松南地区深井钻井提速难点与对策.pdf
第 3 9卷 第 6期 2 0 1 1年 1 1月 石 油 钻 探 技 术 P ETROI EUM DRI LLI NG TECHNI QUES Vo 1 . 3 9 NO .6 N O V., 20 11 深 井超 深井钻 井提 速 专题 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 6 . 0 0 5 松南地区深井钻井提速难点与对策 穆 国臣, 陈晓峰 , 王 中国石化东北 油气分公 司工程技术研究 院, 吉林长春 1 3 0 0 6 2 摘要 松辽盆地 南部地 区深部地 层是 中国石化 东北油气分公 司勘探开发 工作 的重点 , 但 该地 区深层碎屑 岩、 火山岩地层 可钻性差 , 可钻性级值 达到 8 ~1 0级 , 平均机械钻速低 , 单 只钻头进尺 少, 钻 井周期 长, 超过 4 0 0 0 r n的 深井钻井周期在 6个月左右。 同时存在碎屑岩地层 井壁 易失稳 、 火山岩地 层 易发 生裂逢性 漏失 、 硬 夹层较 多且部 分井段含 有砾 岩导致断钻具事故频繁 、 c 0 污染钻 井液等技术难点 。针对这 些技 术难 点 , 提 出了优化 井身结构、 针 对不同地 层特点优 选钻头 、 应 用旋 冲钻 井技 术等技术对策 。现场 实践表 明, 松 南地 区采取这 些技 术对策和措施 后 , 提 高 了钻井速 度 , 缩短 了钻 井周期 , 漏失得到控制 。 关键 词 深 井钻 井 钻 井速度 井身结构 P D C钻 头 牙轮钻 头 旋 冲钻 井 松 南地区 中图分类 号 T E 2 4 5 文献标识码 A 文章编 号 l 0 0 1 0 8 9 0 2 0 1 1 0 6 一 O 0 1 9 - 0 4 Di f fic u l t i e s a nd Ap p l i e d T e c h n i c a l S t r a t e g y i n De e p W e l l Dr i l l i n g i n S o n g n a n Ar e a M u Gu o c he n, Che n Xi a o f e ng, W a ng Xu e En g i 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 , Si n o pe c No r t h e a s t Oi l a n d Ga s Br a n c h, C h a n g c h u n, J i l i n 1 3 0 0 6 2, C h i n a Ab s t r a c t De e p r e s e r v oi r i n s o ut he r n r e g i on of Son gl i a o Ba s i n i s t he ma i n e xp l o r a t i o n a n d d e v e l op m e nt t a r g e t o f No r t h e a s t B r a n c h o f S i n o p e c , wh i l e t h e r e a r e a l o t o f c h a l l e n g e s , s u c h a s p o o r d r i l l a b i l i t y o f 8 1 0 i n c l a s t i c a nd v o l c a n i c r oc ks , t he l o w r a t e o f pe ne t r a t i o n, s i ngl e b i t ’ S s m a l l dr i l l f o o t a g e, l on g d r i l l i n g c y c l e o f a bou t 6 mon t hs f o r a 4 0 0 0 m we l 1 . I n a d d i t i o n, t h e r e a l s o e x i s t o t he r p r o b l e ms, s u c h a s, we l l bo r e i n s t a bi l i t y i n c l a s t i c f o r mat i o ns, d r i l l i ng f l u i d l o s s i n v o l c a n i c f or ma t i on, d r i l l i ng t o ol s br o ke n i n t h i n g r a v e l l a y e r s, a nd d r i l l i ng f l u i d p ol l ut i o n c a us e d b y CO2 . I n o r d e r t o s ol v e t h os e p r ob l e ms, a s u i t e of d r i l l i ng t e c h ni q ue s we r e u s e d, s u c h a s c a s i ng o p t i mi z a t i o n, dr i l l b i t s e l e c t i o n f o r di f f e r e nt f o r ma t i on s, r o t a t i ng a nd pe r c u s s i v e d r i l l i ng t e c h ni q ue s . Fi e l d a p pl i c a t i o ns i n di c a t e t ha t t ho s e t e c hn i qu e s i n c r e a s e d d r i l l i ng s pe e d, r e du c e d dr i l l i ng c y c l e a nd c on t r ol l e d d r i l l i n g m ud l o s s i n So ng na n Ar e a . Ke y wo r d s d e e p we l l d r i l l i n g ; d r i l l i n g s p e e d ; c a s i n g p r o g r a m ; PDC b i t ; r o l l e r b i t ; r o t a t i n g a n d p e r c u s s i ve d r i l l i ng; So ng na n Ar e a 近年来 , 松 南地 区 的勘 探 开 发 工 作 逐 步 向深 层 发 展 。截 至 2 0 1 0年底 , 已完 钻 4 0 0 0 ~ 5 0 0 0 m 深 井 1 7口。腰 深 1井 、 腰 深 2井 、 梨 深 1井 等 多 口井 获 良好 油气 显示 , 其 中腰 深 1井试 气 获 天然 气 无 阻 流 量 3 1 . 4 5 1 0 m。 , 发 现 了 松南 气 田 , 展 现 出松 南 地 区深 部地 层 良好 的勘探 开发 前景 。然 而 , 泉头 组 、 登 娄库 组碎 屑岩 地层 以及 营城 组火 山岩 地层 可钻 性 差 , 平均机械钻速低 、 单 只钻头进尺少 , 且存在钻井 液漏失 、 蹩跳钻严重 、 C 0 2污染钻井液等复杂情况 , 井深 4 5 0 0 m 左右 的深井 , 平均钻 井周期 长达 1 8 6 d 。 因此 , 对制 约松 南地 区深 井 提速 的技 术难 点 进 行 系 统分 析和 总结 , 并研 究 、 探 讨 了相应 的技 术 对 策 , 对 提 高该 地 区钻井 速度 , 缩短 钻井 周期 , 加 快勘 探开 发 收稿 日期 2 0 1 1 0 3 1 1 ; 改 回日期 2 o 1 1 一 O 8 2 6 。 作者简 介 穆 国 臣 1 9 7 9 一 , 男, 吉林长春人 , 2 0 0 3年 毕业 于石 油大学 北京 石油_T - 程专业, 工程 师, 主要从事钻井工艺技 术研 究与 设 计 工作 。 联系方式 0 4 3 1 8 8 5 3 1 8 2 7 , g u o c h e n mu s i n a . c o il 1 。 雪 石 油 钻 探 技 术 步伐 , 具有重要意义。 1 技术难 点分析 1 . 1 地 层可钻 性差 松南 地 区深层钻 探 主要钻 遇地层 为 第 四系 , 第 三 系泰 康组 , 白垩 系 上统 明水 组 、 嫩 江组 、 姚 家 组 和 青山口组 , 白垩系下统泉头组、 登娄库组 和营城组。 其 中白垩系下 统 泉头 组 、 登 娄 库组 碎 屑 岩 地层 和 营 城组火山岩地层可钻性极差, 泉头组和登娄库组碎 屑岩 地层 牙 轮 钻 头可 钻 性 为 6 ~ 7级 , P DC钻 头 可 钻性 达 到 1 0级 以 上 , 营 城 组 火 山 岩地 层 牙 轮 钻 头 和 P D C钻 头 可 钻 性 均 达 到 1 0级 以 上 见 表 1 。 泉 头组和 登娄库 组部 分地层 含砾 岩 , 蹩 跳钻严 重 , 营 城 组火 山岩流 纹岩 、 角砾岩 等对钻 头磨 损破坏 极大 , 采 用江汉 石 油 钻 头 股 份 有 限公 司 以下 简称 江 钻 HJ T5 7系牙轮 钻头 , 机械钻 速 低 、 单 只进 尺少 见 表 2 , 起下 钻频 繁 。 表 1 松南地区部分深井可钻 性统计 Ta bl e 1 Dr i l l a bi l i t y s t a t i s t i c s o f d e e p we l l s i n S o ng n an a r e a 腰深 1 0 1 井 腰深 2 0 2 井 腰 深 1 0 1 井 新深 1井 泉头组 登娄库组 营城组 营城组 6 . 9 1 7 . 9 7 7 . 9 3 1 0 . O 0 1 0 . O 0 1 1 . 1 6 1 0 . 7 8 1 0 . O 0 1 0 . O 0 1 0 . O 0 1 0 . O 0 1 0 . O 0 表 2江钻牙轮钻头应用情况统计 Ta bl e 2 App l i c a t i o n s t a t i s t i c s o f Ki ng d r e a m c o n e bi t 般 小于 1 0 1 3 “1 。 / h ; 营城 组火 山岩 地层 裂隙发 育 , 易发 生 裂缝性 漏 失 , 漏 失 速 度 可 达 2 0 ~ 3 0 I T I 。 / h l 2 ] 。其 中腰 平 9井 营 城 组 漏 失 钻 井 液 4 1 7 m。 , 堵 漏 耗 时 1 3 0 . 5 h 。 由于地 层承 压能力 低 , 固井 前承 压堵 漏试 验 基本 都 以失 败告终 , 多 数井 只能强行 固井 , 严重 影 响了 固井质量 。 1 . 2 井壁 稳定 性差 。 井身 结构优 化困难 1 . 4 蹩跳钻 严重 , 易发 生断钻 具事 故 松 南 地 区深 井 皆采 用 三 开井 身 结构 , 一 开 采用 4 4 4 . 5 mlT t 钻头 , 下人 3 3 9 . 7 mm套管 ; 二开采用 声 3 1 1 . 1 mm 钻 头 , 下 入 声 2 4 4 . 5 mm 套 管 ; 三 开 采 用 2 1 5 . 9 mm钻头 , 下人 1 3 9 . 7 mm套管 。为有 效保护储层 , 在 下部 目的层 段多采 用欠平 衡钻进 方 式 , 钻 井 液 密 度 较 低 。而 上 部 登 娄 库 组 地 层 的 岩 性 主要 为 碎 屑 岩 , 泥 质 含 量 较 高 , 水 敏 性 强 , 吸 水 膨胀 后 , 易 发 生 坍 塌 、 掉 块 , 造 成 井 壁 失 稳[ 1 ] 。 腰 深 2 0 2井钻 至井 深 3 7 0 9 . O 0 m 进行 取心 作业 , 取 心工具 下至 井深 3 4 0 5 . O 0 m 遇 阻 , 反 复 通 井 2次 , 损失时间 3 . 8 3 d 。为保证欠平衡井段安全施工 , 只 能将技术套管下至登娄库组底井深 4 0 0 0 m左右 , 将登 娄库组 及 以上地层 全 部 封 固 , 二 开 乒 3 1 1 . 1 mm 井眼段较长, 进一步降低了钻井速度 。 1 . 3地 层承压 能 力低 , 易 发 生井漏 青山 I I 组地层易发生渗透性漏失 , 漏失速度一 青山口组、 泉头组和登娄库组地层硬夹层较多 , 且部 分井段 含有 砾岩 , 营城 组 地层 含有 大 量火 山角 砾岩 , 钻具 蹩跳钻 严 重 , 断 钻具 频 繁 , 处 理 断钻 具 事 故损 失大量 时 间 见表 3 。 表 3断钻具事故情况统计 Ta b l e 3 St a t i s t i c s o f dr i l l i ng pi pe br o ke n 第 3 9卷第 6期 穆 国臣等. 松 南地区深井钻井提 速难点与对策 1 . 5 天然 气 组分 中含 C O , 易发 生 C O 气 侵 松南地 区主要 目的层为 营城 组火 山岩气 藏 , 已完井试气 发现 天然气 组 分 中皆含有 C O 。 , 其 中 腰深 1井、 腰深 2井 C O 体积分数较高 , 达到 2 O 以上 。位 于腰 深 1井 区 的腰 深 1 O 2井 取 心 钻 至 井 深 3 2 7 6 . 0 0 ~ 3 2 7 8 . 0 0 m 时 发 生 C O 气 侵 , 钻 井 液遭受污染 , C O 体积分数最高达到 2 O , 对钻井 液 性能 造成 严 重影 响 , 钻 井 液 密 度 由 1 . 2 9 k g / I 降 至 1 . 2 1 k g / L, 黏度 下 降 , 滤 失 量 增 大 。3 2 7 8 . O 0 ~ 3 4 0 3 . 0 0 1 T I 井段 共 起钻 5次 , 每 次下 钻 到 底测 后 效 均 有 C O 污染 现象 存在 。 2 技术对 策与应用效果 2 . 1井身 结构 优化 松南地 区深 井 皆采 用三 开井 身结构 , 一 开 采 用 ≠ 4 4 4 . 5 mi l l 钻 头 , 3 3 9 . 7 mi t t 套 管下 至 四方 台 组顶部 , 封 固上部松散地层 ; 二开采用 声 3 1 1 . 1 I T I IT I 钻 头 , 2 4 4 . 5 1T i m套 管 下 至登 娄 库 组 底 部 , 封 固上 部易坍塌地层 , 为三开欠 平衡 安全施工 创造 条件 ; 三开 采 用 2 1 5 . 9 miT t 钻 头 , 下 入 1 3 9 . 7 mlT l 套 管 。 由于 在 下 部 营 城 组 地 层 实 施 欠 平 衡 钻 井 , 上 部登娄库组井壁易坍塌 , 受此 限制 , 技术套管下深 优 化 困难 。 因此 , 井 身 结 构 优 化 主 要 从 井 眼 尺 寸 方 面 着 手 , 在 保 证 实 现 地 质 目 的和 满 足 后 期 作 业 要求 的前提下 , 适当缩小井 眼尺寸 , 减小钻头破岩 体积 , 提高 钻井速 度 。通 过调研 分析 , 结 合该 地 区实 际 情况 , 最 后 确 定 采 用 以 下 井 身 结 构 一 开 采用 3 4 6 . 1 I T l m钻 头 , 下人 j 5 2 7 3 . 1 mi t t 套 管 ; 二 开采用 2 4 1 . 3 ml T l 钻头 , 下入 j 5 1 9 3 . 7 mi l l 套管 ; 三开采 用 1 6 5 . 1 i g l m 钻头 , 下 入 j 5 1 2 7 . 0 F il m 套 管 。该井身结构在腰深 9井首次试验应用 , 与邻井 相 比 , 钻 井 周 期 大 幅缩 短 见 表 4 。 表 4 井身结构优化前后周期对 比 Ta bl e 4 Th e c o mp a r i s o n o f d r i l l i n g c y c l e be f o r e a n d a f t e r c a s i n g pr o g r a m o pt i mi z a t i o n 2 . 2 优化钻 头选型 2 . 2 . 1 碎屑 岩 地层 高效 P DC钻 头优 选 针 对松 南 地 区深 部地 层 可 钻性 级 值 高 、 地 层 研 磨 性强 等特 点 , 进 行钻 头优 选 时 , 既要保 证钻 头牙 齿 对地层的有效切削 , 提高机械钻速 , 又要保证牙齿及 保径的强度 , 延长钻头使 用寿命 。在 不改变钻井方 式的情况下 , 用 P Dc钻头替代牙轮钻头是提高机械 钻速的最有效手段[ 4 。 ] 。P D C钻头主要是依靠较高 转 速下 牙齿 对地 层 的 剪 切作 用 进 行 破 岩 , 要 求 其 牙 齿 具 有 更 高 的 抗 研 磨 性 , 在 硬 地 层 中尤 其 如 此 。 P DC钻头牙齿 的抗研磨性主要取决 于金 刚石复合 片 的质量 及 布齿 的合 理化设 计 ] 。通 过大 量试 验 研 究 , 对百施特 、 贝克休斯 、 瑞德等厂家 的钻头进行了 筛选 , 并根 据松南 地 区碎 屑岩 地 层特 点 , 针 对试 验 中 出现的问题对钻头进行了进一步优化设计 , 形成了适 合于松南地区碎屑岩地层的高效 P D C钻头 。现场应 用结果表明, 机 械钻速 比牙 轮钻头提高 4 2 . 7 , 单 只钻 头进 尺达 到牙 轮钻 头 的 5 ~6倍 。 2 . 2 . 2 火山岩 地层 高效 牙轮 钻 头优 选 松 南 地 区火 山 岩 地 层 可 钻 性 极 差 , 牙 轮 钻 头 可 钻 性 级值 达 到 1 0级 以上 , 且 含 有 大 量 火 山角 砾 岩 , 蹩跳 钻 严重 , 因此 要 求 钻 头 牙 齿 及保 径 材 料 具 有较高的耐磨性 和抗 冲击能力 , 保证钻 头具 有较 好 的稳定性 , 从 而提高机械钻 速 , 延长钻头 的使用 寿命 ] 。通过 与江 钻、 贝克休 斯 国内外众 多厂家 合作 , 经过大量 的试验和筛选 , 优 选 出了适合 于松 南地 区火 山岩 地层 的高效 牙轮 钻头 。现 场应 用 表 明 , 优 选 牙 轮 钻 头 的 机 械 钻 速 比常 规 牙 轮 钻 头 提 高 1 7 . 6 9 / 6 , 单 只钻 头 进 尺 达 到 常 规 牙 轮 钻 头 的 2 ~ 3倍 , 单 只钻 头 的综 合 成 本 与 常规 牙 轮 钻 头 基 本 相 同 。 2 . 3 应 用旋 冲钻 井技 术 为提高机 械钻速 , 在腰深 7 井 营城组 3 5 5 7 . 2 0 ~ 3 6 2 4 . 2 0 r n井段试验应用了旋冲钻井技术 。采用 中 国石化石油工程技术研究 院研制 的 j 5 1 7 7 . 8 mm液 石 油 钻 探 技 术 力冲击器 , 冲击 频率为 1 6 ~2 0次/ s , 钻具组合 为 f , 2 1 5 . 9 mmH J T 6 3 7 G L钻头 1 7 7 . 8 mi t t 液力 冲击 器 箭型止 回阀 1 5 8 . 8 mi l l 钻铤 2 3 根 1 2 7 . 0 m m 加 重钻 杆 3 根 j 5 1 2 7 . 0 mm 钻杆 。旋 冲钻井 技术 在该井提速效果非常 明显 , 机械钻速为液力冲击器 下人之 前 的 1 . 2 ~2 . 0倍 见表 5 。 表 5 旋冲钻井技术在腰深 7井的应 用情 况 Ta bl e 5 App l i c a t i o n o f r o t a t i ng a n d p e r c u s s i ve dr i l l i ng t e c h ni q ue i n W e l l Ya o s he n 7 2 . 4其 他技 术措施 1 钻具组合采用双减震器组合, 避免了使用单 减震器时钻具与减震器的共震现象 , 有效吸收蹩跳钻 能量 , 减 缓钻 具 疲 劳 。腰 深 6井 、 腰 深 7井 和腰 深 9 井等井应用了双减震器组合, 皆未出现断钻具事故。 2 二 开推广 应用 聚磺 防塌 钻井 液 , 采用 无水 聚 合醇、 磺化褐煤、 磺化酚醛树脂等 防塌降滤失剂 , 严 格控 制钻井 液滤 失量 , 适时调 整钻 井液密 度 , 维持井 壁 的力 学平衡 。 3 钻 至 易漏 失 层 位 前 , 及 时加 入 随钻 堵漏 剂 , 尽 可 能采用 低密 度钻 井 液 小 排量 钻 进 , 一 旦 发 生井 漏, 起钻至套管鞋内采用可酸化复合堵漏剂进行静 止漏 堵 , 如 漏失 速度 大于 3 0 m。 / h , 堵 漏施 工后 进行 承压 试验 。 4 钻进 目的层 时钻井 液 的 p H 值 保持 在 1 O左 右 , 现 场储 备足 够 的 C a O, 一 旦发 生 C O 气侵 , 采 用 石灰水和 Na OH, 中和 C O。 , 恢复钻井液的流变性和 自然 脱气 能力 。 3 结论和建议 1 采用小尺寸井身结构可减小钻头 的破岩体 积 , 有效提高机械钻速, 应进一步优化钻井参数 , 配 套合适的工具提高钻井速度 。 2 在松 南深 部碎 屑岩 地层 应 用 高效 P D C钻头 是可行的, 应继续推广应用, 并在此基础之上 , 探索螺 杆钻具、 涡轮钻具和扭力冲击器等配套工具的适应性。 3 高效牙 轮 钻 头 在 火 山岩 地 层 取 得 了较好 的 效果 , 可进一步推广, 并优化机械参数和水力参数 , 尽量延长钻头寿命 , 降低综合成本 。 4 液力冲击器在腰深 7井提速效果明显, 建议 与高效牙轮钻头配套使用 , 探索两者相结合 的优势 , 进而形成配套技术。 参 考 文 献 Re f e r e n c e s [ 1 ] 陈安明 , 张进双 , 白彬珍 , 等. 松辽盆地 深井钻井技术 难点与对 策E J ] . 石油钻探技术 , 2 0 1 1 , 3 9 4 1 1 9 - 1 2 2 . 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