氮气欠平衡钻井技术的研究与应用.pdf

2 84 石油天然气 学报 江汉石油学院学报 2 0 1 0 年 2 月第3 2 卷第 1 期 J o u r n a l o f Oi l a n d G a s T e c h n o l o g y J ． J P I F e b ． 2 0 1 0 V o 1 ． 3 2 N o ． 1 氮气欠平衡钻井技术的研究与应用 李贵宾 长 江大学研究生学院， “k lM l 荆州4 3 4 0 2 3 ； 中国石油渤 海钻探第三 钻井公司， 天津3 0 0 2 8 0 万爱连，郭江辉 中国 石油渤海钻探第三 钻井公司， 天津3 o 0 2 8 o [ 摘要]氮气欠平衡钻井 UB D 技术适应于低压低渗透 、裂缝 油气藏、衰竭、边 际油气藏或是 曾经发生 钻井液漏失和压差卡钻 等需 要钻穿 复杂层 的地 区。它具 有保护 油气层 、提 高单 井产量 、提 高钻 井速度 、 减少 钻井事故及 井下复杂情况等优点。介绍 了氮气欠平衡 钻井 的关键设备 与主要工 艺流程， 以玉 门油 田 鸭 9 4 0井为例 ，介绍 了其实钻井身结构、氮气 欠平 衡钻 井的施工过 程及 所用 的井 口装 置、钻具组 合。给 出了氮气欠平衡钻 井注入参数的设计。最后介 绍 了氮 气欠平 衡钻 井技术所采 用的新工 艺，包 括混 油气举 降解 携砂钻进技术 、裂缝油藏负压 悬挂贯 眼完 井技术和全过程油层保护技术。 [ 关键词]氮气钻 井；欠平衡 ；钻具组合；机械钻速 [ 中图分 类号]T E 2 4 9 [ 文献标 识码]A [ 文章 编号]1 0 0 09 7 5 2 2 0 1 0 O 1 0 2 8 4 一O 4 玉 门油 田鸭 9 4 0 井 位于老君庙油 田志 留系潜 山顶部 5 6 6断块西北部 ，地层 为浅变 质岩 ，是一 个 以千枚 岩为主要储层的变质岩潜山。储层平均孔隙度为 2 ． 3 4 ，空气渗透率极小，具有低孔、低渗 、原油密度 高、粘度大、油层压力低、地层温度低等特点。之前该油田在志留系地层钻探了 5口常规油井，但地层可 钻性差 ，机械钻速低，油层污染严重，故采用氮气欠平衡钻井技术。氮气欠平衡钻井技术是以氮气为主要 循环介质 的欠 平衡钻井技术口 ] ，与空气钻井 技术相 比，最大 的优 势在于钻遇气层后不会 发生井下爆燃 。 鸭 9 4 0 井是一 口三开生产井 ，采用了氮气欠平衡钻井技术 。其平均机械钻速达到 4 ． 4 5 m／ h ，为邻井 的 3 ～5倍 ，在该井钻进过程中，共发现 3 套油气层，油气层发现率为 1 0 0 并最终获得 日产 1 5 t 的高产 油 流。对这 种成 功的钻井 工 艺技术 ，笔者 依次从 工艺 流程 、施工过 程 、井 口装 置 ，参数设 计等关 键环 节 进行了研究和介绍，以便为后续研究提供参考借鉴。 1 氮气欠平衡钻井的关键设备与主要工艺流程 1 关键设备氮气欠平衡钻井所需要的设备主要有井 口旋转 防喷器、欠平衡钻井的节流管汇 、地 面空压 机 、制 氮车 或液氮 供应 车等 。 2 氮气欠平衡钻井工艺流程首先将氮气增压后通过立管三通注入钻具 ，氮气通过钻头时会对钻 头进行冷却，同时完成携带岩屑的任务 。然后氮气和岩屑通过井 口进入排砂管线 ，排砂管线上安装一个 岩屑取样 器便 于取样 ，最 后到岩 屑池 。 2 氮气欠乎衡钻井技术实施研究与应用 2 ． 1实钻 井身 结构 以鸭 9 4 0井为例进行研究和说明氮气欠平衡钻井技术的实施过程和特点 。鸭 9 4 0井井深 2 9 1 9 m，采 用的是三开井身结构。一开井眼为 5 5 8 mm，二开井眼为 2 4 1 mm，三开井眼为 1 5 2 ． 4 ram，采用的 是筛管防砂完井方式。三开段采用了氮气欠平衡钻井技术。其井身结构如下图 1 所示。 [ 收稿日期]2 0 0 91 O一2 o [ 作者简介]李贵宾 1 9 6 8 一 ，男 ，1 9 9 1 年江汉石油学院毕业 ，高级工程师 ，硕 士生，主要从事钻完井技 术研究工作。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 2卷第 1期 李贵宾等 氮气欠平衡钻井技术的研究与应用 2 ． 2施工过 程 施工过程分 为钻前 准备、钻水 泥塞、 系统试 压和 钻进施 工 。 1 钻 前 准 备 施 工 前 须 注 意 1 7 7 ． 8 ram 技术 套管 引 鞋要 采用 水泥 制 作 ， 而且安装 旋转 控制 头 后校 正 井 口和井 架 ，要 求 天 车 、转 盘 、 井 口 三 点 一 线 误 差 小 于 1 0 mm，否则不 得开 钻 。 2 钻 水泥 塞 在 所有 的设 备 安 装完 毕 、 调试合格后 ，采用常规钻具组合下钻，钻水 泥 塞 。 3 系统 试压输气 管线连 接完 毕后 ，即 用制氮车进行试压。 4 钻 进施 工 将循 环 气 体转 换 为氮 气 ， 排量调节至 9 O ～1 0 0 m。 ／ i n i n ，启动转盘使转 速 达 到 7 0 r ／ mi n ，加 2 O～ 3 0 k N 钻 压 钻 进 ， 钻进 的 同时开启 自动点 火装 置 ，根 据 携 带情 况调节氮气的注人量，在排 出口设有专人坐 岗，监 视 喷势 的大 小 、油 、气 、水 以及 钻 屑 的返 出情况 ，并 随时 向施 工 总指挥 汇报 。 2 ． 3井 口装 置 图 1 鸭 9 4 0井 井 身 结 构 图 根据该区块地层压力情况 、邻井钻探情况和欠平衡技术标准 ，对氮气欠平衡钻井井 口装置进行设 计 ，结 果如 图 2 所 示 。 r I 囹 至] ． ． 一 匝巫互卜 图 2氮气欠平衡钻 井工艺流 程图 井 口装置主要有 欠平衡钻井使用 的旋转控制头，F H3 5 3 5环形防喷器和 2 F H3 5 3 5闸板 防喷器， 套管头和制氮气车 ，液氮泵车 ，加热炉和分离器等。其 中，液氮泵车主要 由牵引卡车、动力系统 高压 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 8 6 石油天然气学报 江汉 石油学院 学报 2 0 1 0年 2 月 液氮泵系统、液氮蒸发系统、液氮储罐和操作台构成 ，能够独立进行液氮储运 、泵注及转换工作。工作 原理为液氮从储罐流经各阀体 、滤清器进入液氮泵 ，增压后排出低温高压液氮，由蒸发器加热变为常 温高压氮气后用于施工。与普通井口装置相 比氮气欠平衡钻井井 口装置对井 口压力的控制能力和整体密 封性 更强 。 2 ． 4 钻具 组合 典型钻具组合为 1 5 2 ． 4 ram钻头 1 2 0 mm 浮阀 1只 1 2 0 ram单流阀 1只 1 2 0 mm钻铤 8 9 ram斜坡加重钻杆 8 9 ram斜坡钻杆j 2 『 1 2 0 mm ． 下旋塞 1只 1 2 1 mm单流阀 1 只 8 9 ram 斜坡钻杆 1 2 0 mm下旋塞 1只j 2 『 1 0 8 mm六棱方钻杆上旋塞。 氮气欠平衡钻井旋转控制头型号 W I LLI AM S一 7I OO EP。 钻 井参数 钻 压 2 0 8 0 k N，转 速 6 0 7 0 r ／ mi n ，氮 气排量 为 6 0 8 0 m。 ／ mi n 。 2 ． 5注入参数 设 计 通过计算 ，气液比在 4 5 1时 ，钻井液注入量 9 ． 5 L ／ s ，环空当量密度为 0 ． 6 5 ～0 ． 8 0 g ／ c m。 ；当气 液 比上升为 7 1 1时，钻井液注入量 9 ． 5 L ／ s ，井底环空当量密度是 0 ． 5 5 ～0 ． 6 0 g ／ c m。 ，这个密度范围 使 得欠 平衡钻井 时携 岩条 件得 到满 足 。 经软件模拟计算得知，当钻井液排量为 9 ． 8 L ／ s ，氮气排量为 3 8 m。 ／ mi n时 ，能满足携岩要求 。充 气钻 井 液在不 同井深 的模 拟状态 参数 如表 1 所示 。 表 1 氮气欠平衡钻井注入参数设计 研究分析得出结论 保持钻具 内压力恒定 ，试验点随着井深增加 ，固、液 、气三相返速降低，在 l O 0 0 m时下降到 1 ． 8 m／ s 左右 ，环空当量密度逐渐升高。 2 ． 6 复合钻 并技 术 氮气欠平衡钻井由于井 口的旋转防喷器 ，转速受到一定限制 ] ，机械钻速也因此受到限制。通过现 场试验 ，尝试在钻具组合中加入井下动力螺杆钻具以提高机械转速。经过试验，机械钻速提高明显，钻 速由原来的 2 m／ h ，提高到 8 m／ h ，提高了 4倍。复合钻井技术取得 了良好的效果。 2 ． 7 储层保 护与 压力控 制技 术 由于充氮气欠平衡钻进过程 中井底处于负压状态 ， 地层压力能完全释放，地层 中的流体 自由地流向 井筒并且由于井底处于负压状态从而使储层得到有效的保护 。因此 ，在氮气钻井和完井过程 中，如果有 任何环节进行压井作业 ，即液柱压力高于地层压力 ， 则井筒 中的有害液相也将会很容易地进入地层，造 成地层受到污染和伤害，使氮气欠平衡钻井失去保护储层的意义 。因此 ，如何在整个氮气欠平衡钻井和 完井过程中， 维持井底始终处于负压状态是此项技术的关键技术之一。 目前 国内实现全过程欠平衡钻井的主要手段有两种 ， 一是在技术套管 内安装套管阀， 利用套管阀的 开关，实现在起下钻和下入完井管串时处于负压状态 ；二是利用不压井起下钻装置，实现整个作业处于 负压状 态 引。 3 采用的新工艺 、新技术 3 ． 1 混油气举降解携砂钻进技术 钻 至 2 7 2 9 m 进人 油层后 ，稠 油直接 进入 井筒 ，钻进 中岩 屑被 原 油粘 附并 在井 壁 附着 堆积 ，泵 压从 正 常钻进 时的 8 MP a 升 高到 1 3 ～ 1 6 MP a ，气 举循 环 不 出岩 屑 ，上提 钻 具有 遇 阻 遇 卡现 象 ，无 法 正 常钻 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 2卷第 1期 李贵宾等 氮气欠平衡钻井技术的研究与应 用 进。经采用在氮气中混入适量柴油 ，降解井壁原油与岩屑形成的油饼环 ，氮气气举循环成功。气举循环 一 次耗 时 9 0 ～ 1 l O mi n ，泵压 在 1 3 ～1 6 MP a ，氮气 排量 为 9 O ～ 1 2 0 m。 ／ mi n ，每次气 举循 环消耗 柴油 3 m。 。 其后稠油越出越多 ，则每钻 2 0 m打入 2 ～3 m。 柴油 ，保证 了后期钻进的顺畅。 3 ． 2裂缝油 藏负压 悬挂 贯 眼完井技 术 实施氮气欠平衡钻井的 目的是最大限度地发现 、保护油气层和提高机械钻速 ，若采用传统的完井方 法 ，压井 、固井作业会对产层造成巨大伤害。针对鸭 9 4 0井低渗高粘特性 ，确定 的完井方式为筛管不固 井完井。该井成功应用原油压井后下人筛管完井 的方式 ，打破了以往气体钻井依靠不压井装置和套管阀 下套 管 的被动 局面 ，简化 了完井 工艺 流程 ，也节 约 了钻 井成 本 。 3 ． 3 全 过程 油层保 护技术 鸭 9 4 0井油层压力偏低 压力系数 0 ． 9 4 ，通过使用氮气欠平衡钻井，井眼液柱压力几乎为零。地 层流体在没有液柱压力的情况下得到释放 ，在钻至 2 7 2 6 ～2 7 2 9 m时气测值明显上升，紧接着排砂 口见 到原 油 喷出 ，点火成 功 。 使用氮气作为循环介质 ，实现了油层零污染。该井在完井过程 中使用无水原油压井 ，保证下人套管 时完全不伤害油层。完井后一次下人生产管柱 ，氮气气举诱 喷后若无 自喷能力可直接下杆式泵投产[ 4 ] 。 在钻井、完井、投产的全过程进行油层保护是该井实现高产的重要保证。 4 结 论 1 使用氮气钻井 ，钻速得到较大提高，较常规泥浆钻井提高了 5 ～1 0倍 。由于氮气欠平衡钻井井 筒压力低，钻头切削效率高 ，进尺快，大幅度降低 了单井钻头数量 ，缩短了建井周期。 ．2 氮气欠平衡钻井 ，井筒压力低，避免了泥浆钻井液对地层 的浸泡，利于发现和保护 目的层段所 有的大小油气层位 。 3 氮气钻井有利于保护环境。采用氮气钻井减少 了完井后处理钻井液的程序 ，节约了钻井液费用 和减少 了化工产品对环境造成的污染 。 4 氮气钻井的缺点 对设备要求高 ，成本相对较高；不适合稳定性差的地层 ，容易发生井壁坍塌， 造成井 下复 杂 。 [ 参考文献] [ 1 ]刘先刚 ．欠平衡空气钻井井场设备 I- J ]．国外石油机械 ，1 9 9 7 ，8 3 1 O ～1 2 ． 2 9 2 1 8 ～2 0 ． [ 2 ]许爱 ．气体钻井技术及现场应用 [ J 3．石油钻探技术 ，2 0 0 6 ，3 4 4 1 6 ～1 9 ． [ 3 ]刘伟 ，李丽 ，胥宏图 ．氮气欠平衡钻井技术在定向探井 中的应用 [ J ]．石油钻采工艺 ，2 0 0 7 ，2 9 2 1 8 ～2 0 ． [ 4 ]罗昭素 ，郭永恒 ，郎应 虎，等 ．空气欠平衡钻井技术在徐 深 2 1 井的应用 [ J 3．石油钻采工艺 ，2 0 0 6 ，2 8 5 1 6 ～1 8 ． [ 编辑] 萧雨 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m