大牛地水平井钻井提速技术.pdf

第 3 4卷 第 5期 2 0 1 2年 9月 石 油 钻 采 工 艺 o I L DR I LLI N G PRO DUCTI o N TECHN oLo GY Vo 1 ．3 4 NO． 5 S e p t ．2 0 1 2 文章编号1 0 0 0 7 3 9 3 2 0 1 2 0 5 0 0 4 90 4 大牛地水 平井钻 井提 速技术 郭瑞昌 刘匡晓 陶兴华 刘卫东 杨春国 李梦冈 0 中国石化石 油工程技术研 究院， 北京1 0 0 1 0 1 引用格式 郭瑞昌， 刘匡晓， 陶兴华， 等 ． 大牛地水平井钻井提速技术 [ J ]． 石油钻采工艺， 2 0 1 2 ， 3 4 5 4 9 5 2 ． 摘要 大牛地气田是中国石化五大气源地之一。分析了大牛地气田 目前仍存在的主要钻井难题及技术瓶颈， 并从钻井工 程地质环境描述、 水平井工程优化设计、 煤层垮塌预防技术及随钻测量技术 4个方面提 出了对策。推广优质钻井液体系、 膨胀 管封堵技术、 电磁波随钻测量技术， 形成大牛地气田水平井钻井配套技术， 有效地提高了钻井速度， 对于加快大牛地气田勘探开 发进程具有重要意 义。 关键词大牛地气田；水平井；钻井提速 ；瓶颈；对策 中图分类号 T E 5 2 文献标 识码 A Ho r i z o n t a l we l l pe ne t r a t i o n r a t e i nc r e a s i n g t e c hn o l o g y i n Da n i u di a r e a G U 0 R u i c h a n g ， L I U K u a n g x i a 0 ， T A 0 X i n g h u a ， L I U We i d 0 n g ， Y A N G C h u n g u 0 ， L I Me n g g a n g S I NO P ECRe s e a r c h I n s t i t u t e o fP e t r o l e u m E n g i n e e r i n g ， B e ij i n g 1 0 0 1 0 1 ， C h i n a A b s t r a c t Da n i u d i g a s fi e l d i s o n e o f t h e fi v e b i g g e s t g a s fi e l d s o f S I NO P E C ． Ma j o r p r o b l e ms O i l h o r i z o n t a l we l l d r i l l i n g we r e a n a l y z e d ， a n d t e c h n i c a l m e a s u r e s we r e p u t f o r wa r d i n a s p e c t s o f d r i l l i n g e n g i n e e r i n g g e o l o g i c a l e n v i r o n me n t d e s c r i p t i o n ， h o r i z o n t a l we l l s e n g i n e e r i n g o p t i m a l d e s i g n ， c o a l s e a m c o l l a p s i n g p r e v e n t i o n t e c h n o l o g y a n d M e a s u r e me n t W h i l e Dr i l l i ng t e c h n o l o g y ． P o p u l a r - i z i n g h o r i z o n t a l we l l 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 i n Da n i u d i a r e a ， wh i c h c o n t a i n s h i g h q u a l i t y d r i l l i n g fl u i d s t e c h n o l o g y , e x p a n d a b l e t u b e s e a l i n g t e c h n o l o g y a n d e l e c t r o ma g n e t i c wa v e M W D t e c h n o l o g y c o u l d e f f e c t i v e l y i n c r e a s e dr i l l i n g r a t e ， a n d a c c e l e r a t e t h e p r o c e s s o f e x p l o r a t i o n a n d d e v e l o p me n t p r o c e s s o f Da n i u d i g a s fie l d ． Ke y wo r d s Da n i u d i g a s fi e l d ； h o r i z o n t a l we l l ； p e n e t r a t i o n r a t e i n c r e a s i n g ； t e c h n i c a l b o t t l e n e c k ； t e c h n i c a l c o u n t e r me a s u r e 大牛地气田位于陕西省榆林市和内蒙古鄂尔多 斯市交界地区 ， 面积为 2 0 0 3 ． 7 l k m。 。气 田构造位置 处于鄂尔多斯盆地伊陕斜坡北部东段气田内上古生 界 ， 是一套海相一 海陆过渡相一陆相沉积 ， 具有 良好 的天然气成藏条件 ， 资源丰富。 大牛地气 田地质情况总体表现为 “ 一大 、 一多、 一 强 、 四低”的特点 ⋯。“ 一大”是指储层资源量大； “ 一 多” 是指地层压力系统复杂 ， 有 6 套含气层位； “ 一 强” 是指储层非均质性强 ； “ 四低” 是指 “ 低压 、 低渗 、 低丰度 、 低产” ， 压力系数 0 ． 8 9 ～ 0 ． 9 8 ， 储层渗透率小于 1 mD， 储量丰度平均 2 ． 61 0 m ／ k m ， 单井产量低 0 ． 5 ～ 2 ． 0 1 0 m ／ d 。 截至 2 0 1 0年 1 2月 ， 大牛地气 田已累计完成 3 2 口水平井 ， 其中 2 0 0 9 年施工 1 2口， 2 0 1 0 井布井 6口， 已完井 3口。在水平井施工过程中， 摸索出了一些 优快钻井 的方法 ， 形成 了井身结构及钻具组合优化 设计技术、 水平井施工优化方案 、 钻头优选技术等成 果。但是大牛地气 田特殊的地质结构使得水平井施 工仍存在一些技术瓶颈， 需要在今后的施工中积极 探索 。 基 金项 目 中国石 油化 工股份有 限公 司科技部项 目 “ 元坝超深水平井钻完井配套技 术研 究” 编号 P 1 1 0 5 4 ； 中国石油化工股份有限公 司油田部项 目 “ 大牛地水平井钻井技 术跟踪研 究” 编号 J s G1 1 O l 5 作者简介郭瑞昌， 1 9 8 2年生。2 0 1 0年毕业于中国石油大学 北京 ， 博士， 现主要从事水平井钻井技术相关领域研究工作。电话0 1 0 8 4 9 8 8 0 9 9 。E ma i l g r c h u p c y a h o o ． t o m．a n 。 5 0 石油钻采工艺2 0 1 2年 9月 第 3 4卷 第 5期 1 大牛地水平井钻井提速瓶颈分析 1 ． 1 地质因素 大牛地气 田地质构造复杂 ， 储层变化大 ， 地质环 境了解不清楚。 目前 只是利用常规的钻井和测井资 料获得单井的地层压力、 地应力等剖面， 为钻井设计 和施工提供基础数据。但所涉及 的钻井地质环境 因 素并不全面 ， 缺乏整体配套 。 结合大牛地气 田钻井施工实际情况 ， 加强新资 料 的整理分析和新方法的应用研究 ， 实现对 全区域 钻井地质环境 因素 的精细描述 ， 才可 以为钻井设计 和施工提供全方位的技术指导。 1 ． 2 工程设计 大 牛地 区块储层单砂体连续性好 ， 层 内没有泥 岩夹层和煤线， 实钻中都能很好地按照设计轨迹钻 进 。但储层附近存在煤层 、 煤线、 泥页岩夹层等复杂 地层 ， 容易造 成各种井下复杂情况 ， 特别是在造斜 段 、 水平段钻进时间较长的时候 ， 问题更加突出。实 钻过程 中频繁调整轨迹 ， 使得实钻轨迹与设计轨迹 偏离较大。在山 1 ． 1 、 山 1 - 2 层完钻的水平井， 实钻 轨迹调整都 比较大。在这类地层钻水平井 ， 存在诸 多技术难点 J 1 定 向段及水平段摩 阻、 扭矩 大， 托压现象明显 ， 井眼轨迹控制难度大 ； 2 泥岩煤岩易 剥落垮塌， 卡钻风险性高， 钻井液性能要求高； 3 侧 钻井段 的地层可钻性低 ， 侧钻难度大。 大牛地气田目前水平井设计使用单圆剖面。在 目前地质条件下使用这种剖面缺乏调整灵活性 。如 DP 9井 ， 实钻 中多次调整设计轨迹。近几年在大牛 地气 田还尝试过气体 、 泡沫等钻井液进行水平井施 工 ， 相对 产量成本较高。 目前的水平井施工技术方 案难以满足大牛地气 田经济高效开发的需要 。 1 ． 3 井眼状况 大牛地 区块 二叠 系山西组 山 1 段存 在多套 煤 层 、 泥岩等地层 ， 钻井井壁稳定性极差 。大部分煤层 集 中在 2 9 0 0 ～ 3 0 4 0m 的山 1 段 。以 DP S 一 2 井为例 ， 2 9 6 2 -2 97 2 1T I 、 2 9 9 8． 5 -2 9 98 ． 6 m 、 3 0 01 -3 00 2 ． 5 m 、 3 0 0 7 ． 5 ～ 3 0 2 0 ． 5 m、 3 0 3 2 ． 5 ～ 3 0 3 6 ． 6 m均为煤层。泥 页岩微裂缝发 育， 遇水产生不 均匀膨胀 ， 易剥 落掉 块 ， 并且 呈现周期性垮塌。 目前煤层钻进采取 的措 施主要是调整钻井液性能和排量来实现煤层安全钻 进 ， 但仍不能保持井壁稳定 ， 垮塌隐患仍然存在 j 。 水平段施工过程 中钻遇泥岩 、 煤层 ， 井眼垮塌后 只能回填改变轨迹重新侧钻 ， 部分井甚至多次 回填 侧钻 ， 造成井眼轨迹频繁调整 ， 大幅度地延长 了施工 周期。D P S 1 井在造斜段钻遇 9 5 m煤层， 坍塌严重。 D P 1 5 井甚 至回填 了 4次才成功完钻。这是 制约大 牛地气 田钻井提速的最大瓶颈 。 1 ． 4 随钻测量手段 目前 大牛地气 田和 国 内其他地 区水 平井施工 一 样 ， 都采用了钻井液传输信号的 MWD、 F E WD、 L WD、 MWD伽马等方法 ， 只有开泵循环才能进行 信息传送。因此现场应用 时还需配套 电子单 、 多点 系统进行非钻进 时的井眼参数测量 ， 而且依靠钻井 液传输信号的随钻测量仪器结构复杂， 易损件多， 整 套仪器 的购置成本和使用成本 比较高 ， 大面积推广 应用存在一定困难。 电磁 波无线 随钻 测量与传输系统 E M． MWD 是气体 、 充气 、 泡沫等钻井 中有效 的随钻测量方法 ， 与常规 MWD相比具有十分明显的优势， 具有信号 传输不受钻井介质的影响、 传输信息无需循环钻井 介质、 信 息传输速率高 、 购置与使用成本低 的优点 ， 是大牛地气 田极具推广前景的随钻测量技术。 2 大牛地气田钻井提速对策 2 ． 1 地质工程环境描述精细化 钻井地质环境因素描述是一项系统性的技术体 系 ， 所描述 的对象涉及到与钻井工程密切相关 的各 类工程地质 因素 ， 主要包括岩石的强度 、 弹塑性及硬 度参数、 地应力方位及大小、 地层的坍塌压力、 孑 L 隙 压力、 破 裂压力及漏失压力、 岩石 可钻性 、 地层 流体 分布特征等等。实现钻井地质环境因素精确描述所 需要 的基础资料包括钻井 、 测井 、 录井 、 物探 、 测试等 资料 ， 同时该技术也是一套综合性很强的技术体系 ， 应用到工程地质分析技术 、 测井信息分析技术 、 地震 反演及属性分析技术 、 地质统计模拟技术等等。 目前 ， 钻井地质环境描述在元坝地区发挥积极 作用， 其研究成果已应用到该地区井身结构优化设 计 、 井壁稳定性分析及钻井液性能优化 、 钻头和钻井 参数优选 、 气体钻井及控压降密度钻井技术分 析等 钻井设计和施工的各个方 面， 有效提高 了元坝地 区 的勘探开发水平 。 大牛地气 田地层非均质性强 、 含煤层及泥岩 、 部 分层段可针 f 生 差 、 研磨性强 ， 对钻井安全及钻进速度 影响较大 ， 延长了钻井周期。针对以上问题 ， 需开展 钻井地质环境 因素描述工作 1 工程地质基础参数 的整理和分析 ； 2 岩石力学特性参数及地应力状态 描述 ； 3 地层压力体系及井壁稳定性分析预测 ； 4 岩石可钻性及其敏感性分析。 以上工作将 为井身结 构优化 、 钻头类 型优选 、 钻井参数优 化 、 钻井液性 能优化 、 井眼轨迹设计 等 郭瑞昌等大牛地水平并钻井提速技术 5 1 提供有效数据信息 ， 对进一步提高机械钻速具有重 要意义 。 2 ． 2 优化水平井工程设计 2 ． 2 ． 1 剖面优化大牛地气 田水平井设计井身剖面 均为单圆弧剖面 ， 该剖面适用于 目的层垂深 比较确 定 、 靶区范 围足够宽的开发水平井 ， 以满足钻具造斜 率偏差的要求 ， 除非能够准确地控制钻具的造斜性 能 、 详细地掌握地层岩性的变化规律 ， 否则需随时调 整和控制造斜率。 因此建议采用 “ 直一增一稳一增平 ” 或 “ 直一 增一微增一增一平 ” 五段制剖面 ， 这 2种井身剖面具 有 以下几方面的优点。 1 在实钻过程 中可 以充分发挥动力钻具和转盘 钻具各 自的优势 ， 提高钻井速度。 2 通过调整稳斜井段或微增井段的造斜率和段 长 ， 可 以弥补钻具造斜能力的偏差 ， 还可以实现用一 套钻具组合完成第 1造斜段的通井和第 2造斜段 的 钻进， 并减少了起下钻次数。 3 转盘稳斜 、 增斜钻具组合 刚性小 ， 摩 阻力小 ， 不易出新井眼 ， 有利于井下安全。 4 采用转盘钻具钻进可以使用较大的钻压以提 高机械钻速 ， 缩短钻井周期 。 2 ． 2 ． 2完井3 -_ 序优 化2 0 1 0年大 牛地气 田已完钻 水平井的二开特殊作业时间均较长 ， 其 中 D P 2 5 H井 二开特殊作业时间 9 ． 7 0 d ， 较设计增加 3 ． 7 d ， 占整个 钻井周期 4 0 ． 9 6 d的 2 3 ． 6 8 ％；D P S 一 1 井二开特殊作 业 时间 9 ． 7 7 d ， 较设计增加 3 ． 7 5 d ， 占整个钻井周期 5 9 ． 6 3 d的 1 6 ． 3 8 ％。因此有必要针对二开特殊作业 时间偏长 的现象进行分析、 研究 ， 简化二开特殊作业 程序， 如取消软测井、 减少施工停待时间等。 2 ． 3 煤层垮塌复杂预防技术 2 ． 3 ． 1 钻 井液优化大牛地地 区煤线地层胶 结松 散、 欠压实， 属极易坍塌地层。在钻遇煤层时， 钻井 液体系可以从以下几个角度优化钻井液的性能， 保 证井壁的稳定 1 在钻遇煤层时要保证合理的钻井 液密度 ， 将钻井液液柱压力对地层的正压差控制在 一 定的范围内， 对井壁起到有效的支撑作用； 2 钻井 液保持 良好的剪 切稀释特性和触变性 ， 要适 当提高 钻井液的黏切 ， 减轻钻井液对井壁的冲刷 ， 控制起下 钻 、 开泵造成 的压力激动； 3 应提高钻井液 中沥青 类 、 聚合醇等封堵剂 的有效含量 ， 通过沥青的物理封 堵 和聚合醇 的浊点效应稳 固井壁 ， 加强化学 固壁 的 作用 ； 4 工程上应积极配合 ， 在钻遇煤层 时适当降低 钻井排量 ， 减少水力冲刷。 2 ． 3 ． 2 膨胀管封堵技术 目前钻遇煤层时仅靠调整 钻井液性能并不能完全保证煤层安全钻进， 仍然存 在坍塌和漏失风险。膨胀波纹管技术通过将波纹管 膨胀成 圆形管在复杂地层建立人工井壁封堵煤层 ， 可有效解决复杂地层漏失、 垮塌层等问题 一 。 根据 大牛地气 田井身结构特点 ， 以 D P S 一 2井为 例 ， 二开井 眼为 O 2 1 5 ． 9 mm3 0 9 2 ． 9 6 m；套管尺 寸 1 7 7 ． 8 mm3 0 9 2 ． 9 6 r n 。 煤层有 2 9 6 2 - 2 9 7 2 r n 、 3 0 0l -3 00 2． 5 m 、 3 00 7． 5 3 0 2 0． 5 m 、 3 03 2． 5 -3 0 3 6． 6 m等 4段 ， 煤层段井径 2 2 5 ～ 2 4 5 mm之间 ， 提 出 3 个封堵方案。 方案 1 二 开 O 2 1 5 ． 9 mm钻头钻进 至 3 0 4 5 m 处后 ， 选用扩眼器在 2 9 5 0 ～ 3 0 4 5 m扩眼至 0 2 4 0 ～ 2 4 5 mm；测井确定波纹管坐封位置 ；选用 O2 1 5 ． 9 mm 波纹管 9 5 m膨胀封堵该复杂层段 。膨胀后波纹管 内径为 2 2 1 mm， 后续钻进仍选用 O2 1 5 ． 9 0 mm钻头。 此方案需要扩眼。两大煤层段 中部的 2 9 7 2 ～ 2 9 9 8 1T I 段井眼井斜 7 O o ， 扩眼风险极大 。 方案 2 二开 2 1 5 ． 9 mm钻头钻至 2 9 6 2 ～ 2 9 7 2 1 7 1 、 2 9 9 8 ～ 3 0 3 6 ． 5 0 1 3 1_ 两煤层段 ， 若井 眼直径扩大 到 2 4 0 ～ 2 4 5 r n l n ， 则分别选用 O 2 1 5 ． 9 mm波纹管 1 0 m、 3 8 ． 5 m膨胀封堵两煤层段 。后续钻进仍选用 O 2 1 5 ． 9 mm钻头。此封堵方案不需要扩眼， 但难以控制有利 于膨胀波纹管封堵 的井眼尺寸。 方案 3 二开钻进时选用 O2 4 1 I 3 i n n ] 钻头 需 更改设计井身结构 ， 一开套管改为 02 7 3 mm， 套管下 深不变 ， 钻进至井深 3 0 4 0 1 T I 后 ， 考虑井眼扩大率因 素 ， 在 2 9 5 0 - 2 9 6 2 1T I 、 2 9 7 2 ～ 2 9 9 8 r n 、 3 0 3 6 ． 5 ～ 3 0 4 0 I I 1_ 都为 0 2 4 5 r n l T 1 左右井眼 ， 与 02 1 5 ． 9 mm膨胀波纹管 膨 胀后 尺寸相 符 ， 故 选用 O2 1 5 ． 9 mm波纹 管 9 0 17 1 膨 胀 封 堵 2 9 5 0 ～ 3 0 4 0 1 T I 的煤 层 段 。后 续 钻 进 选 用 O2 1 5 ． 9 r n m钻头。此方案不需要扩眼即可一次完 成煤层的封堵。 2 ． 4 推广应用 电磁波随钻测量技术 大牛地气田地层电阻率特性适合电磁波测量设 备应用 。电磁 随钻测量 E M MwD 与常规 MWD 相 比具优 势明显 ， 但在传输深 度上 E M MWD仪 器 与常规 MWD仪器有一定差距 。 E M． MWD仪器 的电磁信号传输深度取决于地 层 电阻率。测井资料显示 ， 大牛地气 田的地层 电阻 率平均在 1 0 { l 1T I 左右， 表层和煤层稍高， 泥页岩夹 层稍低 。中国石化石油工程技术研究院开发的电磁 传输地层适应性评价软件计算结果显示， E M MWD 仪器在该地区的传输深度可 以达到 3 0 0 0 17 1 左右 见 图 1 ， 适合推广应用电磁随钻测量技术开展定 向井 、 水平井施工 。 5 2 石油钻采_ T - 艺 2 0 1 2年 9月 第 3 4卷 第 5期 兽 裂 口 妲 挺 图 1 大牛地气田地面电磁信 号强度 与井深 关系 2 0 0 8 年 以来 ， 中国石化石油工程技术研究 院研 制 的 C E M． 1型 E M MWD随钻 测量 系统在大 牛地 气 田 D6 6 5 5 、 D 6 6 ． 8 6 、 D 6 6 ． 1 2 9 、 D P S 一 2等 井 开 展 了 多 次 现 场 试 验。2 0 1 0年 9 ～ 1 0月 在 D6 6 1 2 9井 和 D P S 一 2井进行了应用实验。在两 口井的定 向钻井过 程 中， 仪器工作稳定 、 测量数据准确， 累计人井工作 时间 3 4 4 ．3 h ， 纯钻时间 2 4 5 ．8 h ， 信号传输深度达到 3 0 9 0 ．3 8 m。实验表明， C E M． 1 型电磁随钻测量仪的 各项技术性能达到了国外 同类仪器的先进水平。 在大牛地气 田， 近几年也尝试过在气体、 泡沫等 钻井液钻井中进行电磁随钻测量技术施工， 但是效果 不是很理想， 究其原因水平段垂深在 3 0 0 0 m左右， 已 接近电磁传输在地层 中的传输深度极限， 地面得到的 电磁信号非常微弱， 同时前期使用的国外 E M． MWD 仪器 ， 由于兼顾和钻井液 MWD 的匹配性 ， 软件的滤 波性受到影响， 这是国外 E M．MWD仪在水平段钻进 中信号时断时续效果不理想的主要原 因 。 鉴于以上情况， 结合中国石化工程院C E M一 1 型 电磁随钻测量仪 的试验情况 技术服务价格和常规 MwD一致 ， 建议如下 。 1 大牛地气 田水平井施工中， 斜井段施工推广 应用 C E M l E MWD等电磁波测量仪器 ；垂深超过 2 8 0 0 r n的水平段施工使用以往的测量设备 MWD、 L WD等 。 2 为了提高电磁信号的传输深度， 应尽量选择 电导率低 的钻井液体系。 3 技术套管可以探讨使用外部带绝缘涂层的管 材， 如可以在套管外部喷涂陶瓷或 P T F E等绝缘涂 层 ， 既可 以有效地提高 E M． MWD仪器在水平段 的 信号强度 ， 还有利于套管防腐。 3 结论与建议 1 --叠系山西组山 1 段煤层 、 泥岩地层 ， 联合使 用优质钻井液体系及膨胀管封堵技术， 降低井眼垮 塌事故率 ， 实现 已垮塌地层长段安全快速钻进。 2 在大牛地气 田普及应用 电磁波 随钻测量技 术， 提高测量信号传输效率， 降低成本。 3 集成现有成熟技术 ， 形成大牛地气 田水平井 钻井配套技术 ， 进一步提 高钻井速度 ， 缩 短钻井周 期 ， 加快气井的产能建设 。 参考文献 [ 1 ] 林春明， 张霞， 周健， 等 ． 鄂尔多斯盆地大牛地气田下石 盒子组储层成岩作用特征 [ J ]． 地球科学进展， 2 0 1 1 ， 2 6 2 2 1 2 ． 2 2 3 ． [ 2] 郑荣臣． 致密低渗气藏开发配套技术气藏工程研究[ J ] ． 石油钻 采工艺， 2 0 1 0 ， 3 2 S 1 0 2 ． 1 0 5 ． [ 3] 金衍， 陈勉， 卢运虎， 等 ． 一种气体钻井井壁稳定性分析 的简易方法 [ J ]． 石油钻采工艺， 2 0 0 9 ， 3 1 6 4 8 ． 5 2 ． [ 4] 汤明， 何世明， 邢景宝， 等 ． 大牛地气田欠平衡水平井井 壁稳 定性分析 [ J ]． 石油钻采工 艺， 2 0 1 0 ， 3 2 3 3 7 ． 3 9． [ 5 ] 梁大川， 蒲晓林， 徐兴华 ． 煤层坍塌的特殊性及钻井液 对策 [ J ]． 西南石油学报， 2 0 0 2 ， 2 4 6 2 8 3 1 ． [ 6 ] 杨顺辉， 黄永洪， 陶兴华， 等 ． 可膨胀波纹管技术在韦 1 5 ． 1 9井的应用 [ J ]． 石油钻探技 术， 2 0 0 7 ， 3 5 3 5 5 5 7． [ 7] 陶兴华， 马开华， 吴波， 等 ． 膨胀波纹管技术现场试验综 述及存在问题分析 [ J ]． 石油钻探技术， 2 0 0 7 ， 3 5 4 6 3． 6 6． [ 8] 刘修善， 杨春 国， 涂玉林， 等 ． 我国电磁随钻测量技术研 究进展 [ J ]． 石油钻采工艺， 2 0 0 8 ， 3 0 5 1 - 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