元坝124井超深井钻井关键技术.pdf

石油天然气学 报2 o l 2 年 5 月第 3 4 卷第 5 期 J ou r n al o f Oi l a n d Ga s Te c hno l o g y Ma y 2 01 2 Vo 1 ． 3 4 No 5 元坝 1 2 4井超深 井钻 井关键 技术 赵洪 山 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]元坝地 区地质 因素复杂，存在 陆相地 层 厚度大 、砂 泥岩 互层 频繁、可钻 性差 以及 自流 井组一 须家 河组地层 超高压、压力 窗 口窄等特 点，所钻 井 普遍存 在 溢流 、井漏 、垮 塌 等复 杂和 事故 ，机 械 钻速低 ， 施工周 期长 。元坝 1 2 4井是元坝地 区的一 口重 点预探 井，钻井 过程 中先后 实践应 用 了气体 钻井 、控 压钻 井等多项新技术 ，创造 了元 坝区块钻井周期最短 、机械 钻速 最 高等 多项记 录。 除 了我 国超深 井 自身气体 钻 井、控 压钻井技术水平较 以前 有 了大幅度 提升 外，下部 陆相地 层 引进 了 S mi t h公 司 “ 孕镶金 刚石钻 头 涡轮钻具”技术 、海相地层应 用 了 “ 国 民油井抗 高温螺杆 贝克休 斯高效 P D C钻头”复合钻 井 ，显著 提高 了机 械钻速 ，有效缩 短 了该 井钻井周 期。该 井平均机 械钻速 2 ． 8 m／ h ，钻 井周期 2 5 3 ． 8 4 d ，是 目前元 坝地 区钻 井周期最短 的一 口。 [ 关键 词]超深 井；气体 钻井 ；控压钻井 ；复合钻 井；孕镶 金刚石钻头 [ 中图分类号]T E 2 4 [ 文 献标 识码 ]A [ 文章编号]1 0 0 0 9 7 5 2 2 O l 2 0 5 0 0 9 1 0 4 元 坝地 区位 于 九龙 山构 造带 南翼 、通 南 巴背 斜带 西南 侧 、处 于川 中古 隆起 的北 部斜 坡 ，属于元 坝低 缓构造带的主体部分，具有发育大型礁滩相储层的沉积背景 ，是川气东送工程的重要能源接替阵地 。元 坝 1 2 4井作 为探 区一 口重 点 预探 井 ，设计 井深 7 1 2 0 m，于 2 0 1 0年 4月 2 2日 3 O 0开始 打导 眼 ，截 止 到 2 0 1 0年 l 2月 3 1 日 2 31 0三 开 钻 至 7 0 3 2 ． 4 9 m 全 井 完 钻 。全 井 平 均 机 械 钻 速 2 ． 8 m／ h ，钻 井 周 期 2 5 3 ． 8 4 d ，创 造 了元 坝 区块钻 井周 期 最短 、机 械钻 速最 高 等 多项 记 录 。与 之 前 元 坝地 区钻 井指 标 最好 的 元坝 1井相 比 ，全井 平均 机 械钻 速提 高 达 4 0 ，钻 井周 期缩 短 了 4 2 d ，为 今后 元坝 地 区 的钻 井施 工积 累 了宝 贵 的经 验 。 1 元坝地 区钻 井技术 难点分析 元 坝地 区垂 向上 复杂 地层 较 多 ，钻进 过程 中地 层不 稳 定 ，易 发生井 漏 、塌 、斜 等复杂 情况 ，钻 井施 工难 度较 大口 ] 。综 合 邻井 资料 分析 ，元 坝 1 2 4井钻 井施 工 主要存 在 以下 技术难 点 1 剑 门关组 地 层多存 在 裂缝 性漏 层 ，且 多数 井上 部有 微 出水 层 。 2 上沙溪庙组地层上部的微出水层 ，其承压不高 ，钻井液密度超过 1 ． 9 0 g ／ c m。时易漏 ；底部存在 垮塌 层 ，空 气钻 井难 以实 施 。 3 自流 井组 一 须 家 河 组 复 杂 地 层 有 3个 特 点 ① 油 气 藏 多 为 裂 缝 性 气 藏 ，钻 遇 高 压 层 泥 浆 密 度 2 ． 1 O g ／ c m。 才 能平 衡地 层 压力 ，压 力 窗 口窄 ，压井 时 易 出现 喷 、漏 同存 ；② 自流 井组 与须 家河 组 地层 的 砂 砾岩 层 可钻 性极 差 ，机 械钻 速低 、易发 生钻 具和 钻头 事故 ；③ 泥 岩段不 稳 定 ，易 出现掉块 卡钻 。 4 嘉陵 江组 地层 多井 钻 遇高 压盐 水层 ，对钻井 速 度造 成 了一 定影 响 。 5 雷 口坡组 、茅 口组 和 栖霞 组地 层局 部 有存 在高 压气 层 的可 能 。 6 长井段 、复杂 压力 体 系 、复杂 地层 条件 下 钻井 液维 护 和 固井 施工 难 度大 。 2 元坝 1 2 4井钻井关键技术 针对上述钻井技术难题 ，坚持科学钻井 的原则 ，一方面通过优化设计合理的井身结构 ，针对不同地 [ 收稿 日期]2 0 1 1 0 91 5 - [ 基金 项目]中国石油化工股份有限公司项目 G1 2 3 0 3 2 0 1 0 - QT 一 0 8 。 [ 作 者简介 ]赵洪山 1 9 8 0一 ，男 ，2 0 0 2年大学毕业 ，博士 ，工程师 ，现主要从事钻井工艺、油气井管柱力学方面的研 究。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石油天然气学报 * 油气田开发工程 2 0 1 2 年 5月 层 特点 优选 出合 适 的钻 头类 型 ，以及 加强 气体钻 井 、控压 钻井 技术 的研 究攻 关 ；另一 方面 尝试 引进并 应 用 国外 新技术 新 工艺 ，例 如 S mi t h公 司涡 轮钻 具配 合孕 镶金 刚石钻 头 、国民油井 抗高 温螺 杆配 合 贝克休 斯 HC D5 0 6 Z X 高效 P DC钻头 复合 钻井 ，通 过制 定合理 的施 工方 案 和措施 ，元 坝 1 2 4井 的超深 井 钻井 取 得 了不 错 的应 用 效果 。 2 ． 1 井身 结构优 化设 计 技术 元 坝探 区钻 井 普 遍 较深 ，钻 探 茅 口组 的井 已接 近 7 5 0 0 m，区域 压 力 系 统 也十 分复 杂 。2 0 0 9年 7月 之 前 ，主 要 采用 的井 身 结 构 是 “ 5 0 8 ． 0 mm 3 39 ． 7 m m 2 7 3． 1 mm 1 9 3 ． 7 mm j 2 『 1 4 6 ． 1 mm” ，各 开 次 下 深 见 图 1“ 原 方案 ” 。该 套 井 身结 构 存 在下 面 几 个 方 面 的 问题 l 6 ] ① 导 管 下 深 浅 ，不 能 有 效 封 隔疏 松 表 层 及 地 表水 ，导致 导 管 钻 进 过程 中发 生 多 次 渗漏 ，并严 重 影 响 了 下一 开 次 井 段 空 气钻 的实 施 ；② 表 层 套 管 下 深 浅 ，不 能有 效 封 固 上 沙 溪 庙 组 低 承 压 地 层 ， 给二 开带 来 了极 大 的风 险 ，引起 多起 故 障 与复 杂 ；③ 技 术 套 管不 能将 须 家 原方案 新方案 不能 1 3 有 -3 ／ 效 8 i n 封 x 2 隔 0 地 0 0 m1 3 3 ／ 8 i nx 2 O O O m表 水I 蓬 莱 镇 组 } 封 隔 疏 松 表 层 地 表 水 ● 遂 宁 组 不 能封隔低承压 层 上沙溪庙组 I 1 3 - 3 ／ 8 i n x 3 2 0 0 m 下沙溪庙组 封隔上沙 溪庙组低 承压麽 千佛岸组 自流井组 l 0 ．3 ／ 4 i n 4 5 0 0 m 须家河 组 不能封 隔低 高压层 雷 口坡组四段 l 0 3 ／ 4 i nx 5 2 O O m 雷口坡组三 四段 一 段 封 隔陆相高压 层和复 杂层 75／8inx6500m l 嘉 陵 江 组 飞 仙 关 组 嘉 陵 江 底 7inx井 底 长 兴 组 图 1 优 化 前 后 元 坝 地 区的 井身 结 构 对 比 河组 、雷 口坡 组 的高压层 位完 全 封 固 ，导致 雷 口坡组 、嘉 陵江 组地层 均使 用高 密度 钻进 ，增 加 了安全 风 险 ，同时受 密 度 的限制 ，许 多提 速措施 难 以实施 ，钻 井速度 大 受影 响 ，而且极 易发 生卡 钻事 故 。 为此 ，对探 区井身 结 构进行 了优 化设 计 ，详见 图 1“ 新 方案 ” ，新井 身 结构 增加 了 5 0 8 mm、 3 3 9 ． 7 mm套管 和 2 7 3 ． 1 mm 套 管 的下 深 ，有 效 封 隔 了复 杂 层 位 。同 时 ，新 井 身 结 构 设 计 “ 留有 余 地” ，如果在嘉陵江组钻遇高压层 ，则可以提前下人 1 9 3 ． 7 mm套管 ，采用 1 4 6 ． 1 ram尾管完井 ，使 得处 理井 下复 杂情 况 的能力 得到 了提 升 。 2 ． 2超 深 井钻 井新 技术 2 ． 2 ． 1 气 体钻 井技术 元坝 陆相 上部 地层 为 白垩系 以及 侏罗 系 的蓬莱 镇组 、遂 宁组地 层 ，地层 厚度 大 ，地层 岩性 不 均 ，以 泥岩 和石 英砂 岩 为主 ，岩性 多变 ，岩 石坚 硬 ，可钻 性差 ；但 地层相 对 稳定 ，没有 油气 层 ， 比较 适合 空气 钻井 E 8 1 o 】 。自垩 系下 部 地 层 普 遍 存 在 水 层 ，为 了保 证 空 气 钻 顺 利 实 施 ，元 坝 1 2 4井 导 管 设 计 下 深 6 9 1 m，采 用泡 沫钻 井 方式钻 进 。表 1为适 用 于元 坝地 区的气 体钻 井参 数表 。 元坝 1 2 4井导 管井段 4 0 6 9 1 ． 0 0 m采 用泡 沫钻 井 ，进尺 6 5 1 m，平 均机 械钻 速 4 ． 4 6 m／ h ，通过 合理 调整 气液 比 、增 加供气 量 、优化 钻 井参数 等技 术措 施 ，克服 了地 层 出水后 导致 的井下 复 杂 ，有效 解决 了 泡 沫钻 进过 程 中的井壁 稳 定性 等问题 。 一 开 6 9 】 ． 0 ～3 2 5 2 ． 6 8 m 井 段 使 用 空 气 钻 井 ，共 使 用 川 石 S J T5 3 7 GK 钻 头 2只 ，平 均 机 械 钻 速 】 3 ． 3 3 m／ h ，并 且单 只钻 头最 大进 尺达 到 了 l 6 9 8 ． 8 m，有 效 提 高 了上 部 大 井 眼井 段 的机 械 钻 速 问题 。考 虑空气钻井安全 的需要 ，主要采用塔式钻具结构防斜 4 4 4 ． 5 mm钻头 浮 阀十j 2 『 2 7 9 ． 4 mm钻铤 3 根 8 3 l 7 3 0接头 2 2 8 ． 6 mm 减 震器 1 根 2 2 8 ． 6 mm 钻 铤 6根 7 3 1 6 3 0接头 2 0 3 mm 钻 铤 8根 6 3 1 4 1 0接头 1 7 7 ． 8 mm 钻 铤 2 根 j 2 『 1 3 9 ． 7 mm 钻 杆 。 与元坝 l 井相比，元坝 1 2 4井空气钻机械钻速从元坝 1井的 9 ． 2 7 m／ h提高到 了 l 3 ． 3 3 m／ h ，提高 了 4 3 ． 8 ，提速效 果显 著 ，表 明空气 钻水平 较 以前有 了较大 幅度 提升 ，进～ 步加 快 了元坝 陆相 上部 地层 的 钻 井速 度 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 4卷第 5期 赵洪山 元坝 1 2 4井超深井钻 井关键技术 9 3 。 空气钻 泡 沫 钻 牙轮 牙 轮 牙轮 空气 锤 牙 轮 空气锤 牙 轮 牙轮 牙 轮 牙轮 4 5～ 6 5 4 5～ 6 5 5 5～ 6 5 2 5～ 3 o 5 o～ 6 5 2 5～ 3 o 5 o～ 7 o 5 o～ 6 5 5 5～ 7 0 6 o～ 7 5 2 ． 2 ． 2控压 钻 井技 术 元 坝陆 相下 部地 层 主要钻 遇 下沙 溪庙 、千 佛崖 组 和 自流井组 地 层 ，采 用 常规钻 井 工艺 时 ，钻 井速 度 慢 ，同时易 出现 地层 漏失 、压 差 卡钻 、钻 杆脱 扣 以及地 层孔 隙压 力 与破裂 梯度 之 间 的压力 窗 口狭 窄而造 成的既涌又漏等问题 ，使非生产时间增多 、井控难度加大。 采用 液 相欠 平衡 ／ 控 压钻 井技 术 ，井 口安装 旋转 控 制 头 ，可 以适 当降 低钻 井 液 密 度 ，解 决井 漏 或 降 低漏 失程 度 ，在保 证 安全 的前 提下 尽量 减 小 “ 压持 效 应” ，提 高 机械 钻 速 ，如 果 钻 遇天 然 气 发生 气 侵 时 可 以在进 行 压力 控制 的情 况下 边 处理 边钻 进 。在 自流井 产层 必 须用 能够压 稳 产层 密度 的钻井 液 近平衡 钻 开并 钻完 ，钻穿 后如 果气 层发 育 状况 不好 ，在 安全 的前 提 下可 以降低 钻井 液 密度继 续进 行控 压钻 井作业 至须 家河 产 层顶 部 以上 5 0 m。 元坝 1 2 4井 二开 钻进 过程 中采用低 密 度 、高压 射 流喷射 控压 钻井 技术 ，通过强 化钻 井参 数 ，水 眼截 面积 2 8 5 ． I ～ 3 3 9 ． 3 ram。 ，控 制 泥浆 密度 1 ． I 5 g ／ c m。 左 右 ，取 得 了不 错 的提 速 效 果 ，使 用 井 段 3 2 6 4 ～ 3 6 8 4 ． 1 I m，平均机械钻速 I ． 8 2 m／ h，比常规钻井液钻井钻速 元坝 1 井钻速 0 ． 9 2 m／ h 提高了近 1 倍 。 2 ． 2 ． 3涡轮 配 合孕 镶钻 头钻 井 技术 元坝 陆 相干 佛崖 ～须 家河 组 岩性 一般 为砂 泥岩 互层 ，地 层 软硬 交错 ，可 钻性极 差 ，特别 是 自流井 组 底 部 存在 大段 砾 石层 ，以及须 家 河组致 密 石英 砂岩 地层 ，研 磨性 极 强 ，易造 成钻头 过早 磨损 。元 坝 1 井 在 该 层段 钻进 时 平 均 机 械 钻 速 0 ． 9 4 m／ h ，机 械 钻 速最 小 的 0 ． 3 i m／ h ，单 只钻 头 进 尺 最 低 仅 为 4 ． 5 9 m。 机械钻 速 慢 、单 只钻 头进 尺少 、起 下 钻 趟 数 多 是 导致 元 坝 1井 全 井 钻 井 速 度慢 、钻 井 周期 长 的最 重 要 原 因 。 为 了解决 陆 相下 部地 层提 速 瓶颈 问题 ，元 坝 1 2 4井 引进 并应 用 了 “ 孕镶 金 刚石 钻 头 高速 涡轮” 复 合 钻 井技 术 ，如 图 2所示 ，共 计使 用 了 5趟 钻 ，进 尺 1 1 4 4 ． 7 6 m，平均 机 械 钻速 1 ． 2 I m／ h ，取得 了不错 的提 速效 果 ，为深 井 、硬 地层 、大尺 寸 井 眼 提 高 机 械 钻 速提 供 了一 套 全 新 的模 式 。其 中 涡 轮钻 具 的 优 点 ① 高 能量 效率 、高性 能 ，转 速可 以达 到 1 4 4 4 r ／ mi n ，是普 通 螺杆 的 5倍 以 上 ；② 工作 平稳 ，可 以减 少因为井下振动引起的损害 ，如碎齿 、胎体断裂、掉齿等 ，延长钻头寿命 ；③设计加工精细，没有橡胶 件 ，工作 寿命 长 ，可 在井 下工 作 4 0 0 1 0 0 0 h 。孕镶 金 刚石 钻头 是一 种 自锐性 钻 头 ，通 过磨 削 破碎 地层 ， 金刚石镶进钻头本体内，交叠设计可以保证钻头对井底全接触 ，并且金刚石耐磨性高 ，适合高转速 ，对 须 家河 组 高研 磨性 地层 比较适 应 。 尽管引进国外 “ 孕镶金刚石钻头高速涡轮”技术有效解决 了 自流井组 、须 家河组地层 的高强度 、 高研磨性问题 ，然而经对其费用计算 ，比采用国内常规高效牙轮钻进多花费了 3 8 0余万元 。 2 ． 2 ． 4 螺 杆 配合 P DC复 合钻 井技 术 元 坝 地 区海相 主要 钻 遇雷 口坡 、嘉 陵 江和 飞仙 关组 地层 ，地 层 压力 系数 较低 ，岩 性 主要是 膏岩 、灰 岩 、白云岩，地层坚硬 ，岩性单一 、均质 ，可钻性好 ，非常适合 P D C钻头的使用n 。高速螺杆与 P DC 钻头的配合使用与传统 的低转速转盘驱动相比，其 “ 低钻压和高转速”的特点可以大大提高机械钻速 ， m∞ ∞m ～ ～ ～ 卜 ～ 卜 ～ ～ ～ ～ ∞如∞K∞如∞ 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 2 O 石油天然气学报 * 油气田开发工程 2 O l 2年 5 月 [ 参考文献] [ 1 ]刘忠英 译 ．无水期注水 和采油速度对开发指标的影响 E J ]．石油勘探开发情报 ，1 9 9 0 ， 2 4 6 ～4 7 ． [ 2 3 Ok a n E，R a g h a v a n R ． A b r e a k t h r o u g h t i me c o r r e l a t i o n f o r c o n i n g t o wa r d h o r i z o n t a l w e l l s[ J ]． S P E 2 0 9 6 4 ，1 9 9 0 ． [ 3 ]P a p a t z a c o s P，He r r i n g T R． C o n e b r e a k t h r o u g h t i me f o r h o r i z o n t a l w e l l s I- J ]．S P E1 9 8 2 2 ，1 9 8 9 ． [ 4 ]程林 松，郎兆新 ，张丽华 ．底水驱油藏水平井锥进的油藏工程研究 E J ]．石油大学学报 自然科学版 ，l 9 9 4 ，1 8 4 4 3 ～4 7 ． E 5 3周代 余，江同文 ，冯积累 ，等 ．确定底水油藏水平井无水期合理产能的简单 方法 [ J ]．石油学报 ，2 0 0 5 ，2 6 6 8 6 ～8 9 ． [ 6 ]郭秀文 ．边底水油藏见水时间及无水期 采收率 的确定 [ J ]．断块油气田，2 0 0 3 ，1 0 1 5 1 ～5 2 ． [ 7 ]朱光有，张水 昌，王欢欢 。等 ．塔里木盆地北部深层风化壳储层的形成与分 布 [ J ]．岩石学报 ，2 0 0 9 ，2 0 5 2 3 8 4 2 3 9 8 ． [ 8 ]张抗 ．塔河油 田奥 陶系油气藏性质探讨 [ J ] ． 海相油气地质 ，2 0 0 0 ，5 3 - 4 4 7 ～5 3 ． [ 9 ]杨敏 ．塔河油 田区岩溶缝洞型碳 酸盐岩储层井 间连通性研究 _ J ]．新疆地质，2 0 0 4 ，2 2 2 ；1 9 7 ～1 9 9 ． [ 1 o ]胡广杰，杨 庆军 ．塔河油 田奥陶系缝洞型油藏连通性研究 [ J ]．石油天然气学报 ，2 0 0 5 ，2 7 2 2 2 7 ～2 2 9 ． [ 1 1 ]李爱国，易海 永，涂建斌 ，等 ．压力交会法确定 Z G气 田石炭系气藏气水界面 [ J ]．天然气工业 ，2 0 0 5 ，2 5 增刊 A 3 5 ～3 7 ． [ 1 2 ]李宗宇 ． 塔 河缝洞 型碳酸盐岩油藏油水界面变化 规律探讨 [ J ]．石油地质与1 二 程 ，2 0 1 o ，2 4 2 7 9 ～8 4 ． [ 1 3 ]陈志海 ，刘常红，杨 坚 ．缝洞性碳酸盐岩油气藏 开发对策一一 以塔河油田主体开发区奥陶系油气藏 为例 _ J ]．石油与天然气 地质 ， 2 O 0 5， 2 6 5 6 2 3 ～ 6 2 9 ． [ 编辑] 龙舟 上 接 第 9 4页 [ 参考文献] [ 1 ]李伟廷 ，侯树刚 ，李午辰 ，等 ．元坝 1 井超深井钻井技术研 究与应用 [ J ]．石油 天然气学报 ，2 0 0 9 ，3 1 3 8 4 ～8 7 ． [ 2 ] 张克勤 ．元坝地 区钻井难题分析与技术对策探讨 口]．石油钻探技术 ，2 0 1 0 ，3 8 3 2 7 ～3 1 ． [ 3 ]李伟廷 ．元坝 1井超深井钻井技术 口]．石油钻探技术 ，2 0 0 9 ，3 7 2 9 4 ～9 9 ． [ 4 ] 高航献 ，瞿佳 ，曾鹏珲 ．元坝地 区钻井提速探索与实践 厂 J ]．石油钻探技 术，2 0 1 O ，3 8 4 2 6 ～2 9 ． [ 5 ] 陈济锋 ，李根生 ，万立夫 ．川 I 东北地 区钻井难点及对策 [ J ]．石油钻探技术 ，2 0 0 9 ，3 7 6 4 8 ～5 2 ． [ 6 ] 陈明，窦 玉玲 ，李文飞 ．J I I 东北元坝区块井身结构优化设计 [ J ]．天然气技术 ，2 0 1 0 ，4 3 4 4 ～4 7 ． [ 7 ]王光磊 ，侯健 ，于承朋 ，等 ．元坝 1井钻井设计与施工 [ J ]．石油钻探技术 ，2 0 0 8 ，3 6 3 4 1 ～4 5 ． [ 8 ] 韩培 ．空气钻井技术在元坝 5井的应用_ J ]．西部探矿工程 ，2 0 0 9 ，3 1 1 0 6 6 ～6 9 ． [ 9 ]石祥超 ，万尚贤，孟英峰 ，等 ．气体钻井钻 速方程 的建立与验证 [ J ]．天然气工业 ，2 0 1 0 ，3 0 1 1 5 6 ～5 8 ． [ I o ]蒋晓红，刘其 明，衡俊鹏 ．川西大邑地区气体钻井井壁稳定性评价研究 E J ]．石油地质与工程 ，2 0 1 1 ，2 5 2 9 5 ～9 8 ． [ 1 1 ]孙海芳 ，韩烈祥 ，张治发 ．提高 四川深井超深井钻井 速度 的技术途径 [ J ]．天然气工业 ，2 0 0 7 ，2 7 6 5 7 ～6 o ． [ 编辑] 萧雨 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m