准噶尔盆地火成岩钻井提速难点与技术对策.pdf

2 0 1 3年第4 1卷第3期 石 油机械 CHI NA P ET ROL EUM MACHI NERY ●钻井技术与装备 准噶尔盆地火成岩钻 井提速难点与技术对策 赵洪 山 冯 光通 1 _ 胜利石 油管理局钻 井工艺研 究院 唐 波 曾 敏 2 ．胜利石 油管理局石 油开发 中心 摘要 针对准噶尔盆地火成岩地层钻井现状、地层特 点以及钻井技术难点，开展 了气体钻井、 欠平衡／ 控压钻井、复合钻井、自动垂直钻井、井下减振增压破岩工具以及 随钻封堵钻井液等多项 提速技术适应性分析。分析结果表明，欠平衡／ 控压钻井技术通过精确控制井眼环空的钻井液柱压 力剖面，能减少钻进过程中的岩屑压持效应 以及起下钻期 间环空循环压耗 消失的影响，有利于 火 成岩地层的井壁稳定并提高机械钻速；气体钻井是解决火成岩地层机械钻速慢、井漏情况复杂的 首选技术。建议针对不 同火成岩 区块开展井壁失稳机理研 究，并尝试 高效钻头配合井下减振增压 破岩工具 以提高火成岩地层机械钻速 ，进一步探索有效解决火成岩地层钻井提速难点的技术手段。 关键词 准噶尔盆地 ；火成岩 ；井壁失稳；机械钻速；防斜快打 ；封堵技术 ；钻井难点 中图分类号 T E 2 4 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 3 ． 0 3 ． 0 0 5 Di ffi c ul t i e s i n I g ne o u s Ro c k Dr i l l i n g i n Dz u ng a r i a Ba s i n a nd Te c hn o l o g i c a l S o l u t i o ns Z ha o Ho n g s h a n Fe n g Gu a n g t o n g Ta n g Bo Ze ng Mi n 1 R e s e a r c h I n s t i t u t e o fD r i l l i n g T e c h n o l o g y ， S h e n g l i P e t r o l e u m A d m i n i s t r a t i o n 2 ． P e t r o l e u m D e v e l o p m e n t C e n t e r ， S h e n g l i P e t r o l e ． “ m A d mi n i s t r a t i o n 、 Ab s t r a c t I n l i g h t o f t he d r i l l i n g s t a t u s q u o，f o r ma t i o n f e a t u r e a n d d r i l l i ng t e c h n o l o g i c a l d i ffi c u l t i e s o f t h e i g n e ． O U S r o c k f o r ma t i o n i n Dz u n g a r i a Ba s i n，t h e a d a p t a b i l i t y a n a l y s i s o f s e v e r a l t e c h n o l o g i e s wa s c o n d u c t e d ．i n c l u di n g g a s d ri l l i n g ， u n d e r b a l a n c e ／ p r e s s u r e c o n t r o l d ri l l i n g ， c o mp o u n d d r i l l i n g，a u t o ma t i c v e i c a l d ri l l i n g ， d o wn h o l e d a mp i n g a n d b o o s t i n g r o c k b r e a k i n g t o o l a n d p l u g g i n g - w h i l e - d r i l l i n g d ri l l i n g fl u i d ．Th e a na l y s i s s h o ws t ha t t h e u n ． d e r ba l a nc e ／p r e s s u r e c o n t r o l d ril l i n g t e c h n o l o g y’s pr e c i s e c o n t r o l o f pr e s s u r e c r o s s ． s e c t i o n o f d r i l l i n g flu i d i n h o l e a n n u l u s c a n r e d u c e t h e c u t t i ng s h o l d d o wn e f f e c t i n t he d ril l i n g p r o c e s s a s we l l a s t h e e f f e c t o n a n n u l a r e i r c u l a t i 0 n p r e s s u r e l o s s d u r i n g t rip p i n g ． I t i s f a v o r a b l e t o t h e we l l wa l l s t a b i l i t y o f i g n e o u s r o c k f o r ma t i o n s a n d i mp r o v e me n t 0 f r a t e o f p e n e t r a t i o n ．G a s d ri l l i n g i s t h e fi r s t a n d f o r e mo s t t e c h n o l o g y t o h a n d l e s l o w r a t e o f p e n e t r a t i o n a n d c 0 mp l e x l o s t c i r c u l a t i o n i n i g n e o u s r o c k f o r ma t i o n s ． I t i s s u g g e s t e d t h a t r e s e a r c h o n we l l wa l l i n s t a b i l i t v me c h a ni s m i n d i fie r ． e n t b l o c k s o f i g n e o u s r o c k s h o u l d b e c o n d u c t e d，a n d t h e t e c h n o l o g y f o r i mp r o v i n g t h e p e n e t r a t i o n r a t e i n i g n e o u s r o c k f o rm a t i o n s b y me a n s o f h i g h e ffic i e n c y b i t c o mb i n e d wi t h d o wn h o l e d a mp i n g a n d b o o s t i n g r o c k ． b r e a k i n g t o 0 1 s h o u l d b e t r i e d ． Ke y wo r d s Dz u n g a r i a Ba s i n； i g n e o u s r o c k； we l l wa l l i n s t a bi l i t y； r a t e o f pe n e t r a t i o n d e v i a t i o n c 0 n t r o l a n d f a s t d r i l l i n g；pl ug g i n g t e c h n o l o g y； d ril l i n g d i f f i c u l t y 0 引 言 准噶尔盆地深部石炭系地层勘探潜力较大 ，尤 其是近年来在石炭系地层 中发现 了石西油气田、滴 西气田和五彩湾油气田等多个油气田，为此中石化 部署了乌参 1 井 、红 1井 、英 2井等多 口深探井。 根据前期已钻资料分析 ，石炭系地层主要以火成岩 基金项 目中国石油化工集 团公司项 目 “ 胜利准 噶尔盆地复杂深井优快钻井技术研究 ’’的部分研究内容 。 石 油机械 2 0 1 3年第 4 1卷第 3期 井周期 6 0 d ，大 幅提 高 了单 趟钻 进 尺 和行 程钻 速 卜引，达到了有效缩短钻井周期 的 目的。 目前 ， 孕镶金刚石钻头 涡轮钻具复合钻井技术已在元坝 气田该段地层得到了推广应用。 国内孕镶金刚石钻头的研制主要以胜利石油管 理局 钻井 工艺 研究 院为代 表。图 2为其生 产 的 Y K 2 1 6型孕镶金 刚石钻头 ，它采用刀翼加 P D C型 孕镶块相结合的复合切削结构 ，综合 了孕镶钻头和 P D C钻头 的优点 ，增 强 了钻 头对地 层 的适 应 性。 钻头主刀翼在钻头心部相连 ，中间焊接优质、低出 露的 P D C复合 片，加强 了钻 头心部 的切削 能力 ， 可 以有效防止钻头心部磨空现象的发生。推荐的孕 镶金刚石 钻头 高速螺杆 复合 钻井钻 具结 构为 2 1 5 ． 9 mm孕镶金刚石钻头 1 7 2 m m螺杆钻具 浮阀 1 5 8 ． 8 m m钻铤 9根 1 5 8 ． 8 m m震击器 1 3 9 ． 7 fi l m加重钻杆 9根 1 3 9 ． 7 mn l 钻杆 ；配套 钻井 参 数 为钻 压 5 0～1 2 0 k N，转 速 5 0～6 0 r ／ mi n ，排量 3 5 4 5 L ／ s ，立压 1 7～ 2 0 MP a 。 图 2 YK 2 1 6型 孕 镶 金 刚 石 钻 头 F i g ． 2 Mo d e l YK 2 1 6 i mp r e g n a t e d d i a mo n d b i t 2 高效牙轮 低速螺杆复合钻井 技术。高 效牙轮 低速螺杆复合钻井技术能够显著提高硬地 层的机械钻速 ，缩短深井钻井周期。应用该项技术 时 ，底部钻具组合及钻井参数的优选对于复合钻井 技术的发挥具有重要影响。为了使钻头达到最佳工 作状态，既要考虑地层岩石的性质 ，又要结合螺杆 本身性能。由于准噶尔火山岩地层硬度大、可钻性 差 ，采用高转速螺杆容易发生跳钻 ，造成钻头先期 破坏和井壁失稳 ，而采用低转速螺杆工作则更 平 稳 ，可以施加更大的钻压 ，因此关于螺杆钻具推荐 选用天津立林机械厂或北京石油机械厂生产的加长 多头数螺杆。为配合螺杆钻具的使用 ，牙轮钻头推 荐江钻股份有限公 司生产 的 M D 5 3 7 X或 MD 6 1 7型 钻头。该类型钻头具有适应高转速钻进 、保径能力 和稳定性强、可靠性高、 水力效果好和寿命长等特 点。2 0 1 1年 6月 ，乌参 1井试验应用 了高效牙轮 低速螺杆复合钻井技术 ，应用井段 4 8 5 5～ 4 9 2 1 i n ，单趟钻进 尺 6 6 1 T I ，平均 机械钻 速 1 ． 0 2 m ／ h ， 较常规钻具组合钻速提高 3 9 ． 7 ％ ，取得 了较好 的 提速效果。 3 ． 1 ． 3 井下减振增压破岩工具 井下减振增压破岩工具是一种集钻柱减振和井 底增压于一体的钻柱减振增压装置，其结构如图 3 所示 。它利用钻井过程中钻柱纵向振动所产生的井 底钻压波动作为能量来源 ，通过钻柱的纵向振动带 动井下柱塞泵的柱塞上 、下运动 ，利用钻压波动压 缩钻井液使之增压 ，并利用钻头上的特制喷嘴产生 的超高压射流 理论计算可达 1 0 0 MP a以上 进 行破岩 。根据工具破岩原理 ，深井地层越硬 、 施加钻压越大 ，提速效果越 明显 。 准噶尔盆地火成岩岩石致密、坚硬 ，局部含有 火山角砾岩 ，钻进过程中跳钻现象严重，采用井下 减振增压破岩工具既能够减小钻柱振动、保护钻头 和钻柱，又能够提高射流喷射压力 ，实现水力辅助 破岩。2 0 1 0年 1 0月 ，井下减振增压破岩工具在胜 利油田罗 6 9井 的 3 1 1 ． 2 mil l 井眼沙河街组高研磨 性地层 中进行 了现场试验 ，试验井段 2 2 0 0～ 2 9 1 0 m，下井时间 9 6 ． 7 h ，纯钻时间 6 1 ． 5 h ，平均机械 钻速 1 1 ． 5 4 In ／ h ，与邻井罗 6 8井相 同深度井段进 行对 比，机械钻 速提高了 8 6 ％，起 出后井下减振 增压装置与钻头均完好无损。建议下一步尝试高效 钻头配合井下减振增压破岩工具提高火成岩地层机 械钻 速 图 3 井下减振增压装置结构示意 图 F i g ． 3 S t r u c t u r a l d i a g r a m o f d o w n h o l e d a mp i n g a n d b o o s t i n g d e v i c e l ～单流 阀；2 一 碟簧；3 一外筒 ；4 一 活塞 ； 5 一 吸入阀 ； 6 一缸 套 ； 7 一喷嘴 。 3 ． 2 火成岩地层井壁稳定技术 3 ． 2 ． 1 欠平衡／ 控 压钻 井技 术 肿 2 0 1 3年第 4 1卷第3期 赵 洪山等 准噶 尔盆地火成岩钻井提 速难点与技 术对策 一 2 5一 钻井实践表明 ，井 内液柱压力与地层孔隙压力 之间的压差对钻井速度影响很大 ，采用欠平衡钻井 技术 由于井底处 于负压差状态 能够最大 限度 地减小岩屑的压持效应 ，提高携岩效果和钻头破岩 效率 ，从而提高钻进速度 。控压钻井技术通过精确 控制井眼环空的钻井液柱压力剖面，能够防止和处 理 由于环空 当量循环液柱压力过大或过小产生的井 漏 、井涌 、卡钻等复杂钻井情况_ 1 。 综合利用欠平衡钻井和控压钻井二者的技术优 点 ，井 口安装旋转控制头 ，通过调节环空当量循环 液柱压力略低于火成岩地层孔隙压力或略高于其坍 塌压力系数 ，钻进过程中保持稍微欠平衡可以实现 提速 目的 ，起下钻期间通过控制井 口压力维持过平 衡能够保持井壁稳定。因此采用欠平衡／ 控压钻井 时，钻进期间需要加强地层孔隙压力、坍塌压力的 预测及监测 ，以便及时调整钻井液密度保证井下安 全 。元坝地区 自流井 、须 家河组为高压低 产地层 ， 采用 常规 钻 井 方式 钻 井 液密 度 高 ，机械 钻 速低 0 ． 6 3 m ／ h ，在井壁稳定并且保证气体排放安全 可控制的前提下 ，元坝 1 O 、元坝 1 0 3 H井等多 口井 实施了欠平衡／ 控压钻井技术 ，将钻井液密度 由原 来的 2 ． 0 e m 降至 1 ． 6 g ／ c m 左右 ，机械钻速 同 比提高了 3 5 ％以上 J 。 3 ． 2 ． 2随钻 封堵 钻 井液技 术 高效钻井液技术是火成岩地层能否安全快速施 工的关键技术 。针对准噶尔火成岩地层岩性特点以 及井壁掉块 、井漏等复杂情况等特点 ，火成岩地层 的钻井液体系必须具有 良好 的封堵 防塌 、防漏性 能 ，提高钻井液对地层微裂隙的封堵能力 、润滑性 和护壁能力 ，以及对岩屑 或掉块 的悬浮能力 ， 从而保证井壁稳定及井下安全 ，为此推荐聚合物封 堵防塌钻井液体系。常规钻井液配方为 质量分数 4 ． O ％ ～ 6 ． 0 ％膨润土 质量分数 0 ． 2 ％ 一0 ． 3 ％磺 酸盐共聚物 降滤失剂 质量分数 1 ％ 一2 ％有机胺 抑制剂 质量分数 2 ％ 一 3 ％有机铝 质量分数 2 ％ ～ 3 ％低荧光井壁稳定剂 质量分数 0 ． 5 ％ ～1 ． 0 ％ 双聚铵盐 质量分数 3 ％ ～ 4 ％羧 甲基磺化酚醛树 脂 质量分数 0 ． 2 ％ 一0 ． 5 ％低粘羧 甲基纤维素钠 盐 质量分数 1 ％ ～ 2 ％无水 聚合 醇；其他处理剂 包括烧碱 、纯碱、堵漏剂 、硅氟稀释剂、抗高温抗 盐防塌 降滤失剂 、润滑剂 、双膜承压剂 、加重剂和 超细碳酸钙 。 钻进过程 中应严 格控制膨润 土含量 ，动 速 比 0 ． 4左右 ，防止粘切过高造成压力激动以及粘切过 低冲刷井壁 ，固相含量低 同时控制滤失量；保证钻 井液抑制性有效含量 ，有机胺 有机铝 磺酸盐 1 2～ 4 1 ；钻遇火成岩风化壳时 ，提高封堵类处理剂 用量，强化对风化壳封堵能力，提高地层承压能力 后再钻进 ；及时添加液体润滑剂或固体润滑剂 ，防 止因密度高 、孔 隙压力低造成粘卡 。另外 ，根据井 温情况及时补充磺化类材料、抗高温降滤失剂、高 温稳定剂等抗高温处理剂 。 英 2井是胜利油 田部署在准噶尔盆地陆梁隆起 北端石西凹陷的一 口风险探井。该井 2 0 1 2年 4月 完钻 ，火成岩地层钻进井段 2 9 2 1 ． 5～ 4 7 8 0 ． 0 m， 厚度 1 8 5 8 ． 5 i n 。应用上述高效钻井液体系并制定 专门的维护处理措施 、工艺 ，火成岩钻进期间井下 情况 良好 ，井眼通畅 ，没有发生井壁失稳情况 ，顺 利钻 达 完 钻井 深 4 7 8 0 m，平 均井 径 扩 大 率 为 1 2 ． 1 5 ％，且无井 径异常段 ，保证 了该井下套 管、 电测的顺利施工。 3 ． 3 火成岩地层防斜打快技术 由于准噶尔盆地火成岩地层多分布在山前构造 带或地层倾角较大地 区，钻进期间井斜问题较为突 出，其中乌参 1井 、哈山 3井等多 口井钻进过程 中 均出现了严重井斜问题。采用常规钻具组合 钟 摆钻具或塔式钻具 控制井斜 只能采取轻压 吊打 方式 ，是一种 以牺 牲钻速换取井 眼质量的被动方 法 ，而 自动垂直钻井则是一种能够实时防斜 、主动 纠斜 、提高钻井速度 的钻井技术。 为了打破国外的技术垄断 ，胜利石油管理局钻 井工艺研究 院开发 出 了适合 3 1 1 ． 2和 2 1 5 ． 9 mm 井眼的具有完全 自主知识产权的捷联式 自动垂直钻 井系统，并在贵州安顺 1 井等多 口井进行现场试 验。试验结果表 明，该系统的稳定性 、可靠性及寿 命得到了现场 验证 。2 0 1 2年 1月 ，捷联式 自动垂 直钻井 工具在安顺 1井 3 1 1 ． 2 m m井 眼二叠系玄 武岩地层中进行 了现场试验 ，试验井段 2 4 3 6 ． 0 0～ 2 6 1 0 ． 7 9 m，将井斜 由 6 ． 2 5 。 成功纠斜到了 0 ． 2 5 。 ， 并且平均机械钻速 1 ． 0 2 m ／ h，与常规钻进方式相 比机械钻速提高 了2 5 ． 9 ％，平均钻头进尺 8 7 ． 4 m， 同比提高了 1 8 ． 3 ％。 捷联式 自动垂直钻井系统采用动态推靠方式实 现钻进过程 中的主动防斜 、纠斜 ，主要由捷联式稳 定平台和防斜纠斜执行机构 2部分组成 ，其 中捷联 式稳定平 台是系统的核心 ，结构如图4所示。系统 工作原 理 钻井液推动 叶轮旋 转 ，带动 发电机 工 作 ，为测控短节和力矩 电动机提供所需 电能。测控 短节实时检测并处理各种传感器信号 ，然后 向力矩 电动机发送控制指令 ；力矩电动机接收测控短节的 一 2 6一 石 油机械 2 0 1 3年第 4 1卷第 3期 指令 ，对过流钻井液进行分配，通过钻铤内钻井液 与环空钻井液的压差推动活塞推靠井壁 ，使钻头处 获得反向作用力 ，实现有效 的防斜和纠斜 。 l 5 4 3 0 ， 图4 捷联 式 自动垂直钻 井系统结构示意图 F i g ． 4 S t r u c t u r a l d i a g r a m o f a u t o ma t i c v e r t i c a l d r i l l i n g s y s t e m 1 一叶轮 ；2 一 电源短节 ；3 一测控短节 ；4 一 伺 服 短节 ； 5 一 盘 阀 ； 6一 翼 肋 ； 7 一 钻 头 。 4结论及建议 1 准噶尔盆地火成岩钻井过程 中存 在地层 厚度大 、岩石坚硬 、可钻性差 、易发生井斜 、井漏 和掉块等技术难点 ，已成为制约准噶尔盆地石炭系 深探井钻井提速的瓶颈层段。 2 欠平衡／ 控压钻井技术通过精确控制井眼 环空中的钻井液柱压力剖面 ，能够减小钻进过程 中 的岩屑压持效应以及起下钻期间环空循环压耗消失 的影响，有利于火成岩地层的井壁稳定并提高机械 钻速。 3 气体钻井是解决火成岩地层机械钻速慢 、 井漏情况复杂 的首选技术 ；针对火成岩地层特点 ， 当无法继续 采用 气体钻井时 ，高效牙 轮 低速螺 杆 、孕镶金刚石钻头 高速螺杆复合钻井技术能够 显著提高火成岩地层的机械钻速和单趟钻进尺，从 而实现有效缩短钻井周期和降低钻井成本 。 4 建议针对不 同火成岩 区块开展井壁失稳 机理研究 ，并尝试高效钻头配合井下减振增压破岩 工具以提高火成岩地层机械钻速 ，进一步探索有效 解决火成岩地层钻井提速难点的技术手段。 参考文献 邢韦亮，吴艳，胡国利，等．易失稳火成岩气井 欠平衡钻井技 术关键[ J ] ．钻采工艺，2 0 1 0 ，3 3 6 1 21 4，4 8 ． [ 2 ] 郭小勇．火成岩地层井壁稳定技术研究进展 [ J ] ． 重庆科技学 院学 报 自然 科 学版 ，2 0 0 9 ，1 1 6 424 4． [ 3 ] 王建毅，赵前进 ，李建忠．欠平衡复合钻井技术存 牛东火成岩地层的研究与应用 [ J ] ．新疆石油天然 气，2 0 0 8 ，4 3 4 2 4 4 ，4 8 ． [ 4 ] 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 6～58． [ 5 ] 蒋晓红，刘其明，衡俊鹏．川 I 西大邑地区气体钻井 井壁稳定 性评价 研究 [ J ]．石油地 质与工 程， 2 0 1 1，2 5 29 59 8 ． [ 6 ] 赵保忠，高立新，秦丽娟．空气钻井技术在滴北 1 井的试验与应用 [ J ]．石油钻采工艺，2 0 0 8 ，3 0 4 81 1 ． [ 7 ] 张金成，张东清，张新军．元坝地区超深井钻井提 速难点与技术对策 [ J ]．石油钻探技术，2 0 1 1 ，3 9 6 61 0 ． [ 8 ] 赵洪山．元坝 1 2 4井超深井钻井关键技术 [ J ]．石 油天然气学报 ，2 0 1 2 ，3 4 5 9 1 9 4 ，1 2 0 ． [ 9 ] 魏文忠．底部钻柱振动特性及减振增压装置设计研 究 [ D]．东营 中国石油大学 华东 ，2 0 0 7 ． [ 1 0 ] 刘永旺．井下减振增压装置设计研究 [ D]．东 营 中国石 油大学 华东 ，2 0 0 7 ． [ 1 1 ] 樊朝斌 ，先齐 ，杨世军 ．准 噶尔盆地复杂火成岩 地层防漏堵 漏 控压 钻 井 技 术 [ J ] ．天 然 气 1 - 业 ， 2 01 1 ．3 1 9 8 89 2 ． [ 1 2 ] 孙峰，吕官云，马清明．捷联式 自动垂直钻井T 具 [ J ]． 石油学报，2 0 1 1 ，3 2 2 3 6 0 3 6 3 ． [ 1 3 ] 王锡洲 ．捷联式 自动垂直钻井工具的研制及现场 试验 [ J ]．石油钻探技术，2 0 1 0，3 8 3 1 3 1 6． 第一作者简介 赵洪 山，T程师 ，生于 1 9 8 0年 ，2 0 0 7 年毕业于中国石油大学 华东油气井工程专业 ，获博十 学位 ，现从 事 油 气 井 管 柱 力 学 方 面 的研 究 T 作 。地 址 2 5 7 0 1 7山 东 省 东 营 市。E m a i l z h a o h o n g s h a n 2 0 0 2 1 26 ．c o rn。 收稿 日期 2 0 1 2一l 0～ 2 4 本 史编辑王刚庆