元坝1井超深井钻井技术研究与应用.pdf

8 4 石油天然气学报 江汉石油学院学报 2 0 0 9 年 6 月第 3 1 卷第 3 期 J o u r n a l o f O i l a n d G a s T e c h n o l o g y J ． J P I J u n ． 2 0 0 9 V o 1 ． 3 1 N o ． 3 元坝 1井超深 井钻井技术研 究与应用 李伟廷 侯树 刚 李午辰 夏彬 中原石油勘探局钻井三公 司，河南 兰考 4 7 5 3 0 0 中原石油 勘探局钻井工程技术研究院 ，河南 濮阳 4 5 7 0 0 1 中原 石油勘探局钻 井三公 司，河南 兰考 4 7 5 3 0 0 中原 石油勘探局钻 井工 程技术研究院 ，河南 濮阳 4 5 7 0 0 1 [ 摘要]针对元坝 1井超深井钻井技术难点 ，开展 了空气钻 井技术、复合钻 井技 术、深井钻 井液技术 、深 井 固井技术研 究，并在元坝 1井超深 井上 进行 了应用，实钻 井深 7 1 7 0 ． 7 1 m，钻井周 期 2 7 9 ． 1 7 d ，提前完 成钻探任务 ，井身质量和 固井质量优 ，取 得 了多项 重要技 术突破和 区域钻探 高指标 。元 坝 1井的顺利完 成 ，对于加快超深井钻 井速度、提高质勘 探成功 率、推动超 深井钻 井技 术 的发 展，将起 到重要 的指导和 借 鉴 作 用 。 [ 关键 词] 超深井；元坝 1井 ；空气钻 井；复合 钻井 [ 中图分类 号]TE 2 4 5 [ 文献标 识码 ]A [ 文章编号]i 0 0 0 9 7 5 2 2 0 0 9 0 3 0 0 8 4 0 4 近年来 ，我国为了实现油气资源可持续发展 ，加大 了对油气资源勘探开发的力度 ，油气勘探重点逐 步转向西部和南方深井 、超深井[ 1 ] 。但是 ，深井超深井油气勘探开发面临着异常复杂的地质条件，特别 是在超深井 6 0 0 0 m油气钻探与开发工程中经常遇到高温高压 、井眼失稳 、钻速低 、井控安全及储 层伤害等复杂问题 。目前的深井钻井技术还不能完全适应超深井油气勘探开发的需要 ，制约了我 国西部 和南方超深井油气钻探与开发的步伐。 元坝 1井是一 口重点区域探井，位于四川盆地川东北巴中低缓构造带元坝岩性圈闭中，设计井深 6 9 2 0 ． 0 0 m，实钻井深 7 1 7 0 ． 7 1 m，钻井周期 2 7 9 ． 1 7 d ，建井周期 3 4 1 ． 4 0 d ，提前完成钻探任务 ，井身质 量 和 固井质 量优质 ，取得 了多项 重要 技术 突破和 区域钻 探 高指标 。围绕元 坝 1 井 开 展 的钻 井新 技术科 研 攻关以及取得的成果 ，为提高超深井机械钻速，加快我 国深层超深井油气勘探进程提供 了有效技术支 撑 ，对 推动 超深井 钻井 技术 的发 展起 到重要 的指 导和借 鉴作 用 。 1 钻井技术难点 由于元 坝 1 井 超 深井是 区域 探井 ，区块 参考 资料少 ，施 工过 程 中不确 定 因素多 ，风 险较 大 ，面 临既 要 提高 钻速 又要确 保 安全钻 井 的技术 难题 。结合 钻井地 质工 程设 计和 综合 邻井 资料 分析 ，元 坝 1 井 施工 存 在 以下钻 井技术 难 点[ 2 ] ①陆相 地层 厚达 5 0 0 0 m，厚度 大 于川 东 北 其他 区块 。陆 相 地层 厚 度 的增 加 ， 会 引起 井壁 失稳 、井 漏复杂 情况 等一 系列 问题 。陆相地 层砂 泥岩 互层 ，裸 眼井段 长 ，岩性 多 变 ，岩 石坚 硬 ，跳 钻严 重 ，易 出现钻具 事故 。② 地层古 老 ，硬度级 别 高 ，研 磨性 强 ，可钻 性差 ，机械 钻 速低 、钻头 寿命短 ；尤其是深井采用高密度钻井液，严重影响陆相、海相地层的机械钻速 。③陆相地层须家河组和 海相地层嘉陵江、飞仙关组等地层可能钻遇含 H S的异常高压气层 。海相地层和陆相地层都存在安全 窗 口密度低的问题 。特别是在海相裂缝性气层，喷漏同存的现象非常普遍 ，井控难度大。④在防塌 、防 漏、堵漏 、防卡、润滑 、抗高温、抗污染等方面对钻井液及性能维护要求高、难度大。⑤深井固井难度 大 ，固井质量难以保证 。由于地层高温高压 、井眼不规则、封固段长等因素，导致气体窜槽严重 ，漏失 [ 收稿日期 ]2 0 0 90 2 2 0 [ 基 金项 目]国家 。 8 6 3 ’计划项目 2 0 0 6 AA0 6 A1 0 9 7 。 [ 作 者简介]李伟廷 1 9 6 6一 ，男 ，1 9 8 8年大学毕业 ，高级工程 师，现主要从事钻井工程技术攻关与管理 工作。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 1 卷第 3期 李伟廷等 元坝 1 井超深井钻井技术研究与应 用 8 5 和压稳矛盾突出，小间隙固井水泥浆顶替效率低 ，循环阻力大，工具附件不完善等加大了固井施工难 度 ，固井质量 也难 以保 证 。 2 钻井核心配套技术 2 ． 1 空气钻 井技 术 空气钻井在提高机械钻速 、延长钻头使用寿命 、避免钻井漏 失、钻井作业清洁环保等方 面具有优 势，但只有在一定范围内使用才能产生较大的效益 。地层 的力学稳定性 、出气 、出水 、出硫化氢情况是 决定空气钻井技术能否正常应用 的重要因素口 ] 。通过借鉴邻区空气钻井实践和现场试验形成 的一套 比较 成熟的空气钻井技术 ，元坝 1 井经过地层适应性评估和实钻验证 ，蓬莱镇组、遂宁组 、上沙溪庙组、下 沙溪庙组等上部陆相地层可以实施空气钻井 ，下部陆相地层 的千佛崖组、 自流井组 、须家河组由于井 深、井眼稳定性 、地层流体等复杂因素，无法实施空气钻井。 2 ． 2 复合 钻 井技 术 复合钻井技术是转盘和井下动力钻具同时驱动钻头的一种钻井方式 ，螺杆钻具是 目前使用最广泛的 一 种井下动力钻具。研究表明 ，螺杆配高效 P DC钻头的复合钻进方式是提高机械钻速 的重要手段 。该 技术可用于中深部地层的快速钻进 、高陡构造易斜地层中的防斜打快 、定 向井井眼轨迹控制。大量现场 实践表明，复合钻井技术可以大大提高机械钻速，提高钻井效率 ，缩短钻井周期 ，降低钻井成本 ，具有 十分明显的经济意义 。 2 ． 3 深 井钻 井液技 术 聚合物防塌钻井液体系具有良好 的流变性和较强的抑制性 ，能够抑制泥页岩水化膨胀 ，有利于井壁 稳定和控制井径扩大。聚磺钻井液具有稳定性好 、抗高温和造壁性强等特点 。优选 了聚合物磺化防塌钻 井液体系在二开、三开 、四开施工 ，满足了深井、超深井钻井施工的需要 。 2 ． 4 深井 固井技术 元坝 1 井具有井深、水泥用量大 、同一裸眼中多套压力系统共存 、地层压力高 、井温高、井下漏层 多等特点，固井施工难度较大。该井设计采用的固井方法有常规 固井 、尾管悬挂 固井和双凝水泥浆固井 工 艺与技 术 。 3 现场应 用 3 ． 1 空气钻 井技 术 元 坝 1井在一 开 、二开 上部 陆 相地 层钻进 中应用 了空气 钻井 技 术 ，平 均机 械钻 速 高 达 9 ． 2 6 m／ h ，最 高 机 械 钻 速 1 1 ． 1 5 m／ h 。该 井 空 气 钻 井 施 工 数 据 见 表 1 。空气 钻 进 至 井 深 3 4 1 9 ． 5 6 m 时 由 于井壁 失稳 ，掉 块 多 ，循 环 划眼井 段 阻 表 1 元坝 1井空气钻井施工统计 卡现象 严重 ，考虑 到井下 安 全和 继续 空气 钻井 的不 可行性 ，起 钻 转换 泥浆 。 元坝 1 井空 气钻 井结 果表 明 ，空气 钻井 技术 在提 高钻 井速 度 、降低 钻 井成本 、缩 短工 期和 减少 井 下 复杂情况 等方 面 ，与常规 钻井 液钻 井 相 比有 着 突 出的优势 ，具 有 十分 广 阔的应用 前景 。在 元坝 区块 后续 钻井施 工 中，可 以进 一步 推 广应 用 。 3 ． 2 复合 钻井 技术 元坝 1 井在 雷 口坡组 、嘉 陵 江组 海相地 层钻 进过 程 中 ，应 用 了复合 钻 井技术 ，机 械钻 速显 著提 高 ， 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石油天然 气学报 江汉石油学院学报 2 0 0 9 年 6 月 最高机械 钻速 达 到 2 ． 8 4 m／ h ，取得 了 良好的效果 ，统计结果见表 2 。复合钻 井钻进 井段 为 5 1 2 6 ． 2 6 5 9 9 3 ． 6 0 m，平 均机械 钻速 2 ． 3 9 m／ h 。钻 井参 数钻 压 7 O k N，转 速 3 0 r ／ mi n ，螺 杆 钻 具 排 量 2 7 L ／ s ，泵 压 2 O MP a 。 3 ． 3 钻 井液技 术 表 2 元坝 1 井 2 4 1 ． 3 ram井眼海相地层复合钻井统计 3 ． 3 ． 1 二开钻 井 液体 系 抑 制性聚磺 封堵性 防塌 钻 井液体 系 2 0 0 5 - - - 4 5 4 6 m 二开 由空气钻进至井深 3 4 1 9 ． 5 6 m后，通过对钻井液性能的一系列调整 ，顺利通过空气钻进变为钻 井液钻进转换过程 。在钻井液性能维护方面 ，二开始终保持钻井液较高的粘切，尽量控制好钻井液的膨 润土含量 ，钻井液性能不作较大调整 ，防止因钻井液性能变化较大而引起井下复杂情况发生。 3 ． 3 ． 2 三开 钻 井液体 系 聚磺 封堵性 防塌钻 井 液体 系 4 5 4 6 6 6 0 7 ． 5 m 三开钻须家河组采用较低的钻井 液密度。在钻井液处理 上，首先将钻井液密度 由 1 ． 6 5 g ／ c m。降至 1 ． 5 0 g ／ c m。 ，膨润土含量要充分降低 ，钻井液采用较低的粘切 ，注意检测钻井液性能的变化，钻井液方 面用大分子聚合物、改性磺化酚醛树脂、阳离子磺化褐煤和乳化石蜡等钻井液材料配胶液维护 ，始终保 持钻井液稳定性 。钻进至井深 5 9 9 1 m，为保证井下安全 ，将钻井液密度由 1 ． 6 0 g ／ c m。 提至 1 ． 8 0 g ／ c m。 。 密度提高后 ，钻时影响不大，一般维持在 2 5 ～3 5 mi n左右。提高钻井液密度时 ，钻井液处理上增大胶 液的维护量 ，调整钻井液性能，使之在钻井液密度提高后仍能保持原钻井液性能 。在嘉陵江组地层以下 井段 ，由于井眼比较深 ，井底温度比较高 ，钻井液处理上增大三磺材料的加量 ，保证钻井液在高温高压 下不发生增稠减稠 ，仍能具有较好的稳定性 。 3 ． 3 ． 3 四开钻井液体系聚磺封堵性防塌钻井液体系 6 6 0 7 ． 5 7 1 7 0 ． 7 1 m 四开由于本井为超深井，井底温度较高，已达 1 6 0 ℃以上，因此在钻井液处理上要把维护钻井液的 高温稳定性作为本井段钻井液处理的首要任务 。加大钻井液中抗高温材料的加量 ，加强对钻井液性能的 监测 ，维持钻井液的搬 土含量保持在 1 8 2 0 g ／ L之间，用好 固控设备 ，降低钻井液中无用 固相的含量。 3 ． 4 套管防磨技术 元坝 1 井井深 、施工周期长，套管防磨尤为重要 。二开中完套管下人深度达 4 5 4 2 ． 9 1 m，三开钻进 裸 眼井段 长 ，且施 工 时间长 ，钻杆 与套管 之 间势必 造成 摩 阻和磨 损的加 剧 ，有 可能 磨穿 套 管 ，形成 严重 的井控安全隐患；另外 ，旋转扭矩过高 ，容易造成钻具事故。在三开井段，为保护j 2 『 2 7 3 ． 0 5 ram套管和 钻具 ，在j 2 『 1 3 9 mm 的钻杆中加入了 9只 1 9 0 mm 钻杆防磨减扭接头 F M 系列防磨接头 ，在钻井液中 加入润滑剂。实践证明，F M 系列套管防磨接头能有效降低套管磨损，而且其 寿命长、强度高 ，是套管 防磨较好 的技 术 之一 。 3 ． 5深 井 固井技 术 3 ． 5 ． 1 表套 套管 固井 一 开上 部 井 眼地 层 软 硬交错 ，地 层 易坍 塌 ，固井往 往 注水 泥量 超 多。j 2 『 3 3 9 ． 7 mm 套 管 下深 2 0 0 3 ． 4 8 m。使用 内插 法 固井 ，多下钻 铤 ，保 证插 头 密 封 质量 。采 用 平衡 液 替浆 ，减少 密封 压 差 ，提 高 密封质 量 。 3 ． 5 ． 2 技 术套 管 固井 二开技术套管 固井，裸 眼段长 ，环空 间隙小 二 开平 均井径 为 3 4 5 ． 8 1 mm，所下套 管尺 寸为 j 2 『 2 7 3 ． 0 5 mm ， 流动阻力大，施工泵压高 。固井作业克服 了井段较长的难题，完成了固井施工任务，同 时也创造了 2 7 3 ． 0 5 mm套管下深 4 5 4 2 ． 9 l m新的记录。三开技术套管悬挂固井施工首先要做好地层承 压试验；按照设计 ，采用j 2 『 1 9 3 ． 6 8 mm高防硫、气密封扣套管作为产层套管。固井设计采用双凝水泥浆 柱结构，全井采用加砂 防气窜水泥浆体系，防止气窜。采用具有高效冲洗和悬浮能力的冲洗液与有效层 流 加重 隔离液 的前 置 液组合 体 系 ，有效 冲洗 和悬 浮沉 砂 ，隔 离钻 井液 与水 泥 浆 ，提 高 浆 体 的顶 替效 率 ； 优选 注 、替水 泥浆 施 工参 数 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 1 卷 第 3 期 李伟廷等 元坝 1 井超深井钻井技术研究与应 用 3 ． 5 ． 3 尾 管 固井 四开完 钻前 在钻 进 过程 中做 好地层 承压 试验 ，尾 管悬 挂环 空 间隙小 ，环 空及 钻具过 水 面积 较小 ，流 动阻力大，施工泵压高 ；采用 1 4 6 ． 0 5 mm高防硫、气密封扣 、无接箍套管及相应 附件等；固井设计采 用乳胶水泥 。替浆碰压 时，依据地层破裂压力试验数据设计 ，优选合适的参数 ，既达到预 防井漏 的目 的，又提高了替浆效率 。元坝 1 井完善了技术套管悬挂 、尾管悬挂、防止环空气窜 、低密度水泥浆固井 施工工艺，提高了固井的设计和现场施工技术水平。 4 主要技术成果 1 元坝 1井在元坝区块首次在一开 、二开上部地层采用了空气钻井技术并取得成功，机械钻速提 高显著，不仅缩短了元坝 1 井的钻井周期，也为在元坝地区推广使用空气钻井技术积累了施工经验 。 2 在陆相地层使用钟摆钻具，配套减震器 ，解决 了防斜 、钻具失效问题 ，使用 了钻杆防磨减扭接 头有效地减小摩阻和保护套管 ，采用随钻测斜技术有效地控制井身质量。 3 在海相地层超深井段使用了 P DC钻头井下动力钻具复合驱动或直接用 P D C钻头顶驱驱动的 双驱复合钻井技术 ，有效提高了钻井速度 ，有利于防斜。海相地层使用螺杆钻具复合钻井的机械钻速是 牙轮钻头的 3 ． 1 4倍 ，是转盘钻 P D C钻头的 1 ． 2 1 倍 。 4 在j 2 『 1 6 5 ． 1 mm超深井小井眼中使用 “ P DC钻头 钟摆钻具顶驱”的钻井方式 ，探索 出了超 深井小井眼安全优质钻井的有效方法。 5 在元坝 1井实钻使用的 1 ． 6 0 “ - “ 1 ． 8 0 g ／ c ms聚磺防塌钻井液在高温条件下具有 良好流变性 ，其抗 盐膏污染能力及润滑性 ，有利于抑制防塌，从钻井液方面确保 了元坝 1井的顺利安全钻进 。 6 开展了深井技术套管单级固井 工艺技术、高温高压防气窜水泥浆技术研究 ，形成 了针对元坝地 区超深井高温高压气井 固井配套技术 ，保证了技术套管和油层尾管的固井质量 。 7 通过各项研究和技术 的集成应用 ，全面提高了元坝 1井的钻探综合效率 ，取得 了以下技术经济 高指标 ① 该井设计井深 6 9 2 0 m，实际完钻井深 7 1 7 0 ． 7 1 m；② 全井平均机械钻速 2 ． 0 m／ h ,③ 全井钻 井周期 2 7 9 ． 1 7 d ；④ 生产时效达到 9 7 ． 9 4 ；⑤ 全井工程质量优 ，全井最大井斜 2 ． 9 4 。 。 5 认识与建议 1 通过元坝 1超深井的钻井实践 ，对川东北巴中低缓构造带元坝岩性圈闭区域的地层的复杂性有 了初步的认识 ，攻关 、集成采用各项钻井新技术 ，确保了钻井的正常施工。 2 在井壁稳定的前提下 ，使用空气钻井技术 ，在上部大井眼段可显著提高机械钻速 ，缩短钻井周 期。陆相地层钻井液钻进机械钻速较低 ，反映出对非常规井眼尺寸和复杂深井的钻头选型有限和钻井技 术储 备不 足 。 3 双驱复合钻井 技术在海相地 层可大 幅度提 高机 械钻速 。在j 2 『 1 6 5 ． 1 mm 超深 井小井 眼 中使 用 “ P D C钻头钟摆钻具 顶驱”的钻井方式 ，是保证超深井小井眼钻井井下安全的有效手段。 4 试验使用 的聚磺封堵性防塌钻井液能够满足超深井钻井要求。 [ 参考文献] [ 1 ]盂伟 ，杨玉坤 ，王宝新 ．钻井配套技术在川东北 的应用 与实践 [ M]．北京 z地质 出版社 ，2 0 0 7 ． [ z 3王光磊 ，侯 健，于承朋 ，等 ． 元 坝 1 井钻井设计与施 [ J ]．石油钻探技术 ，2 0 0 8 ，3 6 3 ；4 1 ～4 5 ． [ 3 ]侯树刚，舒 尚文 ，李铁成 ，等 ．空气钻井安全特性分析 [ J ]．石油钻探技术 ，2 0 0 7 ，3 5 6 t 5 0 5 3 ． [ 编辑] 萧雨 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m