大庆油田气体钻井井径扩大原因.pdf

2 0 1 5年 6月 第 3 4卷第 3期 大庆石油地质与开发 Pe t r o l e u m Ge o l o g y a n d Oi l fie l d De v e l o pme n t i n Da q i ng J u n e，2 01 5 Vo 1 ． 3 4 No ． 3 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ J ． I S S N． 1 0 0 0 ． 3 7 5 4 ． 2 0 1 5 ． 0 3 ． 0 1 7 大庆油 田气体钻 井井径 扩大原 因 姜妮 关 大庆 油田有 限责任公 司钻探工程公 司钻井三公 司，黑龙江 大庆1 6 3 4 1 3 摘要为降低气体钻井井径扩大对后期钻井、测井、固井等作业的影响，针对气体钻井井径扩大的因素进行分 析，建立了砂、泥岩地层的莫尔破坏模型和井壁稳定地质模型。综合分析了地质条件、钻具组合、后期浸泡、 岩屑冲刷等各种影响因素。结果表明，地质条件、钻具组合、岩屑冲刷、气液转换是井径扩大主要影响因素。 研究成果为气体钻井设计施工提供了可靠依据。 关键词 井径扩大；影响因素；井壁稳定；气体钻井 ；地质模型 中图分类号 T E 2 4 2 文献标识码A 文章编号1 0 0 0 ． 3 7 5 4 2 0 1 5 0 3 ． 0 0 9 1 ． 0 4 REASoNS oF THE HoLE ENLARGEM ENT DURI NG THE GAS DRI LL I NG I N DAQI NG oI L F I E L D J I ANG N i me i N o ． 3 D r i l l i n g C o m p a n y o fD r i l l i n g a n d E x p l o r a t i o n E n g i n e e r i n g C o r p o r a t i o n o f D a q i n g O i lfi e l d C o m p a n y L t d ． ，D a q i n g 1 6 3 4 1 3， C h i n a Abs t r a c t I n o d e r t o r e d u c e t h e i n flu e n c e s o f t h e g a s dril l e d h o l e e n l a r g e me n t o n t he l a t e r d ril l i n g，we l l l o g g i n g， c e me n t i n g o p e r a t i o n s e t c ．，t he c a u s e s o f t h e h o l e e n l a r g e me n t a r e a na l y z e d a n d mo r e o v e r t he Mo o r e c o l l a ps e mo d e l a n d g e o l o g i c a l mo d e l o f t h e b o r e ho l e wa l l s t a b i l i t y f o r t h e s a n d s t o ne a n d mud s t o n e f o r ma t i o n s a r e e s t a b l i s h e d． T he v a rio u s i nc l u d i n g f a c t o r s a r e c o mp r e he n s i v e l y fi g u r e d o u t i n t h e l i g h t o f t h e g e o l o g i c a l c o n d i t i o ns ，ma k e up o f t he s t rin g，l a t e r s o a k， d e b ris flu s h i n g a nd S O o n．Th e r e s u l t s s h o w t h a t t h e t wo f a c t o r s s t a t e d a bo v e，t h e l a s t o n e a n d g a s l i q ui d i n t e r v e r s i o n a r e t he ma i n i n flu e n c i n g f a c t o r s o f t h e h o l e e n l a r g e me n t ． Th e s e s t ud y a c hi e v e me n t s p r o v i d e r e l i a b l e e v i d e n c e s f o r t h e g a s d ril l i n g de s i g n a n d o p e r a t i o n． Ke y wor ds h o l e d i a me t e r e nl a r g e me n t ；i n flu e c i ng f a c t o r；b o r e h o l e wa l l s t a b i l i t y；g a s d ril l i n g；g e o l o g i c a l mo d e l 根据徐家围子己钻2 0 余 口气体钻井实际情况， 发现登娄库组胶结疏松 ，个别营城组存在应力集 中 或破碎带 ，在气体钻井状态下极易剥落掉块 ，当雾 化后转换为常规钻井液时表现更为 明显 ；该地层常 规钻井的平均井径扩 大率近 2 0 ％ ，气体 钻井平均 井径扩大率达到 3 0 ％ ，井壁失稳造成井径不规则、 扩大率较大 ，直接影响着井 身质量 ，对测井 、固 井 、完井及开发等后续作业影响严重 ；另外气体钻 井转换为常规钻井后 ，也会造成返砂不好 ，钻头重 复破碎 ，易导致牙轮钻头断齿 、掉齿 、磨尖 ，机械 收稿日期2 0 1 4 1 0 2 7 改回日期2 0 1 5 - 0 1 - 1 1 基金项目中国石油天然气股份公司重大科技专项 “ 大庆探区非常规油气勘探开发关键技术研究与现场试验” 2 0 1 2 E 一 2 6 o 3 0 8 。 作者简介姜妮美，女，1 9 6 6年生，工程师，从事钻井技术相关工作。 E m a i l j i a n g n m c n p c ． C O B． a n 9 2 大庆石油地质与开发 钻速降低 ，影响钻头正常使用。徐深 x井雾化钻 井转换后 ，由于井壁失稳造成井塌，划眼处理 7 d 。 因此 ，有必要分析气体钻井井径扩大相关机理 ，从 而为钻井设计和现场施工提供依据。 1地质条件 对大庆气体钻井过程中出现 的主要岩性运用新 的摩尔破坏准则建立井壁稳定力学模型 ] ，即 泥岩、页岩 m a x -- 0 “ i 2 0 - o r 一 3 o “ 10 1 砂岩 、灰岩 i 一a 一4 c o “ o r i 一4 b c≥0 2 其中 a 2 t a n r ／ 1 ； b t a n T ／ 1 ； c 1 t a n ／ t a n 卵 2 ／ o - , 一 3 式中 地层 最大 主应力 ，MP a ；O - i 地层 最 小 主应 力 ，MP a ； 岩 石 抗 压 强 度 ， MP a ； 岩石抗拉强度 ，MP a 。 可见 与 i 具有对等关系 也就是两者 值互换而结果不变 。结合测井 中的泥质含量和孑 L 隙度等资料 ，可 以得 出判别 曲线。根据徐深 A井 所测得的密度、声波时差、泥质含量等测井数据， 运用式 1 、 2 计算 ，当判别值小于零时，适 合气体钻井。从图 1 、图2看 出计算结果与测井所 得井径扩大有很好 的吻合性 ，证明本模型的实用性 及正确性。 图1徐深A 井模型曲线 F i g ． 1 M o d e l c u r v e o f W e l l Xu s h e n A 2 8 0 0 3 0 00 目3 20 0 3 40 0 3 6 0 0 3 8 0 0 井径扩 大率 0 0 ． 1 0 ． 2 0 ． 3 0 ． 4 0 ． 5 0． 6 图2徐深A 井井径 扩大 曲线 Fi g ． 2 Cu r v e o f t h e h o l e - d i a m e t e r e n l a r g e m e n t f o r W e l l Xu s h e nA 2钻具 组合 2 ． 1钻具弯曲变形静态分析 为了防止井斜和缩径 ，徐家围子已钻空气钻井 中，多数采用满眼钻具组合 ，这在解决前两种 问题 的同时也造成 了刮井壁的新问题 ，使井眼进_步扩 大。根据文献 [ 3 ]和文献 [ 4 ]对下部钻具发生 平面和空间 螺旋 弯 曲进行讨论 。平面弯 曲情 况下先假定无螺旋扶正器 ，一次弯曲、二次弯曲临 界钻压 w 、w 分别为 2 ． 0 4 l 4 2 ． 6 6 k N 3 p 4 ． 0 5 ／ p l 8 4 ． 6 9 k N 4 √ pl 。 式中 卜弹性 模 量 ，P a ； 截 面惯 性 矩 ， m ；P l 钻铤线密度 ，k g ／ m。 螺旋弯曲情况下，只考虑中和点以下钻具，而 离 中和点越近轴向力越小。同时满眼钻具短钻铤不 易发生弯曲，因而只考虑上螺旋稳定器与中螺旋稳 定器之间钻铤。该钻铤发生螺旋弯曲临界钻压为 ， 一 _ 6 l l -9 1 k N 5 式中 两支点 间距离 ，m；m 两支点间 钻 柱 质量 ，k g 。 由于气体钻井钻压为 4 O一8 0 k N，所 以空气钻 井 中正常情况下会发生一次弯曲，不发生螺旋弯曲 现场出现复杂情况 除外 。离钻头最远扶正器距 井底约 l 5 ． 5 m，整个钻铤长度约 2 9 0 m。 发生一次钻柱弯 曲后 ，钻头倾角为 2 ． 6 9 1 0 。 ，算出第一个扶正器偏离井眼轴线为 5 m m。 第 3 4卷第 3期 姜妮美 大庆油田气体钻井井径扩大原因 9 3 根 据 现 场 经 验 ， 当 满 眼 钻 具 组 合 钻 直 径 2 1 5 ． 9 m m井眼时钻头破碎产生井径扩大不能超 过 3 m m，否则近钻头稳 定器会失效。所以从第一 个扶正器开始与井壁发生接触 5 J 。由计算可知扶 正器之间所有钻铤均不发生弯 曲，保持一定刚度 ， 所以 3个扶正器均与井壁接触 ，对井壁造成破坏 。 2 ． 2钻具弯曲变形动态分析 螺扶与井壁每次接触 时间较短 ，文献 [ 7 ]指 出，正常钻进 的螺 扶和井壁碰撞 接触 时间一般为 0 ． 0 1 s 。而钻具动力学中的仿真时间步长一般为 口 A t 6 J U U 式中 △ ￡ 仿真时间步长 ，s ； 仿真步长钻 柱旋转角度 ， 。 ；n 转速 ， 。 ／ s 。 由大庆气体钻井现场工况可知 乃 1 r a d ／ s ， 3 。 ，则可求得仿真步长 为 0 ． 0 0 8 3 s 。由此可知 ， 大部分情况下钻柱与井壁接触不可忽略。设碰撞前 角速度为 。 ，碰撞后角速度为 ，根据物理学 中 刚体转动动能定理可知 1 1 ． AM to A t 1 J o J ； 一 1 J t o 7 一a A t 10 9 2 8 式中 碰撞做功 ，J ； 合力 矩 ，N-m； 平均 转动角速度 ，r a d ／ s ；．， 一 刚体转 动惯 量 ，k gm ； 角 加 速度 ，r a d ／ s ； 1 碰 撞前角速度 ，r a d ／ s ；∞ 碰撞后角速度 ，r a d ／ s 。 1 而∞ 2 1 a A t ， 所以联立式 6 一 8 得 c， 2 0 3 1 2 一 ／ 2 A t 。代 人数值 得 0 9 2 0 ． 9 9 s ～。因此在 △ f 时间内井壁对钻柱做功为 1 A ．， ； 一c E， 0 ． 0 J o J 9 二 另外还考虑到只是三个稳定器与井壁接触 ，但 其间的钻铤角速度也 同样改变。正常钻进情况下 ， 钻柱与井壁碰撞所作 的功 与机械钻速、转盘转速、 钻压、钻柱的线重量 、扶正器叶片长度 、钻柱及井 眼半径均有关 ，其表达式如 A 0 ． 0 1 m ／ 2 掣 1 o va t 式中 m 钻具质 量 ，k g ；r 井 眼轴线 与钻 柱轴 线 距 离 ，m； 钻 具 正 常 转 速 ，r a d ／ s ； △ Z 三个扶正器叶片总长 ，m； 机械钻速 ， m／h。 以徐深 A井为例 ，机械钻速为 3～ 7 m／ h ， 取 值 5 m ／ h计算 ，钻柱碰撞井壁积累的能量为4 ． 1 4 1 0 J ，且在 5 4 m i n内完成 。根据文献 [ 8 ]及松辽 盆地深层气体钻井 配套技术研 究结果得破 碎功为 6 ． 8 1 0 J 。综上 所述 ，机 械钻 速、转 盘转速 、钻 压、钻柱的线重、扶正器叶片长度、钻柱及井眼半 径对井径扩大均有影响 。 3岩屑 冲刷 由于气体钻井无液相，缺少常规钻井液对井壁 的支撑作用 ，井壁更易垮塌。同时气体钻井机械钻 速高 ，短时间内产生大量岩屑，且气体钻井环空 内 岩屑上返速度远远高于常规钻井液钻井 ，因此高速 气流携着大量岩屑不断地冲刷不规则 的裸露井壁 ， 进一步加剧 了井眼的扩大。注气量越大冲刷时间越 长 ，井径的扩大率就越大。气体钻井的破岩属于脆 性破坏 ，剥落 岩屑块大 ，而钻 头直径 为 2 1 5 ． 9 m， 稳定器直径为 2 1 4 mm，稳定器所处井段环空间隙 仅有 1 ． 9 m m，所 以当高速气流速度为 8 ． 8 5 m ／ s 携 带着岩屑通过此处时 ，与井壁碰撞 的概率 比较大， 从而刮井壁 、扩大井径。由文献 [ 7 ]可知 ，当稳 定器 有效 工 作 时 ，近钻 头 稳定 器 允 许最 大 间 隙 为 3 m m，上稳定器为 6 mm，根据 中间钻铤长短进 行插值可得 中间稳 定器允许最大 间隙为 3 ． 5 m m。 所 以考虑极限情况 ，通过第一个扶正器的岩屑颗粒 直径为 3 mm，通过 第二个 扶 正器 的岩 屑直径 为 3 ． 5 mm，通过第三个扶正器 的岩 屑直径为 6 m m。 徐深 A井钻铤外径为 1 5 9 mm，理论间隙为 5 5 m m， 长为 2 9 0 m。假定通过每一个截面时排量一定，则 三段面积之 比为 1 2 6 3 7 。 空气钻井所使用的螺旋扶正器的升角为 7 O。 ， 其 正 切 值 为 2 ． 7 4 7 5 。 现 场 空 气 钻 井 的 转 速 为 6 0 r ／ rai n 。扶正器外径 2 1 4 m，扶正器旋转线速 度为 0 ． 6 7 2 m／ s 。由此可 以算出通过一个扶正器处 所需的最优返速 为 1 ． 8 4 m ／ s 。而携带岩屑所需 返 速是此速度 的数十倍 。 引。且 由于空气钻井 的剥落 岩屑块大 ，所以在上螺扶 以下 ，岩屑与钻具 、井壁 之间碰撞激烈 ，直至将岩屑磨成细小颗粒再接着往 上升 。这在正常钻进时不会产生大问题 ，但是一旦 要接单根或起下钻时，就会造成阻卡。这可能也是 导致气体钻井被迫转换钻井液 的原因之一。这样 ， 将岩屑碰撞井壁分段为 ①井底到上螺扶段 ；②上 螺扶至钻铤末端 ； ③钻铤末端至技套底部。由于岩 屑在技术套管中的流动对井径扩大没有影响，所 以 不予考虑 。由文献 [ 1 4 ]可知 ，当环空间隙较大 9 4 大庆石油地质与开发 2 0 1 5 在 时岩屑流与井壁和钻柱碰撞的概率降低。 在气体钻井过程中，有时会出现环空不畅、维 修设备等情况，此时就需要进行循环、划眼等作 业。这会加剧井径扩大 ，但加剧程度则应根据地质 情况来确定 表 1 。 表 1 徐深 A井复杂情况与井径对比 Ta bl e 1 Compa r i s o ns b e t we e n t he c o mpfic a t e d c on di t i o ns a n d h o l e d i a me t e r s o f W e l l Xu s h e n A 4气液转换后浸泡 气体钻井施 工过程 中，如果 遇到地层 大量 出 水 ，或者当气体 钻井施工完成 ，转成 常规钻井后 ， 若 出现井壁稳定 的问题 ，轻则导致阻卡、划眼，重 则因井壁垮塌难 以处理导致侧钻 ，严重影响气体钻 井推广应用 。因此应对气液转化后 ，岩石力学性能 与井壁页岩含水量影响、泥页岩微裂缝的扩展和泥 页岩表面水化应力进 行分析。在实施 气液转化之 前 ，井壁已出现微裂缝以释放积聚的能量 。这样之 后进行 的气液转化会出现钻井液进入这些微裂缝 ， 进而降低了井壁岩石的胶结强度 ，易出现井壁岩石 掉块的现象 ，同时针对气体钻井介质的不 同， 分为纯气体钻井和雾化泡沫钻井两种类型。 5结 论 1 地层 因素是影响气体钻井井径扩大 的一 个关键因素，建立了气体钻井条件下井壁稳定判别 模型 ， 能直观判断井壁是否失稳 ，为气体钻井设计 和井径分析提供依据 。 2 满眼钻具组合对井径影响较大 ，“ 高速岩 屑流”对窄间隙环空井壁 冲蚀 以及与常规螺扶 不 匹配 ，造成井径扩大。建议对气体钻井钻具组合及 螺扶升角进行研究。加之钻井过程 中处理各种复杂 情况所进行的一系列循环、划眼等作业也将进一步 加剧井径扩大 。 3 由于纯气体钻进地应力、钻具和岩屑等 各种因素已使得井壁出现各种微裂纹等，一旦地层 出水或后期转换钻井液将在增加地层水化应力的同 时，降低地层胶结强度 ，造成井径扩大 。 参考文献 [ 1 ]刘向君 ，罗平亚 ．岩石力学与石油工程[ M ]．北京 石油工 业出版社 ，2 0 0 4 7 2 7 5 ． [ 2]左松林 ，鹿立卿 ，肖洪伟 ，等 ．新 站 油 田地 应力研 究 与应用 [ J ]．大庆石油地质 与开发 ，2 0 0 8，2 7 1 9 3 9 6 ． [ 3]赵 国珍 ，龚伟安 ．钻井力学基础 [ M]．北京 石油工业 出版 社 ，1 9 8 85 2 5 4 ． [ 4]蒋宏伟 ，邢树宾 ，王克雄 ，等 ．空气钻井最小注气量 和地层 出 水量关系研究 [ J ]．大庆 石 油地质 与开 发 ，2 0 0 8 ，2 7 2 1 0 6． 1 0 9． [ 5 ]杨智光 ，孙庆仁 ，何俊才 ，等 ．大庆油 田水平井钻井技 术现状 及发展 方 向 [ J ]．大 庆 石 油地 质 与开 发 ，2 0 1 4，3 3 5 2 2 6． 2 3 0 ． [ 6]耿长喜 ，孙宝刚 ，赵杰 ， 等 ．大庆 油田水平井录井地质导 向技 术 [ J ] ．大庆石油地质与开发，2 0 1 4 ， 3 3 5 2 3 1 2 3 4 ． [ 7 ]焦永树 ，蔡宗熙 ，严宗达 ．扭矩和边界约束对水平井 钻柱静力 分岔 的影响 [ J ]．石油机械 ，2 0 0 0，2 8 24 4 4 7 ． [ 8 ]徐 加 放 ，邱 正 松 ，李 云 贵 ．井 壁 稳 定 新 观 点能 量 守 恒[ J ]．钻井液与完井液，2 0 0 7，2 4 5 1 2 - 1 5 ． [ 9 ]陈绍云 ，邢琛 ，孙妍 ．提高庆 深气 田气体钻井 效率技 术研究 [ J ]．石油钻采工艺 ，2 0 1 4 ，3 6 1 2 2 ． 2 5 ． [ 1 0 ]杨决算 ．大 庆油 田气体 钻井 地层 出水与 井壁 稳定 技 术研 究 [ D]．大庆 东北石油大学 ，2 0 1 0 ． [ 1 1 ]韩福彬 ， 杨决算 ， 李瑞 营， 等 ．大庆深层钻井提速技术现状及展 望 [ J ]．大庆石油地质 与开发 ， 2 0 1 4， 3 3 5 2 2 0 2 2 5 ． [ 1 2 ]王毅 忠 ，刘 庆 文 ．计 算 气 井 最 小 携 液 临 界 流 量 的新 方 法 [ J ]．大庆石油地质与开发 ，2 0 0 7 ，2 6 6 8 2 ． 8 5 ． [ 1 3 ]韩福彬 ，刘永贵 ，王蔚 ．大庆深层气体 钻井复杂 事故影响 因 素与对策分析 [ J ]．石油钻采工艺 ，2 0 1 0，3 2 4 1 2 ． 1 5 ． [ 1 4 ]周光垌 ，严宗毅 ，许世雄 ，等 ．流体力学 [ M]．北京 高等 教育 出版社 ，2 0 0 01 6 ． [ 1 5 ]杨雄文 ，樊洪海 ，赵立新 ．预测井筒流 动温度分 布的新方法 [ J ]．大庆石油地质与开发，2 0 0 8 ，2 7 4 7 6 8 1 ． 编辑 刘桂 玲