钻进时扭矩摩阻增大 ， 会增加轨迹控制难度 。 2 ． 2造斜率的选择 、 一 要确保在较软的盐层 中不能形成键槽 ； 二 要 适应复杂的地质变化 ， 确保工具造斜率能够达到； 三 要能减少造斜及控制井段， 有利于携砂和降低摩阻 和扭矩 ； 四要考虑带有管外封隔器和套管扶正器 的 管串通过能力。0 3 1 1 ． 2井眼造斜率选择在 4 ． 5 。 ～ 5 ． 5 。 ／ 3 0 m 2 1 5 ． 9井 眼造斜率选择在 5 。 ～7 。 ／ 3 O m。 ’ 2 ． 3井眼轨迹 剖 面的优 选 根据造斜点和造斜率 的确定原则 ， 最终确定 了 七段制井眼轨迹剖面 “ 直 一增 一微 增 一增 一稳 一 增 一平” 见图 2 。第一增斜段的 目的是达到一定 的井斜角 ， 防止后续施工方位漂移过大。 微增斜段 用在盐膏层段 ， 主要 目的是减少斜井段长度 ， 末尾又 达到较大的井斜角 ， 减少下部轨迹狗腿度 ， 且留有多 种轨迹控制方法 。第二增斜段的 目的是有调整方位 能力 ， 能控制入靶姿态 ， 达到矢量入靶 。稳斜段的 目 的是大斜度穿越层 状灰岩层 ， 寻找和确定最佳水平 段垂深位置。第 三增斜段 的 目的是 实现水平段着 陆 ， 控制入靶姿态。水平段用来实现在 良好储层 中 穿行。 ， 一 ； 1 8 0 0 20 H0 O 吕 2 2 0 0 1 } }I{ 24 O O 2 6 0 0 视平移 m 1 0 0 3 0 0 5 0 0 7 0 0 9 0 0 l l o o 1 3 0 0 图2 S a m - 3 5 一 州轨迹设计剖面 3 ． 井眼轨迹控制技术 。 鉴 于该井 的难度 ， 该井从造斜点开始采用全程 无线随钻测斜仪跟踪技术。利用 N a v i g a t o r 摩阻扭 矩分析软件进行 了钻具屈 曲和摩阻的计算 。优化了 钻具组合和钻井参数 。钻具组合使用 简易钻具组 合 ， 并在大斜度井段进行倒装 ， 有利于钻压的有效传 递 ， 便于进行滑动钻进 。根据滑动钻进 、 复合钻进 、 钻进地层及所用钻头的不同， 使用合理的钻井参数， 防止钻具发生屈曲造成疲劳损坏， 在易钻地层， 控制 钻进速度， 确保岩屑及肘返出。使用滑动钻井与复 合钻井交替进行， 严格控制造斜率， 防止出现过大的 全角变化率； 坚持每根单根测斜， 及时对已钻轨道进 行计算描述 、 做 出与设计轨迹参数 的对 比和偏差认 定 ， 及时掌握工具的造斜率， 对钻头处状态参数做 出 较准确的预测 ， 计算出待钻井眼所需造斜率 ， 提前采 取工程技术措施 ， 实现 了轨迹的“ 平稳着陆” 和“ 矢 量进靶” ， 防止了轨迹的大幅波动。 1 第一定 向增斜段 0 3 1 1 ． 2钻头 1 5 ． 9单 弯螺杆 定向接头 0 2 0 3无磁钻铤 1 根 0 2 0 3钻 铤 01 7 8钻铤 0 1 2 7加重钻杆 1 2 7钻杆。 2 微增斜段 0 3 1 1 ． 2 P D C钻 头 双母接头 0 3 0 8扶正器 定 向接头 0 2 0 3无磁钻铤 0 3 0 8 扶正器 0 2 0 3钻铤 0 1 7 7 ． 8钻铤 0 1 2 7加重钻 杆 0 1 2 7钻杆。 3 第二 、 第三定向增斜段 0 2 1 5 ． 9 P D C0 1 6 5 单弯螺杆 定 向接头 1 6 5无磁钻铤 0 1 2 7钻杆 0 1 2 7加重钻杆 0 1 2 7钻杆。 4 水平段 0 2 1 5 ． 9 P D C01 6 5单弯螺杆 稳 定器 定 向接 头 01 6 5无磁 钻铤 0 1 2 7钻 杆 1 2 7加重钻杆 0 1 2 7钻杆。 4 ． 摩 阻／ 扭矩预测与控制 4 ． 1 摩 阻预测 由于摩阻扭矩随井深和位移增加而急剧增大 ， 因此需要对摩 阻／ 扭矩进行预 测和控制。S a m一3 5 1 H井的施工中 ， 为了减少摩阻扭矩 ， 综合考虑井 斜角、 方位角 、 钻柱的抗拉强度以及套管柱 自身几何 参数等因素 ， 通过大钩载荷对起下钻等过程中的摩 阻／ 扭矩计算结果进行对 比， 进而指导水平井施工 。 4 ． 2摩 阻控制 ． ⋯ 通过 N a v i g a t o r等工 程 软件 进行 摩 扭 矩预 测 ， 精确控制井眼轨迹 ； 使用大刚度井眼控制钻具组 合 ； 防止井眼出现大 的狗腿度 ； 增加钻井液 的润滑 性 ； 采用大排量洗井 ； 实施短起下钻作业 ， 加强井 眼 净化。 5 ． 携岩及井眼净化 水平井安全快速钻进 的关键之一就是有效的井 眼清洁。水平井在钻进时岩屑易向下井壁沉积形成 岩屑床， 给钻井施工带来极大的危害。S a m 3 5 1 井 采取的主要井眼净化措施 1 在地面设 备允许的情况 下 ， 最大 限度提高 排量， 保证环空上返速度控制在 1～1 ． 5 m ／ s ， 实现 紊流携砂。钻井液的动塑比控制在0 ． 2 5 0 ． 5 0 。 2 每钻完一根单根均大 幅度活动钻具 ， 在满 足轨迹控制要求的前提下增加旋转钻进的时间， 有 利于提高钻井速度、 传递钻压及提高携岩屑效果。 3 当发现振动筛上岩屑减少、 接单根困难时 ， 使用高黏度 、 高切力的钻井液清扫井眼。 第 3 2卷第 6期 V0 1 ． 3 2 No ． 6 钻 采 工 艺 DRI L U NG ＆ PRODUC耵 0N T ECHN0L 0GY 4 强化 固控设备正常运转 ， 确保 固控设备 的 作用 ， 保证五级净化效果 。 6 ． 钻井液技术 0 3 1 1 ． 2井眼大斜度钻进井段， 采用聚磺饱和盐 水钻井液体系 ， 满足钻井液 的抗盐 、 抗钙污染能力 ， 抑制盐膏层的溶解 ， 同时采用适当的钻井液密度 ， 平 衡高压盐水层及盐膏层 的蠕变 ， 保持井眼稳定 ， 为定 向钻进施工提供良好的条件。 0 2 1 5 ． 9井眼产层 中水平段钻进 ， 采用聚磺盐水 低固相屏蔽暂堵钻井液体系 ， 尽可能保持低 的土相 含量 ， 提高钻井液封堵 能力 ， 保持一定 的矿化度 ， 减 轻对产层的污染 ， 同时加入除硫剂 ， 保持较 高的 p H 值 ， 防止硫化氢污染。 采用优质抗盐、 抗钙钻井液材料预处理泥浆 ， 调 节钻井液流变性 、 失水造壁性 、 润滑性 、 携砂性 ， 满足 大斜度定向钻井 、 水平钻进施 工要求 ， 同时加强 固 控 ， 强化离心机使用效率 ， 保持钻井液 的清洁 ， 钻井 液性能的稳定。 7 ． 盐膏层安全钻井工艺要点 1 定 向钻盐 膏层时 ， 严格执行 盐膏层钻进技 术规范， 做好划眼和短起工作。 2 钻盐层时应调整钻井参数 ， 控制机械 钻速 ， 钻时控制在 l 0～1 5 m i n ／ m。盐岩层及其上 下井段 要保持钻具一直处于活动状态 ， 防止钻具静止而卡 钻 。 3 钻穿盐层和软泥盐层后 ， 应进行短起判定 井眼蠕变规律 ， 发现井下异常情况时 ， 必须短程起钻 到盐膏层井段 以上或套管内， 以验证钻头能否通过。 科学确定安全钻进时间 ， 在盐膏层以下的钻井时 间 不得超过安全钻进时间。 4 控制 滑动钻井时间或滑动钻进井段 ， 适时 上提活动钻具 ， 防止黏卡 。 四、 应 用效果 S a m 3 51 I -／井 2 0 0 8年 1 2月 3 0 日开钻 ， 2 0 0 9 年 1 月 2 3日用 0 3 1 1 ． 2钻头开始二开钻井 ， 2 0 0 9年 2月 4日钻进造斜点井深 1 7 6 0 m。直井段最大井 斜 1 ． 2 7 。 井深 7 7 5 ． 2 0 11“1 。2 0 0 9年 2月 4下入 0 3 1 1 ． 2牙轮钻头 1 ． 5 。 弯螺杆 配海兰 MWD从造 斜点 1 7 6 0 IT I 开始定向增斜。2 0 0 9年 3月 1 6日顺 利钻至中完井深 2 5 6 0 m， 井底井斜达到 6 5 ． O 5。 ， 方 位 1 2 5 ． 7 5 。 ， 垂深 2 3 9 4 ． 7 4 I n ， 闭合距 4 4 9 ． 5 2 m，闭 合方位 1 2 4 ． 2 1 。 。创造了斜穿巨厚膏盐层 6 2 4 m 的 施工纪录。该井实钻井眼轨迹参数与设计井眼轨迹 参数高度 吻合 ， 最大全 角变化率 7 ． 2 9 。 ／ 3 0 m 在井 深 1 8 0 7 m处 ， 井眼轨迹平滑， 起下钻畅通， 电测仪 器一次下放至井底 。下 0 2 4 4 ． 5技术套管在使用套 管管外封隔器和多个套管扶正器 的情况下， 顺利下 至 2 5 5 8 ． 6 1 m。 ’ 2 0 0 9年 3月 2 9日用 0 2 1 5 ． 9钻头三开钻进 ， 4 月 1 E t 钻至 A靶点 ， 井深 2 6 2 8 ． 4 1 m， 井斜 7 4 ． 5 8 。 ， 方位 1 2 2 ． 8 7 。 ， 垂深 2 4 2 0 m， 闭合距 5 1 2 ． 8 4 1 T I ，闭 合方位 1 2 4 ． 2 9 。 。4月 7 日钻至 B靶点， 井深 2 8 3 1 ． 2 2 m， 井斜 8 0 ． 4 2 。 ， 方位 1 2 3 ． 3 9 。 ， 垂深 2 4 7 0 m， 闭合距 7 0 9 ． 2 1 r n ，闭合方位 1 2 4 ． 0 9 。 。2 0 0 9年 4 月 1 8 E t 钻至井深 3 3 3 3 m， 完钻。井 底井深 3 3 3 3 m， 井斜 9 1 ． O 8 。 ， 方位 1 2 6 ． 2 0 。 ， 垂深 2 4 7 2 ． 4 4 m， 闭 合距 1 2 1 0 ． 6 0 IT I ， 闭合方位 1 2 4 ． 2 6 。 。准确命中3 个靶区， 实现了地质 目标， 全井各项作业施工顺利， 未出现井下复杂 、 事故 。并 取得了全井平均机械钻 速 3 ． 0 3 m ／ h ， 钻井周期 1 1 1 ． 6 d的好成绩 。 完井采用 0 1 4 0筛 管 01 7 8套管完井 ， 替喷测 试， 获 1 4 6 1 0 111 ／ d的高产量工业性天然气气流， 是直井天然气产量的 3倍 。 五 、 结论与建议 1 土库曼斯坦萨曼杰佩气 田第一 口巨厚盐膏 层水平井钻井技术 的成功实践 ， 实现 了采用常规钻 井技术钻探复杂油气 资源 的钻井开发任务 ， 创 出了 土库曼斯坦钻井 多项新指标 ， 取得 了 良好 的效益 。 为后续水平井和定向井的推广和进一步提高海外项 目的开发效益提供 了经验 ’ 2 该井的井身结构设计、 井眼轨迹设计、 对付 盐膏层的钻井液技术和一整套井眼轨迹控制技术是 成功的； 用水平井开发 巨厚膏盐层下油气资源是可 行的。 3 盐层 中使用 P D C钻头滑动钻进 困难 ， 但用 牙轮钻头获得了较好的施工效果 ， 因此 ， 井眼轨迹设 计时， 应尽量设计稳斜段以避免在泥岩、 石膏层滑动 定向钻进而影响钻井速度 。 l l 参 考文献 [ 1 ] 高德利． 南海西江大位移井钻完井工艺分析研究 [ J ] ． ， J 石油钻采工艺 , 2 0 0 4， 2 6 3 1 6 ． [ 2 ] 苏义脑 ， 窦修荣 大位移井钻井概况、 工艺难点和对工 具仪器的要求[ J ] ． 石油钻采工艺， 2 0 0 5 ， 3 3 4 61 O ． 编辑 黄晓川 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载