渤海湾地区海洋优快钻井配套技术.pdf

第 2 8卷 增刊 2 0 1 1 年l 1 月 钻井液与完井液 DRI LLI NG FLUI D COM PLETI ON FLUI D V o 1 ． 2 8 S u p p l e me n t NO V ．2 0l 1 文章编号1 0 0 1 5 6 2 0 2 0 1 1 S O 一 0 0 3 8 ． 0 4 渤海湾地区海洋优快钻井配套技术 王多万 中国石油集团海洋工程有限公司，北京 摘要渤海湾地 区钻井面临大港滨海区块深井复杂井施工困难、冀东南堡区块东三段玄武岩地层钻速较慢等 技术问题，导致钻井过程中遇到的井下复杂情况较多，钻井速度下降。为提高钻井速度，优选出高压喷射钻井、 井下动力钻具配高效钻头和海洋深井优快钻井配套技术，制定出了一系列切实可行的施工措施，并推广应用到钻 井生产中。在滨海8井的试验表明，高压喷射钻井能够较大幅度地提高钻井机械钻速，如果在上部相对较软、胶 结性不好的地层井段使用高压喷射钻进，提速效果就会更明显。 关键词 渤海湾 ；海洋 ； 优快钻井 ； 配套技术 ； 钻井速度 中图分类号 T E 2 4 2 ． 9 文献标识码 A 包括辽河、冀东、大港 3 个油区的渤海湾地区 具有相同的地层层序，但各层厚度和埋藏深度以及 岩性差别较大，主要区别在于大港油区明化镇组地 层造浆性较强 ，滨海地 区东营组 、沙河街组漏层多 ， 深部地层井温较高 ，冀东 、辽河两油 区明化镇组地 层以中细砂岩为主，基本不造浆，但馆陶组地层渗 透性较好 ，易发生渗漏 ，形成的泥饼较厚 ； 冀东油 区的馆 陶 ． 东营组地层有较厚 的玄武岩 ，岩性硬度 强但胶结差 ，易垮塌造成井壁失稳 ，辽河燕南断层 跨越区域较广 ，地层较复杂 ， 存在较大地应力现象 。 1 高压喷射钻井、井下动力钻具及 高 效钻头 的协 同应 用技 术 “ 高压喷射钻井与井下动力钻具配个性化钻头 提高钻井速度”是中国石油天然气集团公司近 3年 科技攻关的重点，为全面落实中国石油天然气集团 公司的提速要求 ，在大港和冀东区块进行了高压喷 射钻井、耐高温马达的应用试验，以实现钻井速度 的整体提高。 海洋工程有限公司通过与宝石厂合作对中油 海 6 平台进行了设备改造，更换为耐高压的缸套、 耐高温的凡尔体、大功率的喷淋泵以及高压水龙 带 ，达到了高压喷射钻井 的设备条件 ，在滨海 8井 的 4 9 8 0 ～5 0 1 2 m井 段 采 用 了 3 0 MP a的 高压 喷 射钻井试验，该试验使用的钻具组合为 2 1 5 ．9 mmH J T 5 3 7 GK牙 轮 钻 头 水 眼 1 0 mm1 l mm 1 2 mm 4 3 0 4 1 0浮 阀 西1 6 5 mm 钻 铤 1根 L WD MWD仪器 b 1 6 5 mm钻铤 5根 西1 2 7 mm 加重钻杆 2 0根 西1 2 7 mm钻杆 1 2 3 柱 转换接头 西1 3 9 ．7 mm钻杆 ； 使用的钻进参数为钻压为 8 ～ 1 5 t ，排量为 3 l L ／ s ，转速为 1 2 0 r ／ mi n ，泵压为 3 0 MP a 。应用结果表明，在相 同层位高压喷射钻井 的 机械钻速 比常规钻井提高 9 ． 8 ％，在细砂岩地层高 压喷射钻进的钻速比常规钻进增大明显，深层的高 压喷射钻井同样成效明显。由此可见，即使在地层 压实强度高、性较硬的深部地层，采用高压喷射钻 井后机械钻速也有提高 『 】 ] 。目前各区块正常钻井泵 压在 2 0 MP a以上 ，将在深井施工 中继续推广高压 喷射钻井技术 。 在中油海 5 平台的南堡 1 ． 8 0 井进行 了抗高温 1 5 0℃ 螺杆钻具的试验，收到理想效果，与胜利 油田施工的井相比机械钻速提高 1 0 4 ．5 ％，与中油海 5 平台的其他井相比机械钻速提高 3 0 ．7 7 ％，具体见 表 1 。 通过总结以往经验，在大港、冀东区块实施 第一作者简介 王多万，助理工程师，毕业于西安石油大学石油工程专业。地址 北京市朝阳区太阳宫中路丰和大厦 1 8 2 2室 ；邮政编码 1 0 0 0 2 8；电话 1 5 8 1 0 8 4 9 8 0 8； E - ma i l wa n g d w．c p o e c n p c ． c o m． c n 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 8卷 增刊 王多万渤海湾地区海洋优快钻 井配套技术 3 9 了 P D C钻 头 导 向马达 MWD的应 用 ，优 化 了 钻井参数，采用定向井大功率的马达，结合钻头生 产 厂家和各大石油 院校针对不 同区块 的地层 进行 的岩石力学分 析和地层可钻性 研究结果 ，对 比了 P D C钻头在不同区块、不同地层的使用情况，并 进行了个性化钻头设计，以全面提高钻井速度。以 针对冀东油 田的玄武岩地层进行个性化设计为例 ， 在 南 堡 1 2 99 7井 应 用 了一 只个 性 化 设 计 钻 头 G P 1 6 4 5 E X ，该单只钻头钻进进尺为 l 7 8 8 m，机 械钻 速 为 2 6 ． 7 6 m／ h 。 表 1 抗高温螺杆使用情况对比 井号 钻进井段／ 机械钻速／钻压／转速／ 泵压／排量／ m m／ h t r ／ m i n M Pa L ／ s 注 南 1 ． 8 0井使用 MD 5 1 7 钻头，南堡 1 、南堡 1 5和老 堡南 1 井使用 HA T 5 3 7 GL钻头 ； 钻头尺寸均为 1 5 2 ． 4 mm。 2 深井优快钻井配套技术 大港滨海 区块的井设计井深为 4 6 0 0 m左右 ； 一 般为直井，主要钻探滨海构造下第三系沙一段、 东营组含油气情况。 为达到优快钻井的目的，首先，尽量简化钻具 组合，并进一步推广 P D C钻头 马达的应用。为 简化钻具 ， 尽可能少用钻铤 ，减少下部钻具的钢性 ， 用加重钻杆代替部分钻铤，减少钻具与井壁的接触 面积 ，减少滑动钻进摆工具面的难度。 第二，在深井钻进中应尽可能提高上部软地 层段 的机 械钻速。例如 ，滨海 8 井 4 4 4 ． 5 mm井 眼钻深 为 2 0 0 3 m，西3 l 1 ． 1 mm井 眼钻 深为 4 1 1 2 m，可见上部大井眼井段长、地层软，如何提高该 部分井眼的机械钻速，同时控制好井身质量是整 口井的重点，在实际钻井中采用 P D C钻头 马达 MwD 顶驱的复合钻进方式，尽量实现高压喷射 钻井，提高机械钻速，为保证井眼清洁控制一定的 排量和环空返速也很关键，为此使用了5 5 ～6 5 L ／ s 的大排量，另外使用了 西1 3 9 ．7 m m S 1 3 5 钻杆，以 减少 循环压耗 ，提高环 空返速 ，使 顶驱转速达到 1 2 0 r ／ mi n以提高携砂能力 。通过以上手段 ，井下复 杂情况明显减少，井身质量也控制得较好。 第三，在深井钻探过程中，特别是可能较复杂 的深井中， 配合使用较先进的技术手段，同样可以减 少复杂情况，从而提高效率。例如，在滨海 8 井四 开井段使用了麦克巴钻井液、贝克休斯 E C D井底压 力监测、L WD随钻测井等先进技术。贝克休斯E C D 监测仪器可随时监测井底循环当量密度的变化，及 早发现井底压力变化 ，为滨海区块下部窄密度窗 口 井段的安全钻进提供了有力保障， 降低了钻井风险。 L WD无线随钻测井成本较 高，但 可以提高复杂深 井的综合效益，并且可在地层刚被揭开的时候进行 测井，从而避免或降低受钻井液污染的影响 『2 】 。 第四， 深井井下较复杂， 在稳扎稳打的前提下， 在钻具组合中加入随钻震击器可以确保井下安全， 并进一步简化钻具结构 ，如果必要 ，则无论是 P DC 还是牙轮钻头 ，全井采用加重钻杆钻进 ，靠加重钻 杆代替钻铤加压，也可考虑将 MWD仪器上面的无 磁钻铤换成无磁承压钻杆。如果深部钻具扭矩控制 困难，则避免在裸眼段使用大直径钻具，可降低钻 进时的磨阻，减少托压，同时有利于定向井摆工具 面、 扭方位等操作， 同时减少井下事故或复杂发生 ] 。 3 南堡油田奥陶系钻井技术 通过细化钻井措施 ，配合使用优质低固相钻井 液体系，在冀东南堡油田奥陶系潜山构造的钻进取 得 了新突破 。 南堡油田奥陶系井较深，穿过的地层复杂，从 平原 、明化、馆陶、东营至奥 陶系，其 中明化镇组 下部泥岩 、馆陶组 中下部黑色玄武岩和底部砂砾岩 发育，东二段泥岩集中发育，东三段大段火成岩发 育，奥陶系灰岩风化壳卡层段发育，地层压力系数 较低 ，易漏，而钻至奥陶系前的东一至东二段为高 压异常。所以，如果在奥陶系上部中途完钻，如何 卡准层位非常关键。 根据邻井资料，在预计进入奥陶系潜山风化壳 前，必须降低钻速以卡准风化壳层位，如钻速突然 增快，停钻观察，发现异常及时提示，地质录井加 密捞砂频次，并及时进行盐酸滴定分析，确保进人 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 钻 井 液 与 完 井 液 2 0 1 1 年 1 1月 奥陶系风化壳层的进尺少 ，避免发生井漏 。 奥陶系上部 的中途完钻 固井很关键 。为了避免 固井过程中发生漏失，针对奥陶系潜山风化壳层的 易漏特点 ，优化 固井方案 ，充分调整钻井液性能以 满足固井要求 ； 精确计算以确保水泥浆返高 ； 下套 管前的通井循环期间检测井底灰岩段的承压能力， 上部井段使用低密高强水泥浆体系，以减小井底液 柱压力，降低漏失风险，在领浆和井底以上 3 0 0 m 的硅粉水泥浆中加入适合比例的纤维材料，提高防 漏性能 ； 优化顶替方案，在压力平衡后即开始慢替， 降低漏失风险，通过固井优化方案和缜密的现场组 织保证 固井质量 [4 ] 。 4 钻井液防塌、防漏技术 南 堡油 田馆 陶组玄武岩质地坚硬 、可钻性差 ， 以长石为主，泥质胶结，裂缝发育，易水化膨胀， 内有凝灰质充填物，且易遭破坏，易漏易垮塌，安 全密度窗口窄 [5 ] 。针对玄武岩易漏易塌的特点，根 据地质预测 ，在进入玄武岩层之前 5 0 ～ 1 0 0 m深度 处，开始调整钻井液性能，即增大降滤失剂加量， 控制滤失量小于3 m L ， 同时保持钻井液的强抑制性， 加人一定量 的封堵剂 、防塌剂和抑制剂 ，如成膜封 堵剂、 磺化沥青、 超细碳酸钙和单向压力封闭剂等， 对玄武岩缝隙进行封堵，改善泥饼质量、增强体系 的封堵防塌堵漏能力，同时依靠钻井液密度进行力 学支撑井壁，实现物理防塌，依靠化学药剂减少失 水对岩层的浸泡而避免发生井壁坍塌，以保证井壁 的稳定性 ，实现化学 防塌，从而从物理和化学 2方 面保障玄武岩段施工安全。在钻进过程中观察返砂 情况 ，一旦有掉块现象则立即加重 均匀缓慢 ，防 止井漏 。 大港区块沙一、沙二段大段泥页岩易剥落垮塌 ， 为了控制高压地层流体侵入，防止井下漏失，避免复 杂情况的发生，预防或减轻该段泥岩垮塌是首要的 条件。总结出以下做法 ①施工中钻井液密度保持 为设计上限，密切注意返出岩屑情况，如发生掉块 及时与甲方沟通，调整钻井液密度 ； ②使用抗高温 防塌能力强的钻井液体系，增加抑制剂、防塌剂和 抗高温降滤失剂的用量，增强钻井液的抑制性，控 制钻井液滤失量和地层水化分散，提高钻井液的抑 制水化能力，增强钻井液的造壁封堵性能 ； ③中途 打通循环尽量避开不稳定易塌井段 ； ④起下钻操作 平稳 ，控制起下钻速度 ； ⑤到井底开泵时排量要 由 小到大 ，逐渐 恢复正常 ； ⑥起钻时注意灌满钻井液 ， 防止因井内液面下降过多引起压力失衡造成井壁垮 塌 ； ⑦尽量减少钻井液对井壁的浸泡时间，避免因 浸泡时间过长而导致不稳定地层的周期性垮塌。 5 井身轨迹控制技术 控制井身轨迹十分重要 ，因为钻出平滑规则 的 井眼 ， 对预防各种井下复杂情况会打下 良好的基础。 东营及沙河街组地层倾角大 3 0 。 ～4 5 。 ，在直井 、 定 向井中全部应用导向马达配合 MWD跟踪，坚 持直井段每 1 0 0 ～1 5 0 m测单点一次 ，根据井斜情 况及时调整钻井参数 ，通过优化轨迹剖面 ，超前采 取施工措施，及时跟踪调整施工方案，保证了直井 的 “ 防斜打直 ”和定 向井 的准确 中靶 。在深井防斜 打直方面 ，通过动力钻具的使用和合理的钻井参数 严格控制上部井段井身质量 ，尽可能控制全角变化 率在设计范围。随着井深增加，温度升高到井下动 力钻具范围之外后，采用常规钟摆钻具，通过合理 钻井参数控制井斜，保证井底位移达到要求。深井 钻井施工到较深地层时建议在钻具组合上甩掉扶正 器 ，减少卡钻风险 ，加大下部负重钻具重量 ，增加 加重钻杆数量 ，减少钻具组合 中的钻铤数量 ，并定 期倒换钻具位置 ，既能有效控制井斜增 大趋势 ，也 能扩大钻压选择范围， 减小钻具与井壁的接触面积 ， 防止压差卡钻及断钻具 的情况发生。 6认 识 与 结论 1 ． 通过在埋藏层位较深、岩性较硬 、可钻性相 对较差 的滨海 8 井试验及其与历年相 同区块 、相 同 钻头的钻井实际经验 比较 ，高压喷射钻井能够较大 幅度地提高钻井机械钻速，从而缩短钻井周期。如 果在上部相对较软、胶结性不好的地层井段使用高 压喷射钻进，提速效果就会非常明显。但喷射钻进 对设备要求较高，只有设备达到安全要求时才能够 进行高压喷射钻井 ，再者由于钻时较快，产生的岩 屑多，钻井液携砂能力要好 ，为了减少环空压力消 耗，钻井液流变性也不能差，只有这样才能够较快 地提高机械钻速而又保护设备降低能耗。 2 ． 存在多套压力系统的深井施工中，提高井壁 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 8 卷 增刊 王多万渤海湾地区海洋优快钻井配套技术 4 1 承压 、预防井下漏失 ，防止卡钻和杜绝井喷是关键 。 3 ．在 深井 防斜打直方面 ，通过动力钻具 的使 用和合理 的钻井参数严格控制上部井段井身质量 ， 尽可能控制全角变化率在设计范围。 随着井深增加， 温度升高到井下动力钻具范围之外后 ，采用常规钟 摆钻具，通过合理钻井参数控制井斜，保证井底位 移达到要求 。 4 ．深井钻井施工到较深地层 时建议在钻具组 合上甩掉扶正器，减少卡钻风险，加大下部负重钻 具重量 ，增加加重钻杆数量 ，减少钻具组合 中的钻 铤数量，并定期倒换钻具位置，既能有效控制井斜 增大趋势 ，也能扩大钻压选择范围 ，减小钻具与井 壁的接触面积，防止黏卡及断钻具的情况发生。 5 ．加强化学防塌 ，严格控制滤失量 ，增强 泥 饼质量以稳定井壁，在钻进油层段时，适当提高钻 井液黏度并适当降低泵排量，减轻钻井液对井壁的 水力冲刷，完井电测前在钻井液中加足润滑造壁材 料形成较规则的井眼 ，保证电测施工顺利。 参 考 文 献 [ 1 ] 王太平，程广存 ， 李卫刚， 等 ． 国内外超高压喷射钻井 技术研究探讨 [ J ] ． 石油钻探技术，2 0 0 3 ，3 1 2 3 2 ． 3 4 ． [ 2 ] 史建刚 ． L WD地质导向无线随钻测量仪器现场使用问 题探讨 [ J ] ． 钻采工艺，2 0 0 8 ，3 1 2 1 4 3 ． 1 4 5 ． [ 3 ] 李梦刚，楚广川 ， 张涛，等 ． 塔河油田优快钻井技术实 践与认识 [ J 】 ． 石油钻探技术 ，2 0 0 8 ，3 6 4 1 8 2 1 ． [ 4 ] 姜伟 ． 现代优快钻井技术在渤海油田开发中的应用 [ J ] ． 中国海上油气，2 0 0 2 ，1 4 6 1 8 - 2 3 ． [ 5 ] 张卫平 ． 喷漏同层井段全井高密度随钻堵漏钻井液技术 [ J ] ． 钻井液与完井液，2 0 0 8 ，2 5 4 5 8 6 0 ． [ 6 ] 孙金声，杨宇平 ， 安树明， 等 ． 提高机械钻速的钻井液 理论与技术研究 [ J ] ． 钻井液与完井液，2 0 0 9 ， 2 6 2 1 - 6 ． 收稿 日期2 0 1 1 - 0 8 2 1 ；HG F I 1 S O W1 ；编辑 汪桂娟 上接 第3 7 页 国外钻头厂商已有一些型号的钻头 如 H u g h e s 公司的 A T X、 A T M、 MAX系列， S mi t h公司的 MF 3 H、 M2 S D系列等 可以在这个转速下工作几十甚至上 百小时，可以满足不同类型动力钻井工具的要求。 国外在这方面已有许多成功的经验值得借鉴。 5 ． 5 改善钻井液流变性能 良好的钻井液流变性能，不仅可以提高井底和 钻头的净化能力，还能在大井眼环空低返速条件下 提高携岩能力，保证井眼的净化。这都必须由钻井 液固控设备来保证。合理控制固相含量，不仅能够 提高钻井速度，还可避免一些井下复杂情况。 5 ． 6 采用适当的钻井工艺 改变钻井方式 ，采用 “ 2次成孔 ”的方法 ，先 用 2 1 5 ． 9 mm或 西3 l 1 ． 1 1 T I 1 T I 钻头钻出井眼后再用 带领眼钻头的 西4 4 4 ． 5 mm 的牙轮扩孔钻头或 P DC 扩 孔 钻 头扩 至 西4 4 4 ． 5 mm，这 样 可 缓解 西4 4 4 ． 5 m m钻头机械能量和水力能量严重不足的问题。 6结论 与建议 1 ． 当前深井大直径钻井技术的根本问题是钻井 工具、钻头、钻井装备与大直径井眼的钻井工艺要 求不相适应 ，在实际中主要问题是 ①井底 比水功 率低导致井底和钻头清洗不良 ； ②环空返速低导致 岩屑携带能力下降 ； ③钻压不足导致机械破岩能量 明显不足 ； ④大尺寸钻头系列不全，齿面结构和水 力结构设计不合理，破岩效率低 ； ⑤钻井装备有时 也不能满足钻井工艺 的要求。 2 ． 解决深井大直径钻井 问题的关键是要进行装 备配套，使之与深井大直径井眼的钻井工艺要求相 适应，应采取如下技术措施 ①采用大尺寸钻杆和 钻铤，提高水力能量和机械能量 ； ②改进大尺寸钻 头齿面结构和水力结构 ，完善钻头系列 ； ③发展大 直径井下动力钻井工具提高钻速 ； ④强化钻井装备 配套 ，加强固控管理 、改善钻井液流变性能 ； ⑤在 适应地层中推广使用金刚石类钻头。 参 考 文 献 [ 1 】 刘希圣 ． 钻井工艺原理 [ M] ． 北京 石油工业出版社， 1 9 9 8 ． [ 2 ] 钻井手册 甲方 [ M] ． 北京 石油工业出版社，1 9 9 0 ． [ 3 ] 张国龙 ，曹满党，倪益明 ． 深井大尺寸井眼钻速低的原 因及对策 [ J ] ． 石油钻探技术 ，2 0 0 1 ，2 9 2 2 4 ． 2 5 ． 收稿 日期2 0 1 1 - 8 2 5 ；H GF I 1 Z F 3 ；编辑付王 目 颖 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m