大庆油田气体钻井配套技术及应用.pdf

第 4 O卷 第 6期 2 O l 2年 1 1月 石 油 钻 探 技 术 PETR I E UM DRI I I I NG TE CHNI QUES Vo1 ．4 0 NO． 6 NOV ．， 2 0l 2 钻井完井 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． i 0 0 1 0 8 9 0 ． 2 0 1 2 ． 0 6 ． 0 1 0 大庆 油 田气体钻 井配套 技术及应 用 杨决算 中国石油大庆油 田有限责任公 司钻探 工程公 司， 黑龙江大庆 1 6 3 4 1 3 摘要 针 对深部地 层机械 钻速慢 、 中浅层“ 三低” 储层 开发 动用难等 问题 ， 大庆 油田 开展 了气体钻 井配套技术 研 究及 实践 。通过配套湿度和 注气参数等监测装备 、 判 别水层 、 计 算地层 出水量 、 优化钻 具组合 及钻 井参数 、 采用 “ 内喷外侵” 气液转换 工艺 ， 解 决了地层 出水引起 的复杂 情况 、 易发 生井斜 、 井壁 失稳等 问题 ， 形 成 了一 套适 用于大 庆 油田深层 泥页岩地 层的气体钻井配套技术 ， 实现 了在 泥页岩地 层 出水情况 下安全钻 进。大庆 油田 2 7口深 井应 用该配套技术后 ， 钻井速度提高4倍以上， 钻井周期缩短 1 5 d以上； 8口中浅井应用该配套技术， 在不采取压裂增 产措施 的情 况下 ， 单 井产量提 高 2 t ／ d以上。这表 明气体钻 井技 术是 深层提速及 中浅储层保护可行 的技 术 ， 为大庆 油田加 快勘探 开发进 程提供 了新的技术手段 。 关键词 气体钻井 出水预测 钻 井液 机械钻速 钻 井周期 大庆油田 中图分类号 T E 2 4 2 文献标识码 A 文章编号 i 0 0 卜0 8 9 0 2 0 1 2 0 6 0 0 4 7 0 4 M a t c h i ng Te c hn o l o g y a n d Ap pl i c a t i o n o f Ga s Dr i l l i ng i n Da qi ng Oi l f i e l d Ya n g J u e s u a n Da q i n g Dr i l l i n g Ex pl o r a t i o n En gi n e e r i n g C o r p o r a t i o n， Da q i n g Oi l fi e l d Li mi t e d Co mp a n y， Da q i n g， He i l o n g j i a n g， 1 6 3 4 1 3， Ch i n a Ab s t r a c t Ga s d r i l l i n g ma t c h i n g t e c h n o l o g y wa s r e s e a r c h e d a n d a p p l i e d i n Da q i n g Oi l f i e l d ， i n v i e w o f t h e p r o b l e ms o f s l o w ROP i n d e e p f o r ma t i o n a n d d i f f i c u l t p r o d u c t i o n i n “ l o w p o r o s i t y， l o w p e r me a b i l i t y， a n d l o w s a l i n i t y ” s h a l l o w- me d i u m r e s e r v o i r s ． Ac c o r d i n g t o mo n i t o r i n g o f h u mi d i t y a n d g a s i n j e c t i o n p a r a me t e r s wi t h ma t c h e d e q u i p me n t ， f o r ma t i o n wa t e r i d e n t i f i c a t i o n ， wa t e r p r o d u c t i o n c a l c u l a t i o n， o p t i mi z a t i o n o f BHA a n d d r i l l i n g p a r a me t e r s we r e c a r r i e d o u t ． a n d “ i n s i d e s p r a y a n d o u t s i d e i n v a s i o n ’ ’ o f g a s l i q u i d c o n v e r s i o n wa s u s e d t o s o l v e p r o b l e ms s u c h a s d o wn h o l e c o mp l e x i t y， we l l d e v i a t i o n， h o l e i n s t a b i l i t y c a u s e d b y wa t e r p r o d u c t i o n， wh i c h f o r m a s e t o f ma t c h i n g t e c h n o l o g i e s f o r g a s d r i l l i n g， f u l f i l l i n g s a f e d r i l l i n g i n d e e p mu d s h a l e f o r ma t i o n wi t h wa t e r p r o d u c t i o n ．Th e a p p l i c a t i o n o f t h i s t e c h n o l o g y i n 2 7 d e e p we l l s o f Da q i n g Oi l f i e l d s h o ws R P i S i n c r e a s e d mo r e t h a n 4 t i me s ， a n d d r i l l i n g c y c l e i S d e c r e a s e d mo r e t h a n 1 5 d a y s wh i l e i t s a p p l i c a t i o n i n 8 s h a l l o w we l l s r e s u l t s i n a p r o d u c t i o n i n c r e me n t o f mo r e t h a n 2 t ／ d p e r we l l wi t h o u t s t i mu l a t i o n ． Th i s p r o v e s g a s d r i l l i n g i s s u i t a b l e f o r i mp r o v i n g d r i l l i n g s p e e d i n d e e p l a y e r ， a n d s h a l l o w g a s r e s e r v o i r p r o t e c t i o n ， s e r v i n g a s a n e w me a n s f o r s p e e d i n g u p e x p l o r a t i o n a n d d e v e l o p me n t i n Da q i n g Oi l f i e l d ． Ke y wo r d s g a s d r i l l i n g； wa t e r p r o d u c t i o n p r e d i c t i o n； d r i l l i n g f l u i d； p e n e t r a t i o n r a t e ； d r i l l i n g c y c l e ； Da q i n g Oi l f i e l d 大庆油田深部地层由于成岩性好 ， 研磨性强 ， 岩 石硬度高 ， 造成常规钻井机械钻速低于 1 ． 5 m／ h ， 导 致钻井周期长 ， 严重制约了该油 田的勘探开发进程 。 为此 ， “ 十五” 期间采用复合钻进 、 欠平衡钻井等提速 技术 ， 取得了一定的提速效果 ， 但仍无法满足勘探开 发对钻井的要求 。为此 ， 大庆油 田在“ 十五” 和“ 十一 五” 期间开展 了气体钻井技术攻关及实践 ， 使深井机 收稿 日期 2 O 1 2 一 O 6 1 1 ； 改 回日期 2 O l 2 一 l O l 5 。 作者简 介 杨决 算 1 9 6 4 一 ， 男， 湖 南汨 罗人 ， l 9 8 5年毕业 于江 汉石 油学院钻井专业 ， 中国石油天然气集团公 司技 术专 家， 大庆钻探 工程公 司钻 井工程技术研 究院总工程师 ， 高级工程 师， 主要从事钻井 技 术研 究与应 用等 工作 。 联系方式 0 4 5 9 4 8 9 7 8 0 8 ， y a n g j u e s u a n c n p c ． c o m． c n 。 基金项 目 国家科技 重 大专项“ 大型油 气田及 煤层 气开发” 编 号 2 O l l Z X0 5 资助 。 石 油 钻 探 技 术 械钻速提高 6倍以上 ， 而使用其他新技术只能提高 2 0 9 ／ 5 左右 。但 由于气体钻井存在井斜、 地层 出水引 起井下复杂情况及气液转换后井壁失稳等问题 ， 致 使该技术提效不明显。大庆油 田针对气体钻井 出现 的问题 ， 进行了配套 技术研究 ， 解决 了以上问题 ， 形 成了适合大庆油田的气体钻井配套技术 ， 加快了整 体勘探开发进程。 1 气体钻井配套技术 1 ． 1 综合设计技术 针对气体钻井 中存在的问题 ， 编制了一套气体 钻井综合设计软件lL 1 ] 。该软件具有地层压力预测 、 井壁稳定性分析 、 注气量计算 、 钻井参数优化 等功 能 ， 可利用该软件 ， 对气体钻井 、 雾化钻井、 泡沫钻井 和充气钻井进行钻井设计 ， 指导气体钻井施工。 1 ． 2 配套设备及工具 1 ． 2 ． 1 气体 钻 井供 气设 备 大庆油田深井一般为三开井身结构， 其中三开一 般为 4 2 1 6 ． 8 1T II T I 井眼， 经计算 ， 供气量需 1 2 0 m a ／ mi n 以上 ， 因此配备了一套能够提供 3 2 0 In ／ mi n空气和 1 2 0 m。 ／ mi n 氮气 的供 气设备 。该 套供气设 备 由 8 台排量 4 O ma ／ rai n 、 排气压力 2 ． 4 MP a的空压机 ， 3 台排量 4 0 i n 。 ／ rai n 、 排气压力 1 ． 8 MP a 、 制 氮纯度 9 5 的膜 制氮 机， 2台排 量 8 0 m。 ／ mi n 、 排气 压力 1 5 MP a 的增 压机 ， 2台排量 4 0 m。 ／ rai n 、 排气压力 3 5 MP a的增 压 机， 1台排 量 8 ． 4 L ／ s 、 排 液 压力 1 5 MP a 的雾 化泵 和 2台排量 6 ． 6 L ／ s 、 排液压 力 1 8 MP a 的雾化泵组成。该套供气设 备具备 同时进 行 2口空气 雾化泡沫 钻井或者 1口氮气钻井的施 工 能力 。 1 ． 2 ． 2 DQX型 系列旋 转 防喷 器 根据油 藏压 力， 大 庆油 田深 井气 体钻 井采 用 3 5 MP a 封井器 ， 防喷器组合采用“ 旋转防喷器 环形 防喷器 单封闸板防喷器双闸板防喷器四通 套管头” 的组合 ； 浅层氮气钻井采用 2 1 gi l a 封井器及 4 7 3 ． 0 n 1 m钻具 ， 防喷器组合采用“ 旋转防喷器单闸 板防喷器套管头” 的组合。因此根据不同的技术要 求 ， 大庆油 田自主研制了 D Q X型系列旋转防喷器 ， 为 不同储层、 不同井型开展气体钻井提供 了可靠的井 口 装备， 特别是 D Q XⅣ型旋转防喷器 ， 能很好地满足 中浅层小井眼应用低底座小钻机 、 高转速的使用要 求 。表 1为 D QX型系列旋转防喷器的技术参数。 表 1 大庆油 田 D Q X型 旋转 防喷器技 术参数 T a b l e 1 D Q X r o t a r y B O P t e c h n i c a l p a r a me t e r s i n Da q i n g oi l f i e l d 1 ． 2 ． 3 空 气潜 孔锤 由于大庆油田深部地层成岩性好 ， 研磨性强。 岩 石硬度高 ， 适合空气潜孔锤钻进 。因此 ， 大庆油 田根 据空气潜孔锤在其他油 田的应用情况 ， 研制了具有 防止锤头掉落机构和外保径功能的空气潜孔锤[ 2 ] 。 该空气潜孔锤 的最大外径 1 8 0 ． 0 mm， 气体排量≥ 8 0 r n 。 ／ mi n ， 冲击力 6 0 0 k N， 冲击频率 l 5 Hz ， 工作 温度≤1 5 0℃。该工具在现场应 用 5井次 ， 机械钻 速比采用牙轮钻头气体钻进提高 3 0 以上 。 1 ． 2 ． 4 套 管 阀 为满足全过程欠平衡钻井的需要 ， 研制了适用于 4 2 4 4 ． 5 1T i m套管的套管阀， 其外径为 4 2 4 4 ． 5 mm， 瓣 阀采用金属面一 面密封 ， 密封压力 3 5 MP a ， 具有井下 压力监测功能。同时设计 了机械一 液压双重锁定方 式的永久锁定工具 ， 杜绝了异 常高压套管阀打不 开 的现象。该套管阀已在 3口井进行了现场应用 ， 下 入深度 1 0 0 0 In， 执行井下开关动作 1 7 4次 ， 开关正 常 ， 动作平稳 。 1 ． 2 ． 5 地 面配套 设备 原气体钻井设备在安装时存在劳动强度大、 安 装周期长及维护困难等 问题 ， 为些 ， 研制了旋转防喷 器工作台、 排砂管简易固定基础 、 排砂管防损直角三 通、 停／ 供气远程控制装置、 降尘短接 、 设备 自动排污 装置、 雾化泵进／ 出液管汇、 冬季保温装置， 优化了排 砂管线连接方式及注气管线尺寸 ， 缩短 了钻前安装 时间及钻 中无效等停时间， 与完善前相 比单井钻前 安装 时 间 缩短 2 ． 5 3 d ， 单 井 无 效 等停 时 间 缩 短 6 ． 1 7 h ， 同时提高了气体钻井安全 、 环保施工水平 。 1 ． 3 地层出水预测技术 依据含水饱和度解释理论及阿尔奇公式 ， 并结 第 4 O卷第 6 期 杨决算． 大庆油田气体钻井配套技 术及应用 4 9 合邻井测井、 录井数据 ， 建立 了松辽盆地北部深层气 体钻井 出水层位判识标准和出水量计算模型， 并编 制了地层出水预测软件E ， 出水层预测符合率 7 5 ， 为气体钻井选区、 选井和选层提供 了理论依据 。大庆 油田出水层位判识标准为 有效孔隙度≥3 ， 泥质含 量≤2 O ， 渗透率≥0 ． 0 1 mD， 电阻率≤2 0 0 Q I n ， 密 度≤ 2 ． 5 3 k g ／ I ， 中子 孔 隙 度≥ 5 ， 含 水 饱 和 度 1 0 0 。 深层气体钻井地层出水量计算模型为 Q 一 5 4 1 ． 8 6 Kh p o - - p w 1 式 中 Q为出水量 ， m。 ／ a ； K 为渗透率 ， D； h为水层 厚度 ， r n ； 为供给边缘压力 ， MP a ； 为井底流动 压力 ， MP a 为供给边缘半径 ， I “I 1 ； ／ w为井 眼半径 ， r f l ； b e 为地层水 的黏度 ， mP a S 。 1 ． 4 监测技术 为保障气体钻井安全有效钻进 ， 研制 了气体钻 井监测系统。该系统能够实时监测注气参数 包括 注气量、 注气压力 、 注气温度 ， 返出气体 C Oz 、 C O、 O。 、 C H 和 H S 浓度、 温度、 湿度、 压力噪声 ， 及岩 屑返出量等参数 ， 对于判断井 下燃爆、 返屑不畅、 地 层 出水具有指导作用 ， 可为调整钻井方案及制定下 步施工措施提供依据 。该系统主要 由注气参数采集 模块和返出气体浓度 、 温湿度监测模块组 成。该系 统 已应用 1 2 井次 ， 监测的各项参数准确 。 1 ． 5 雾化／ 泡沫钻井液技术 由于大庆油 田储层多为泥页岩 ， 遇水膨胀 ， 在地 层出水时， 易发生井塌等井下复杂情况 ， 因此 ， 在 出 水量小于 5 m。 ／ h的情况下 ， 可采用雾化／ 泡沫钻井 液E 。研制了发泡能力达 到基液体积 1 0倍 以上 、 抗 1 8 0℃高 温、 防塌 抑 制性 强 的雾 化／ 泡 沫钻 井 液 。大庆油 田在 1 0口深井应用 了该钻井液 ， 气体 钻井 累计进尺 4 1 9 1 ． 9 9 I T I ， 提 高 了 3 1 ． 0 8 ％， 有效 解决 了因地层 出水 引起 的井 下复杂情 况 ， 保证 了 地层 出水后气体 钻井安 全钻进 。4口中浅井应 用 了该钻井 液， 钻进 过程 中， 始终有 原油 返 出， 储层 得到有效保护。 验， 试验过程中返出良好 ， 扭矩正常 ， 压力未见波动 ， 为解决地层出水提供 了一种新方法 。 1 ． 7 复杂事故预防技术 针对以往气体钻井出现的钻具失效 、 憋压 、 卡钻 等问题 ， 通过优化钻具组合及钻井参数、 优选钻头、 丰富监测手段 、 制定相应的技术措施 ， 形成 了气体钻 井复杂事故 预防技术。2 0 1 1年采用该技术钻 了 4 口井 ， 复杂事故率为 0 ， 与应用该技术前相 比降低 了 2 2 ． 4 7 ， 大幅提高了气体钻井效率。 1 ． 8 差气层起下钻井口安全控制技术 通过研制井 口导引头及 自吸装置 ， 形成 了差气 层起下钻井 口控制安全技术 。井 口导引头能够通过 并密封 声 2 l 4 ． 0 mlT l 稳定器 、 声 1 5 9 ． o ] 7 8 ． 0 r io1 r l l 钻 铤 ， 密封 压力 大于 1 MP a ， 胶 心 能 承受 6 ～2 0 k N 的 力 ， 自吸 引导力 0 ． 0 5 MP a ， 在地层 出气量 不超 过 2 0 m3 ／ mi n 的情况下能够实现气体钻井安全起下钻。 1 ． 9 控斜打快技术 针对 以往应用光钻铤钻具组合易发生井斜 、 螺 旋稳定器满眼钻具返屑差等问题 ， 优化 出了方接头 满 眼 钻 具 组 合 及 塔 式 钻 具 组 合 ， 同 时 优 选 了 A6 1 7 HD C型气体钻井专用钻头， 优化 了钻井参数 ， 制定了井斜监控措施 ， 形成 了控斜打快技术 。应用 该技术后 ， 井斜角达标率 1 0 0 ， 比应用该技术前提 高了 3 O ， 机械钻速 7 ． 5 5 m／ h ， 比应用该技术前提 高了 1 5 ． 2 6 ， 实现了气体钻井控斜打快的目的。 1 ． 1 0 气液安全转换技术 形成 了“ 内喷外浸” 注 白油气液转换工艺 ， 具体 工艺流程 以 1 6 0 m。 ／ rai n注气量循环 至无 岩屑返 出后 ， 将注气 量调整为 8 0 m。 ／ mi n继续循环 ， 同时 启动钻井泵， 以 1 0次／ rai n泵 冲注人 2 ～3 r n 。井壁 保护液后 ， 空气循环 1周 ， 起钻至技 术套管 ， 以 2 0 次 rai n泵冲向环空注入 1 0 r io1 。 井壁保护液后 ， 将井 筒注满钻井液 。应用该气液转换工艺解决了由于气 液转过程 中温差大造成的岩石变脆剥落 问题， 润滑 并保护了井壁 ， 气液转换时间缩短 4 ． 3 8 d ， 实现了气 液安全转换 。 1 ． 6 吸水剂技术 1 ． 1 1 中浅层氮气储层专打技术 研制了吸水量能达到 自身体积 1 5 0倍 、 有效携 水 2 E 1 。 ／ h的高效吸水剂 ， 并 进行 了先导性 现场试 针对大庆外 围“ 三低” 油 田开采难的问题 ， 开展 了氮气储层专打技术研究 。为了降低钻井风险及钻 石 油 钻 探 技 术 井 成 本 ， 一 开 声2 1 5 ． 9 mm 井 眼 钻 至油 层 顶 部、 声 1 3 9 ． 7 I T l m套管下至距 油层 顶部 1 0 m 的位置 ， 二 开采用声 1 1 8 ． 0 mm钻头钻穿 油层， 下人 8 8 ． 9 mm 筛管完井 。为了解决高温原油与低温氮气相遇黏度 增大 ， 不利于携油、 携岩的问题 ， 采取 了边注气边立 管注柴油工艺 ， 稀释原油 ， 从而有效携带原油 、 岩屑 。 为了避免储层存在伴生气造成的井控风险 ， 应用了 自吸装置， 实现了起下钻井 口安全控制 ， 降低 了作业 风险。为了保证下筛管作业顺利进行 ， 研制 了液压 式丢手工具， 实现 了筛 管下至设计位置一 次脱 开。 为了防止后期作业污染油层 ， 完钻后井筒中注入原 油 ， 有效保护了油层 ， 为下步作业创造了条件 。通过 应用 以上技术 ， 形成 了氮气储层专打技术 ， 储层得到 有效保护， 增产效果显著 。 2 现场应用 大庆油田自徐深 2 1 井进行气体钻井实践 以来 ， 在 2 7口深井钻井中应用 了气体钻井技术， 气体钻井 累计进尺 1 8 9 4 3 ． 7 3 m， 单井平均进尺 7 0 1 ． 6 2 m， 平均 机械钻速 6 ． 8 3 m／ h 。在 8口中浅井 中应用气体钻井 技术保护储层， 气体钻井累计进尺 5 4 3 ． 8 5 m， 单井平 均进尺 6 7 ． 9 8 m， 平均机械钻速 1 5 ． 5 0 m／ h 。 2 ． 1 提高了钻速 ， 缩短了钻井周期 通过应用 以上技术， 有效解决了地层出水引起 的复杂情况 、 井斜 、 卡钻、 钻具失效 、 气液转换长时间 划眼等问题 ， 防止了井下复杂情况的发生 ， 提高 了气 体钻井进 尺和气体钻井效率 ， 钻井周期 明显缩 短。 2 0 1 1 年应用配套技术后 ， 该油田气体钻井平均机械 钻速 7 ． 5 4 m／ h ， 单井平均进尺 8 1 9 ． 2 6 m， 单井平均钻 井周期 1 3 ． 1 2 d ； 与邻井常规钻井相 比， 平均机械钻 速提高 4 2 0 oA， 单井平均钻井 周期缩短 2 3 ． 7 9 d ， 提 速 、 提效 明显 。 2 ． 2 有效保护了储层 ， 增油效果显著 大庆油 田应用泡沫 、 氮气在 8口中浅井进行气 体钻井 ， 在发现及保护储层方面效果显著 。特别是 4口氮气储层专打井 ， 钻井过程 中始终有原油溢 出， 同时采用筛管完井 ， 最大限度地保护了储层 ， 与同厚 度油层邻井相 比， 在没有采取压裂改造措施 的情况 下初期单井平均 日增油 2 t以上 ， 为大庆外 围油 田 经济有效开发提供了新 的技术手段。 3 结论 与建议 1 通过研究与实践 ， 形成 了大庆油 田气体钻井 配套技术 ， 提高了机械钻速 ， 缩短 了钻井周期 ， 提高 了单井产量 ， 推动了大庆油田的勘探开发进程 。 2 松辽盆地北部深层以泥页岩为主 ， 钻遇水层 易发生剥落 、 垮塌 ， 科学选井 、 选层 ， 合理设计气体钻 井井段 ， 避开出水量大的地层 ， 可 以保证气体钻井成 功实施 。 3 目前控制井斜多采用控制钻压、 牺牲钻速的 手段 ， 限制了气体钻井的进一步提速， 应研制气体钻 井随钻降斜工具。 4 氮气钻井技术是 大庆外 围油 田难动用储层 经济有效开发的技术手段之一 ， 应加大其推广力度 和推广范围。 参考文献 Re f e r e nc e s 许爱． 气 体钻井 技术及 现场应 用[ J ] ． 石油 钻探 技术 ， 2 0 0 6 ， 3 4 4 1 6 -1 9 ． Xu Ai ． Te c h 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