桩129—1HF井钻井工程优化设计与应用.pdf

2 0 1 4年第 4 2卷第 1 2期 石 油机械 CHI NA PE TROL EUM MACHI NERY 一1 7 一 ●钻井技术与装备 桩 1 2 91 H F井钻 井工程优化设计与应用 贾江鸿 闫振来 窦玉玲 马庆涛 中国石化胜利石 油工程有 限公 司钻 井工艺研 究院 摘要 桩 1 2 91 H F井是 目前胜利油 田浅海水平位 移最大的一 口非常规水平井。为 了解决该 井钻井过程中存在的摩阻与扭矩大、井壁易坍塌、井下温度高和 固完井难度大等问题，通过分析 地质特点和邻井实钻资料，结合软件模拟计算，优选七段制剖面类型，确定三开次井身结构，三 开优化单弯双稳钻具组合 ，二开斜井段及三开优选聚合物有机胺钻 井液体系。优化设计后该 井平 均机械钻速 7 ． 0 7 m ／ h ，摩 阻控制在 3 0 0 k N 以内，水平段复合钻 比例高达 8 3 ． 5 5 ％ ，电测及下筛管 作业均一次成功。实钻效果表 明，较小 的全角变化率、减摩降扭工具和优 良的钻井液润滑性能是 大位移井减摩降扭的关键 ；合理的底部钻具组合可以增大复合钻 比例，提高机械钻速 ；聚合物有 机胺钻井液具有较强的防塌抗高温性能，能够满足深层大位移水平井的携岩护壁要求。 关键词 桩 1 2 91 H F井；大位移水平井；钻井工程 ；优化设计；摩阻；扭矩；减摩降扭 中图分类号 T E 2 2 文献标识码 A d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 4 5 7 8 ． 2 0 1 4 ． 1 2 ． 0 0 4 Dr i l l i n g Eng i ne e r i ng De s i g n Opt i mi z a t i o n o f W e l l Zh ua ng 1 2 9 1 HF J i a J i a n g h o n g Y a n Z h e n l a i D o u Y u l i n g Ma Q i n g t a o D r 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 ，S h e n g l i P e t r o l e u m E n g i n e e r i n g L t d ． ，S I N O P E C Ab s t r a c t T h e u n c o n v e n t i o n a l h o r i z o n t a l we l l Z h u a n g 1 2 91 HF c u r r e n t l y h a s t h e l a r g e s t h o r i z o n t a l d i s p l a c e ． me n t i n s ha l l o w wa t e r a r e a i n S h e n g l i o i l f i e l d ．I n o r d e r t o a d d r e s s t he h i g h f ric t i o n a n d t o r qu e ，wa l l c o l l a ps e， h i g h do wnh o l e t e mpe r a t u r e s a n d hi g h c o mp l e t i o n a nd c e me n t i n g d i ffi c u l t i e s ．t h e g e o l o g i c al f e a t ur e s a n d o f f s e t we l l s d r i l 1 ． i n g d a t a a r e a na l y z e d ．Co mb i n e d wi t h t h e s o ftwa r e s i mu l a t i o n ．t h e s e v e n ． s e g m e n t w e l l t r a j e c t o r y p r o f i l e a n d t h r e e ． s p ud we l l b o r e c o n fig u r a t i o n a r e s e l e c t e d ． The BHA o f s i n g l e b e n d P DM wi t h t wo c e n t r ali z e r s i s s e l e c t e d f o r t h e t h i r d s p ud ． Th e o r g a n i c a mi n e p o l y me r dr i l l i n g flu i d i s s e l e c t e d f o r t h e s e c o nd a n d t h e t hi r d s p u d ．T he we l l h a s a n a v c r a g e ROP o f 7． 07 m／ h， a n d c o n t r o l l e d f r i c t i o n o f l e s s t h a n 3 0 0 k N a n d a c o mp o s i t e d r i l l e d h o r i z o n t a 1 s e c t i o n r a t i 0 0 f u p t o 8 3 ． 55 ％ ． T he wi r e l i n e l o g g i n g a n d s c r e e n p i p e r un n i n g o p e r a t i o n s a r e s u c c e s s f u l l y d o n e rig h t t he fir s t t i me ．T h e o n s i t e d ril l i n g r e s u l t s i n d i c a t e t ha t t h e mi ni mi z e d r a t e o f o v e r a l l a n g l e c h a n g e ， f r i c t i o n a n d t o r q u e r e d u c i n g t o o l a n d e x c e l l e n t l u b r i c a t i n g p r o p e r t i e s o f d r i l l i ng flu i d a r e t h e k e y s t o r e d uc i n g t h e f r i c t i o n a n d t o r q ue o f e x t e nd e d r e a c h w e l 1 ． An o p t i mi z e d BHA c o u l d i n c r e a s e t h e p r o p o r t i o n o f c o mp o s i t e d ri l l i n g a n d i mp r o v e t h e p e n e t r a t i o n r a t e ．Th e o r ． g a ni c a mi Re p o l y me r d ril l i n g flu i d h a s a g r e a t p e rfo r ma n c e a t h i g h t e mpe r a t u r e wi t h a s t r o n g a n t i c o l l a ps e c a pa c i t y ， t h u s me e t i n g t he r e q u i r e me n t s o f c u t t i n g s c a r r y i n g a n d we l l b o r e p r o t e c t i o n i n d e e p e x t e n d e d r e a c h h o r i z o n t al we l 1 ． Ke y wo r d s we l l Zh u a n g 1 2 9 ～I HF； e x t e n d e d r e a c h ho riz o n t a l we l l ； d ril l i n g e n g i n e e r i n g； o p t i ma l d e s i g n； f r i c t i o n； t o r q u e； f r i c t i o n a nd t o r qu e r e d u c t i o n O 引 言 大位移钻井存在井眼轨迹控制难度大 、井眼清 洁困难、摩阻与扭矩大和不易下套管等缺点，国外 开展 了广泛研究 ，目前已形成 了大位移井 随钻测量 技术 、旋转导 向钻井技术 、随钻 环空压力测量技 术、先进的钻杆技术、钻井液技术及 固井技术等 ， 基金项 目国家 8 6 3计划项 目 “ 海上 大位移井钻完井关键技术开发与集成” 2 0 1 2 A A 0 9 1 5 0 1 。 石 油机械 2 0 1 4年第 4 2卷第 1 2期 国 内在 大 位 移 钻 井 技 术 方 面 仍 然 处 在 攻 关 阶 段 。桩 1 2 9 1 H F井是 目前胜利油 田浅海 水平 位移最大的一 口非常规开发水平井 ，也是 国家 8 6 3 计划项 目 “ 海上大位移井钻完井关键技术开发与集 成”的首 口阶段试验井。由于该井具有水平位移大、 砂泥岩发育和井下温度高的特点 ，给钻井设计及施 工带来诸多难题 。鉴于此 ，笔者开展了桩 1 2 91 H F 井的钻井工程优化设计研究，对配套工艺技术进行 可行l 生 分析 ，形成 了适合该 区块长水平段水平井的 钻井施工方案，从而确保该井的高效顺利施工，为 深层大位移水平井的钻井实践积累了宝贵经验。 1 地质概况及钻 井难点 桩 1 2 91 H F井是部署在济阳坳 陷沾化 凹陷桩 西潜山披覆构造桩 1 2 9一斜 1 0块 沙二段构 造较高 部位的一 口海油陆采井 ，区块受沉积基底及埕北大 断层影响和控制 ，构造形态 呈南低北高 的单斜 构 造 ，地层倾角为 8 。 。该井钻 遇地层从上到下依 次 是平原组 、明化镇组 、馆 陶组 、东营组 、沙一段和 沙二段。东营组发育断层 ，东营组至沙一段发育大 段泥岩 、砂 泥岩。沙二段储层上部 为薄层生物灰 岩 ，下部为粉砂岩、灰质粉砂岩 ，泥质质量分数为 1 2 ． 5 ％。邻井桩海 1 0 1 侧 井取心和地层测试 资 料显示 ，沙 二段 为 中孔 中渗 储 层 ，地层 压 力 为 4 4 ． 7 5 MP a ，地层温度为 1 4 5 ． 1℃ ，属于高压高温 地质系统 J 。 该井的主要地质特点是水平位移大 、大段砂泥 岩发育和井下温度高等 3方面 ，其钻井难点也表现 在 3个方面①近 3 2 0 0 m的水平位移 ，导致摩阻 和扭矩大 ，钻压传递困难 ；侧向力大 ，对套管偏磨 严重 ；循环压耗大，钻井液携岩效果差 ；轨迹平滑 度难以保证，完井管柱下人困难 』 。②大段砂泥 岩发育 ，容易引起井壁水化剥蚀 ，坍塌掉块 ，加之 裸眼段长，浸泡时间久 ，井身质量难以保证 ，影响 钻井安全_ 6 J 。③ 高达 1 4 5 o C的井底温度 ，动力 钻 具和随钻测量仪器工作环境恶劣 ，同时钻井液和水 泥浆的高温稳定性难以保证 ，影响钻井速度和固井 质量 一 2 井 眼轨道优化设计 地质设计 A靶垂深 3 3 4 0 m，控制靶点 K垂深 3 3 2 8 m，A靶与 K靶之间的水平距离为4 4 9 ． 1 4 m， B靶垂深 3 3 1 5 I n ，K靶与 B靶之间的水平距离为 4 0 3 ． 6 1 m。该井靶前位移 2 5 1 8 ． 6 0 m，设计水平位 移 3 3 9 6 ． 6 7 m，属于典型的深层大位移水平井 ，井 眼轨道设计的关键是降低摩阻和扭矩 ，提高机械钻 速。采用 We l l p l a n软件对斜面圆弧和悬链线这 2种 轨道类型在不同造斜点 、不 同稳斜角下的摩阻与扭 矩进行计算 ，结果如图 1 、图 2所示。由图可以看 出，在造斜点相同的情况下 ，稳斜角越大 ，滑动摩 阻越大 ；在稳斜角相同的情况下 ，随着造斜点深度 越大 ，滑动摩阻逐渐减小；造斜点 、稳斜角对扭矩 的影响没有规律。 Z 圜 镫 稃 艇 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0 1 2 0 0 1 4 0 0 造斜点 深度 ／ m 图 2扭 矩 与 造 斜 点 、稳 斜 角的 关 系 F i g ． 2 Th e r e l a t i o n s be t we e n t he t o r q ue a n d t h e k i c ko ff po i nt a n d t he h o l di n g a ng l e 该井滑动钻进摩阻和旋转钻进扭矩均较大，权 衡考虑二者都能保持相对较低的水平 ，优选造斜点 井深为 1 2 0 0 m。由于施工 中采用 常规钻井技术 ， 不采用旋转导向钻井技术 ，为了提高机械钻速 ，应 在稳斜段及水平段增大复合钻 比例 ，优选直． 增一 稳一 增 稳一 增一 平七段制剖面类型。根据国外大位移井钻 井经验及邻井实钻情况 ，考虑复合钻具在本区块地 层的自然增斜能力 ，适当降低井眼轨道的造斜率 ， 造斜率选择每 1 0 0 m为 4 。一8 。 ，以降低摩 阻和扭 矩 ，提高复合钻进的比例 ，减轻套管的偏磨 ，保证 钻具安全和完井管柱的顺利下人。桩 1 2 91 H F井 设计的井眼轨道如表 1 所示 。 O 0 O 0 0 0 0 0 O O 孙 如 勰 驺 “ 一 s ． z ＼ 辑 石 油机械 2 0 1 4年第 4 2卷第 l 2期 4 ． 2 减摩降扭工具 通过对减摩降扭工具安放位置和应用参数进行 优化 ，F M减摩降扭工具 见 图 5 在该井取得了 较好的应用效果 ，扭矩 由 2 4 k N IT I 降到 1 9 k N 1T I 。其基本原理是 将该工具连接在钻柱 中，钻柱 与外部不旋转防磨套之间相互转动，外部不旋转防 磨套与套管之间没有高速的相对转动 ，从而避免了 钻柱旋转磨损套管 ；另外 ，由于轴承摩擦副的摩擦 因数非常小 ，大幅度地降低 了扭矩。 图5 F M 减摩 降扭 工具 Fi g ． 5 T he FM f r i c t i o n a nd t o r q u e r e d uc i n g t o o l 4 ． 3 钻具组合与钻头选型 1 一开直井 段选用 塔式 钻具 或钟摆 钻具 ， 配合 S K G 1 2 4钻 头 ，吊打钻进 ，一开 增斜段 选用 1 ． 2 5 。 常规单弯动力钻具 ，配合 H A T 1 2 7钻头。 2 二开增斜 段选用 1 ． 2 5 。 常规单弯 动力钻 具 ，配合 H A T 1 2 7钻头。二开稳斜段上部选用欠尺 寸扶正器与单弯本体扶正块组合形成 的单弯双稳钻 具 ，配合 MD 5 1 7钻头 ，下部选用 2个满眼扶正器 中间接短钻铤 的双扶稳斜 钻具 ，配合 P D C钻 头 ， 达到稳斜钻进 、提高钻速 的目的。 3 为 了预 防卡钻 ，减小摩 阻和扭 矩 ，减轻 套管偏磨 ，对三开钻具组合进行优化 。尽量简化钻 具组合 ，采用 1 。 螺杆 欠尺寸扶正器 的单弯双稳 钻具组合 ，斜井段配合 MD 5 1 7钻头 ，水平段配合 高效 P D C钻头。在技术套管 内，钻杆增加防磨接 头 ，以减轻对套管的磨损。 5 钻井液设计 一 开及二开上部地层胶结疏松 ，钻井液的主要 作用是抑制地层粘土造浆 ，综合考虑提高钻速的需 要，推荐聚合物钻井液体系；二开下部东营组地层 坍塌掉块 ，根据非常规水基钻井液的应用情况 ，二 开造斜点以下推荐具有较强防塌性能的聚合物有机 胺防塌钻井液体系。 三开长裸眼斜井段及水平段 ，钻具躺在下井壁 上 ，加之施工中轨迹调整频繁 ，致使钻井过程中摩 阻和扭矩大 ，要求钻井液具有 良好的润滑性。为满 足完井作业 的特殊要求 ，水平段应保持较小的井 眼 扩大率 ，钻井液应具有更好 的防塌性 。另外 ，钻井 液还应具有较强 的携岩 、抗高温和保护油气层的能 力。综合考虑以上要求 ，三开推荐聚合物有机胺封 堵防塌润滑钻井液体系，同时优化 固一 液润滑剂配 比，增大液相和固相润滑剂加量 。 三开钻井液配方 二开钻井 液 1 ． 5 ％A P一1 3 ． 5％ S D1 01 1 ％ DS P 一2 0 ． 5％ DL P 一 1 1 ％ H Q一 6 1 ％乳化石蜡 4 ％胶乳沥青。 辅助处理剂硅氟稳定剂 、原油 、高效液体润 滑剂 、固体润滑剂。 6 固井设计 该井二 开封 同段较长 ，一 次性 固井施 T难度 大，水泥浆在大尺寸 、长井段环空中上返 ，易压漏 地层 ，造成低返 ；_一开井段位移大，轨迹平滑度难 以保证 ，导致摩擦阻力大 ，完井管柱下入困难 ；水 平段钻井液顶替效率低 ，加之井下高温对水泥浆性 能的破坏作用 ，影响固井质量；筛管顶部注水泥工 艺复杂，存 在较大 的施工风 险。针对 以上 同井难 点，从井眼准备 、套管下入和水泥浆配注 3方面进 行 固井优化设计。 1 钻井过程 中严格控制井 眼轨迹 和井 身质 量 ，确保井眼圆滑通畅。电测完通井 ，对起钻遇阻 遇卡井段 、缩径段和井眼曲率变化大的井段反复划 眼或进行短起下钻处理 。下入套管前以较大的排量 充分循环洗井 ，并在井底注入润滑钻井液 ，减小下 套管摩阻。 2 一开选用 内插法 固井 ；二开先注入漂珠 低密度水泥浆 ，再注入正常密度水泥浆 ，防止压漏 地层 ；三开采用塑性膨胀水泥浆 ，优选性能可靠的 筛管顶部注水泥工具 ，保证大位移井段的顶替效率 和 胶结质 量 卜 J 。 3 在提高套管居 中度方 面，直井段及斜井 段采用弹性扶正 器，安放 间距 控制在 4 0～6 0 n l ， 水平段采用刚性扶正器和弹性扶正器组合安放 ，间 距控制在 2 0～3 0 m。根据套管柱结构和扶正器安 放情况 ，采用 C a s i n g R u n软件对套管柱的可下人性 进行模拟 ，选择套管 内摩擦 因数为 0 ． 2 5 、裸 眼段 摩擦因数为 0 ． 4 5 。模拟结果显示 ，套管柱可 以顺 利下入 ，如图 6 、图7所示。 2 0 1 4年 第4 2卷第 1 2期 贾江鸿等桩 1 2 91 H F井钻井工程优化设计与应用 一 2 1一 皇 醛 姐 g 账 乙 L 拙 图 6 4 4 ． 5 fi l m技术套 管可下入性模拟 曲线 Fi g ． 6 Th e r un i n ho l e s i mul a t i o n c u r v e o f 2 4 4． 5 mm i nt e r me di a t e c a s i n g 图7 1 3 9 ． 7 mm尾管可下入性模拟曲线 F i g ． 7 T h e r ll n i n h o l e s i mu l a t i o n c t l r v e o f 0 1 3 9 ． 7 mm l i n e r 7 实钻效果分析 桩 1 2 91 H F井完钻井深 5 3 4 1 ． O 0 m，实钻水 平位移 3 1 6 8 ． 7 8 1 1 q ，钻井周期 1 0 8 ． 0 6 d ，平均机械 钻速 7 ． 0 7 m ／ h ，摩阻控制在 3 0 0 k N以内，最 高旋 转扭矩 2 2 ． 5 k N m，二开平 均井径扩大率 4 ． 5 ％ ， 三开平均井径扩大率 7 ％ ，水平段 复合钻进 比例高 达 8 3 ． 5 5 ％，电测及下筛管作业均一次性成功。该 井钻井设计及相关技术措施满足深层大位移水平井 的钻完井要求 ，保证 了该井的安全高效施工 。 8 结论与建议 1 优化设计井身结构 、井眼轨道 、钻井液 体系、钻具组合及固井技术措施等 ，尤其是钻井难 点的预测分析 、有针对性的措施和预案是钻井成功 的重要前提和技术支撑。 2 井眼轨道 的合理性 、减摩降扭措 施 的有 效性 、钻井液体系的配伍性及高温仪器的适用性在 现场施工 中得 到 了有 效验证 ，为 海上 滩 浅海 大位移井钻井工程设计与施工提供 了技术借鉴。 3 较小的全角变化率 、优 良的钻井 液润滑 性能是大位移井减摩降扭的关键 ，合理的底部钻具 组合有利 于大幅度提高机械钻速。 [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 1 0 ] [ 1 2 ] [ 1 3 ] [ 1 4 ] 参考文献 李克向．国外大位移井钻井技术 [ M]．北京 石 油工业 出版社 ，1 9 9 8 ． 韩来聚，周延军，唐志军 ．胜利油田非常规油气优 快钻井技术 [ J ]．石油钻采工艺 ，2 0 1 2 ，3 4 3 1 11 5． 罗鑫 ，匡建超 ，瞿 子易 ，等 ．济 阳拗 陷埕北 3 0 6一 桩海 l O下古生界缝洞型储层横向预测 [ J ]．石油 地球物理勘探，2 0 1 0 ，4 5 4 5 7 1 5 7 6 ． 赵金洲，韩来聚，唐志军 ．高平 1井大位移水平井 钻井设计与施工 [ J ]．石 油钻探技术 ，2 0 1 0 ，3 8 6 2 9 3 2 ． 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