充气钻井在牛东火成岩裂缝性储层中的研究与应用.pdf

第 6卷 第 2期 2010年 6月 新疆石油天然气 X injiang Oil 2 . 西部钻探吐哈钻井院, 新疆 哈密839009 摘 要 吐哈油田三塘湖盆地牛东区块是典型的孔隙 - 裂缝性火成岩低压储层, 常规钻井中机械 钻速低、 易发生恶性漏失, 给钻井及储层保护问题带来了相当大的挑战。为此, 本文根据漏失速 度, 优选并优化了充气钻井方式及注入气液排量, 同时应用了 PDC螺杆的欠平衡复合钻井技 术, 2007- 2008年现场规模应用井数 25口, 使三塘湖油田原油日产量实现了千吨突破, 解决了 火成岩裂缝性储层井漏与机械钻速低的矛盾, 为火成岩储层的快速高效开发提供了一条有效的 途径。 关键词 牛东区块; 充气钻井; 裂缝储层; 井漏; 气液排量; 机械钻速 中图分类号 TE242. 6 文献标识码 A 三塘湖油田牛东区块开发井主力油层集中在 二叠系卡拉岗油藏, 其埋藏深度为 1500 1700m 左 右, 岩性为灰褐色玄武岩为主, 夹灰绿色辉绿岩、 暗 紫色泥岩和砂岩, 储层物性较好, 属于典型的孔隙 - 裂缝型储层, 常规钻井经常发生恶性漏失, 不仅 增加了钻井成本, 而且对储层造成永久性伤害。 2007年在三塘湖油田牛东区块牛东 9- 9 、 牛东 8 - 9 、 牛东 89- 81获日产油上百吨或近百吨的工业油 流, 揭示了牛东区块二叠系卡拉岗组火山岩油藏具有 较大的开发潜力,在此大好形势下油田公司全面实施 加快牛东区块研究、 动用步伐战略部署。 但是在钻井过程中出现了一系列制约该区块 高效开发的瓶颈问题, 为了提高牛东区块开发效 果, 推动油田上产会战的步伐, 亟待研究新技术来 解决存在的钻井难题。 1 牛东火成岩钻井难点 1 . 1 C2k地层压力低, 常规钻井实现近平衡条件与 储层保护相对困难 牛东区块二叠系火山岩储层试油压力系数为 0 . 75- 0 . 80 , 常规钻井无法建立井筒压力平衡。采 用常规钻井液 密度 0 . 95- 1 . 15g/cm 3 之间 钻进 至裂缝孔洞发育的卡拉岗组储层时, 极易发生失返 性恶性漏失, 采用常规堵漏方式很难解决, 同时钻 井液中 90 的固相颗粒粒径小于 50 m, 所以当裂 缝的直径大于 50 m 时, 几乎所有固相可进入裂缝 中, 造成严重的填充堵塞, 给钻井及储层保护问题 带来了相当大的挑战。 1 . 2 火山岩裂缝发育、 存在破碎带, 易发生井漏 牛东开发井在 C2k储层段常规钻井过程中易 发生严重漏失。牛东 8- 8井在 1607m 发生井漏, 漏速 10m 3 /h , 强行钻进至井深 1724 . 90m 时井口失 返, 钻井液只进不出, 环空液面急剧下降, 随后三次 桥堵未成功后, 采用水泥堵漏; 牛东 9- 9 井在 1470m 发生井漏, 漏失钻井液 13 . 50m 3。井深 1470 - 1653m 多次发生井漏, 经多次堵漏后, 无法彻底 堵住, 强行钻至井深 1653m 提前完钻, 全井漏失钻 井液 1299m 3; 牛东 89- 10井漏失钻井液近 500m3, 只进不出。 1 . 3 地层硬度高、 可钻性差、 机械钻速低 38 第 6卷第 2期 赵前进等 充气钻井在牛东火成岩裂缝性储层中的研究与应用 牛东区块 C2k火成岩地层岩性为灰褐色玄武 岩, 常规钻井时钻井速度慢, 岩石可钻性差、 钻头早 期磨损的问题比较突出, 平均机械钻速在 2m /h以 下, 大大影响钻井周期, 不能满足牛东区块快速钻 井的要求。 该区块起初设计采用 8mm 复合片 GP447D型 PDC钻头、 LGYD517AL 单牙轮钻头及 HA517G 牙 轮钻头型, 在牛东 8- 12井、 牛东 8- 10井实际钻 进过 程中机速慢、 钻时长, 个别 井段钻时 达到 120m i m /m。 2 主要工艺技术研究 2 . 1 钻头选型及个性化钻头设计 在牛东区块充氮气欠平衡钻井过程中由于钻 遇火成岩, 钻出岩屑比较细碎, 在井内沉积, 由于常 规过平衡钻井中钻井液的 压持效应 , 造成钻头重 复切削, 机械钻速低。根据 PDC 钻头破岩机理和 欠平衡钻井更容易破岩的特点, 设计将钻头水眼由 3个增加到 7个, 加大了钻头清洗井眼的能力, 并且 及时冷却钻头, 延长钻头寿命; 加大复合片直径, 增 加钻头比钻压, 提高钻头切削效率, 设计双排切屑 齿, 提高了钻头钻硬地层和研磨性地层的能力。将 8mm复合片改为 13mm 复合片加大了钻头比钻压, 提高了钻头切削效率; 钻头采用全封闭保径设计, 增强了钻头的稳定性 图 1 , 2。 在对火成岩地层岩石进行了可钻性研究与 PDC钻头破岩机理研究的基础上, 与钻头生产厂家 合作对钻头进行了个性化设计和型号优选, 具体设 计参数如下 冠部剖面形状 双圆弧; 切削齿规格及数量 13mm 21 ; 刀翼数量 5; 喷嘴组合 10mm 7 ; 保 径长度 50 . 8mm; 接头直径 152 . 4mm; 丝扣类型 88 . 9mmAPI Reg 。钻头型号 W J513QT。 图 1 W J513QT钻头立式图 图 2 W J513QT钻头卧式图 2 . 2 欠平衡钻井状态下复合钻井技术 所谓复合钻进技术就是采用带弯螺杆钻具的 滑动导向钻具组合以转盘钻的形式进行的旋转导 向钻井。复合钻进的特征可以看作是工具面角作 连续周期性变化的滑动导向钻井, 这种工具面角连 续变化由转盘的转动来实现, 从而使之成为滑动导 向工具的旋转导向钻井。假设转盘每转过程中钻 头在井下的运动具有相近的规律, 就可以用钻柱旋 转一周内的钻头上的合导向力矢量来表述其总体 导向效果。 在钻井过程中, 为确保及时安全的穿过漏失层 段, 要求实施快速钻进技术, 但由于在欠平衡钻井 过程中, 由于井口旋转控制头额定转速的限制, 转 盘转速在 70- 75rpm 左右, 加之火成岩可钻性差, 第一口充氮气欠平衡钻井牛东 8- 12井采用常规 钻具组合机械钻速很低。经现场试验资料分析研 究, 在充气钻井中为减少起下钻次数, 一般下入 PDC钻头配合钻进, 而 PDC钻头的使用的钻井参 数是高转速、 低钻压。 70rpm 左右的转速对于 PDC 钻头来说不适应, 不能实现机械钻速的最大化。为 提高近钻头转速, 提高欠平衡钻井的机械钻速, 优 选 PDC 小度数螺杆 复合钻井技术将螺杆动力 钻具加到近钻头位置, 增加钻头处转速, 解决了旋 转控制头转速限制与提高近钻头处转速的矛盾。 具体充气欠平衡复合钻井钻具组合为 152 . 4 mm钻头 120 mm 螺杆 121 mm 浮阀 121mm 箭形单流阀 121m钻铤 10根 加重钻杆 27根 89mm斜坡钻杆 121 mm 旋塞阀 121 mm 箭 形单流阀 89mm斜坡钻杆 接单根 121 mm 方 钻杆下旋塞 108mm六方方钻杆。 2 . 3 注入气液量优化 39 新疆石油天然气 2010年 2 . 3 . 1 气液量优化原则 1理论上讲, 充气钻井应该在最优排量下进 行作业, 既能保持井眼清洁和维持井内的欠平衡条 件, 又能减少功率和所需设备。排量增加有利于岩 屑携带, 但增加流动路径的摩擦压降, 需要更高的 泵马力, 增加钻井液处理设备, 高的岩屑速度会增 加管柱和钻井设备的腐蚀。最小井底压力 BHP 点对应的循环排量是最优排量, 它能够提供足够的 井眼清洁能力并且能最小化钻井功率和所需设备, 高于或低于最优的钻井排量均会产生最高的井底 压力。 2应该满足充气钻井液当量循环密度小于地 层压力当量钻井液密度; 欠平衡压差可设计的大一 些, 但要兼顾井壁稳定和地面处理系统的处理能 力, 充气钻井欠压值一般在 1. 7 3. 5 MPa 。 3能满足携岩要求, 流态最好是紊流, 提高携 岩效率; 环空返速要达到 0 . 75 1 . 25m /s , 钻头处 的体积流量要满足井下动力钻具的工作要求。 2 . 3 . 2 气液量优化 1计算条件 地层压力系数 0 . 85 。 循环介质 氮气 钻 井液; 氮气注入排量范围 30 60m 3 /m in ; 基浆 密度 0 . 95 1. 05 g/ c m 3; 井口回压 0 . 00 MPa ; 氮气中液体含量 忽略; 地表温度 35 , 地温梯 度 2 . 3 /100m; 机械钻速 6 . 0m /h ; 按泥浆漏 失量 10 40m 3 /h计算 实钻漏失速度范围 。 2HUBS软件优化分析 根据漏失速度, 使用 HUBS欠平衡软件通过优 化分析计算。 如图 3所示, 为漏速在 10m 3 /h的情况下的钻井液气排量优化、 井底压力与最大环空岩屑浓度关 40 第 6卷第 2期 赵前进等 充气钻井在牛东火成岩裂缝性储层中的研究与应用 系, 氮气排量范围为 35 50m 3 /m in, 液体排量范围 为 0. 48 0 . 72m 3 /m in ; 通过优化注气量为 42m 3 / m in , 液体排量 0 . 595m 3 /m in , 气液比 70 1 , 井底压 力 10 . 7 Mpa环空当量密度 0. 61g/cm 3 , 如图 4所 示氮气排量范围为 30 60m 3 /m in , 液体排量范围 为 0. 60 0 . 90m 3 /m in , 通过优化注气量为 43m 3 / m in , 液体排量 0 . 73m 3 /m in , 气液比 59 1 , 井底压力 12. 25 Mpa环空当量密度 0 . 70g /c m 3 , 根据计算结 果优化钻井液排量为 0 . 6 0 . 73m 3 /m in 10 12L / S, 氮气排量为 42 43m 3 /m in 。 根据优选的注入参数及相关数据, 利用欠平衡 专业软件计算出环空循环当量密度为 0 . 65 0 . 75 g/cm 3, 立管注入压力为 12 MPa左右。全井段液体 的平均返速为 1 . 99m /s , 气体平均返速为 3 . 89m / s , 岩屑平均返速为 1 . 75m /s, 其岩屑运移比为 0 . 88 , 达到了岩屑携带的效果。 3 现场应用情况 2007- 2008年牛东实施充气欠平衡钻井规模 化应用井数共计 25口, 其中 2007年实施井数 14 口, 2008年实施井数 11口。累计完成充气钻井总 进尺 4291 . 26m, 其中 2007年钻井进尺 3017 . 17m, 2008年钻井进尺 1274 . 09m。采用筛管完井井数 11口, 占总井数的 44 。钻进前为了保证螺杆与 钻头能提高使用效果, 首先采用低压、 低转速 10- 20KN, 30r/m in的钻井参数进行井底造型 0 . 5m, 使 钻头冠部形状与井底相吻合, 避免钻头切削齿早期 损坏, 正常钻进后钻压为 60- 80KN, 钻井液排量 10 - 12L /S , 充氮气量 30- 45m 3 /m in, 钻井过程中密 切注意泥浆液面变化, 一旦发生漏失, 尽快确定漏 失速度, 根据漏失层位、 漏速大小调整气液排量。 4 应用效果评价 4 . 1 解决了裂缝储层恶性井漏问题 2007- 2008年在常规钻井中因发生井漏复杂 转为充氮气欠平衡钻井井数 10口 具体情况见表 1, 占总充气钻井井数的 40 , 其中牛东 8- 12井 在常规钻井过程中发生了恶性裂缝性井漏, 钻井液 失返, 无法继续钻进, 经论证研究后决定采用充气 钻井方式解决井漏复杂, 成功解决了井漏问题, 为 后期解决同类问题打下了坚实的基础, 转化为充气 钻井后恶性井漏问题得到了根本解决, 解决了火成 岩裂缝储层由于井漏而无法正常钻进的难题, 同时 节约了处理钻井漏失的时间、 节约了大量的堵漏材 料与钻井液用量。 表 12007- 2008年牛东区块井漏情况统计 井 号漏失性质 漏失井深 m 漏失量 m3 钻井液体系备 注 牛东 7- 3失返性1847 . 6675乳化原油聚磺漏速 10 . 5m3/h , 经综合堵漏后堵漏成功 牛东平 3失返性1701119无固相甲酸盐漏速 18m3/h, 堵漏未成功后转为充气钻井 牛东 7- 4失返性1842 . 7913无固相甲酸盐漏速 26m3/h, 漏失后立即转为充气钻井 牛东 89- 10失返性1558531 . 83无固相甲酸盐 漏速 40m3/h , 先后经过 2次堵漏浆堵漏均未成功后 转为充气钻井 牛东 78- 111失返性1721 . 77269聚磺钻井液堵漏未成功后转为充气钻井 牛东 89- 12失返性1494. 66可循环微泡沫漏速 24m3/h, 堵漏未成功后转为充气钻井 牛东 78- 101失返性1654. 7211. 7可循环微泡沫 漏速 36 . 6m3/h, 静止堵漏钻进 17m 后, 堵漏未成功 后被迫提前完钻 牛东 78- 9失返性1741 . 1448无固相甲酸盐漏速 25m3/h, 漏失后直接转为充气钻井 牛东 8- 81失返性162485无固相甲酸盐 漏速 28m3/h, 漏失后直接转为充气钻井 牛东 8- 12失返性1485300聚磺钻井液 漏速 30m3/h, 堵漏未成功后转为充气钻井 4 . 2 机械钻速大幅度提高 如表 2所示, 牛东 8- 12等 5口井采用了常规 钻具组合, 其平均平均机械钻速为 2 . 36m /h牛东 8 - 12储层段平均机械钻速为 1 . 50m /h。而牛东 8 - 9等 8口欠平衡钻井中在相同井段采用了复合钻 井, 机械钻速由原来的 1 . 5m /h提高到最高 9 . 65m / h , 提高了近 5 . 43倍 牛东 89- 12井欠平衡复合钻 井平均机械钻速为 11. 05m /h, 平均机械钻速为 7 . 41 新疆石油天然气 2010年 14m /h , 与常规钻井相比机械钻速提高了 2 . 02倍, 充气欠平衡复合钻井技术在提速方面取得显著的 效果。 表 2 常规钻井与复合钻井提速效果对比 井号 钻头尺寸 mm 钻进井段 m 进尺 m 纯钻时间 h 平均机械钻速 m /h 牛东 8- 12152. 41485- 1706221147 . 911. 50 牛东 910- 8152. 41634. 38- 170065. 6219. 943. 29 牛东 8- 15152. 41647. 6- 1780132 . 447. 452. 79 牛东 7- 11152. 41644- 175010647. 532. 23 牛东 910- 9152. 41561- 175018994. 002. 01 平均152. 4/142. 8071. 362. 36 牛东 8- 10152. 41585- 178019570. 712. 80 牛东 8- 14152. 41500- 176026026. 939. 65 牛东 8- 9152. 41385- 1638 . 06253. 0627. 929. 06 牛东 89- 81152. 41349- 1652 . 31303. 3146. 676. 50 牛东 8- 91152. 41406- 1800394113 . 833. 46 牛东 89- 12152. 41495. 6- 1700204 . 418. 5011 . 05 牛东 107152. 41636- 190026431. 658. 34 牛东 108152. 41613- 195033753. 496 . 3 平 均270. 2059. 737. 14 4 . 3 储层保护效果突出 如表 3所示为实施欠平衡钻井产量情况, 其中 牛东 8- 81在氮气气举直接投产后日产原油 84m 3 / d , 牛东 89- 10投产后日产也达 58m 3 /d 。常规钻井 中平均初期产量为 21 . 9m 3 /d, 井漏后转为充气钻 井获得 的平 均产 量 为 37. 6m 3 /d , 产量 提高 了 7168 。据统计, 2007年 10月 15日牛东构造新 开建产能 26口井日产油共 659 . 19, t 而采用欠平衡 钻井的 6口井日产油 349 . 16, t 井数仅占 23 . 07 的 井而日产油量占 52 . 97 , 与邻井相比采用常规钻 井的 8口井平均日产 93 . 25t提高了 274 , 充分体 现了充氮气欠平衡钻井在储层保护方面的优势。 充气钻井见产能效果明显, 为三塘湖油田日产上千 吨的目标作出了突出贡献。 表 32007- 2008年牛东区块欠平衡钻井产量情况 井号 欠平衡井段 m 显示情况 持续时间 m in 初期产量 m3/d 目前产量完井方式 火焰高度 m 牛东 8- 121485- 1706点火成功1511 . 8716. 84筛管5- 8 牛东 8- 101585- 1780点火成功1534 . 0764. 70筛管6- 7 牛东 8- 91385- 1638点火成功1095 . 0124. 46筛管9- 12 牛东 89- 811349- 1652点火成功1092 . 07103 . 1筛管10- 15 牛东 8- 141500- 1760点火成功1775 . 1319. 24固井8- 13 牛东 8- 811624- 1664点火成功4584 . 026. 07筛管7- 11 牛东 89- 101571- 1662点火成功2058 . 639. 25筛管6- 8 牛东 78- 1111726 . 4- 1778. 2//18 . 811. 34固井/ 牛东 8- 1011623- 1675. 8点火成功9517 . 2519. 48筛管0. 5- 1 牛东 89- 121495. 6- 1700点火成功1321 . 2523. 68筛管6- 8 牛东 4- 1311735- 1755. 5点火成功1838 . 8435. 79筛管6- 7 牛东 45- 131 1662- 1730. 8//24 . 427. 39固井/ 42 第 6卷第 2期 赵前进等 充气钻井在牛东火成岩裂缝性储层中的研究与应用 4 结论和认识 1充气欠平衡钻井技术的规模应用有效保护 了火成岩裂缝性储层, 解决了该类储层钻井井漏难 题, 大大节约了处理漏失复杂时间与钻井液用量, 为三塘湖油田日产上千吨的产量做出了突出贡献, 形成了一套牛东区块火成岩裂缝储层高效开发钻 井工艺配套技术; 2采用 PDC螺杆的充气欠平衡复合钻井 技术, 解决了旋转控制头转速限制与 PDC钻头转 速低的矛盾, 在优选钻头的基础上火成岩机械钻速 有了较大的提高, 缩短了钻井周期; 3充气钻井技术关键在于对注入气液量及钻 井液体系进行优化, 在满足最小井底循环压力与岩 屑有效携带的条件下, 实现最小注气量与地面设备 载荷, 从而节约氮气与制氮设备用量; 4在火成岩地层采用大齿多水眼 PDC 钻头 并配合螺杆钻具, 能够提高钻井机械钻速。在以后 的试验中建议进一步对钻头进行个性化设计, 以便 取得更好的现场效果。 参考文献 [ 1]崔迎春, 刘媛, 陈玉林, 等. 裂缝性油气储层保护技术研 究 [ J]. 石油钻采工艺, 2003, 25 6 10- 13. 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[ 5]侯健, 陈月明. 基于模糊综合评判模型的蒸汽吞吐注采 参数优化设计方法的研究 [ J]. 特种油气藏, 1997, 4 3 41- 45. 43 Vo. l 6No . 2 Jun. 2010 X injiang O il dynamic ; manage ment of resource ; efficiency THE RESEARCH AND APPLICATION OF AERATED GAS DRILLING IN LGNEOUS ROCK FRACTURED RESERVOIR AT NIUDONG BLOCK /Zhao Qian - jin, YangYong, H eM inghua, et al. Engineering TechnologicalResearch Institute, Tu H a Oilfield Co mpany, H aM iX ijiang 839009/X injiang ShiYou T ianRanQ i , 2010 , 6 2 38 43 Abstract N iudong block of tuha oilfield santanghu basin is a typical porosity fracture reservoir with low pressure . Conventional drillings often result in vicious lost circulation ofmud and bring a considerable challenge to drilling and reservoir protection. For this problem, according to the speed of drilling mud leakage ,the aerated gas underbalanced drilling and para meters of gas liquid ratio are opti m ized in the paper . On the condition ofmaintaining the dyna m ic underbalanced pressure at botto m hole and transporting debris from the botto m to the surface in ti me ,the technology resolves lost circulation complexity of fracture reservoir in about 10 W ells successfully and so the a mount of drilling mud is saved and rate of penetration is enhanced .The technology provides an effectiveway for resloving the fracture reservoir leakage and protecting reservoir . K eyW ords N iudong block;aerated gas drilling ;fracture reservoir ;lost circulation ;gas liquid flo w rate ;rate ofpenetration THE STUDY ON FOAM PROPERTIES OFNATURAL TEA SAPONIN /HuangW enhong, HuangW enxin, Pi X iaolong. Karamay Drilling Technology Research Institute of Western Drilling and Exploration Engineering Co mpany Ltd. , Karamay, X injiang, China 834000/X injiang ShiYou TianRanQ i , 2010, 6 2 44 46 Abstract Tea saponin which is a side- product of agriculture is a natural surface active agent . The Foa m propertieswere uated by theW aring Blender . The results showed that the tea saponin has a good properties of anti- salt and anti- oi, l it can be used in the drilling fluidsw ith pH 3 11,and is a foa m ing agent of high foa m ing rate and excellent foam stability . K eyW ords saponin; surface active agent ;foa m ing property ; foa m ing stability SYNTHESIS AND UATE OF NEW PLYAM INE LNHIBITOR /M eiH ong, X i Jianyong, Zhao Xin. X injiang Petorleum Institute, UrumqiXinjiang 830000/X injiang ShiYou TianRan Q i , 2010, 6 2 47 49 Abstract A new type of inhibition plya m ine has been synthesized. Reaction temperature and feeding rate of reactants are more i mportant to reaction product . The 1HNMR and infrared spectrogram of the resultant are si milar to another plyamine . Drilling fluid properties of ithas been uated . The plya m ine ismore inhibitive and lubricitive as drilling fluid. K eyW ords Plya m ine ;Inhibition ; Drilling fluid. PROBE INTO RHEOLOGICAL MODELS OF DRILLING FLUID /DEM iti, SH I Jian, LiChengxin et al . Klmy D rilling Technology Institute of CNPCX ibuD rilling Engineering Co mpany Limited, K l my, Xinjiang 834009/Xinjiang ShiYouT ianRan Qi, 2010, 62 50 54 Abstract So me rheolog icalmodels and their rheological para meters of drilling fluid are introduced in the paper , and BinhamM odel has been proved unfitmost drilling fluids . Power La w Model couldn t reflect the gel strength of drilling fluid, and CassonM ode,l Herschel- BulkelyM odel and Robertson- StiffM odelhavew ider range of application. So me kinds ofmathe matical analysiss to select rheologicalmodel ofdrilling fluid are explained here ,a mong the m the regression analysis and least square have higher accuracy , and have more extensive application. The proble ms that exist in the field application of rheologicalmodel of drilling fluid are discussed and, development tendency of the field application of rheologicalmodelofdrilling fluid in prospect is put for ward in the end. 3