塔里木奥陶系碳酸盐岩敏感性储层控压钻井技术应用.pdf

收稿日期2010- 06- 04 作者简介 石希天, 工程师, 1991年毕业于中原石油学校钻井专业, 现从事石油钻井工程井控技术及安全管理工作。地址 841000新疆 库尔勒市塔指塔中勘探开发一体化项目经理部, 电话 0996 2174665, 15276238256 , E- mail mghsde f163 . com 生产线上 塔里木奥陶系碳酸盐岩敏感性储层控压钻井技术应用 石希天, 肖 铁, 雷万能, 徐金凤 塔中勘探开发一体化项目经理部 石希天等. 塔里木奥陶系碳酸盐岩敏感性储层控压钻井技术应用. 钻采工艺, 2010, 33 6 130- 131, 140 摘 要 奥陶系碳酸盐岩地层压力系数低, 地层对钻井液液柱压力相当敏感, 钻井液安全密度窗口非常窄, 当 钻遇裂缝、 溶洞时, 就会表现出既喷又漏的现象, 严重时有进无出, 特别是钻遇高含 H2S井时, 为了控制 H2S进入 井筒, 只能采取过平衡钻进, 造成钻井液的大量漏失, 对储层造成伤害, 对于水平井, 安全问题更为严峻, 文章结合 塔里木油田一些现场实例, 重点介绍控压钻井新工艺的应用、 推广及复杂井灵活多变的压井方法。 关键词 塔里木油田; 敏感储层; 控压钻井; 技术应用 中图分类号TE 242 文献标识码A DO I 10 . 3969/ . j issn. 1006- 768X. 2010. 06 . 039 一、 地层特点 奥陶系碳酸盐岩储层, 压力系数低, 裂缝和溶洞发育, 虽 然碳酸岩地层相对稳定, 但产层对作用其上的压力相当敏 感, 几乎找不到平衡窗口, 经常出现溢漏同层的情况。塔中 奥陶系碳酸盐岩储层压力与漏失压力相近, 实施近平衡压力 钻井时的钻井液安全密度窗口小于循环附加压力, 钻井施工 中经常井漏和溢流同时发生, 常规钻井方法难以钻达设计井 深, 不能取全取准地质资料, 难以选择合理的完井方式; 采用 常规堵漏方法还容易造成对油气层的伤害, 解堵困难, 影响 对油气层的正确评价。 砂岩裂缝性超高压气层, 往往存在窄压力窗口, 现场作 业不易操作。 以 LG32井为例, 本井地层孔隙压力基本正常, 数值 1. 0 1. 1。本井对井段 3 000 . 00 6 610. 00m实时监测地层压 力, 并自动计算 Dc指数 碎屑岩地层 、Sig ma值 碳酸盐岩 地层 、 ECD 等参数, 由计算机打印输出。本井 Dc指数较为 正常, 与趋势线相符。 地层坍塌压力的分布规律与孔隙压力相似, 数值较低, 在 1. 0 1. 1, 井眼基本规则。但在 6 200 m以下地层钻进 时, 钻井液密度突然降低到 1. 05 g/c m3, 导致井径扩大 40 左右。本井破裂压力梯度从 2. 0上升至 2 . 3 , 破裂压力计算 值和实测值符合很好。 地应力的分布比较均匀, 奥陶系以上最小地应力系数在 1. 5左右, 最大地应力系数在 1. 6 1. 7之间, 上覆压力在 2. 1 2. 3, 随井深增加而增加。奥陶系地应力系数稍有降 低, 最小地应力系数在 1 . 3 1 . 4左右, 最大地应力系数在 1. 6左右。 二、 钻井难点 1地层压力压力敏感, 钻井液窗口窄。当钻遇裂缝、 溶 洞时, 即使钻井液密度与裂缝、 溶洞内充填的地层流体当量 压力系数相当, 甚至还低, 由于裂缝、 溶洞通道大, 在循环压 耗、 下钻激动压力等作用下, 也会发生钻井液与地层流体的 置换, 在实钻过程中就会表现出既喷又漏的现象, 严重时有 进无出, 而这种井一般是裂缝尤其是溶洞非常发育的井。 2气井井控难以掌握。常规压井方法不适用, 一旦提 高密度。就会走入恶性循环, 越压越漏, 井控难以掌握。 3含 H2S地层安全钻井难度大。为了控制 H2S气体 的溢出, 只能采取过平衡钻进, 造成钻井液的大量漏失。在 钻进过程中又喷又漏, 钻井液漏失量大, 对储层造成伤害, 对 于水平井, 安全问题更为严峻。 4稠油储层钻井复杂事故多。常规钻井也可能伴随井 漏, 此时若使用欠平衡钻井技术, 稠油将上返到井口附近结 块、 堵塞环空, 导致钻进困难。 5山前砂岩裂缝性超高压气层。压力高、 气量大, 溢流 关井后, 采用正循环压井时, 钻柱内的高密度钻井液有相当 部分进入储层, 同时置换出油气, 有时压井越来越困难, 出现 多次反复的现象, 反循环压井同样难以控制, 采用欠平衡钻 井时, 当井口压力升到一定高度就得关井、 压井。 6堵漏的难度大, 胜算少。实践证明, 有些缝洞发育尤 其是较大溶洞的储层, 走堵漏的路基本是走不通的。如果地 层具有较强漏失能力 如钻遇中大裂缝 , 则可能需要较大欠 平衡压差方可制漏, 较大的欠平衡压差将会导致较多的气体 涌入量, 这将增加井控安全的风险。 三、 欠平衡、 控压钻井的现状和应用实例 1. 塔里木油田欠平衡、 控压技术现状 130 钻 采 工 艺 DR I LL I NG shaffer旋转防喷器 1套。 油田还计划引进不压井起下钻装置, 为油田实施全过程欠平 衡提供装备保障。 2008年油田成立欠平衡中心, 隶属工程技 术部, 目前, 欠平衡现有专业技术人员有 10人, 而全油田从 事过欠平衡工作的技术人员共有 30多名。 2. 应用实例 2. 1 TZ62- 13H 井充气控压钻井 充气控压钻井参数设计原则 向钻井液中注入一定量的 气体, 降低钻井液当量密度, 同时降低循环所产生的摩阻压 力。在停止循环时, 停止注气, 通过井口回压调整井底压力 使其基本保持不变, 实现窄密度窗口地层的安全钻进。 TZ62- 13H井使用密度为 1. 18 g /c m3的聚合醇澎润土 浆体系作为充气基液, 在 5 23 m3/m in改变充气量的状态 下, 连续充气 210m in, 充气过程中对振动筛后的出口钻井液 密度进行测量, 振动筛处返出钻井液密度稳定在 1. 16 1. 17 g /c m3, 进出口钻井液密度差值稳定在 0. 01 0 . 02 g/c m3, 在 井深 4 719m, 进行了充气条件下的 MWD信号接收试验。在 基液排量 12 L /s , 充气量 5 m3/m in、 10m3/m in的情况下, 地 面信号接收均在充气 1 min后消失, 在停止充气后 15 24 m in内恢复, 充分说明在充气条件下, 目前的 MWD 设备难以 满足监测要求。 TZ 62- 13H 井试验充气控压钻井的程序是 在常规钻 井状态下监测到油气后, 转入注气求地层压力和地层产气 量, 根据测得的地层压力调整钻井液密度, 使其等于地层当 量密度附加 0. 02 g/c m3, 确定合理的注气量和回压控制, 实 施控压钻井。 钻进至 4 745 m, 钻时由 36 m in/m16 m in/m, 全烃由 0. 08 3 . 12 , 岩屑为灰色荧光灰岩, 转入充气控压试验 程序。由于地层产气量过小, 压力未能准确求取, 仅对充气 控压钻井流程进行试验, 控压钻进 16. 7 m。 项目组在 TZ 62- 13H 井进行了压力控制钻井的型式试 验并取得了一些宝贵的现场数据。但由于该井未钻遇良好 的油气显示, 未能获取较为准确的产层压力数据, 则未能在 地层产出油气的条件下进行控压钻井技术的试验。 TZ62- 13H井的井场布置如图 1所示。 2. 2满东 2氮气钻井 满东 2井志留系下砂岩段碎屑岩为低孔低渗储层, 该储 层流体性质和地层压力较为清楚, 井壁稳定, 产水量小, 目的 产层井段短, 满足气体钻井条件。 志留系下砂岩碎屑岩段气层液锁伤害相当严重, 压裂施 工困难, 压裂增产效果差。为了及时发现和评价储层, 避免 储层的主要伤害 液相伤害, 进一步探明满东 3号构造志 留系含油气情况, 在重点做好钻遇高压高产气流的井控和完 井工作基础上, 充分做好防火防爆防毒安全工作及欠平衡钻 井各种应急预案下, 采用氮气欠平衡钻井技术钻开满东 2井 志留系气层段。 该井储层埋藏深, 地层压力最高可能达 100. 06MPa , 井 深、 地层压力均为国内气体钻井之最, 于 2006年 8月 13日 10 00从井深 5 818 . 50 m开始氮气钻进, 于 8月 18日 6 35 钻至 6 200. 00m结束氮气钻进。累计进尺 381. 50m, 平均钻 时 9. 5 m in/m, 机械钻速为该井上部志留系 216mm 井眼 5 700 5 816m平均机械钻速的 8 . 8倍。该井未见良好显 示, 但实现了塔里木油田的首次氮气钻井, 创造了塔里木油 田深层小井眼的最高机械钻速, 同时创造了国内气体钻井井 深最深、 地层压力最高、 深层 149mm 井眼单只钻头纯钻时 间最长、 进尺最高纪录, 为高效勘探开发塔里木深部储层提 供了革命性的技术手段。 2. 3 TZ62- 11H 井精细控压 控压钻井 MPD对钻井行业是相对较新的一门技术, 国 际钻井承包商协会 I ADC定义 MPD技术为用于更好的在 全井精确控制环空压力的一种钻井流程 , MPD的目标在于 确定井下压力范围, 从而控制环空压力剖面, 减少井漏和井 壁失稳风险, 是对付恶劣钻井环境的关键技术。 以哈里伯顿控压钻井技术为例, 与常规控压钻井工艺相 比, 该技术增加井底随钻测压仪器、 自动节流管汇及回压补 偿循环系统等。对井下溢、 漏现象监测更加精确, 精度可达 0. 05 m3。对井底压力控制更加稳定, 基本接近地层压力, 能 实现真正意义上的控压钻井, 有望解决又喷又漏问题。 精细控压钻井使用低密度钻井液, 通过井底 PWD 测压 工具给地面提供实时的地层压力, 通过节流管汇提供合理的 井口回压, 在起下钻和接单根过程中利用回压泵配合自动节 流阀保持井底处于微过平衡状态。控压钻井是介于平衡钻 井与欠平衡钻井之间的一种 折中技术路线。它力图控制 井底压力不压漏地层, 利用低密度钻井液不污染油气层, 同 时又不发生过大的和不可控的溢流, 不可避免的溢流可及时 发现, 并可安全地排出。其优点为 在井漏情况下能够迅速 降低井底压力; 能够更早的检测到井漏、 井涌; 能够在井口迅 速提供回压, 阻止进一步井侵; 能够降低井底压力, 减少压差 卡钻的风险; 在井控状况下能够更好的控制井底压力, 能够 更好的保障钻井作业安全。下转第 140页 131 第 33卷 第 6期 Vo. l 33No. 6 钻 采 工 艺 DR I LL I NG 轴销 11、 方卡板 10和左右两个扭转弹簧 9组成的扭矩板, 分别连接在承压板左右两侧连接孔中; 方卡板绕轴销在水平 与垂直方向的 90范围内转动, 在弹簧的作用下方卡板绕轴 销限位在水平方向; 2个半方形方卡板 10形成左右对称的 正方形卡板, 套管螺纹预紧到位后, 方钻杆从扭矩板上部孔 中插入时, 推动 2个方卡板 10绕轴销转动到垂直方向, 方 钻杆接头通过后方卡板在弹簧的作用下复位至水平位置, 卡 板的方口卡入方钻杆四方部位; 扭矩板固定在底座 2的正上 部, 中心并与底座中心同轴; 带提环的两个插销 6, 分别插 入底座底板 7两侧的连接孔和底法兰 套管头 的法兰面 的法兰孔中, 连接固定底法兰 套管头 , 在方钻杆转动下带 动装置和底法兰 套管头 旋转, 达到紧扣的目的。 二、 试验及现场应用情况 底法兰 套管头 快速安装装置先后经历了多次现场试 验及改进, 于 2008年 8月完成了首件样品的试制, 并在胜利 油田 32532队进行了现场试验, 经过试验, 虽然能解决底法 兰 套管头 安装初始对扣的问题, 但紧扣时需要拆卸螺栓、 更换相应配件, 现场使用稍麻烦; 根据现场使用情况及时进 行了改进, 改进后的样品试制于 2008年 10月完成并分别在 胜利油田 32569队、 45700队上进行试验, 经过 10余口井的 现场试验证明, 应用该装置进行底法兰 套管头 安装可实现 对扣、 安装、 紧扣等作业一次完成, 可显著降低工人的劳动 强度, 消除安全隐患、 方便操作, 省时省力, 使长期以来用人 工装卸底法兰 套管头 的施工实现了机械化作业, 保证了安 装质量, 消除了过去人工施工过程中存在的安全隐患, 大大 提高了工作效率, 使用效果良好, 进一步的推广使用正在进 行中。 三、 结论 底法兰 套管头 快速安装装置的研制成功, 彻底解决了 困扰国内钻井队多年的底法兰 套管头 现场安装时易错扣 的难题, 消除了过去人工施工中存在的安全隐患, 仅 10 min 即可完成底法兰 套管头 的现场安装, 大大提高了工作效 率。是国内首次集对扣、 安装及上扣于一体的装置, 属国内 首创, 已申报国家专利。 参考文献 [ 1]中华人民共和国国家标准. GB /T20174- 2006石油天然气工 业钻井和采油设备钻通设备 [ S]. 3- 20 . [ 2]机械设计手册 第二卷 3版 [M ]. 北京 机械工业出版社, 2004. 8 70- 220. [ 3]SY /T5127- 2002井口装置与采油树规范 [ S]. 北京 国家发展 改革委员会, 2002 60- 120. 编辑 黄晓川 上接第 131页 该井控压钻进钻井液密度为 1. 08 g /cm3, 正常打钻控制 回压 1. 5MPa , 当量密度在 1. 15 g/c m3, 完井周期 120 d, 比设 计钻井周期提前 25 d完钻。该井从四开 4 862 5 843 m井 段实施精细控压钻井技术, 在顺利打完设计井深 5 452 m后, 又加深钻至井深 5 843m, 生产时效 100 , 精细控压钻井技 术在塔中 62- H11井钻进过程中成功运用, 高效打成了油田 首口碳酸盐岩大水平位移、 超深超长水平段的水平井, 为油 田今后碳酸盐岩水平井的钻探增添了新活力。 四、结论 1控压钻井技术利用了欠平衡钻井的思想、 方法和装 备让地层流体有控制的进入井筒, 从而有效地控制环空液柱 压力, 提高窄压力窗口、 高压高产气井等复杂条件下的钻井 安全性和钻井效益, 是欠平衡钻井技术的非欠平衡应用。 2控压钻井技术是相对较新的一种技术, 在塔里木油 田探井中得到了具有探索性质的应用, 取得了明显的效果, 目前, 塔里木油田将规模开发碳酸盐岩储层的油气资源, 随 着组织机构的建立、 专业人员的配备和计算机软件的配置以 及操作规程的初步制定, 控压钻井技术将逐渐完善、 普及, 并 逐渐成为常规钻井技术的一部分。 参考文献 [ 1]朱丽华, 向雪琳, 邓玉涵, 等. 控制压力钻井设备概述 [ J]. 钻采 工艺, 2010 , 33 3 43- 47. [ 2]石希天, 肖铁, 徐金凤, 等. 精细控压钻井技术在塔中地区的应 用及评价 [ J]. 钻采工艺, 2010, 33 5 32- 34 . 编辑 黄晓川 140 钻 采 工 艺 DR I LL I NG PRODUCT I ON TECHNOLOGY 2010年 11月 Nov. 2010