大庆油田超短半径水平井钻井技术.pdf

第 3 9卷 第 5期 2 O l 1年 9月 石 油 钻 探 技 术 P ETR I EUM I I 2 1 1 I I N r E C H NI QUES VoI ． 39 No ．5 Se p．， 2 011 ． ． 钻 井完 井 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 0 8 9 0 ． 2 0 1 1 ． 0 5 ． 0 0 4 大庆油 田超短半径水平井钻井技术 宫 华 ， 郑瑞强 ， 范 存 ， 徐月庆 ， 耿晓光 ， 张朝纯 1 ．中国石油大庆钻探工程公 司钻井 工程技术研究 院， 黑龙江大庆 1 6 3 4 1 3 ； 2 ． 顺通井下技术服务公司 ， 辽宁盘锦 1 2 4 0 1 0 摘 要 针 对超短 半径水平 井钻 井存在的造斜段 井眼曲率大于 1 0 。 ／ m、 常规钻具无法顺利通过 大曲率造斜段 、 筛 管完井困难等技 术难题 ， 大庆油田成功研制 了旋 转 自封器 、 ≠ 1 3 9 ． 7 i i l m 导向锚定 系统 、 多功能导 向管 、 高强度 柔性钻 杆 、 特 制 ≯ 1 1 7 ． 5 I T l m三 牙轮钻头等工具 ， 形成 了一套较 为完善的超短半径 水平 井钻 井技 术。该技术采 用纯机械 造斜 原理 ， 不需穹螺杆等动力钻具 即可完成 3 ． 2 m 曲率半径的造斜段 施工 ， 造斜 能力达到 1 5 。 ～2 0 。 ／ m； 高强度 柔性钻杆 的应用确保 了井下钻具组合顺利通过 大曲率造斜段及水平段 的稳斜钻进 ； 并 实现 ≠ 1 1 7 ． 5 i n m 井眼 防砂 筛管完井， 满 足后续修井作业要 求。 自2 0 0 9 年 以来 ， 大庆油田已完成 1 6口超短半径水平井施 工， 平均钻井周期 1 2 ． 1 4 d ， 平均井眼 曲率 1 5 ． 2 1 ／ m， 中靶率 1 0 0 。介绍 了大庆油 田超短半径 水平井钻 井技 术的关键技 术研 究与现场应用情 况。 关键词 超短 半径 水平井 柔性钻杆 套管开窗 杏～ 平 G2井 大庆油田 中图分 类号 T E 2 4 3 文献标识码 A 文章编 号 1 0 0 1 0 8 9 0 2 0 1 1 0 5 0 0 1 9 0 4 Ul t r a Sh o r t Ra di u s Ho r i z o nt a l W e l l Dr i l l i ng Te c hn o l o g y i n Da qi n g Oi l f i e l d Go ng Hu a ， Zh e n g Ru i qi a n g ， Fa n Cu n ， Xu Yu e qi n g ， Ge ng Xi a o g ua ng ， Zha n g Zh a o c hu n 。 1 ．Dr i l l i n g En gi n e e r i n g Te c h n o l o g y Re s e a r c h I n s t i t u t e o y Da q i n g Dr i l l i n g Ex pl o r a t i o n En g i 一 l e e r i n g C o r p o r a t i o n， 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； 2 ．S h u n t o n g Do wn h o l Op e r a t i 0 n TP c h 0 0 v S e r v i c e s Co mp a n y， Pa n j i n， Li a o n i n g， 1 2 4 0 1 0， C h i n a Ab s t r a c t Th e u l t r a s h o r t r a d i u s h o r i z o n t a l we l l t e c h n o l o g y c a n e f f e c t i v e l y d e v e l o p t h i n。 v e r t i c a 1 f r a c t ur e， he a v y c r u de a n d l ow pe r m e ab i l i t y r e s e r v o i r s ．The t e c hn i c a l pr i n c i p l e s o f t hi s t e c hn o1 og v a nd t he s p e - c i a l l y d e s i g n e d d r i l l i n g t o o l s f o r Da q i n g Oi l f i e l d we r e i n t r o d u c e d ．Th e f a s t mi l l i n g i n 4 1 3 9 ． 7 mm c a s i n g ， t h e s h o r t r a d i u s b u i l d u p ／ h o l d i n g a n d t h e wh o l e w e l l r e v e r s e c i r c u l a t i o n i n 1 l 7 ． 5 mm b o r e h o 1 e we r e i n t r o d uc e d． Th e a dv a n t a g e s o f t hi s t e c h no l og y we r e a na l y z e d ．U s i ng W e l l Xi n g Pi ng G2 a s a n e x a m p l e， t h e f i e l d a p pl i c a t i o n of t hi s t e c hno l o gy wa s i nt r odu c e d i n de t a i l ．Th e r e s u l t s s h o w t h a t t h e l i n e r c o mp 1 e t i o n o D e r a t i o n i n t h i s we l l wa s a c hi e ve d s u c c e s s f u l l y whi c h l a y s a f o und a t i on f o r c on t i nu ou s p r od UC t i o n a nd t h e ne c e s s a r v wo r k o v e r s ． S i n c e 2 0 0 9 ， t h i s t e c h n o l o g y h a s b e e n u s e d i n l 6 u l t r a s h o r t r a d i u s h o r i z o n t a l we l l s i n Da q i n g Oi l f i e l d wi t h t h e ma x i mu m c u r v a t u r e o f 1 6 ． 9 3 。 ／ m a n d t a r g e t i n g r a t e o f 1 0 0 ． Ke y wo r ds ul t r a s ho r t r a d i us； ho r i z on t a l we l l ； f l e xi b l e dr i l l pi pe； c a s i ng wi nd o w ； W e l l Xi ng Pi ng G2 Da qi n g Oi l f i e l d 2 0 世 纪 8 O 年 代 初 ，美 国 P e t r o l p h y s i c s 公 司和 B e c h t e l 公 司开 发 出一 种 新 的特 殊 钻 井 技 术 超 短半径水平井技术[ 1 。 。‘ ] 。该技术能使死井复活 ， 大幅 度提高油井产量和原油采收率 ， 且能降低钻井成本 ， 是油 田老井改造、 油藏挖潜和稳产增产的有效手段 ， 尤其适合于薄油层、 垂直裂缝、 稠油、 低渗透等油藏 的开发 ] 。但该技术是 当前的高难 度钻井技术之 一 ，其技术难点 主要有 1 如何实现井眼曲率大于 1 0 。 ／ m 的造斜 段 的施 工 ； 2 常 规 钻 具 无 法 通 过 井 眼 收稿 日期 2 0 1 l 一 4 1 9 ； 改 回日期 2 f l 0 8 一 I 2 。 作者简介 宫华 1 9 叭 ． 男． 黑龙 江兰西人． 2 0 0 3年毕 业于石 油 大学 华 东 勘查技术与工程 专业， 工程师 。 主要从事水平 井钻 井工 艺技 术 研 究 。 联系方式 O 4 4 8 1 3 1 5 1 ， g h d q u l 2 6 ． C O I I I 石 油 钻 探 技 术 曲率 1 0 。 ／ m 的高曲率造斜段 ， 水平段如何进行后续 施工 ； 3 如何实现筛 管完井 ， 防止井壁坍塌 ， 并为后 续的冲砂等修井作业提供便利 。 大庆 油 田针 对 该 技术 难 点 ， 研 制 了专用 的井 下 工具 ， 解决 了施工 难题 ， 逐渐 形成 了超 短半径 水平 井 钻井配套技术。该技术在大庆油 田 1 6口井进行 了 成功应用 ， 对该油田老 区块套损井 、 报废井 、 低产井 等的二次开发起到了很好的效果。 1 技 术原 理 超短半径水平井工艺首先利用特制开 修 窗一 体化高效铣锥进行大角度套管开窗 ， 下入特制的造斜 钻具组合， 通过转盘带动造斜钻具驱动 乒 1 1 7 ． 5 mm 造斜钻头， 采用 纯机械造斜原理 ， 利用特制造斜工 具 ， 不需弯螺杆等动力钻具 即可完成 3 ． 2 m曲率半 径 的造斜 段施 工 ， 造 斜 能力达 到 1 5 。 ～2 0 。 ／ m， 造斜 段 长度 仅为 5 iT I 。水 平 段采 用 j 5 1 1 7 ． 5 mm 水平 钻 头总成与水平钻具组合实现稳斜钻进 ， 水平段钻进 达到设计要求后 ， 根据不 同储层特点可以采用裸眼、 多功能导向管、 筛管等三种方式完井 ， 满足了不 同油 层的完井需求。 2 特制工具 的研制及主要施工工艺 2 ． 1 特 制工具 旋转 自封器地 面井 口密 封装置 可 以在反 循环 旋 转钻进 过程 中密封 井 口。动 态 旋转 密封 9 MP a ， 静态密封 1 5 MP a ， 满足了反循环钻井施工条件。 1 3 9 ． 7 mm 导向锚定 系统 该系统共计 6个 定位键 ， 分两层 ， 每层 3个 ， 可实现轴向和径 向双重 锚定。与常规导 向系统相 比较， 该系统缩短 了导斜 面长度 、 增大 了导 斜 面角度 。 多功 能导 向管 该 导 向管 是 实 现 9 5 7 ． 5 mm 井 眼 机械造 斜 的特制 工具 ， 为柔性 单弯 结构 ， 通过 特 有 的机械造斜原理完成造斜段施工 ， 是国内特有 的 非动力造斜工具 。 高强度柔性钻杆 该柔性钻杆为特制工具 ， 与 普通标准钻 杆相 比， 它能 自由通 过井 眼 曲率 高达 1 5 。 ～2 0 。 ／ m 的造斜段 ， 并将转盘扭矩及钻压有效 传递至钻头 ， 从而驱动前端钻头， 实现旋转破岩。 特制 1 1 7 ． 5 mm 三牙轮钻头 根据现场施工 需要与特制造斜钻头体及水平钻头体配合使用， 实 现造斜段的高曲率增斜和水平段的稳斜施工。 2 ． 2主要施 工工 艺 1 j 5 l 3 9 ． 7 mm 套 管 内大 角 度快 速 开 窗 。利 用 特制的大角度 1 3 9 ． 7 mm 导向锚定系统和特制开 修 窗 一体化复式铣 锥， 优选套管开 窗钻井 参数， 声 1 3 9 ． 7 mm钢级 J 5 5壁厚 7 ． 7 2 mm套管 ， 开窗时间 仅 为 1 ． 5 ～ 2 ． 0 h ， 且 不 需 重 新 下 钻 修 窗 ， 实 现 了开 修窗一体化施工， 缩短了钻井周期。 2 1 1 7 ． 5 mm 井 眼 超短 半 径 造斜 。采 用高 强 度 柔性 钻杆 、 多功 能导 向管 、 造 斜钻 头体 和特制 牙轮 钻头， 形成高效机械 造斜系统 ， 根据 不 同的地质条 件 ， 相应地调整多功能导向管的参数配置， 结合反循 环钻井工艺技术， 完成井 眼曲率 1 5 。 ～2 0 。 ／ m 的造 斜 段 ， 造 斜段 长度 仅 5 m。 3 ≯ 1 1 7 ． 5 mm井眼超短半径稳斜。采用高强 度柔性钻杆 、 多功能导向管 、 水平钻头体和特制牙轮 钻头 ， 形成稳斜钻井系统 ， 水平钻头体与多功能导向 管轴线重合 ， 同时利用多功能导 向管 与柔性钻杆 的 自重 ， 合理控制水平段钻进参数 ， 实现水平段稳斜 钻进 。 4 声 1 1 7 ． 5 mm 井 眼全 井 反循 环 钻进 。施 工过 程 中全 程 采 用 清 水 加 防 膨 剂 反 循 环 方 式 钻 井 ， 由 于 反循 环 对 井 底 产 生 抽 汲 作 用 ， 岩 屑 和 铁 屑 上 返 速度快 ， 钻井效率高 ； 清水加 防膨剂形成 的体系密 度 低 、 成 本 低 ； 反 循 环 避 免 了 岩 屑 和 铁 屑 进 入 储 层 ， 减小 对 油层 的污 染 及 损 害 ， 可 以最 大 程 度 地 保 护储 层 。 2 ． 3 技术优 点 1 曲率半 径 小 ， 造斜 段 长 5 m 即可 钻 人储 层 ， 缩短了施工周期 ； 同时， 可有效避免穿透水层 ， 不用 固井 堵水 ， 避免 了井 下故 障的发 生 。 2 可在油层 内钻出一个长约 1 5 r n的 j 5 1 2 7 ． 5 1T i n 2 井 眼 ， 增加 油 层 泄 油 面积 ， 揭 露 产 层 的水 平 发 育 状 况 ， 提高老 井产 量 ， 大幅度 提高 采收率 。 3 利用老井开窗侧钻 ， 不需重新钻井 ， 减小上 部无效进尺 ； 保持原井开采方式， 不需再增加额外设 备及地面管网建设费用 ， 降低 了油 田开发成本 。 4 施工工艺简单、 快捷方便 、 投资少 ， 作业施工 周期 7 ～1 0 d ， 大修设备即可满足施工需要。 5 整个钻井过程全部利用清水反循环洗井 ， 成 本较低， 且可以最大限度地保护储层 。 6 可根据地层特性实现裸眼、 多功能导向管、 防 第 3 9巷 第 5期 宫 华 等 ． 大 庆 油 田超 短 半 径 水 平 井 钻 井技 术 砂筛管 3种完井方式， 满足了多种地质条件的需求 。 因此， 从钻井角度来看 ， 超短半径水平井可以有 效利用现有低产井、 停产井来进行剩余油挖潜， 节约 钻井与开发成本 ， 具有投资少 、 见效快等特点。 3 现场应用 实例 自 2 0 0 9 年 以来 ， 大庆油 田先后进行 了 1 6口超 短半径水平井现场施工 ， 平均钻井周期 1 2 ． 1 4 d ， 目 标 中靶率 1 0 0 ， 造斜段 曲率半径 3 ． 3 7 ～4 ． 3 9 m， 平 均井眼曲率 1 5 ． 9 , 1 。 ／ m， 平均水平位 移 2 3 ． 0 1 m， 平 均进 尺 2 5 ． 5 8 m。其 中最 大 井 眼 曲率 1 6 ． 9 3 。 ／ m， 最 大水平位移 3 O ． 0 6 m， 最长总进尺 3 2 ． 4 0 m， 最短钻 井周期 7 d 。现 以杏一 平 G2井 为例介 绍现场施 工 情 况 。 杏一 平 G2井设计在老井杏一 G2井 声 1 3 9 ． 7 mm 套管内开窗侧钻 。杏一 G 2井地处杏树 岗背斜构造南 部 ， 位于断层上升盘 ， 属于构造高部位 ， 单斜构造 ， 其 完钻井深 1 1 3 0 m， 1 3 9 ． 7 r n m油层套管 钢级 J 5 5 下 深 1 1 2 5 ． 8 0 m， 固井质 量 良好 ， 1 9 9 0年 4月 完井 。 3 ． 1 工程设 计 杏一 平 G2井 钻 探 目的层 是 葡 工3 油 层 ， 为 油 井。工程设计 参数 完钻垂深 1 0 2 9 ． 9 7 r fi ， 完钻井 深 1 0 5 3 ． 1 1 m， 造 斜 点 井 深 l 0 2 7 ． 9 7 1 T I ， 方 位 角 4 8 ． 3 7 。 真 ， 水平位 移 2 3 ． 3 3 m， 造斜段长 5 ． 0 8 17 1 ， 水平段长 2 0 ． 0 6 m。井 眼轨道设计垂直剖面如图 1 所示 图 1 设计 井眼轨道垂直剖面示意 F i g ． 1 Ve r t i c a l p r o f i l e o f W e l l Xi n g - Pi n g G2 t r a j I e c t o r y 3 ． 2施工 概 况 完成作业前期准备工作后， 首先下人 1 3 9 ． 7 mi t t 导 向锚定系统 ， 通过陀螺定位仪和 电测仪器测试 方 位 和深度后 ， 将 1 3 9 ． 7 mm导向锚定系统锚定在井 深 1 0 2 7 ． 9 7 m处 ， 方位为真方位 4 8 ． 7 0 。 。然后 ， 起 出送斜钻具 ， 下入特制开修 窗 一体化复式铣锥 ， 先 正循环冲洗 ， 后反循环开窗 ， 铣至井深 1 0 2 8 ． 9 7 m， 完 成开 窗施 工 ， 起 出 钻具 。 下入特制造斜钻具组合， 采用反循环钻进方式。 钻至井深 1 0 3 5 ． 0 0 m， 造斜施工结束。下入特制微 型测斜 仪 器 ， 测 得 井 底 井 斜 角 为 9 3 ． 5 。 。造 斜 段 长 仅 5 ． 7 0 m 1 0 2 8 ． 0 0 ～l 0 3 3 。 7 O m ， 就实现了井斜 角从 1 ． 2 。 到 9 0 ． 8 。 的变化 ， 曲率半径为 3 ． 6 0 m， 井眼 曲率高达 1 5 ． 7 。 ／ m， 实现 了大 曲率超短半径造斜段 的施 工 见 表 1 。 表 I 杏一 平 G 2井多点测斜 数据 1 h b l e 1 Mu l t i p l e t r a j e c t o r y s u r v e y d a t a f o r We l l Xi n g - P i n g G2 序号 时间 测深／ m 井斜角／ 。 起 出测斜 钻具 后 ， 下入特 制 的水平 段钻具 组合 ， 开始 水平 段钻 进 。钻 至 井 深 1 0 3 5 ． 5 0 m 返 出砂 岩 岩 屑 ， 荧 光反应 为油 岩 ， 进人油 层后 砂岩 岩屑油 气显 示越 来越好 ； 钻至 井 深 1 0 3 9 ． 0 0 m 处 ， 返 出基 本 为 含油 砂岩 岩 屑 。完 钻井 深 1 0 5 0 ． 3 0 m， 井 眼轨 迹基 本控制在油层 内， 达到设计指标。 在水平段施工过程中， 克服了大曲率造斜段带来 的高摩阻等施工困难， 顺利完成了 1 6 ． 6 0 i a 1 0 3 3 ． 7 O ～ 1 0 5 0 ． 3 0 m 长水平 段 施工 ， 在 油层 内穿 行 1 5 ． 3 0 1 T I 1 0 3 5 ． O 0 ～1 0 5 0 ． 3 0 m ， 提高了该油层的泄油面积。 该井采取“ 防砂筛管铅封” 的完井方式， 封隔器 坐封于井 深 1 0 2 5 ． 5 0 m处 ， 防砂筛 管下深 l 0 2 6 ． 5 0 ～ 1 0 49 ． 6 2 m 。 杏一 平 G 2井 实现了超短半径水平井 的防砂筛 管完井施工 ， 为超短半径水平井的可持续开采以及 后期的冲砂等修井作业奠定了良好的完井基础 。 4 结 论 1 大 庆 油 田共 完 钻 1 6口超 短 半 径水 平 井 ， 逐 渐形成 了一 套较为完 善的超短半径水平井钻井技 术 ， 达到了国内相关技术领域的领先水平 。 2 大庆油 田超短半径水平井钻井技术利用转 盘钻进 即可 实现 大 曲率 造 斜段 的增 斜 钻 进 ， 打 破 了 利用弯螺杆等动力钻具造斜的传统方式。 3 大庆油 田超短半径水平井钻井技术实现了 1 5 。 ～2 O 。 m 大曲率井 眼中井下管柱的顺 利下入 及水平 段 的稳斜 钻进 ， 实现 了 1 1 7 ． 5 mi l l 井 眼 防砂 筛管完井 ， 为后期作业及长期有效开采提供 了有利 条件 。 4 超短半径水平井施工周期短 、 投资少 ， 可 以 充分利用已有井段开采遗漏产层 ， 大幅度降低 了钻 井成本。该技术可应用于开采厚油层顶部剩余油和 表外储层剩余油 ， 提高了老井利用效率。 5 超短半径水平井技术适用于低孔 、 低渗和低 产的老井或停产井 ， 通过在油层内水平钻进 ， 增加油 层泄油面积 ， 形成井眼孔道， 增加原井产量， 让老井 复活 、 死井重生 ， 对大庆油田的剩余油挖潜具有重要 的意 义。 参 考 文 献 L 1 ] Wa d e D， He r ma n D， Ne e s J M， e t a 1 ． Th e u l t r a s h o r t r a d i u s r a d i a l s y s t e m a p p l i e d t o t h e r ma l r e c o v e r y o f h e a v y o i l [ R] ． S P E 2 4 0 8 7。 l 9 9 2 ． [ 2 ] 李介士． 水平井钻井完井及增产技术[ M] ． 北京 ； 石油工业出版 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m p l e me n t a t i o n o f t wo u l t r a - s h o r t r a d i us s i d e t r a c k i n g h o r i z o n t a l we l l s i n S h e n g l i O i l f i e l d E J ] ．P e t r o l e u m Dr i l l i n g Te c h n i q u e s ， 2 0 0 7， 3 5 6 5 7 - 5 9 ． [ 5 ] 席 长丰， 江山， 马卫 国， 等． 超短半径水力 水平井产能 计算方法 及影响因素分析E J ] ． 石油钻探技术 ， 2 0 0 4 ， 3 2 1 4 8 5 o ． Xi Ch a n g f e n g， J i a n g Sh a n，Ma We i g u o， e t a 1 ．A c o mp u t a t i o n me t ho d{ o r p r o d u c t iv i t y o f s u p e r r a d i u s h y d r a u l i c we l l s a n d a n a l y s i s o f{ a c t o r s o n i t [ J ] ． P e t r o l e u m Dr i l l i n g T e c h n i q u e s ， 2 0 0 4， 3 2 1 4 8 5 0 ． [ 6 3 赵峰． 超短半径侧钻分支水 平井曙 卜2 3 0 3 7 0 C H 井设计 与施 工 - J ] ． 石油钻采工艺 ， 2 0 0 9 ， 3 1 6 3 7 - 3 9 ． Zh a o Fe n g ． De s i g n a n d a p p l i c a t i o n o f s u p e r - s h o r t r a d i u s s i d e - t r a c k i n g ． t e c h n o l o g y i n S h u 1 2 3 0 3 7 0 CH mu l t i l a t e r a l h o r i z o n t a l we l l [ 11 ] ． O i l Dr il l in g＆ P r o d u c t i o n T e c h n o l o g y， 2 0 0 9 ， 3 1 6 3 7 3 9 ． 铈 尔 尔 界 尔 乖 尔 乖 乖 乖 界 芥 锛 芥 乖 带 乖 乖 钸 舔 乖 钸 乖 钸 尔 旆 不 珠 ≤ 钸 尔 中原油 田 自主研发成功空气锤钻 井技术 川东北地区地质构造复杂 ， 岩石硬度大、 研磨性强 、 可钻性差 ， 常规钻井由于钻井液携岩能力差、 机械钻 速低 ， 大大制 约 了勘 探 开发进度 。因此 ， 中 国石 化在 川东 北地 区开发 初期 就 引进 并 应用 了空 气锤 钻 井技 术 ， 并 取得 了较好 的应 用效 果 。 但是， 国外的空气锤和钻头最大应用井深约 3 0 0 0 1 T I ， 随着川 I 东北地区勘探开发 的不断深入 ， 引进的空 气锤钻井技术 已经无法满足该地区钻井提速的要求。因此 ， 急需研发适用于川东北深部地层钻进的空气锤 钻井技术。为此 ， 2 0 0 8年底 ， 中原油 田承担 了中国石化重点科研项 目“ 空气锤及配套钻头研制” 。2 0 1 1 年 6月， 中原油 田成功完成了空气锤及其配套钻头 的研制 ， 顺利通过中国石化的验收 ， 同时取得 5 项专利成 果， 且整体技术水平达到国际领先水平 ， 填补了中国石化空气锤钻井技术 的空 白。 目前 ， 中原油田研发的空气锤钻井技术在普光气 田应用 了2 1 井次 ， 累计进尺超过 1 3 8 0 0 1T I ， 与该地区常 规钻井液钻井相比， 平均机械钻速提高了 2 O多倍 。