水平井钻井技术在大牛地气田的应用.pdf

第 3 1卷 第 6期 2 0 0 9年 l 2月 石 油 钻 采 工 艺 OI L DRI LLI NG PRODUCTI ON TECHNOLOGY V0 1 ． 31 No ． 6 De C ．2 0 0 9 文章编号 1 0 0 0 7 3 9 3 2 0 0 9 0 6 0 0 4 00 4 水 平井钻 井技术在大 牛地气 田的应用 唐 志 军 胜利石油管理局 钻井工艺研 究院， 山东东营2 5 7 0 1 7 摘要随着水平井钻井技术 日趋完善与成熟， 正不断探索用于低渗透气田的开发研究。分析了应用水平井开发大牛地低 渗透气田的钻井技术难点， 阐述了水平井钻井技术， 包括钻具组合、 钻进参数优选、 侧钻、 井眼轨迹控制、 煤层段钻进以及测量设 备配套等技术。探 索了大牛地气田水平井钻井技术应用的可行性， 利用配套的钻井技术在该地区完成了9口水平井的应用， 取 得了较好的效果， 可为同类油气田提供技术参考。 关键词 水平井 ； 钻井技术 ；应用 ；大牛地气田 中图分类号 T E 2 4 3 文献标识码 A Appl i c a t i o n o f h o r i z o n t a l we l l dr i l l i ng t e c h ni que s i n Da n i u di g a s fie l d T A N G Z h ij u n Dr i l l i n g T e c h n o l o g y R e s e a r c h I n s t i t u t e o fS h e n g l i P e t r o u m A d mi n t r a t i o n B u r e a u ， Do n g y i n g 2 5 7 0 1 7 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e mo d e m h o ri z o n t a l d r i l l i n g t e c h n i q u e h a s b e e n we l l d e v e l o p e d i n Ch i n a ， a n d i t s a p p l i c a t i o n t o l o w p e r me a b i l i t y g a s fi e l d s i s u n d e r r e s e a r c h a n d d e v e l o p me n t ． I n t h i s p a p e r , d i ffi c u l t i e s i n t h e a p p l i c a t i o n o f h o r i z o n t a l we l l d ri l l i n g t e c h ni q u e s t o Da n i u d i g a s fi e l d wi t h l o w p e r me a b i l i t y a r e a n a l y z e d ， a n d h o ri z o n t a l d r i l l i n g t e c h n i q u e s a r e d i s c u s s e d i n c l u d i n g t h e b o t t o m h o l e a s s e mb l y B H A t e c h n i q u e ， t h e t e c h n i q u e o f d r i l l i n g p a r a me t e r s o p t i mi z a t i o n ， t h e s i d e t r a c k i n g t e c h n i q u e ， t h e t r a j e c t o r y c o n t r o l t e c hni q u e ， the c o a l s e a m d r i l l i n g t e c h n i q u e a n d s y s t e ma t i c me a s u r i n g e q u i p me nt． T h e f e a s i b i l i ty o f a p p l y i n g the h o r i z o n t a l we l l d r i l l i n g t e c hn i q u e t o Da n i u d i g a s fie l d i s s t ud i e d． S ys t e ma t i c dril l i n g t e c hn i q ue s ha v e be e n a ppl i e d t o ni ne h or i z on t a l we l l s s uc e s s f ul y i n the a r ea ， a n d i t ma y b e g o od r e f e r e n c e t o t h e d r i l l i n g o f s i mi l a r o i l a n d g a s fi e l d s ． Ke y wo r d s h o ri z o n t a l we l l ； d ril l i n g t e c h n o l o g y ； a p p l i c a t i o n ； Da n i u d i g a s fi e l d 国内现代水 平井 钻井技术 始 于 1 9 9 0年 ， 通过 “ 八五 ” 攻关和 “ 九五 ” 期 间对长 、 中半径水平井钻 井技术及配 套装备 、 工具 、 仪器 的不断改进 、 完善 和 更新 ， 已形成了一整套长 、 中半径水平井钻井与完井 技术。经过近十几年的研究与实践 ， 水平井技术有 了长足 的进步 ， 并 日趋完善与成熟 ， 在油气 田整体开 采 、 治理边底水 、 提高薄油气层产出能力和油气勘探 评价等方面卓有成效。近年来应用水平井钻井技术 开发低渗透气 田 如普光气 田、 大牛地气 田等 ， 也取 得了较好 的效果。 大牛地气 田是中石化五大气源地之一 ， 该气 田 地理位置位于陕西省榆林市和 内蒙古鄂尔多斯市交 界地 区， 区块面积为 2 0 0 3 ． 7 1 4 k m ， 构造位置处于鄂 尔多斯盆地伊陕斜坡北部东段气 田内上古生界为一 套海相一海陆过渡相一陆相沉积 ， 具有 良好的天然 气成藏条件， 资源丰富。 大 牛地 气 田主 要产 气储 层物 性表 现为低 孔 、 低 渗。其 中， 山 1 - 1气 层 厚 度 8 ～ 1 2 m， 孑 L 隙 度 为 4 ． 7 ％～ 1 8 ． 9 ％， 平均 为 9 ． 2 ％。渗透率为 0 ． 0 7 8 5 ． 6 3 1 0 ～ m ， 平均为0 ．7 2 1 0 ～ m 。相对较差的储层 项 目基金 中国石油化 工集团公 司重点科技攻 关项 目 “ 长水平段水平井钻井技 术研 究 ” 编号 P 0 7 0 4 9 部分研究成果。 作者简介 唐志军， 1 9 6 1 年生。1 9 8 5 年毕业于胜利油田职工大学钻井专业， 现主要从事钻井工艺研究和工程设计工作， 高级工程师， 钻 井工程 高级 专家。电话 0 5 4 6 8 5 0 1 2 6 6， E - ma i l t a n g z j s l o f ． c o m。 唐志军 水平井钻井技 术在大牛地 气田的应用 4 1 物性造成 山 l 一 1 为低孔 、 低渗 ， 气藏类型为无边底水 定容弹性驱动砂岩气藏 。大牛地气 田低孔 、 低渗 的 总体储层特点 ， 导致 直井开发产量低 ， 经济效益差 。 如何利用水平井等技术开发， 达到提高单井产量的 目的， 是该气 田重要 的研究 内容。 1 大牛地气田水平井钻井技术难点分析 Diffic ul t i e s a n a l y s i s o f h o r i z o n t a l we l l dr i l l i n g t e c hn i q u es a p pl i e d i n Da n i u d i g a s fi e l d 大牛地气田水平井钻井技术难点 1 大尺寸井 眼定 向施工， 机械钻速低 ； 2 水平井段长 ， 摩阻扭矩 大， 携岩困难 ； 3 大牛地气 田构造复杂 ， 缺少邻井控 制， 储层变化大， 井眼轨迹控制难度大； 4 侧钻井段 的 地层可钳 陛低 ， 侧钻难度大； 5 储层砂岩致密 ， 研磨性 强； 6 二开长裸眼井段施工周期长 ， 泥岩地层容易发 生掉块， 易造成遇阻、 卡钻等事故 ； 7 大斜度井段要钻 遇大段煤层 ， 煤层极度不稳定 ， 卡钻的风险f 生高。 2 水平井钻 井技术 Ho r i z o n t a l we l l d r i l l i n g t e c h n i q ues 2 ． 1 钻井参数及钻具组合优选 Dr i l l i n g p a r a m t e t e r s a n d BHA o ptim i z a tio n 2 ． 1 ． 1 钻 井参数优 选钻井参数 的选择 ， 主要考虑 所选钻头类 型、 地层可钻性等 因素。软 一中软地层 对转速较为敏感 ， 因此对上部地层 应提高转 速；下 部地层属 中硬级 ， 对钻压 较为敏感 ， 应适 当提高钻 压。水力参数选择采用最大水功率工作方式 ， 上部 地层钻进 以提高钻 头水功率为主 ， 下部地层钻进 以 保证井下携岩和安全为主， 参数优选见表 1 。 表 1 优选钻井参数值 T a b l e 1 Op t i mi z a t i o n o f d r i l l i n g p a r a m e t e r s 钻 头 直 径 篙 ／ r n m ， 警 ． 排 量 ／ r ‘ m l n ‘ ’ ’ 。 一 - P 1．／ L ． s - 2 ． 1 ． 2 钻具组合优 选由于水平井摩阻扭 矩大 ， 钻 具组合应尽量简化， 用加重钻杆代替钻铤加压。 斜 井段 钻具组 合为 单 弯单稳 柔性钻 具组 合 03 1 1 ． 1 5 ml T l 钻头 0 2 4 4 mm单弯螺杆 02 0 3 ． 2 mm 无磁钻铤 1 根 MWD O1 2 7 mm加重钻杆 x 5 0 根 O1 2 7 m m钻杆 井斜 3 0 。 以前井段 。 03 1 1 ． 1 5 mm钻头 0 2 4 4 mm 单弯 螺杆 O1 2 7 mm无 磁 钻 杆 x l根 MWD O1 2 7 1T i m斜 坡 钻杆 根据井斜情况确定 O1 2 7 mm 加重钻杆 5 0 根 O1 2 7 mm 钻杆 井斜 3 0 。 以后井段 。 水平段 钻具组合为单弯双稳钻具组合 O 2 1 5 ． 9 m m 钻 头 O1 7 2 mm单 弯 螺 杆 1 ． 0 M ． 2 5。 欠 扶正器 外 径根据 实钻资料 分析确 定 回压 阀 L WD O1 2 7 mm斜坡钻杆 O1 2 7 mm加重钻杆 O1 2 7 mm钻杆。 2 ． 2 井眼轨迹控制技术 T r a j e c t o r y c o n t r o l t e c h n i q u e s 2 ． 2 ． I 直 井段 防斜打 直技 术钻进 中要 定点测斜 间隔 1 0 0 m左右 ， 有增斜趋势时应加密测斜 。钻进 过程 中及时合理地处理好地层交界面 ， 地层 由软变 硬时 ， 先 以 8 0 ～ 1 0 0 k N钻压钻进 1 m左右 ， 然后逐步 恢复到正常钻压 ；地层 由硬变软时 ， 保持钻压钻进。 新钻头下钻到底开始钻进时 ， 先以 1 0 ～ 3 0 k N的小钻 压钻进 0 ． 5 ～ 1 ． 0 m， 待修平井底后 ， 再逐渐增加 到正 常钻压钻进 ， 以利于防斜打直。 采用钻具组 合 O3 1 1 ． 1 5 mm钻头 0 2 4 4 ． 5 1 T i m 减震器 02 4 4 ． 5 mm钻铤 x 2根 02 0 3 ． 5 mm钻铤 9根 1 7 7 ． 8 mm钻 铤 x 3根 O1 2 7 ml T l 加 重 钻杆 X 1 8根 O1 2 7 mm钻杆。 2 ． 2 ． 2 侧钻技 术施工 中采用成功率较高的控时钻 进工艺 ， 开始侧钻时控时钻进保持 2 ～ 3 h ／ m， 随时捞 取砂样 观察 ， 待砂样 中岩 屑含量达到 6 0 ％后 ， 再逐 渐增加钻 压， 钻时控制在 1 ． 5 - 2 h ／ m， 待砂样 中岩屑 含量达到 9 0 ％ 以上 ， 逐渐加压至正 常钻压。侧钻时 选择牙轮钻头 以保证工具面的稳定性和对井壁侧向 的有效切削 ， 配以较大度数 的单弯螺杆 不低于 1 ． 5 。 或弯接头以增大侧向力， 保证侧钻的高时效性。 采用 钻 具组 合 O 3 1 1 ． 1 5 mm 牙轮 钻头 0 2 0 3 mm单 弯螺杆 1 ． 5 ～ 1 ． 7 5 。 O1 2 7 mm无 磁承 压钻 杆 MWD O1 2 7 mm无 磁 承 压 钻 杆 ；或 0 3 1 1 ． 1 5 mm牙轮钻头 02 0 3 mm直螺杆 弯接头 2 ． 0 ～ 2 ． 5 。 O1 2 7 ml T l 无磁承压钻杆 MWD O1 2 7 mm无磁承 压钻杆 。 2 ． 2 ． 3 斜 井段轨迹控 制技 术采用导 向钻井技 术 ， 用单弯单稳柔性钻具组合配 MWD或 L WD实现井 眼轨迹 的连续控制 ， 复合钻进与滑动钻进交替使用， 保证井眼轨迹 的控制精度， 从而达到提高钻井时效 、 缩短钻井周期 目的。 主要技术措施 1 根据优选的钻具组合合理控 制造斜率 ， 保证井眼轨迹圆滑 ， 以减小钻柱的摩阻和 扭矩 ， 同时消除 由于起下钻而形成键槽 的可能性 ； 4 2 石油钻采工艺 2 0 0 9年 1 2月 第 3 1 卷 第 6期 2 井斜角 4 5 。 后 ， 采取短起下钻和逐步钻具倒装 ， 确 保钻压的有效传递。钻进过程中， 每钻进 1 0 0 ～ 2 0 0 m短程起下钻 1 次 ， 清理岩屑床 ， 保证井眼的畅通 ， 防止长井段造斜发生钻具黏卡或下钻通井划出新井 眼； 3 利用井眼轨道设计软件随时进行待钻井眼校 正设计 ， 人靶前加密测点 ， 确保 A点的矢量中靶。 2 ． 2 ． 4 煤层钻进技术大牛地气 田煤层裂隙发育 、 胶结松散多 、 含有脆性泥岩物质。在钻开煤层时地 应力释放和受 到外力的影响易出现垮塌 ， 使煤层 内 泥岩物质失 去支撑 ， 再加上钻井液 的浸泡和泥岩物 质水化膨胀裂解 ， 更加剧煤层的垮塌。 安全钻过煤层段主要技术措施 1 钻遇煤层前 3 m 由地质人员确定实际井深 循环钻井液、 短程 起下钻 1 次 ； 2 钻遇煤层前 向钻井液 中一次性加足 1 ％ 单 向压力封闭剂和固体 防塌润滑剂 以最大限度 地封堵煤层裂隙； 3 煤层钻进少进多退 ， 反复破碎 ， 分散运移 ， 确保井下安全 ； 4 接单根前反复划眼 ， 确 保井下正常后方可进行接单根作业 ； 5 钻遇煤层前 适 当提高钻井液密度 ， 防止煤层产生应力垮塌。提 高钻井液的膨润土含量、 黏度 、 切力、 动塑 比， 保持动 塑比在 0 ． 6左右 ， 减轻钻井液对井壁的冲刷 ， 提高悬 浮和携带岩屑颗粒的能力 ； 6 在煤层钻进中以复合 钻井为主， 采用大尺寸喷嘴 ， 排量控制在 2 6 ～ 2 8 L ／ s ， 防止钻井液对井壁 冲蚀 ， 每钻进 5 m左右要上提钻 具观察阻卡及井眼稳定情况 ， 并依次判断钻井液密 度是否合理 ， 每钻完 1 个单根划眼至少 2次， 然后停 泵 ， 将上 1 个单 根一并提 出转盘 面， 在停泵状态 下 下放钻具 ， 不遇阻后再接单根进行钻进； 7 每钻进 3 0 ～ 5 0 m循环钻井液 ， 循环时注意避开煤层 ， 进行短 起下钻 ， 证 明井下正常后方可继续钻进 ； 8 提高钻 井液 的造壁性能 ， 选择与煤层润湿性 相匹配 的封堵 材料 ， 适 当控制钻井液密度， 使钻井液具有快速、 牢 固封堵煤层裂隙的功能。 2 ． 2 ． 5 水平段轨迹控制技 术水平段的轨迹控制主 要采用地质导 向技术 ， 根据随钻地质参数解释控制 井眼轨迹的位置和走 向。水平段井眼轨迹 圆滑状况 对井 眼的延伸和摩 阻扭矩影响较大， 因此水平段井 眼轨迹控制的关键是保证井眼的圆滑 ， 避免大幅度 调整轨迹， 钻具组合优选为单弯双稳， 其优点是可以 减少滑动钻进 的进尺 ， 减少滑动时的安全隐患 ， 提高 钻井效率。 主要技术措施 1 采用倒装钻具组合 ， 钻具组 合尽量简化； 2 调整井眼轨迹时， 采取少调微调的原 则 ， 确保井眼平滑 ； 3 加强摩阻扭矩理论计算与实际 起下钻、 钻进的摩阻扭矩对比分析 ， 反推出摩阻因数 、 钻头扭矩等参数 ， 再修正理论计算值 ， 使理论计算与 实际相符合 ， 并反复进行修正 ， 为水平段安全施工提 供依据 ； 4 为保证水平段有效延伸 ， 从钻井液方面人 手 ， 及时调整钻井液性能参数 ， 确保钻井液具有 良好 的稳定性和润滑性 ， 通过在钻井液中加入润滑剂以降 低摩阻因数 ， 达到减摩降扭 的效果 ， 为安全顺利钻进 提供保障。 3 水平井专用工具及随钻测量设备配套技术 S p e c i a l t o o l s f o r h o r i z o n t al we l l d r i l l i n g a n d s ys t e m a t i c t e c hni qu e s f o r M e a s ur e me nt Wh i l e D r i l l i n g MWD e q u i p me n t 3 ． 1 螺杆钻具 S c r e w d r i l l 大牛地气 田水平井水平段长 ， 斜深较深， 对携岩 和轨迹控制要求高， 通过优化选用专门用于深井施 工的低速高扭矩中空螺杆钻具。其优点是扭矩大可 以提高钻速 ， 钻速较低利于延长牙轮钻头寿命 ， 中空 分流设计可以提高排量利于携岩 。 3 ． 2 顶驱的配备 To p - dr i v e de v i c e 顶驱装置的使用在很大程度上提高了处理井下 复杂情况 的能力 ， 对降低施工风险、 加快水平井施工 进度发挥了重要作用 。 3 ． 3 扶正器选择 Ce n t r a l i z e r s e l e c t i o n 3 ． 3 ． 1 欠尺寸扶正器根据大牛地气 田地质条件和 施工经验 ， 在单弯双稳导向系统 的工作特性得到确 认之后 ， 考虑 到该地 区储 层为致密砂岩 ， 研磨性强 ， 扶正器在使用过程中易较快磨损的情况 ， 为确保井 眼轨迹控制效果 ， 宜选择 尺寸略大于设计值 的扶正 器 。 3 -3 ． 2 变径稳定器 国内外有多家公司可提供变径 稳定器 的服务 ， 但 总的来讲 ， 由于质量等方 面的原 因 ， 国内的变径稳定器 尚未得 到较为广泛的认可和 应用 。而 国外相关 产品 比较而言 ， Ha l l i b u r t o n公 司 的变径稳定器开发较早 ， 技术相对成熟 ， 在国内外有 较广泛的应用。 3 ． 4 随钻测量设备 M W D e q u i p me n t 针对大牛地气 田井深、 井底温度高的特点， 对用 唐志军 水平井钻井技术在大牛地 气田的应用 4 3 常规钻井方式和钻井液体系施工的水平井采用了从 国外引进的耐高温 MWD和 L WD进行随钻测量 ， 应 用效果较好 。 对于充氮气及欠 平衡钻井方式 ， 为满足测量 的 需求 ， 引进 了 G E O L I NK公 司的电磁波 随钻测量 系 统 E MMWD 。电磁波 随钻测量不 同于钻 井液 脉 冲随钻测量 ， 测量信号 的传输不受压降波动 、 排量 变 化 、 钻井液性能和储层流体漏失等因素的影响 ， 从 而 节约了传输时间。E MMWD用长寿命的锂电池代替 了井下钻井液动力发电机提供动力 ， 性能可靠， 能满 足充氮气及欠平衡钻井的要求。 4 应用情况 Ap pH c a fio n 2 0 0 2年 ， 为提高大牛地气 田山 1 气层单井产量 ， 在大探 1 井 区， 针对 山 1 气层实施 了一 口水平井 DP 1 井 ， 其水 平段 长 6 0 0 m， 裸 眼完井 ， 无 阻流 量仅 为 6 1 2 4 m ／ d ， 开发效果不 理想。2 0 0 6年 ， 决定在 DP 1 井 的基础上， 以山 1 段气层为 目的层实施 DF 1 井的 钻探 ， 以评价鱼骨状分支水平井技 术开发山 1 气层 的钻井技术及经济可行性。三开采用欠平衡钻井后 ， 2 0 0 6年 1 1 月 1 8日第 1 次点火 ， 火焰高度 3 1T I 左右 ， 持续 3 0 mi n左右。在后续的施工 中， 起钻前循环 、 下 钻到底后循环均可点火 ， 火焰高度 3 - 5 m不等 ， 数据 采集系统 显示 E t 产量 8 0 0 0 m 左右 。2 0 0 6年 1 1 月 2 8日， 数据采集系统显示 日产量 6 5 0 0 m 左右。 2 0 0 7年 1 0月 ， 相继 实施 的 2口长水 平段 水平 井D F 2 、 DP 3井先后完钻。其 中， D F 2井 以山一 段为 目的层 ， 完钻井深 4 0 0 6 ． 6 6 m， 垂深 2 8 8 2 ． 0 1 m， 水平段长 9 0 0 ． 2 0 m， 最大水平位移 1 2 5 0 ． 2 0 m。经试 气显示 良好 ， 最终配产 5 0 0 0 0 m ／ d以上。DP 3井以 盒三段为 目的层 ， 完钻井深 4 0 8 6 ． 0 0 m， 垂深 2 6 8 3 ． 6 4 m， 水 平位移 1 5 7 0 ． 1 4 m， 水平 段长 1 2 2 0 ． 0 2 m， 最终 配产约 4 0 0 0 0 m ／ d ， 均取得 了较好的开发效果 。 2 0 0 8年 7月 ， 中国石油化工股份公司首 口利用 无 固相充 气钻井液体 系实施欠平衡钻井 施丁 的长 水平段水平井 D P 4井完钻 ， 完钻井深 4 3 6 0 m， 垂深 2 5 l 4 ． 1 7 m， 水平位移 1 9 7 0 ． 7 3 m， 水平段 长 1 6 2 4 m， 标志着中石化油气勘探技术取得重大突破 。 为 了进一步探索大 牛地低孔 、 低渗气 田的有效 开发方式， 尽快形成显著提高单井产量的配套技术， 中石化科技部决定 以大牛地气 田为试验 区块 ， 以集 团公司科技攻关项 目 “ 长水平段水平井钻井技术研 究 ”为依托 ， 在大牛地区块先后部署和实施 了 DP 4 、 D P 5 、 D P 8 、 D P 1 4 、 D P1 6 、 DP 1 9等多 口水平井 ， 均取得 良好的应用效果， 形成了有效开发大牛地低渗透气 层的水平井钻井配套技术。 5 认识与建议 Re c o g n i t i o n a nd s u g g e s t i o n s 1 为更好地提高开发效果 ， 应集成技术对地质 评价和气藏筛选 、 水平井设计和施工等进行整体优 化 ， 实现开发和工程一体化。 2 长水平段水平井 欠平衡钻井技术 ， 配套与 储层配伍的优质钻井液、 完井液技术， 是有效开发低 渗透气 田的重要技术手段 。 3 为及时跟踪储层， 确保储层有效进尺最大化， 随钻测量技术是关键 ， 因此应加强近钻头随钻测量、 随钻测井 L WD 、 智能钻杆传输等技术的研究开发。 参考文献 Re f e r e n c es [ 1 ] 王家宏， 等 ． 中国水平井应用实例分析 [ M]． 北京石 油 工 业 出版社 ． 2 0 0 3 ． WANG J i a h o n g ， e t a 1 ． C a s e s t u d y o f h o ri z o n t a l we l l a p p l i - 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