垂直钻井技术在瑞参1井的应用.pdf

第 2 l卷第 1期 2 0 1 1 年 3月 江汉石 油科技 J I ANG HAN P E T R0I 正U M S CI EN CE AND I ECHN0L 0 GY Vo 1 ． 21 N0 ． 1 Ma r ． 2 01 1 垂直钻 井技术在 瑞参 1井的应用 刘衍前， 杨海平 江汉石油管理局钻井公 司 摘要 垂直钻井技术能够十分有效地控制井斜 ， 并能够提 高机械钻速 。在川 东北、 鄂 西渝 东 地 区钻井施工 中， 垂直钻井技术特别适用于陆相上组合易斜 井段施工 ， 不仅能够将上部井眼防斜打 直， 减少因井眼轨迹复杂而导致井下复杂和事故发生， 还能大幅度提高机械钻速。江汉钻井首次在 瑞参 1 井使用垂直钻井技术， 该技术对瑞参 1 井陆相地层防斜打直和提高机械钻速都起到了良好 效果， 现将垂直钻 井技术在该井的应用情况作分析 总结。 关键词 垂直钻井； 防斜打直 ； 机械钻速； 工作原理 ； 井下事故； 复杂预 防 1 实钻地层情况 瑞参 1 井是 中国石油化工股份有 限公 司勘探南 方分公司部署的一 口外 围参数井 ， 位于广西省壮族 自 治区上思县平福乡板含村雷帽屯 1 组， 构造位置 十万大山盆地南部坳 陷带那瑞潜伏构造高点 ， 设计 井深 4 9 8 0 m， 实际完钻井深 4 8 1 0 ． 0 1 m。实钻地层情 况如表 1 。 该井地质条件十分复杂 ， 地层岩石可钻性差、 地 层造斜率高， 采用常规钻具组合防斜打直和随钻定 向纠斜都非常困难。瑞参 1 井井身质量要求高， 井 深 2 0 0 0 m前井斜 不大于 3 。 ， 水平位移 不大于 3 0 m； 井深 2 0 0 0～3 0 0 0 m井斜不大于 5 。 ， 水平位移不大于 5 0 m。本井在二开施工井段 4 2 5 ． 0 6 2 8 0 4 ． 0 9 m 曾 使用随钻定向纠斜施工控制井斜不成功， 两次使用 垂直钻井技术控制井斜取得 了良好效果。具体施工 情况如下 在井深 4 2 5 ． 0 6 m下入 塔式钟摆 钻具组合二 开 钻进 ， 具体钻具组合如下 l 6． 5 ramH n 5 3 7GK 63 0 x7 3 02 5 4mmDCx 2 7 3 1 6 3 0 3 l 1 mmS T B 6 3 1 x 7 3 0 2 5 4 mmD Cx 2 2 2 8mmDCx 6 731 x6 3 02 03 mmDCx86 31 x41 0 q b 1 2 7 m mH WD P x 2 0 投入式止 回阀 1 2 7 m mD P 方 保 下旋塞 1 3 3 m m方钻杆 钻压 1 8 0 2 4 0 k N， 不能控制住井斜 ， 钻至井深 8 7 0 m井斜达到 2 ． 8 。 ， 井斜 即将超标 。在 9 3 9 ． 2 1～ 1 9 5 3 ． 1 0 m井段第一次使用垂直钻井技术 ， 钻进至井 深 9 7 5 m井斜 由3 。 降至 0 ． 0 9 。 ， 并且 9 7 5～1 9 5 3 ． 1 0 m 井段井斜未超过 0 ． 3 。 ， 使用垂直钻井技术在该井段 钻进起到了良好的防斜打直效果。由于井场循环罐 基础下沉， 井队停钻配合钻前施工单位整改， 垂直钻 井钻进至井深 1 9 5 3 ． 0 1 m设备撤走 。整改完循环罐 基础后下入 塔式 钟摆钻 具恢 复生 产 ， 钻进 至井 深 2 0 2 2 m， 井斜 由井深 1 9 5 3 ． 1 0 m处井斜 0 ． 0 6 。 增加到 4 ． 8 。 ， 起钻换直螺杆 和 D M 5 6 5钻头 P D C钻 头吊 打不能控制住井斜 ， 钻进至井深 2 0 7 0 m井斜增至 6 ． 5 。 ， 分析 1 8 5 6 ． 9 7～8 6 3 ． 3 2 m井段取心岩心， 发现地 层倾角达到 5 6 。 ， 由此可知地层倾角大导致造斜率 非常高 ， 常规钻具难以控制住井斜。 在 2 1 6 3～2 3 2 7 m井段进行定 向纠斜施 工， 由于 地层跳钻剧烈 ， 随钴定 向施工过程 中工具 面极不稳 定 ， 摆放工具面非常困难 ， 并且对定向仪器损害严重 定向过程中损坏 3支探管 。其次由于地层可钻 性差 ， 定向施工过程中机械钻速低 ， 消耗螺杆和钻头 数量大 。定 向施 工进尺 1 6 4 m， 井斜下降不到 1 ． 7 。 ， 定 向纠斜效果非 常差 。在 2 4 2 8 ． 1 5～2 7 7 8 ． 2 2 m井 段再次使 用垂直钻井 施工 ， 该井段井斜控 制在 0 ． 0 1 。 ～ 0 ． 2 9 。 之间 ， 控制井斜取得了良好效果。另外 ， 使用垂直钻井技术还能提高机械钻速。现将瑞参 1 井垂直钻井施工情况及注意事项作分析介绍。 2 垂直钻井 系统构成及工作 原理 第一 作者 简介 刘衍前 ， 男 ， 2 0 0 1年 7月西南石油学 院石 油工程 系毕业 ， 在 钻井 队从事多年工程技术员 ， 参加过 中石 化 第一期国际石油工程技术培训 ， 现任4 0 7 6 3 J H钻井队队长。 2 8 江汉石油科技 第2 1卷 表 1 瑞参 1 井设计及实钻地层分层表 地层 界系 统 纽 段 设 计 分 层 蓄 踅 测 井 分 层 实钻与设计之差 底界深度 厚度 底界深度 厚度 底界深度厚度 m m m m r n 12 1 m 中 生 界 那 中 荡 统 组 J 2 I l J 侏 罗 系 百 下 姓 统 组 J ， b 扶 鐾 一 T 3 f 叠 系 中 统 下 统 上 二 统 叠 壅 系 界 石 豢 百三段 百 二 段 2 0 7 0 百一段 扶四段 扶三段 2 6 o o 扶二段 扶一段 缺失 3 38 O 4 41 0 491 0 4 98 0 1 63 8 9 50 1 8 48 21 39 23 9 7 5 3 0 2 6 2 9 2 7 8 2 3l 8l 4 03 3 7 s o 1 0 3 0 5 00 7 0 l 1 94 11 91 ． 6 一 7 4 未测 5 78 要使用好垂直钻井技术首先要对垂直钻井系统构 成及工作原理进行了解， 垂直钻井工具由 MwD 随钻 监测 系统、 高性能马达以及肋板三部分组成。钻进时 当 Mw D重力传感器 距离钻头大约 1 0 m 检测到有井 斜趋势时即可启动液压部件 ， 通过一至两个肋板向井 壁施加 3 t 的作用力以对抗这一趋势， 同时 MWD传送 实时井斜数据到地面系统以方便跟踪和监测； 当井眼 完全垂直时， 三个肋板全部伸出， 并对井壁施加相同的 力， 将钻头居中保持井眼按垂直方向钻进。这一过程 自动完成 ， 不需要任何人为干预。 垂直 钻井 最大 降斜 能力可 以达 到 1 ． 5 ／ 3 0 m。 通过选择欠尺寸扶正器在钻具组合 中的位置及扶正 器外径的大小 ， 可以对预期降斜率 的大小进行设定， 范围在 1 ． 50 ． 8 ／ 3 0 m之间。在钻进时通过调整钻 压、 排量等技术参数也可以对降斜率做适当的微调。 肋板部分相当于马达上 的扶正器。钻进工作模 式下有 1 个或 2 个肋板在液压的作用下伸出； 划眼工 作模式下三个肋板全部收回。此两种工作模式的转 换通过开泵后， 在 l m i n内控制排量大小来进行转换。 3 使用垂直钻井技术井队需要配备 的 设备及工具 使用垂直钻井技术施工前 ， 井队提前要准备相 l 8 2 3 9 Z 第1 期 刘衍前等 垂直钻井技术在瑞参 1 井的应用 2 9 关工具 ， 并且相关设备也要求达到要求 ， 具体情况如 下 欠尺寸扶正器 2根 ， 通常情况 下扶正器外径 比 使用钻头尺寸小 34 m m， 两根 欠尺 寸扶正器在垂 直钻井施工 中使用 1根备用 1 根 ， 如果扶 正器 的扣 型 与使用钻铤扣型不匹配 ， 要准备相应转换接头 。 双 向减震器 ， 选用与钻具 匹配 的双 向减震器尺 寸。 提升短接 ， 垂直钻井工具大约重 4 t ， 用 于从场地 将垂直钻井工具提上钻台。 钻头规和扶正器规 ， 用于准确测量人井工具外 径 。 钻台上有准确的大钳扭 矩表 ， 确保钻具上扣有 足够扭矩 。 泥浆泵要能单独调节泵 冲 ， 并且每个 泥浆泵要 有单独的泵冲表。 立管上需要安装一个 2 7 ／ 8 由壬公扣接 口， 用 于接 M WD压力传感器。 随钻震击器 1根 ， 用于在复杂井段施工 时， 钻具 遇卡进行解卡处理。 4 瑞参 1 井垂直钻井钻进和划眼模式 转换实现过程 钻进工作模式下 ， 垂直钻井工具有一个或三个 肋板伸开 ， 其钻进方式实质上为滑动钻进方式 ， 此时 严禁启动转盘 ， 如果启动转盘将会损坏垂直钻井工 具 的肋板和液压缸 ， 因此在钻进工作模 式下转盘通 常被锁死。打完单根需要划 眼， 垂直钻井工具需要 将肋板收回， 此时方可 以启动转盘划眼， 转盘转速低 于3 5 r ／ m i n 。由此可见， 能否成功使用垂直钻井技 术 ， 钻进模式和划 眼模式能否成功转换 是关键 的一 步 。 垂直钻井工具钻进模式和划眼模式相互转换通 过控制泥浆泵排量大小来实现 ， 瑞参 1井垂 直钻井 钻进模式排量为 4 6～5 2 L ／ s ， 钻进模 式转换成划 跟 模式时将排量 由 4 6～5 2 IMs 调 至 3 2 1Ms ， 此 时肋 板收回， 垂直钻井工具 发出并检测 到收回肋板 的信 号 ， 再将排量调整到 4 6～5 2 I Js ， 进行划 眼， 对于两 种模式转换过程要求 的排量变化要在 1 m i n内完成 。 根据泥浆泵缸套直径、 冲程和泥浆 泵的实测上 水效率 ， 计算出瑞参 1井划 限和钻进模式转换要求 排量的泵 冲， 瑞参 1 井 接完单根后 ， 司钻在 1 m i n之 内调节泵 冲 1 2 01 3 0／ r n i n肋板 伸出、 缓慢恢复 到要求钻压进行垂直钻进 ； 打完单根后钻具 提离井 底 l m左右停泵 2 0 s ， 然后开泵 ， 并在 1 m i n之内将泵 冲调至 8 5冲／ rai n ， 等到垂直钻井工具检测到肋板收 回的信号再将泵冲调节到 1 2 0～1 3 0／ mi n进行划 眼。 5 钻具组合、 钻井参数及泥浆性能 瑞参 1 井二开井 眼尺寸 3 1 6 ． 5 ra m， 设计二开钻 达井深 2 8 0 2 m。在井深 9 3 9 ． 2 1 m下入垂 直钻具组 合， 考虑到垂直钻井施工时井浅， 并且上部井眼稳 定 ， 因此垂直钻井钻具组合未下随钻震击器 ， 具体钻 具组合如下 03 1 6． 5 ramHJ rr 5 3 7 G K2 3 7 mmV’Ⅸ2 3 7 mm 浮阀 2 3 5 m m滤 网接 头 7 3 1 x 6 3 0 q 3 0 9 mm S T B 6 3 1 x 7 3 0 2 2 8 m m减振器 2 2 8 m mD C x 6 7 3 1 x 6 3 0 2 0 3 m mD C x 8 6 3 1 x 4 1 0 十 q 1 2 7 mm H WD P x 2 0 止 回阀 1 2 7 m m D P 方保 下旋塞 1 3 3 m m方钻杆 钻井参数及泥浆性能如下 钻压 2 4 0～2 6 0 k N、 转速 1 1 51 3 0 r ／ mi n 、 排量 4 6～ 5 2 1Ms 、 泵压 1 5 ． 5 MP a 密度 1 ． 1 2～1 ． 1 5 g ／ c m 。 、 粘度 4 8～5 2 s 、 失水 4 ． 6～ 5 m l 、 p H值 1 0～I 1 由于垂直钻井 工具 的马达在井下运转 ， 不能直 观地检测到钻进时的转速 ， 因此钻井参数 中的转速 通常通过经验公式计算 ， 计算公式如下 Ⅳ Q ／ O ． 4 Ⅳ一转速 ， r ／ ra i n Q 一排量 ， L ／ s 钻进至井深 1 6 0 1 m， 地层 中灰色细砂岩含量增 多 ， 机械钻速降低 ， 将钻压 由 2 5 0 k N调整到 2 8 0 k N， 通过对 比， 调整钻压前后机械钻速并未提高 ， 相反钻 头断齿较多 ， 造成钻 头早期损 坏 ， 通过 对 比分析确 定 使用牙轮钻头垂 直钻井期 间， 坚硬 、 可钻性差 的 地层不能盲 目 通过加大钻压获得较高的机械钻速， 要在实钻过程中优选钻压 。 1 2 0 4 ． 7 4～1 2 5 6 。 7 6 m井段使用 q 3 1 5 mm D M 5 6 5 钻头垂直钻进 ， 机械钻速 比 3 1 6 ． 5 m mH J T 5 3 7 G K稍 高 ， 由于该 P D C钻头垂直钻进出现严重托压 ， 下部 井段石英砂岩地层发育 ， 不适应 P D C钻头钻进 ， 因 此未能继续使用 ， 其垂直钻井参数 和泥浆性能如下 钻压 8 0～1 0 0 k N、 转速 l 1 5～ 1 2 8 r ／ mi n 、 排量 3 0 江汉石油科技 第 2 l 卷 4 6～ 5 1 I Ms 、 泵压 1 5 ． 5 MP a 密度 1 ． 1 2 g ／ e m 、 粘度 4 8 s 、 失水 4 ． 8 m l 、 p H值 11 1 2 0 4 ． 7 4～1 2 5 6 ． 7 6 m井段两次使用 P D C钻头 进行垂直钻进 ， 均 因为出现严重托压， 并且无法克服 托压而未能有效使用 ， 综合分析原因 ①钻进过程中， P D C钻头以刮削的方式破碎岩 石 ， 不同于牙轮钻头那样 ， 在钻井过程 中冲击破碎岩 石 ， 因此钻具不会产生跳动， 没有产生纵向力克服托 压。②P D c钻头所钻井眼规则， 钻遇泥岩井段地层 发生缩径 ， 造成托压。 6 防斜打直效果及机械钻速的提高 瑞参 1井从井深 9 3 9 ． 2 1 m、 井斜 3 。 ， 开始进行垂 直钻井施工， 钻进至井深9 7 5 ． 3 0 m， 井斜降为0 ． 0 9 。 。 以后 的垂 直钻井施工井段 中， 最大井斜未超 过 0 ． 5 。 ， 真正实现了理想中的防斜打直效果 ， 瑞参 1 井垂 直钻井施工两井段井斜数据如表 2 、 表 3 。 垂直钻井工具马达功率强大、 转速高， 马达能够 表2 9 3 9 ． 2 1 1 9 5 3 ． 1 0 m井段井斜数据 表 3 2 4 2 8 ． 1 5 2 7 7 8 ． 2 2 m井段井斜数据 承受高钻压工作， 这意味着解放钻头钻压， 使用牙轮 钻头垂直钻井时通常选钻头能承受的最大钻压， 使 用 P D C钻头垂直钻进通 常以观察螺杆压差作为依 据， 指重表上反映的钻压值作为辅助参考。因此， 使 用垂直钻井施工不仅能实现防斜打直的效果， 提高 机械钻速也是其独特的优点。瑞参 1井在 9 3 9 ． 6 8 ～ 1 9 5 3 ． 1 0 m井段 ， 使用垂直钻井井段平均机械钻速 2 ． 1 2 m ／ h ， 由于该井无有效邻井资料对照， 因此不能 确定使用垂直钻井技术在该井段提高机械钻速的程 度 ， 但是在瑞参 1 井整改基础完 之后 由于垂直钻井 技术人员未到井 ， 使用了 1只 中 3 1 6 ． 5 m m H J l 3 7 G K 钻头， 采用常规钻具进行转盘钻进， 转盘钻进井段地 层岩性和使用垂 直钻井技术钻进井段地层岩性相 同、 钻头型号相同、 排量相同， 钻压都是 2 4 0 k N， 非常 具有可 比条件 ， 具体情况如表 4所示 。 从表 4可 以看 出， 使用垂直钻井技术比常规转 盘钻进机械钻速提高了 4 9 ． 2 3 ％。 7 垂直钻井井下事故及复杂情况预防 和处理 垂直钻进过程中钻具没有转动 ， 实质上为滑动 钻进模式 ， 因此托压是瑞参 1 井垂直钻进 中特别容 易出现的复杂情况 ， 使用 P D C钻头垂直钻井托压尤 为严重， 该井在井深 1 4 3 2 m出现过严重托压 。 钻 具 组 合 3 1 6 ． 5 m m D M 5 7 6 2 3 7 m m Ⅵ O 2 3 7 m m 浮 阀 O 2 3 5 m m 滤 网 接 头 7 3 16 3 0 O 3 0 9 m m S T B 6 3 1 x 7 3 0 O 2 2 8 mm减振器 2 2 8 m m 第 1期 刘衍前等 垂直钻并技术在瑞参 1井的应用 表 4 转盘钻进井段和使用垂直钻井技术钻进井段机械钻速效果对比 31 DC 6 7 3】 6 3 0 2 0 3mmDC 8 6 3l x 41 0 1 2 7 m m HWD P x 2 0 止 回阀 q 1 2 7 m mD P 方保 十 下 旋塞 q 1 3 3 m m方钻杆 上旋塞 处理托压过程中上提钻具遇卡 ， 最高提至 1 8 0 T 未解卡 原悬重 1 3 0 T ， 循环 3 0 m i n后通过大幅度上 提下放活动钻具解卡 。起钻换牙轮钻头垂直钻进托 压明显减轻 ， 通过每钻进 2 m进行一次划 眼处理 ， 有 效地克服 了垂直钻进过程中出现的托压现象。分析 为大段的泥页岩 含少量的石膏 吸水膨胀缩径 ， 滑 动钻进时钻具未转动 ， 钻具 中的中扶正器不能修复 井壁 ， 致使扶正器和垂直钻井工具 伸开的肋板不易 通过 ， 造成托压或卡钻。因此使用垂直钻井施工预 防复杂情况及事故尤为重要 。 垂直钻井过程 中， 应从 以下几方面措施进行故 障、 复杂预防 1 打完单 根加强划眼修 复井 壁 ， 每钻完 一根 单根划眼三遍 ， 并适 当控制划 眼速度 ； 2 钻头人井前必 须测量钻头外 径尺寸 ， 尺寸 不符合要求 的钻头坚决不使用 ； 3 入井 使用 的钻头 出井后 认真 测量 钻头外 径 ， 对于磨损严重钻头所钻井段进行划 眼处理 ； 4 由于垂直钻进 实质为滑动钻 进 ， 钻进 时存 在反扭矩 ， 如果上扣扭矩不够， 垂直钻进时可能将钻 具倒扣 ， 因此下钻或接单根钻具上扣扭矩必须达到 规定的标准值 ； 5 人井钻具 中应加入减震器 下牙轮钻头 、 随钻震击器等必要 的工具 ， 便于保护钻具 和出现卡 钻时进行有效处理 ； 6 加强钻井液 的维护 ， 使钻井 液有较强的携 砂能力 、 抑制水化膨胀 和防垮塌功能 ； 7 起钻前对新井 眼井段进行短起 下钻作业 ， 中途根据井下情况进行必要 的短起下钻作业 ， 确保 起下钻顺利 ； 8 钻台司钻 、 垂直钻井技术人员 和井 队技术 员加强联系、 交流 ， 明确掌握垂直钻井工具的工作模 式 ， 避免误操作造成损坏垂直钻井仪器和造成井下 复杂 ； 9 鄂西渝东和川东北地 区陆相上组合地层容 易发生井漏 ， 垂直钻井技术不适用于易漏地层 ， 漏速 大于 5 m ／ h时要起钻进行堵漏 ， 堵漏成功后才能进 行垂直钻井施工。 编辑胡素梅 中国石化 西北油 田分公 司超 深油藏深抽工艺取得新 突破 塔河油 田缝洞 型碳酸盐岩超深油藏埋深超过 6 0 0 0 m ， 部分油井地层能量下降快 ， 常规机采工艺 已经 不能满足其生产要求。目前， 塔河油田有 1 7％的油井液面下降到常规有杆泵的极限泵挂深度， 只能采用 间开方式维持生产。为提高塔河油田的开发效益 ， 西北油 田分公司 自主研发 了侧流减载泵配套 2 4型长冲 程智能抽油机。2 0 0 9年 5月 ， 该抽油机在 T K 8 3 9井成功实施深抽工艺先导试验 ， 泵挂深度 4 7 1 6 m ， 创造了 全国当时有杆泵下深纪录。该抽油机在 T K 7 1 6井成功进行深抽工艺先导试 ， 泵 挂深度首次突破 5 3 1 5 m。 2 0 1 0年 ， 西北油 田分公 司先后成功实施深抽工艺 4 5井次 ， 平均泵效提高 4 1 1 6 ％ ， 累计增油 5 2 3 9 9 1 7 t， 已 经形成了侧流泵、 侧流减载泵和抗稠电泵等技术系列 。超深油藏深抽工艺 的试验成功 ， 为塔河油田低产低 效机采井开采提供 了全新思路 ， 有望拉开西北油 田分公司大规模机采深抽的序幕。 文乔 摘编