大庆油田水平井钻井技术现状及发展方向.pdf

2 0 1 4年 1 0月 第 3 3卷第 5期 大庆石油地质与开发 Pe t r o l e um Ge o l o g y a n d Oi l fie l d De v e l o p me n t i n Da q i n g 0c t ．． 2 01 4 Vo l _ 3 3 No ． 5 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ J ． I S S N ． 1 0 0 0 - 3 7 5 4 ． 2 0 1 4 ． 0 5 ． 0 3 6 大庆油 田水 平井钻 井技术现状及发展方 向 杨 智光 孙庆仁 何俊 才 齐 悦 孟祥波 吕长文 大庆钻探工程公司 ，黑龙江 大庆1 6 3 4 1 3 摘要针对大庆油田外围区块油层薄、空间分布不均衡 ，老区低／ 停产井增多，非常规致密油埋藏深、地质情况 复杂、岩石可钻性差等难点，开展了超薄油层水平井、分支井、超短半径水平井、三维绕障水平井和工厂化作 业水平井等一系列行之有效的钻井技术研究与应用，形成了一套适合于大庆油 田地质特点的水平井钻井配套技 术。通过 简要 回顾 大庆油 田3 0年来水平井发展历程 ，详细介绍 了油 田现 阶段水平井 开发 的钻井技 术现状 ，并 提 出未来一段时间的发展方 向。 关键词 大庆油田；水平井；钻井技术；现状 ；薄油层；致密油；工厂化 中图分类号T E 3 5 5 ． 6 文献标识码A 文章编号1 0 0 0 - 3 7 5 4 2 0 1 4 0 5 0 2 2 6 0 5 CURRENT S TATUS AND DEVELOP M ENT DI RECTI oN oF THE HoR I Z oNT AL WE L L DRI L L I NG T EC HNI QUES I N DAQI NG oI L F I E L D Y A N G Z h i g u a n g ，S U N Q i n g r e n ， HE J u n c a i ， Q I Y u e ，M E N G X i a n g b o ，L 0 C h a n g w e n D a q i n g D 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 m p a n y ，D a q i n g 1 6 3 4 1 3 ，C h i n a Ab s t r a c t I n v i e w o f t h e c h a r a c t e ri s t i c s a n d d i ffic u l t i e s o f t h e p e ri p h e r a l b l o c k s i n D a q i n g Oi ffie l d，s u c h a s t h e t h i n o i l r e s e r v o i r s，n o n un i f o r m s p a t i a l d i s t r i bu t i o n，i n c r e a s i ng n umb e r s o f t h e s t rip p e r a n d d e a d we l l s i n t h e o l d a r - e a s，de e p u n c o n v e nt i o n a l t i g h t o i l r e s e r v o i r s，c o mp l i c a t e d g e o l o g i c a l c o nd i t i o n s ，p o o r d r i l l a b i l i t y a n d S O o n，a s e r i e s o f e f f e c t i v e d ril l i n g t e c h n i q u e s h a v e be e n r e s e a r c he d a n d a p p l i e d，i n c l u d i n g u l t r a t h i n r e s e r v o i r h o r i z o n t a l we l l s， mu l t i l a t e r a l we l l s ，u l t r a s ho r t r a d i u s h o riz o n t a l we l l s，3 D b y pa s s i n g h o r i z o n t a l we l l s ，“ f a c t o r y l i ke ” o p e r a t i o n h o r i z o n t a l we l l s a n d S O f o r t h，f i n a l l y a s e t o f t he ma t c h i n g t e c h n i q u e s f o r t h e ho riz o n t al we l l d ril l i ng wh i c h a r e s u i t e d t o Da q i n g Oi ffi e l d a r e e s t a b l i s h e d．Th r o u g h b rie f r e v i e w o f 3 0- y e a r h o riz o n t a l we l l d e v e l o p me n t h i s t o ry i n Da q i n g Oi l fie l d，t h e c u r r e nt t e c h n i c a l s t a t u s o f t h e h o riz o n t a l we l l d ril l i n g i s i n t r o d u c e d i n d e t a i l ，a n d f ur t h e r mo r e i t s d e v e l o p- me n t o r i e n t a t i o n i n t h e f u t u r e i s a l s o p r o s p e c t e d ． Ke y wor d s Da q i ng Oi l fi e l d；ho riz o n t a l we l l ； d ril l i ng t e c h n o l o g y ／t e c h n i q u e；c u r r e n t s t a t u s ／s i t u a t i o n；t h i n o i l l a y - e r；t i g h t o i 1 ；f a c t o ry l i ke ／i nd u s t ria l i z e d 收稿 日期 2 0 1 4 0 8 0 5 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 0 3 - 0 8 。 作者简介杨智光 ，男 ，1 9 6 6年生，教授级高级工程师 ，博士，中国石油天然气集团公司高级技术专家，从事钻井工程 技术推广应用与管理工作。 E ma i l y a n g z hi g u a n g c np c ．C O B． c a 第 3 3卷第 5期 杨智光等大庆油田水平井钻井技术现状及发展方向 2 2 7 大庆油 田于 1 9 8 4年实现 了第一 口定 向井的现 场施工 ，1 9 9 1年完成 了第 一 口水 平井 的施工 ，短 期内实现 了跨 越式发展 。大庆油 田从 “ 八 五” 开 展定 向井 、水平井 的科研技术攻关以来 ，定 向井 、 水平井钻井技术已作为常规钻井技术应用于各类油 藏的开发 ，水平井产量达到直井的 4～8倍 。2 0 0 2 年引进 、应用 随钻测井仪 器 L WD 以来 ，提高 了超薄油层水平井钻井技术。 “ 十五”后 ，伴 随着 大庆油 田水平井布井数量逐年增加和各类随钻测井 仪器不断配套完善 ，非常规水平井钻井技术也实现 了突飞猛进 的发展 ，形成 以中半径水平井为主 ，向 深层水平井 、中短半径侧钻水平井 、三维水平井、 分支井 、鱼骨井 、超短半径水平井等特殊工艺井方 面发展的定 向井水平井系列配套技术。 “ 十二五” 以来 ，大庆油 田针对外围三低油藏和致密油区块等 难采储量 ，大力开展超薄油藏水平井钻井技术和工 厂化作业钻井技术 ，取得 了预期效果 ，标志着大庆 油 田水平井开发 已建立起 了一套行之有效的钻井运 作模式 。 大庆油田定 向井水平井技术经 3 0年发展 ，实 现了几何导向向地质导 向的过渡 ，工程 、地质 、油 藏等多学科集成发展 ，应用领域逐渐扩大 ，实现了 井型的多元化和复合化。 1大庆油 田水平井地质特点及钻 井施 工难点 水平井技术主要应用在外围中浅 、低渗储层和 深部气层 的开发 上。外 围储层 具有高含蜡 、非均 质 、多层 、渗透率低 、裂缝发育等特性。油气水分 布受构造 、岩性 、断层等因素控制 ，相对复杂 ；单 层砂岩厚度小 1～ 3 m，有效厚度 1 I T I 左右 ，单 井钻遇含油层一般 3～5层。复杂储层物性 给水平 井施工造成如下难度 1 目的层单层砂岩厚度 薄 ，平均约 1 ． 0 I T I ，最薄处仅 0 ． 4 m，小 于 1 ． 0 m 的占 3 0 ％以上 ，且存在视倾 角，实钻井眼轨迹垂 深范围一般 限定在 0 ． 5 m以内，井 眼轨迹控制难度 大； 2 目的层含多套油层 ，靶点多 最 多十几 个 ，阶梯垂降大 ，需多次着陆 ； 3 水平段长 ， 受井眼曲率影响，滑动钻进钻压传递 困难 ，施工风 险大。 大庆深层的典型特征是纵向上分布井段长 、埋 藏深 、温度高 、岩性致 密 、物 性差 、储集 空 间复 杂 。在钻井施工过程 中存在的难点 1 深层岩 石硬度大 岩石可钻性极值最高达 1 0 ． 3 8级 ，硬度 大于 5 0 0 0 MP a ，钻 头钻速 低、磨损严 重 、寿命 短 、用量大 ，导致钻井周期长。 2 平均地温梯 度高达 4 ． 1 q C ／ h m，4 0 0 0～ 5 5 0 0 r n井深 ，井底温 度 1 6 0～ 2 2 0℃。钻井材料 、工具 、仪器抗 温性能 要求增加 ，井下复杂 ，固井难度增加。 3 地层 压实程度高，孔渗低 、多套压力系统并存等 ，且部 分区块裂缝发育 ，当钻遇大量裂缝 、胶结性差的破 碎性地层时 ，经常发生井壁剥落 、井眼坍塌和恶性 漏失等困难和风险 。 2水平井钻井技术现状 2 ． 1超薄油层水平井技术 2 0 0 2年 引进 国外先 进 的无 线 随钻 测 井仪 器 L WD ，开始了规模化推广应用。截 至 2 0 1 4年 7 月 ，共完成外围 4 7 8口低渗透砂岩油层水平井钻井 完井施工 ，平 均砂岩钻遇率达到 7 0 ％ 以上 ，单井 钻遇最薄储层 0 ． 4 m，实现 0 ． 4～1 1 T I 储层 的有效 开发 ，技术整体处于国际领先水平 j 。 2 ． 2三维绕障水平井技术 该技术开展初期 ，大庆水平井钻井队伍曾先后 在国内外几个油 田完成 了 1 0余 口三维绕障水平井 施工 ，2井最近防碰距离达到 2 ． 7 5 i n _ 5 J ，形成 了 一 套成熟 的三维防碰绕障水平井钻井工艺技术 。如 今 ，随着致密油藏工厂化作业的规模化推广 ，三维 水平井钻井技术在大庆油田已经成为应用较为广泛 的常规技术 J 。 2 ． 3阶梯水平井技术 针对 外 围油 田油藏 分 布 不均 ，层 多 5～8 层 、薄 0 ． 41 m ，隔层厚度小 21 3 m等 特点 ，采用阶梯式水平井技术实现水平段垂直剖面 上多次升降和穿越不同深度油层 ，实现单井多层经 济有效开发 。2 0 0 5年 以来 ，累计完成 1 6 4口阶梯 水平井施工 ，平均单井 日产油量达到 8 ． 5 t ，是直 井的 4 6倍。在 7 0 0～8 5 0 1T I 水平段上 ，实现了单 阶梯式或多阶梯式钻进 ，创造了单井钻穿 l 3个靶 点、阶梯段垂深变化与水平位移 比值 8 ． 9 8 1 0 0等 多项 国内外纪录 Ⅲ 。 2 ． 4中短半径侧钻水平井技术 “ 九五”期间，为实现老区厚油层顶部剩余油 挖潜 及 老井 复 活 ，开 展 了 国家 级 重点 科 研攻 关 项 目 “ 高含水厚油层 上部侧钻水平 井钻采配 套技术研究” 。通过应用高密度钻井液 、研制铰接 2 2 8 大庆石油地质与开发 2 0 1 4正 接头 、应用水力加压器等技术 ，成功解决 了在未水 淹薄油层 中钻进 、钻柱内部应力集 中和动力造斜钻 一 套适于在未水淹层上部剩余油仅 3～6 m的套管 侧钻水平井配套技术 ，为表外层剩余油和未水淹层 具通过套管时摩擦阻力大等关键技术问题 ，形成了 挖潜提供 了新途径 表 1 。 表 1 两 口典型侧钻 井主要参数 Tab l e 1 M a i n par ame t e r s of t he t wo t y pi c a l s i d e- t r ac ke d we l l 2 ． 5工厂化水平井技术 大庆探区具有丰富的非常规油气资源 ，此类储 层具有可钻性差 、超低渗透 2 1 0 Ix m 等特 点 ，采用常规钻井 、完井方式无法实现该类储层 的 规模 、效益开发，应用 “ 井工厂” 工 厂化作 业 模式，即在同一平台集中布置大批相似井、使用大 量标准化的装备和技术 ，进行批量钻井 、完井可以 大幅提高工程 时效 、缩短周期。大 庆油 田 2 0 1 2年 正式立项开展技术攻关。截至 目前 ，已完成钻井程 序优化 、批量钻井和工作液 回收利用等关键技术研 究 ，并已在 5个实验区开展了 1 0个平 台 3 0口水平 井钻井作业 ，平均单井钻井时效与常规井相 比提高 了 3 0 ％以上 ，周期缩短 了 2 0 ％ 以上 ，取得 了较好 的应用效果 ” 。 2 ． 6分支井钻 井技术 针对单井开发 2个或 2个以上主力油层技术难 题 ，2 0 0 6年开展了分支井钻井 、完井技术攻关 ，自 主研发了一系列分支井特色工具 ，解决 了分支 的机 械悬挂 、水力密封等技术难题_ 1 ， J 。 独立完成 4口双分支井施工，开窗成功率、悬 挂器坐 挂成 功 率 和 井 眼再 进 入 成 功 率 均 达 到 了 1 0 0 ％ ，实现了国际 T A ML四级 完井 ，技 术处于 国 内领先水平 表 2 。 表 2 两 口典型分支井主要指标 Ta b l e 2 M ain i n d e x e s o f t h e t wo t y p i c a l b r a n c h we l l s 2 ． 7鱼骨井钻井技术 为进一步提高储 层泄油面积 、增加油井产量 ， 经技术攻关 ，解决了鱼骨井钻井程序优化 、裸眼悬 空侧钻、井 眼施工程序优选 、裸 眼悬空侧钻 、钻完 井管串安全下人等难题。已完成二 、四分支各一 口 鱼骨 井 施 工 ，单 分 支 超 过 2 6 0 m，其 中 某 井 在 1 ． 6 m薄油层内完成 四分支侧钻 ，砂岩钻遇率达 到 6 0 ． 5 0 ％，是 目前 国内完钻 的最薄鱼骨井 ，技术 整体处于国内先进水平 。 2 ． 8深层水平井技术 大庆油田深部地层具有硬度高、岩石可钻性极 值高 1 0 ． 3 8级 、地温梯度高 4 ． 1 C ／ h m等特 点 ，钻井存在钻速低 ，钻具易失效和井下 工具及钻 井液抗温要求高等难点 ，通过不断 的技术攻关和现 场试验 ，目前 已达到了年钻 8口深层水平井的技术 水 平 ，其 中 目 前 已 完 钻 的 某 深 井 完 钻 井 深 5 0 3 5 ． 0 4 m，完钻垂深 3 9 3 4 ． 0 6 m，井底循环温 度超过 2 0 0 o C⋯。 。 2 ． 9深层侧钻水平井技术 为进一步降低气藏勘探开发成本 ，实现老井 的 重复利用 ，开展了水平井技术攻关。解决了开窗点 深 、地温高 、岩石硬度大 、研磨性强和小井眼摩阻 大、钻具疲劳破坏等技术难题_ 2 。 目前 ，共 完 成 了 5 口井 施 工，实 现 了 超 过 3 0 0 0 m井 深 的 1 3 9 ． 7 m m、1 7 7 ． 8 m m 和 2 4 4 ． 5 m m深层套管开窗侧钻 ，其 中某深层侧钻 井创造 了 纯钻进周期 5 9 ． 9 8 d ，行程钻 速 1 2 ． 8 2 m ／ d的新纪 录。营城组地层 3 5 0 0 m创新使用 P D C钻头单 趟钻进尺 1 0 2 m，机械钻速 1 ． 8 9 m／ h两项 国内纪录 表 3 。 表 3 典型井主要技术指标 T a b l e 3 M a i n t e c h n i c a l i n d e x e s o f t h e t y p i c a l we l l 第 3 3卷第 5期 杨智光等 大庆油 田水平井钻井技术现状及发展方 向 2 2 9 2 ． 1 0超短半径水 平井技术 为实现油 田低产 低效 井改 造 、套 外剩 余油 挖 潜 、降低开发成本 ，开展了超短半径水平井的技术 攻关 ，形成了直径 1 3 9 ． 7 m m套管快速开窗技术 2 ～ 3 h 、直 径 1 1 8 m m 井 眼 超 短 半 径 造 斜 技 术 3 5 m 、直径 1 1 8 mm井 眼反循环钻进技术 、 多功能割缝导向管随钻完井技术和高曲率井段测斜 技术 1 8。 ／ m等五项特色技术 ，共 完成 4 1口井 施工 ，实现 3～ 5 m着 陆 ，水 平段进 尺大于 2 0 m， 施工后 增 产效 果 明显 ，产 量 达 到改 造 前 的 23 倍 。 2 ． 1 1大位移水平井技术 2 0 0 0年以来 ，大庆油 田开展了大位移井钻井技 术攻关 ，重点应用 于低洼地和水塘钻井。2 0 1 1年 ， 按照大位移井钻井方式完成 了某井施工 ，完钻井深 4 3 0 0 m，水平位移 2 6 6 0 m，垂深位移比 1 1 ． 7 2 ， 与此同时 ，在常规井钻井 中，水平位移指标不断有 新 的突破 。截 至 2 0 1 4年 7月，完 成 水平 位 移 大 于 1 0 0 0 m的井 6 O口，其 中水平位移大于 1 5 0 0 m 的井 2 2口 。 2 ． 1 2欠平衡水平井技术 为了充分发挥欠平衡水平井 钻井保护储 层、增 大泄油面积的技术优势 ，实现两者有效集成 ，大庆 油 田陆续 开展 了扶 杨 油层 全过 程 欠平 衡水 平井 、 2 1 5 ． 9 mm井眼深层砾岩欠平衡水平井 、1 3 9 ． 7 mm 井眼深层套管侧钻欠平衡水平 井 、1 5 2 ． 4 mm井眼 致密砂岩欠平衡水平井钻井完井技术攻关 ，截至 目 前 已完成了 1 5口欠平衡水平井 的施工 ，形成 了欠 平衡水平井钻井、完井配套技术 表 4 。 表 4 典型 井关键数 据 Ta b l e 4 Ke y d a t a o f t h e t y p i c a l we l l s 3水平井钻井技术发展方向 通过 3 0多年的持续创新和不 断努力 ，大庆油 田水平井技术实现了阶段性跨越式发展，但随着勘 探开发的不断深人 ，油 田的可持续发展面临资源接 替难 、特高含水期开发难和外围增储上产难等诸多 矛盾和挑战，对钻井尤其是水平井技 术也提 出了更 高的要求 ，主要体现在勘探开发对水平井技术的迫 切需求和水平井技术 自身进一步发展的需求上 。 结合油田勘探 开发 和钻 井 自身技术发展 的双重 需 求 ，大庆水平井技术的发展方向展望如下 3 ． 1水平井钻井必要工具的自主研发及系列化 实现薄差储层经济有效开发将是油 田精细开发 的方 向，在薄差层钻井过程 中，必须依靠先进 的随 钻储层测量和评价技术才能及 时地找到油层 ，同时 实现更高的砂岩钻遇率。而现阶段 ，无线随钻测量 仪器的核心技术只掌握在国外少数大的油 田技术服 务公司手 中，只提供服务或售价高昂，严重制约着 油 田的精细开发 ， 实现无线随钻仪器的 自主研发和 系列化 、产业化迫在眉睫。因此 ，自主研制多规格 多型号的 L WD工具 、旋转 导向系统 、随钻声波 电 阻率、随钻中子密度工具 、电磁波测量 系统 、随钻 地层压力 温 度 测 试 工具 等 是 下 步 攻关 的 主要 方 向 。 3 ． 2提 升特 殊工 艺水 平 井施工 能力 针对特殊工艺水平井 ，技术攻关和推广应用水 垂 比大于 2的大位移井 、超长水平段水平井 、工厂 化平台水平井 、多分 支水平井 、S A G D水平井、对 接水平井 、超浅层水平井等 。 3 ． 3实现钻井 自动化信息化建设 在计算机技术、卫 星通信 和互 联 网的推动下 ， 使水平井钻井逐步实现实时化 实时监控井下和地 面参数 、信息化 远程监控 、远程决策 、提高效 率 、可视化 方案设 计、过 程监控 、钻后评 价 、 人员培训和数字化 长远 目标 。 4结 论 1 大庆油 田要实现油气资源的勘探突破和有 效开发及原油增储上产的 目标 ，需要行之有效的工 程技术作为支撑 。水平井钻井技术应是重点发展 的 工程技术之一。 2 针对致密油藏开发开展的中浅层水平井工 厂化钻 井技术 ，有效地 提升 了水 平井钻 井施工效 率 ，节约了钻井成本 ，应作为重点技术大力推广 、 规模化应用。 3 经过多年的技术攻关与推广应用 ，大庆油 田形成了以水平井钻井技术为代表的多项钻井配套 技术 ，为油 田钻井技术的进一步发展奠定 了有利 的 基 础 2 3 0 大庆石油地质 与开 发 2 0 1 4正 4 勘探区域不断扩大 、开发难度 日益增加的 现状对钻井技术的发展提出了更 高的要求 ，需要不 断地技术创新与突破 ，水平井钻井技术应是重点 的 发展方向。 5 大庆油 田水平井 钻井技术要 实现 国内领 先 ，首先要 以国际先进的水平井技术为 目标 ，不断 实现技术突破与创新 ，从而逐步形成一套适合大庆 油田水平井规模化开发的先进技术 。 参考文献 [ 1 ]刘润波 ．大庆油田薄油层水平井钻井技术 [ J ] ．石油钻探技术 ， 2 0 1 0，3 8 6 5 3 - 5 9 ． [ 2 ]方庆 ，刘云燕 ，张国 良，等．超 薄油层水平井 开发 技术 [ J ] ． 大庆石油地质与开发 ，2 0 0 9，2 8 5 1 4 2 ． 1 4 5 ． [ 3 ]秦月霜 ，常 中元 ，唐文锋 ，等．对 超薄席状砂互层 水平井设计 的 几 点 认 识[J ] ． 大 庆 石 油 地 质 与 开 发 ，2 0 0 9，2 8 6 9 1 9 5 ． [ 4 ]孙涛 ，王瑞 ．旋转地 质导 向系统 在薄层 水平井 中的应用 [ J ] ． 大庆石油地质与开发， 2 0 1 1 ， 3 0 3 1 3 1 1 3 4 ． [ 5 ]宁金生 ，杨碧学 ，王可仁 ，等 ．工厂化丛 式三维水平 井轨迹控 制难点分析 [ J ] ．内蒙古石 油化工 ，2 0 1 4， 4 0 8 5 9 7 0 ． [ 6 ]翟文涛 ， 赵林军 ， 彭学光 ， 等 ．丛式三维水平 井轨迹优化控制技 术浅析 [ J ] ．内蒙古石油化工 ， 2 0 1 2 ， 3 1 1 8 1 2 0 ． [ 7 ] 李铁军， 柯西军， 郭大立， 等．考虑裂缝与井筒不同夹角的水平 井 产 能 分 析[J ] ． 大 庆 石 油 地 质 与 开 发 ，2 0 1 1 ，3 O 6 1 2 2 - 1 2 6 ． [ 8 ]刘欣 ， 刘 同斌 ， 赵立强 ， 等 ．水平井压裂近井参数分析 [ J ] ．大 庆石油地质与开发 ， 2 0 1 0， 2 9 3 1 1 8 - 1 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