苏25—2—2H井钻井工程设计优化与应用.pdf

第 4 1 卷 第 5 期 2 0 1 3年 9月 石 油 钻 探 技 术 PE TROL EUM DRI LLI NG TE CHNI QUE S Vo 1 ． 4 1 No ． 5 S e p ． ， 2 0 1 3 现场交流 d o i l O ． 3 9 6 9 ／ ． i s s n ． 1 0 0 1 0 8 9 0 ． 2 0 1 3 ． 0 5 ． 0 2 3 苏 2 5 2 2 H 井钻 井工程设计优化与应 用 吴 杰 ，肖松平 ， 徐 敏 ， 黄 琳 ，彭 超 1 ． 中国石 油渤海钻探 工 程有 限公 司工 程技 术研 究 院 ， 天 津 3 0 0 4 5 7 ； 2 ．中国石 油渤 海钻 探工 程有 限公 司油气 合 作开 发公 司 天津 3 0 0 2 8 0 摘要 为进 一步提 高 苏里格地 区水平井钻井速度 、 加 大后期储层 改造 力度 ， 对 苏 2 5 2 2 H 井进 行 了钻井工程 设计优化。首先根据该井钻遇地层的特点及开发要求， 将井身结构优化为二开井身结构， 并利用 C o mp a s s 软件的 P l a n E d i t o r 模块将剖 面优化 为“ 直一 增一 调整 稳～增 ” 剖 面类型 ； 其 次优化 了适合 直井段 、 斜 井段 和水平段 的钻 具组合 ； 再 次利 用 We l l p l a n软件校核 了钻具和套 管的强度 ， 其强度符合 现场施 工需 求； 最后根 据岩层性 质、 地 层压 力剖面等优选出了适合该井钻遇地层特点的P D C钻头及具有 良好抑制性能及流变性能的 KC l 钻井液。苏 2 5 - 2 - 2 H 井现场实钻结果表明， 将井身结构优化为二开井身结构， 并对其工程设计进行优化后， 机械钻速较邻井提 高了 2 4 ． 6 1 ， 钻 井周期较 邻井缩短 了 3 O ． 7 9 。苏 2 5 2 2 H 井的成 功实施 为今 后该地 区的完并方 式、 后期 的增产改造 提 供 了更 多的 选 择 。 关键词 水平井 钻井设计 井身结构 井眼轨迹 苏里格地区 苏 2 5 ～ 2 2 H井 中图分类号 TE 2 2 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 0 8 9 0 2 0 1 3 0 5 ～ 0 1 1 5 - 0 4 Dr i l l i n g Eng i ne e r i ng Opt i mi z a t i o n a nd I mpl e m e nt a t i o n f o r W e l l S u 2 5 2 2 H W u J i e ， Xi a o S o n g p i n g ， Xu M i n ， Hu a n g Li n ， P e n g C h a o 1 ． 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， C NPC Bo h a i Dr i l l i n g En g i n e e r i n g C o mp a n y Li mi t e d， Ti a n j i n， 3 0 0 4 5 7， Ch i n a； 2 ． Oi l Ga s Co o pe r a t i o n a n d De v e l o p me n t Co mp a n y， CNPC Bo h a i Dr i l l i n g En g i n e e r i n g C o mp a n y Li mi t e d， Ti a n j i n ， 3 0 0 2 8 0 ， C h i n a Ab s t r a c t T o i n c r e a s e t h e r a t e o f p e n e t r a t i o n i n d r i l l i n g h o r i z o n t a l we l l s a n d p r e p a r e f o r l a t e r r e i n f o r c e d r e s e r v o i r s t i mu l a t i o n i n S u l i g e Ar e a ， d r i l l i n g e n g i n e e r i n g d e s i g n o f Ⅵ l l S u 2 5 2 2 H wa s o p t i mi z e F i r s t l y。 a c c o r d i n g t o t h e f o r ma t i o n c h ara c t e r i s t i c s t o b e d r i l l e d a n d t h e d e v e l o p me n t r e q u i r e me n t s ， t h e we l l p r o f i l e wa s o p t i mi z e d i n t o a t w o - s e c t i o n i n“ v e r t i c a l - b u i l d u p - a d j u s t me n t ” t y p e b y u s i n g t h e P l a n E d i t o r Mo d u l e o f C o mp a s s ． S e c o n d l y ， B HA b o t t o m h o l e a s s e mb l y f o r v e r t i c a l s e c t i o n， i n c l i n e d s e c t i o n a n d h o r i z o n t a l s e c t i o n we r e o p t i mi z e d ． T h i r d l y ， t o me e t t h e r e q u i r e me n t o f s i t e o p e r a t i o n， t h e s t r e n g t h o f d r i l l i n g s t r i n g a n d c a s i n g wa s v e ri f i e d b y u s i n g t h e Mo d u l e o f W e l l p l a r Fi n a l l y， t h e KCl d r i l l i n g fl u i d s ， wi t h g o o d i n h i b i t i o n a n d r h e o l o g i c a l p r o p e r t y a n d t h e P I X2 d r i l l i n g b i t we r e o p t i mi z e d t o ma t c h t h e r o c k f e a t u r e s a n d f o r ma t i o n p r e s s u r e F i e l d a p p l i c a t i o n s h o we d t h a t d r i l l i n g r a t e i n c r e a s e d b y 2 4 ． 6 1 ， a n d t h e d r i l l i n g c y c l e t i me r e d u c e d b y 3 0 ． 7 9 V 0 a f t e r o p t i mi z a t i o n o f we l l p r o f i l e ． T h e s u c c e s s f u l d r i l l i n g o f 、 v e 1 l S u 2 5 ～ 2 2 H h a s p r o v i d e d mo r e o p t i o n s i n c o mp l e t i o n a n d s t i mu l a t i o n mo d e s ． Ke y w o r d s h o r i z o n t a l w e l l ； d r i l l i n g d e s i g n ； c a s i n g p r o g r a m； w e l l t r a j e c t o r y ； S u l i g e A r e a ； We l l S u 2 5 2 2 H 随着对地层认识的提高和钻井技术的集成 ， 苏里 格气田水平井的井身结构逐步优化， 钻井速度也逐年 提高， 但依靠现有技术进一步提速的空间越来越小。 为了加大储层改造力度， 进一步提高钻井速度 ， 降低 开发成本 ， 笔者经过综合分析， 尝试将苏 2 5 2 2 H井 优化为二开井身结构 ， 并对其工程设计进行了优化， 应用表明， 钻井速度得到提高 ， 钻井周期创苏里格气 田最短 纪录 。 收稿 日期 2 0 1 2 ～ 0 9 2 4 ； 改回 日期 2 0 1 3 0 8 1 5 。 作者简 介 吴杰 1 9 8 7 一 ， 男， 天 津人 ， 2 0 0 9年毕业 于长江大 学 石 油2 r- 程专业 ， 工程师 ， 主要从事石 油钻 井设计及钻井工具研发 。 联 系方式 O 2 2 2 5 9 7 6 3 1 8 ， } e r r y wu 8 7 1 9 l i v e ． c r l 。 石 油 钻 探 技 术 1 钻井技术难点分析 1 裸 眼井段 较长 ， 钻 具与井壁摩擦所 产生 的 摩阻和扭 矩大 。为了避免 井壁 失稳 ， 应对钻 井液 进行 适 当加 重 ， 使 其 固相 含 量 增 加 ， 润 滑 性 能 降低 。 2 二开裸眼井段长 ， 钻井周期长 ， 且二开钻遇 的和尚沟组与刘家沟组地层存在区域性漏失， 石千 峰组与石盒子组地层易发生井壁坍塌 ， 上漏下塌 ， 钻 井液密度不易控制。 3 苏里 格区块地温梯度 2 ． 5 ～3 ． 0℃／ 1 0 0 m， 井底温度近 1 0 0℃， 而钻井液在高温下性能很容易 变差。因此 ， 对钻井 完井 液的高温稳定性 和抗污 染能力要求较高l 1 ] 。 4 二开裸 眼井段长 、 套管尺寸大 ， 且在实钻过 程中存在井眼曲率变化较大 、 易形成岩屑床等现象 ， 影响生产套管的安全下人。 2 钻井工程设计优化 2 ． 1 井 身结构优 化及 剖面设 计 2 ． 1 ． 1 井身结构优化 苏里格气田当前普遍采用三开井身结构 一开， 采 用 7 4 ． 6 T n r n钻 头 钻 进 ， 下 入 7 3 ． 1 mm 套 管 ； 二开 ， 采用 2 1 5 ． 9 I T I I I I 钻头钻进， 下入j 5 1 7 7 ． 8 mm 套管 ； 三开， 采用 1 5 2 ． 4 i i l l n钻头钻进， 裸眼完井。该 井身结构存在如下问题 1 水平段井眼尺寸小 ， 钻头 水功率低， 影响破岩效率 ； 2 水平段钻具尺寸小 ， 钻柱 沿程压耗高， 泵压高 ， 影响施工安全 ； 3 裸眼完井方式 难以进行选择性酸化或压裂作业， 增产措施单一。为 进一步提高水平井钻井速度， 加大后期储层改造力 度， 尝试将苏 2 5 2 2 H井的井身结构优化为二开井身 结构。通过分析苏里格气田的地质特点及钻井难点 ， 确定该井表层套管封至侏罗系地层 ， 一方面可避免侏 罗系地层的垮塌问题 ， 另一方面可减少二开裸眼段长 度， 有效降低钻井施工风险。生产套管下至井底， 水 泥返至气顶 以上 3 0 0 m。苏 2 5 2 2 H井井身结构优 化结果为 一开 ， 3 1 1 ． 1 I T I 1X 1 钻头钻至井深 8 5 6 ． 0 0 m， 2 4 4 ． 5 mn l 套管下至井深8 5 5 ． 0 0 m， 水泥返至地面； 二 开， 2 1 5 ． 9 舢m 钻 头 钻 至 井 深 4 2 9 7 ． 0 0 iT I ， 1 3 9 ． 7 n 1 n 1 套管下至井深 4 2 9 3 ． 0 0 1 T I ， 水泥返至井深 2 9 0 0 ． 0 0 12 0 。 2 ． 1 ． 2 井身剖面设计 井身剖面类型 由“ 直增一稳一增一调整 稳一 增 ” 优化为“ 直一增～调整 稳增 ” ， 将上部稳斜段 取消， 一方面可以降低下部井段的造斜率， 增加复合钻 进井段， 提高钻速； 另一方面， 下部井段造斜率降低， 可 为准确判断地层提供充裕的时问。苏 2 5 一 2 H井的井 身剖面设计结果见表 1 。 表 1 苏 2 5 2 - 2 H井的井身剖面设计结果 Ta bl e 1 Pr o f i l e d e s i g n o f W e l l S u 25 2 2 H 2 ． 2 钻具组合优化 直井段1 采用复合钻进方式 ， 利用钟摆钻具 防斜的同时， 利用螺杆的高转速提高钻头转速 ， 以起 到防斜打快的作用 ； 2 选择中空低速螺杆 ， 一方面降 低钻井液通过螺杆的量 ， 满足携屑要求 ； 另一方面转 速较实心螺杆低 ， 可延长钻头使用寿命 j 。 造斜段、 水平段1 采用带螺旋稳定器 的螺杆 ， 以提高下部钻具组合 的滑动导 向能力 ； 2 简化井下 钻具组合 ， 尽可能使用柔性钻具组合 ， 以加重钻杆代 替钻铤 ， 无磁钻杆代替无磁钻铤 ， 在大斜度井段采用 倒装钻具 ， 减少托压现象； 3 在满足设计造斜率条件 下 ， 合理选择螺杆钻具弯角 ； 4 在钻柱组合 中装震击 器 ， 以避免发生卡钻事故 ； 5 保证下部钻具组合及钻 柱具有足够 强度， 通过合理配置钻具组合 ， 减小摩 阻 ， 使钻头得到足够钻压和扭矩[ _3 j 。 第 4 1 卷第 5期 吴 杰等． 苏 2 5 2 2 H 井钻 井工程设 计优化 与应用 2 ． 3 二 开 钻 具 强 度 校 核 及 摩 阻 扭 矩 预 测 2 薹 蓑 一洲 一 为保证 该井 身结 构及 现场 的 可操作 性 ， 利 用 We l l p l a n软件对二开钻具强度进行 了校核 ， 对摩阻 扭矩进行了预测 。 表 2为二 开钻具强度校核 结果。从表 2可 看 出， 在不同摩阻系数下 ， 计算 出的抗拉安全 系数 为 1 ． 9 0 ～1 ． 9 8 ， 均大于 1 ． 2 5 ， 能满足现场施工要求 。 表 3为二开钻柱 摩阻扭 矩预测 结果 。从 表 3 可看 出 ， 在不 同摩阻系数下 ， 二开采用 1 2 7 ． 0 mi D _ 钻杆 ， 钻柱 的最 大瞬 时扭矩都小 于 1 2 7 ． 0 iT l m 钻 杆抗扭矩屈服强度 6 1 ． 2 8 k N m ， 最大旋转扭矩 都小 于顶驱的工作 扭矩 5 0 k N m ， 满足钻井施 工 要 求 。 i I s e c t i o n 2 ． 4 优选钻头 造斜段1 采用具有螺旋 刀翼 的钻头 ， 以减少 钻头侧 向振动 ， 提高钻头造斜能力； 2 采用复齿 、 规 径齿和硬质合金复合保径结构的钻头 ， 以强化保径 位置抗研磨性 ； 3 减小钻头切削齿直径 ， 增大布齿密 度 ， 以延长钻头使用寿命 。 表 3 二开井段钻柱摩阻扭矩预测结果 Ta bl e 3 Pr e di c t e d f r i c t i o n a nd t o r qu e o f dr i l l i ng s t r i ng i n t h e s e c o n d d r i l l i ng s e c t i on 水平段1 选择具有螺旋刀翼及螺旋保径的钻 头， 以减少钻头发生侧 向振动 ； 2 选择短保径钻头， 以降低钻头扭矩和卡钻风险 ； 3 增加倒划 眼齿 ， 增强 保径能力 ， 保证起下钻通畅 ； 4 选择具有长抛物线冠 部的钻头 ， 以增强钻头攻击性 ， 提高钻速 。 改善作用的降滤失材料， 降低钻井液浸泡对井壁稳定 所造成的不利影响。4 降低摩阻与防卡技术措施。使 用胶质含量高、 润滑效果好、 作用时间长的液体润滑 剂， 与极压润滑剂、 固体润滑剂合理复配 ， 以满足润滑 防卡要求 。 2 ． 5 钻井液优选与性能维护 2 ． 6 套管的安全下入及强度校核 鉴于二开水平井的施工难度及以往长裸眼段水平 井的现场施工经验， 笔者针对钻井液技术的难点 ， 对钻 井液进行了优化 1 钻井液的优选 。优选了 K C 1 钻井 液 ， 该钻井液具有良好的抑制性能和流变性能， 并具有 优 良的润滑性能、 抗污染性能。2 井眼清洁技术措施。 严格控制钻井液的流变性能， 以保证钻井液对岩屑的 悬浮能力E ； 在大斜度裸眼井段及水平段， 较低黏度的 钻井液更易扰动岩屑床， 有利于井眼净化E 。3 井壁 稳定技术措施。严格控制钻井液的滤失量， 进人水平 段后控制钻井液 A P I 滤失量低于 3 n 1 L 、 高温高压滤失 量低于 7 mL ， 同时使用高效抑制材料和对流变l生能有 针对二开水平井裸眼井段长 、 施工周期长导致 的井壁稳定性差等问题 ， 按照井身结构与剖面设计 要求 ， 笔者利 用 We l l p l a n软件对 9 5 1 3 9 ． 7 n l m套 管 的强度校核及安全下入能力进行了分析 。 入井套管的强度校核结果表明， 钢级为 N8 0 、 壁 厚为 9 ． 1 7 mm的 3 9 ． 7 r n i i 1 梯形扣套管的抗挤安全 系数为 1 ． 6 4 、 抗压安全系数为 2 ． 0 4 、 抗拉安全系数为 2 ． 1 7 ， 均能满足套管下入安全要求。 表 4为生产套管下入能力分析结果 。从表 4可 以看出 在不 同摩阻系数下 ， 1 3 9 ． 7 m m套管下至井 底的最小下放载荷为 5 9 8 k N， 因此能将 机3 9 ． 7 mi t t 表 4 生产套管下入能力分析结果 Ta b l e 4 Ana l y s i s o f ru nni ng a bi l i t y o f pr o duc t i o n c a s i n g 石 油 钻 探 技 术 2 0 1 3年 9月 套管下至井底； 在不 同摩 阻系数下 ， 全井二开下人 1 3 9 ． 7 mm套管， 最高载荷发生在上提 套管时， 最 大载荷为 9 4 1 ． 1 k N， 小于所用钻机最大钩载的 8 0 2 5 2 0 k N ， 能够满足所用钻机的要求。 3 现场实施效果 1 靶前距优化为4 5 0 m， 造斜率降至小于 5 ／ 3 0 m， 滑动钻进进尺为总进尺的 3 6 ， 二开定向井段滑动进 尺大幅度减小。 2 优选的 KC 1 钻井液具有 良好的防塌性 、 润滑 性和携砂能力 ， 钻进过程中无坍塌掉块及阻卡现象 ， 岩屑返出正常， 未发现短时无岩屑返出现象 ， 起下钻 开泵顺利 ； 全井摩阻系数控制在 0 ． 0 4 ～0 ． 0 7 ， 滤饼 质量 良好 ， 无压差卡钻事故 。 3 该井钻头选型合理 。全井平均机械钻速达 1 O ． 3 3 m／ h ， 较邻井 苏 2 5 3 2 ～ 1 4 4井提高 2 4 ． 6 1 ， 钻井周期缩短 3 O ． 7 9 。 4 实钻中采取 了多种有效的控制 当量循环密 度 的措施 随时监测 当量循环密度的变化 ； 尽量采用 低密度钻井液； 控制机械钻速 ， 减小环空岩屑浓度； 简化钻具组合， 减小环空钻具压耗 ； 分段钻进 ， 减小 到底后的循环阻力 ； 优化钻井液流变参数 ， 减小环空 循环阻力 ； 加强倒划眼作业 ， 及时清除岩屑床 ， 避免 随着裸眼段的延伸， 石千峰组及石盒子组地层泥岩 浸泡时间的延长 ， 较高环空静液柱压力使上部地层 发生漏失的问题 ， 保证了井下安全。 5 在二开大斜度 裸眼段钻进过程 中 ， 采取边 钻进边划眼和短起下钻的措施 ， 降低 了液柱压力 ， 预防了砂层 漏 失， 降低 了含 砂量 ， 改善 了泥 饼 质 量 ， 避免了岩屑床 的形成 ， 提高 了润 滑性 ， 防止 了 压 差卡 钻 。 6 水平段采用 1 2 7 ． 0 mm替代 了 8 8 ． 9 mm 钻杆 ， 大大降低了钻柱压耗 ， 以及对地面钻井泵的要 求 ， 钻头水马力较以往提 高了 1 0 0 0 以上 ， 最终达 到了以水力为主要破岩方式的 目的。 7 由于在 3 7 9 5 ． 0 0 ～3 9 5 5 ． O 0 m井段钻遇 了 1 6 0 ． O 0 m泥岩 ， 为了保证井眼顺畅 ， 确保 下套 管顺 利 ， 使用 3套通井钻具组合进行通井， 最终使井眼顺 畅， 套管顺利下至井底 。 8 在 钻井过程 中， 利用 We l l p l a n软件进行两 方面的工作 一方面， 进行钻具受力、 临界转速和疲 劳破坏系数分析 ， 从而优选合适的钻具组合、 确定合 理的钻井参数 、 保证钻具受力合理 ； 另一方面， 进行 井眼清洁分析 ， 以指导适 时调整钻井液 的性能及流 变参数 ， 增强钻井液的携岩性能， 尽可能减少岩屑床 的形成及降低岩屑床的高度 ， 并为其他保证井下安 全施工技术措施的制定提供参考 r- 。 4 结论与建议 1 苏 2 5 ～ 2 2 H井优化为二开井身结构 ， 并对其 工程设计进行优化后 ， 平均机械钻速与三开井身结 构井相 比得到显著提高， 钻井周期大幅度缩短 。 2 苏 2 5 2 2 H井 的成功实施为今后苏里格地 区水平井的完井方式及后期 的增产改造提供了更多 的选择 ， 建议在该地区推广应用。 参考文献 Re f e r e n c e s [ 1 ] 王中华． 国内超高温高密度钻井液技术现状与发展趋势__ J ] ． 石 油钻探技术 ， 2 0 1 1 ， 3 9 2 卜7 ． W a n g Zh o n g h u a ．S t a t u s a n d d e v e lop m e n t t r e n d o f u l t r a high t e m p e r a t u r e a n d h i g h d e n s i t y d r i l l ing f l u i d a t ho m e a n d a b r o a d _ I7 ] ． P e t r o l e u m D r i l l i n g Te c h n i q u e s ， 2 0 1 1 ， 3 9 2 卜7 ． [ 2 ] 汪海阁 ， 苏 义脑． 直井 防斜 打快理 论研究进 展E J ] ． 石油学 报 ， 2 0 0 4， 2 5 5 8 6 9 0 ． W a n g H a i g e ， Su Yi n a o ． Pr o g r e s s o f t h e o r e t ic a l r e s e a r c h OH d e v i a t io n c o n t r o l a n d d r i l l in g f a s t f o r v e r t i c a l w e l l s [ J ] ． Ac t a P e t r o l e i Sini e a ， 2 0 0 4， 2 5 5 8 6 - 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