河南油田直井钻机钻浅层水平井钻井技术.pdf

第3 2 卷第 2期 V0 1 ． 3 2 No ． 2 钻 采 工 艺 DRI UUNG ＆ P RODUCT I ON TE CHNOL OGY 河南油 田直井钻 机钻浅层水 平井钻 井技术 时江涛 ， 潘华峰 ， 杨文斌 ， 刘 军 ， 刘邦福 ， 赵威红。 ， 刘国红4 1中石化河南石油勘探局钻井公司 2中石油渤海钻探工程公 司华北第二钻井分公 司 3中石油渤海钻探工程公司华北第一钻井分公 司4中石油渤海钻探工程公司钻井工艺研究院 时江涛等．河南油 田直井钻机钻浅层水平井钻井技术． 钻采工艺 ， 2 0 0 9 ， 3 2 2 l l l 3 摘要井楼油田拥有丰富的浅层稠油资源， 采用常规直井钻机钻浅层稠油水平井开发因地面距 离目的层垂 直井段短 ， 使得 钻井完井工艺面临一些特 定的技术 难题 。属 超浅层 中短 丰径 大位 移水平井 ， 防碰 绕障 问题 比较严 峻， 施工难度较大， 针对施工难点， 采取了表层造斜、 优化井身结构和井眼轨迹及钻井液性能等相应的技术措施， 实 现了安全优质钻井。其中楼平 1井完钻井深5 2 8 i n ， 完钻垂深 1 5 9 ． 8 8 i n ， 井斜9 4 ． 7 5 。 ， 水平位移4 1 4 ． 1 7 m， 位垂比 2 ． 5 9 ， 成为当时国内应用常规直井钻机所钻位垂比第一的水平井。对同类似浅层大位移水平井施工有着重要的借 鉴意义。 关键 词 超 浅层 ；大位移水平井 ；中短半径 ；防碰绕障 ； 钻 井液 ； 套 管加压 中图分类号 T E 2 4 3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 6 7 6 8 X 2 0 0 9 0 2 0 0 1 1 0 3 水平井可使井眼在油层中有效延伸 ， 增大油层 采收面积 ， 用水平井开采稠油的产量是直井的 3～ 5 倍。浅层稠油油藏埋深浅， 油藏温度低 ， 在常温下原 油黏度极高， 开采 困难 ， 为增加原油 自然流动 的能 力 ， 目前稠油普遍采用蒸汽吞吐稠油热采。 河南油田井楼油田一二区东北部的主力层油层 埋深 1 5 0～1 9 0 IT I ， 油层埋藏浅、 压实及其成 岩作用 强度较弱 ， 地层胶结疏松。井区受地表村庄影响 ， 浅 层水平井位垂比可达到 2 ． 3～ 2 ． 6 ， 属于超浅层大位 移水平井 ， 区块上部浅层还蕴藏着大量 的天然气。 井 口场地非常有限， 即使在村庄 内的房前菜地中选 井 口也仅能摆放 3 0车载直井钻机⋯ 。 利用浅层水平井技术来开采村庄下面的难动用 储量， 部署 了四口水平井， 但工程难度太大 ， 通过研 究和现场应用 4口井， 达到了少井高产 ， 利用 4口井 开发了村庄下面的难动用储量。本文从井身结构设 计 、 井眼剖面优选 、 浅层高造斜率的实现方法及井眼 轨迹控制 、 钻井液 、 大尺寸套管柱的下人等方面进行 介绍。 一 、常规钻机钻浅层水平井技术难点 井完井因地面距离 目的层垂直井段短， 要求造斜率 高达 5 8 。 ～7 4 。 ／ 1 0 0 m， 而在疏松地层 ， 大尺寸井 眼 钻具造斜率难以保证且规律难 以把握 ， 大尺寸井眼 造斜率性能无法准确预测。油层垂深小 ， 井段调整 余量小 ， 井眼轨迹控制精度要求高。 2 轨道控制。浅层 第 四系、 第三系地层 流 砂层多 ， 成岩性差 ， 易垮塌， 造斜率低 ， 要考虑造斜率 能否达到地质要求。 3 井壁稳定 、 井眼清洗问题。 4 管柱加压 。由于要满足稠油热采井筒下人 双管的需要 ， 因此必须下入至少 0 1 7 7 ． 8套管。浅 层水平井垂深浅， 垂直段短 ， 下人 的套管柱 自重较 轻， 井眼曲率高， 0 1 7 7 ． 8套管刚性大， 弯曲变形后会 产生较大的摩阻力_ 2 ， 造成大尺寸套管下入十分 困难， 管柱下人需要配套井 口加压装置。 5 下套管和固完井。必须考虑套管串结构 ， 防 止套管扶正器下人过多导致套管无法下到设计位置。 二 、 研究 内容 1 ． 井身结构设计 1 井控安全问题和井深结构。浅层水平井钻 ． ． 采用 3 9 7表层套管封 隔上部流沙层 和 地表水的裸眼井段。 收稿 日期 2 0 0 9一O 1 0 9 河南油田 2 0 0 7年局重点科研项 目， 项 目名称 浅层水平井钻技术研究与应用 ， 编号 2 0 0 7 0 4 4 。 作者简介 时江涛 1 9 7 3一， 工程师， 1 9 9 3年毕业 于华北石油学 校钻井工程专业 ， 现在 河南油 K t 钻井研究 所从事定 向井技术工作 。地 址 4 7 3 1 3 2 河南省南阳宛城区河南油田钻井技术服务公 司， 电话 1 3 5 6 9 2 2 0 5 8 1 ， Em a i l a j r 7 3 0 4 0 8 t o m． 3 o l n 1 2 钻 采 工 艺 DRI LL I NG ＆ P RODUCT I ON T ECHN0L0GY 2 0 0 9年 3月 Ma r c h 2 o o 9 2 二开完井管柱使用 0 1 7 7 ． 8 套管， 射孔完井。 而大尺寸井眼为后期采油作业提供 了更大的作 业空间 ， 有利于后期冲砂作业 。此外 ， 大的完井尺寸 也利于注汽管柱的移 动， 以保证水平段在储层各部 分的均匀吸汽。 一 开 采用 0 4 4 5钻头钻至井深 2 0 m， 然后定向 钻至井深 7 0 m， 下入 0 3 3 9 ． 7表层套管 ， 封固表层疏 松地层及水层 ， 为二开安装井 口装置和安全钻井提 供可靠条件。二开 采用 0 2 4 4 ． 5钻头钻至设计靶 窗 A、 B点 ， 下入 01 7 7 ． 8套管 ， 水泥返至地面。 2 ． 井眼轨道剖面设计 井眼轨道设计在确保水平井钻井工艺和轨迹测 量工艺实现安全 、 顺利钻达地质 目标的前提下 ， 还应 考虑防碰要求。开发 目的层垂深浅 ， 结合 目前水平 井钻井技术 、 设备及工具能力 ， 选择“ 直一增一增一 稳” 四段制井身剖面 。该 剖面相对 简单 ， 工具选 择方便 ， 施工易于控制 ； 此外 ， 四段制剖面弯 曲井段 相对较短 ， 利于降低管柱下入摩阻。 3 ． 钻井液 一 开钻进时 ， 均匀地将胶液加入膨润土浆中， 控 制钻井液密度 1 ． 0 5～1 ． 1 0 g ／ e m ， 黏度 4 5 6 0 s 左 右 ； 二开采用聚合物乳化混油防塌钻井液 ， 并循环加 重至密度 1 ． 2 0 g ／ e m 保证井控安全 ； 使用好四级净 化设备， 及时清除钻屑和降低劣质 固相含量及含砂 量 ， 以稳定井壁 ， 降低摩阻 ； 该区块注蒸汽热采 时间 较长 ， 致使上部剥蚀层及油层底部灰色软泥岩 吸水 膨胀严重 ， 极不稳定 ， 钻进过程 中调整钻井液密度和 黏切 ， 增强钻井液造壁能力， 使井眼快速形成致密的 滤饼 ， 同时加足防塌剂改善滤饼质量 ， 将该井段处理 正常 ， 避免了井壁 大面积坍塌 ； 水平段地 层岩性疏 松、 胶结性差 、 易垮塌， 易漏失。同时钻井液又是完 井液 ， 因此要应用 “ 屏蔽暂堵技术” ， 增加润滑剂与 防塌剂的加量， 增强钻井液的润滑性和封堵 防塌能 力 ， 使钻井液具有 良好的悬浮携带能力； 及时短起下 钻破坏岩屑床， 保证井眼清洁 ， 以利于井下安全。同 时通过钻井液一级井控解决了钻井难题。 4 ． 井 口加压 4 ． 1钻 具 加 压 经计算 井 下滑 动钻进 时的摩 阻为 1 2 0～1 4 0 k N， 滑动钻进时所需的钻压为 4 0～ 8 0 k N， 而 1 0 0 m 内 1 2 7加重钻杆所提供的自重为 7 0 k N， 因此所需 的钻具外加压力为 计算摩阻 3 0 ％ ～5 0 ％附加系 数 一钻具 自重 ， 即 1 2 0～1 4 0 4 0～8 0 一 7 09 0 ～ 1 5 0 k N， 若采用 0 1 7 8钻铤则最少需要 9～1 5根 ， 直接进入高造斜率段达 2 0～8 O m， 从井下安全考虑 是不足取的； 采用 0 2 0 3钻铤加压只需要 58根 即 可满足钻进时的所需钻压。 4 ． 2套 管加 压 为保证井楼水平井完井套管安全下人 ， 自主研 发了套管 加压装置。经计算套 管下入摩 阻 1 2 3 ． 8 k N， 套管 自重 4 0 k N， 因此需要 8 3 ． 8 k N的外拉力 ， 自行研制设计的套管井 口加压装置能提供 1 0 0 k N 的井 口外加力 。在套管未遇阻时， 与正常下套管程 序相同， 在套管下人遇阻时 ， 通过下放加压装置下压 管柱 ， 协助套管的下入。加压装置具有结构、 操作简 单 ， 安全系数高。 5 ． 固井工艺技术措施 5 ． 1套 管的强度校 核 套管在弯 曲井眼内引起的弯曲应力会影响套管 的抗拉强度和抗 内压强度 ， 文献_ 5 介绍 了套管柱允 许下人的最大井眼曲率。 P． P Cm 1 6 6 9 3 式中 C 一套管允许通过的最大井眼曲率 ， 。 ／ 3 0 m； P 一套管螺纹的连接强度 ， k N； P ， 一套管已承受的有效轴向力 ， k N； D 一套管管体外径 ， e m； 考虑螺纹应 力集 中等 因素 的系数， 推荐为 1 ． 6 5； A 一套管管体截面积 ， e m 。 经对入井 管柱的校核计算 ， 选用 N 8 0和 P l l 0 以上钢级套管强度能够满足要求。套管的偏梯形螺 纹连接扣 B T C的抗拉强度和抗 弯曲破坏能力都大 于圆形螺纹连接扣 L T C， 因此 ， 人井套管柱全部采用 B T C扣 型 。 5 ． 2水泥浆 体 系优 选 根据该井对水 泥浆性能 的特殊要求 ， 进行了水 泥浆体系优选 ， 并根据大量的水泥浆室 内实验评选 出满足该井技术要求的水泥浆配方 G级水泥 石 英砂 抗高温 降失水 确保失水 3 0 m 1 早强 剂 膨胀剂 弥补体积收缩 ， 水泥浆的失水、 析水及 抗压强度等性能指标均达到了水平井固井的要求。 5 ． 3注 水泥工 艺技 术措施 1 注水泥前管线试压 1 5 MP a ， 保证施工连续 进行 ； 2 采用过渡罐注水泥 ， 水泥浆密度允许偏差 范 围 0 ． 0 2 g ,／ e m ； 3 注替过程均使用水泥车操作 ， 保证计量准确； 4 采用超量注水泥 ； 5 采用超量防塌剂。 第 3 2卷第 2期 V o 1 ． 3 2 No ． 2 钻 采 工 艺 D mL UN G＆P R O D U C 1 1 O N T E C HN O L O G Y l 3 三 、 现场施工 1 ． 造斜段轨迹控制技术 考虑到浅层地层疏松 ， 钻具造斜率偏低 ， 加之下 入的螺杆钻具弯度 已达到井眼能够通过 的极限， 要 实现设计 6 5 。 ／ 1 0 0 m的造斜率有一定 困难 ， 因此造 斜点在 2 0 m开始造斜。 一 开造斜段钻具组合 5钻头 0 1 9 7双弯 螺杆 0 2 0 3 无磁钻铤 0 2 0 3钻铤； 钻井参数 钻压 l 0～ 2 0 k N， 泵压 8～ 9 MP a ， 排量 3 2 l Ms 。 二开造斜段钻具组合 0 2 4 4 ． 5钻头 01 9 7双 弯螺杆 MWD短节 0 2 0 3无磁钻铤 2 】 3钻铤 01 2 7加重钻杆 0 2 0 3钻铤 ； 钻井参数 钻压 1 0～ 3 0 k N， 泵压 8～1 0 MP a ， 排量 3 2 L ／ s 。 钻井参数 钻压 1 0 3 0 k N， 泵压 8～1 0 M P a ， 排 量 3 2 L ／ s 。 由于表层套管磁干扰严重 ， 使用陀螺定位及单 点标记定向， 造斜钻进 中， 根据井眼轨迹控制， 需 要 先后起钻更换钻具结构， 并进行钻具倒换 ， 使施加钻 压的钻挺始终处于直井段及井斜较小的斜井段。 先绕障邻井 ， 钻至设计 的“ 着 陆点 ” ， 完成造斜 段的施工。造斜段平 均造斜率 6 6 。 ／ 1 0 0 m， 进入 A 靶点 ， 起钻下入 0 2 4 1单稳定器通井钻具组合通井 ， 并大排量清洗井眼。 2 ． 水平段轨迹控制技术 水平段钻具组合 0 2 4 4钻头 0 1 9 7单弯螺杆 十 MWD短 节 0 1 2 7无 磁钻 杆 十0 1 2 7斜坡 钻 杆 0 1 2 7加重钻杆 0 2 0 3钻铤 ； 钻井参数 钻压 5 0～ 8 0 k N， 泵压 8～1 0 M P a ， 排量 3 2 L ／ s ； 水平段靶窗高为 1 m， 钻进采用小度数单弯螺杆钻具配合转盘进行 复合钻进 ， MWD无线随钻仪器进行井眼轨迹监测 ， 根据测量数据及时调整水平段井眼轨迹 ， 继续实施 变方位三维绕障， 使实钻井 眼轨迹在设计靶 窗中钻 进直至完钻 。实钻情况见表 1 。通井完成后 ， 开始 下入 0 1 7 7 ． 8油层套管， 下人至井深 1 9 1 m处 ， 采用 套管加压装置 ， 使油层套管最终顺利下入 到预定井 深 ， 水泥返 出地面， 固井完成 。 表 1 井楼4口超浅层水平井完成情况 靶点垂深 靶点位移 中靶 完钻井深 完钻垂深 最大井斜 井底位移 水平段 长 钻井周期 井号 靶点 位垂 比 m m 精度 m m 。 m m d 楼平 A靶 l 5 5 ． 1 9 3 0 2 ． 1 1 O ． 8 x 4 ． 4 3 5 3 0 1 6 2 ．4 96． 28 4 07． 9 31 4． 9 2． 5l 2 7．1 3 2井 B靶 未到 楼平 A靶 l 5 9 ． 2 8 2 2 9 ． 6 2 0 ． 7 21 ． O 5 2 8 1 5 9 ．8 8 9 4． 75 4l 4． 1 7 2 97． 02 2． 5 9 l 2 1 井 B靶 1 5 9 ． 9 l 3 8 0 ． 3 5 0 ． 0 9 1 ． 1 2 四、 结论与认识 1 通过试验表明， 在河南油 田浅层松散地层 ， 采用普通直井钻机实施垂深 1 5 91 9 0 m、 井斜 9 6 。 、 位移 4 5 0 m， 位垂比在 2 ． 5 9以内的大位移水平井技 术进行稠油开采是切实可行的， 在设计技术、 钻井技 术方面取得了一定的进展 ， 为 国内其他同类油 田的 开发提供 了经验。 2 通过优化井身结构和轨迹设计 ， 实现 了在 流沙层 4 5表层 2 0 m造斜， 为二开造斜缓解 了压 力， 降低了摩阻 ， 为后期钻井施工奠定了基础。 3 钻井液的润滑、 携砂 、 与井壁稳定性能在浅 层水平井施工中应引起高度 的重视 ， 同时一级 井控 方案解决了钻井无法施工的难题。 4 通过实施浅层大位移水平井钻井技术 ， 必 须有井 口加压装置， 井 口加压能力所及至无法 滑动 钻进时， 应停钻分析， 防止因井下摩阻过大而导致套 管无法下到设计位置。自行研制设计的套管井 口加 压装置是可行的。 参考文献 [ 1 ] 范志国， 尹国栋 ， 鱼永云， 等． 浅层稠油水平井轨迹控制及 套管柱下入技术[ J ] ． 石油钻采工艺， 2 0 0 6 ， 2 8 4 1 4 1 6 ． [ 2 ] 庄保堂， 李黔 ， 邓传光． 中短半径水平井弯曲井段套管 受力分析[ J ] ． 钻采工艺， 2 0 0 6， 2 9 5 8 08 1 ． [ 3 ] 伊明， 刘晓兰， 顾维亮 ， 等． 水平井大尺寸完井管柱下人 摩阻计算探讨[ J ] ． 新疆石油科技， 2 0 0 5 ， 1 5 4 5 9 ． [ 4 ] 高德利， 刘希圣， 徐秉业． 井眼轨迹控制 [ M] ． 东营 石 油大学出版社 ， 1 9 9 4 ． [ 5 ] 苏义脑， 周煜辉， 窦修荣， 等． 钻井监督[ M] ． 北京 石油 工业出版社 ， 2 0 0 3 ， 0 5 ． 编辑 黄晓川