滴西火山岩复杂地层水平井钻井技术.pdf

第 3 4卷 第 5期 2 0 1 2年 9月 石 油 钻 采 工 艺 oI L DR I LLI N G PR ODUCTI oN TECHN oLo GY Vo 1 ． 3 4 N o ．5 S e p t ．2 01 2 文章编号1 0 0 0 7 3 9 3 2 0 1 2 0 5 0 0 1 8 ～0 4 滴 西火 山岩 复杂地层水平 井钻 井技术 范 志国 田 军 伍 郭 建良 张 宏阜 西部钻探定向井技术服 务公司 ， 新疆克拉玛依8 3 4 0 0 0 引用格式 范志国， 田军伍 ， 郭建良， 等 ． 滴西火山岩复杂地层水平井钻井技术 [ J ]． 石油钻采工艺。 2 0 1 2 ， 3 4 5 1 8 ． 2 1 ． 摘要 滴西火山岩气田地质结构复杂， 白垩系和侏罗系的疏松地层易井漏；三叠系、 二叠系的泥岩和 目的层石炭 系夹杂的 炭质泥岩、 煤层易坍塌；石炭系垂直裂缝发育， 易井漏；钻井液中堵漏介质影响MWD信号的传输、 给轨迹控制造成困难气 层 分布复杂 ， 水平段钻 进时需要 大幅度调整轨迹 。为此 ， 采用 了一 系列 的技 术措施 防漏堵漏技术 ；漏失 井段轨迹控 制技 术 ； 斜井段井壁坍塌机理描述、 防塌措施 ；斜井段通井划眼技术；曲折水平段降摩阻技术等。经现场应用这些技术， 加快了该区水 平井施工进度 ， 为今后 同类型 井钻进提供 了经验。 关键词滴西；复杂；水平井；火山岩；技术 中图分类号 T E 2 4 3 文献标识码 A Ho r i z o n t a l we l l dr i l l i ng t e c hno l o g y f o r Di x i v o l c a n i c c o mpl e x f o r ma t i o n F A NZ h i g u o ， T I A N J u n w u ， G U 0 J i a n l i a n g ， Z H A N GH 0 n g fi a Di r e c t i o n a l W e ll T e c h n o l o g y S e r v i c e C o m p a n y ， W e s t e r n Dr i l l i n g a n d E x p l o r a t i o n C o m p a n y ， Ka r a m y 8 3 4 0 0 0 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e g e o l o g y s t r u c R t r e o f Di x i v o l c a n i c g a s fi e l d i s c o mp l e x ． C r e t a c e o u s a n d J u r a s s i c u n c o n s o l i d a t e d f o r m a t i o n t e n d t o l o s s c i r c u l a t i o n ， a n d T ria s s i c a n d P e r m i a n c l a y f o r ma t i o n an d Ca r b o n i f e r o u s c a r b a r g i l i t e an d c o a l b e d t e n d t o c o l l a p s e ． Ca r b o n i f e r o u s f o rm a t i o n i s d e v e l o p e d wi t h v e r t i c a l f r a c t u r e s ， s o i t t e n d s t o l o s s c i r c u l a t i o n ． T h e s e a l i n g a g e n t s i n d ril l i n g fl u i d a ff e c t t h e t r a n s mi s s i o n o f MWD s i g n a l s ， w h i c h ma k e s d i ffic u l t i e s t o t r a c e c o ntr o 1 ． T h e g a s b e a r i n g l a y e r d i s t r i b u t i o n i s c o m p l e x ， s o i t n e e d a d j u s t t r a j e c t o r y s i g n i fi c a nt l y wh e n h o ri z o n t a l we l l i s p e n e t r a t e d ． T h e r e f o r e ， a s e r i e s o f t e c h n i c a l tre a t me n t s a r e t ak e n t o d e a l wi t h the i s s u e s ， i n c l u d i n g l e a k p r o t e c t i o n a n d s e a l i n g t e c h n i q u e s ， l e a k i n g s e c t i o n t r a c e c o n t r o l t e c hn i q u e ， we l l b o r e s l o u g h i n g me c h an i s m d e s c rip t i o n f o r d e v i a t e d we l l s e c t i o n a n d the a n t i - s l o u g h t r e a t me n t ， d e v i a t i o n s e c t i o n d r i f t i n g a n d r e a mi n g t e c h n i q u e s ， wi n d i n g h o r i z o nta l we l l f r i c t i o n r e d u c i n g t e c h n i q u e ， e t c ． T h r o u g h t h e a p p l i c a t i o n o f t h e s e t e c hn i q u e s i n fi e l d ， t h e h o r i z o nta l we l l d r i l l i n g p r o c e s s i s s p e e d e d u p ， wh i c h s u p p l i e s a n e x p e rie n c e f o r t h e s i mi l a r d r i l l i n g o p e r a t i o n s ． Ke y wor ds Di xi ； c o mpl e x； ho r i z o nta l we l l s ； vo l c a n i c r o c k； t e c h ni qu e 滴西井区位于准噶尔盆地腹部陆梁隆起东南部 的滴南凸起西端克拉美丽气 田， 钻井 目的是开发石 炭系气藏。该地区的主要层位是 白垩系、 侏罗系、 三 叠系、 二叠系， 以及石炭系等。造斜点在三叠系的克 下组 ， 斜井段要穿越三叠系 的克下组 、 二叠系的梧桐 沟组 ， 以及石炭系的巴山组。 该区块从 2 0 0 9 年实施水平井以来 ， 共完井 6口。 由于该 区块 的地层复 杂， 所钻 的 6口井均多次 出现 井塌 、 井漏等复杂情 况。有的动辄漏失上百方钻井 液 ， 有 的井长时间划眼通井 ；再 加上气层在平面分 布上不均匀 ， 水平段钻进时多次大规模调整井眼轨 迹 ， 这些 因素严重地影响了该气 田的开发进度。 基金项 目2 0 0 9年 中国石油天然气股份公 司科技攻关课题 “ 准噶 尔盆地裂缝性储层 欠平衡钻 井完井配套技术研 究” 。 作者简介 范志国， 1 9 6 4年生。1 9 8 4 年毕业于江汉石油学院钻井专业， 现主要从事水平井现场技术服务， 高级工程师。电话 1 3 8 9 9 5 6 9 4 7 7 。E ma i l g d 2 1 1 8 s o h u ． c o m。 范志国等滴西火山岩复杂地层水平井钻井技术 l 9 1 地层特征及施工难点 1 ． 1 上部疏松地层容易发生井漏 白垩系疏松 的细砂岩、 侏罗系三工河组 的粉砂 岩和八道弯组 的疏松煤岩地层漏失压力梯度低 ， 极 易发 生 井漏 J 。在 2 0 0 9年 部署 的 4口水 平井 中， 0 3 1 1 1T I 1T I 的裸眼井段从 白垩系钻穿到石炭系 ， 井段 跨度较大。为了对付三叠系和二叠系梧桐沟组易坍 塌的泥岩 ， 不得不提高钻井液密度 ， 造成上部井段严 重漏失 ， 漏失钻井液量动辄几百方。特别是在造斜 段施工时发生井漏 ， 严重影响施工工期和对井眼轨 迹的控制能力 。 l 2 三叠系克下 组和二叠 系梧 桐沟 组的泥岩容 易 坍 塌 [ ] 一 般情 况下 ， 原 始地层处 于力学平衡 状态 ， 当 钻穿新地层时， 这种平衡被打破， 不稳定地层就会 坍塌。该区的克下组和梧桐沟组的泥岩， 属于高蒙 脱石含量的水敏性地层， 极易吸水膨胀造成坍塌。 D X1 4 2 、 D X1 4 4水平井在该井段施工时就发生坍塌 现象 ， 造成提下钻遇阻 、 划眼。 1 ． 3 石炭系多次火山喷发相之间夹杂的岩性复杂 该 区石炭系属于多次火 山喷发相沉 积 ， 多次火 山喷发之间夹杂的岩性较多 ， 其夹杂泥岩、 炭质泥岩 及煤 层等 ， 容 易坍塌 。在 DX1 4 1 和 D X1 4 2水平井 施工过程 中， 均钻遇泥岩 、 炭质泥岩和煤层。 D X1 4 2 在施工过程中 ， 在 3 5 8 5 m 到 3 5 8 8 m井 段钻 遇容易吸水膨胀 的泥岩 ， 出现 大量泥岩掉块 。 在 3 7 4 1 m又钻遇炭质泥岩 ， 出现大量有核桃大小的 炭质泥岩掉块 。在上述井段提下钻时遇阻严重 ， 划 眼非常困难， 最后不得不注灰侧钻， 补下技术尾管。 D X1 4 1 井施工过程中 ， 在 4 4 3 9 m 到 4 4 7 3 m井 段钻遇煤层 ， 提下钻 、 划 眼非常困难 。振动筛返 出有 大量煤块 ， 不得不提前完钻。 1 ． 4 石炭系裂缝发育容易井漏 该 区石炭系的玄武岩 、 安 山岩 、 凝灰 岩、 花岗斑 岩等 ， 垂直裂缝 比较发育 ， 容易发生漏失 。相对于直 井而言 ， 水平井筒对垂直裂缝的暴露面积呈大幅度 增长 ， 其发生漏失 的概率远大于同一地 区直井发生 漏失的概率 。该区的 DX1 8 2 、 DX1 8 3 、 DX1 8 4等水 平井在石炭系均发生严重井漏。不得不加入核桃壳 等堵漏材料进行综合堵漏 ， 严重影 响了施工周期 和 对轨迹的控制能力。 1 ． 5 施工时多次调整井眼轨迹 由于是多次火山喷发相沉积 ， 气层分布复杂 ， 平 面分布上具有不均匀性 ， 即便是相邻 的两 口井 ， 气层 的位置变化都 比较大 。实际钻遇气层与预计气层往 往有较大差距。如 D X1 4 1 井在钻揭石炭系顶部时 就遇 到高压气层 ， 发生严重气侵。D X1 8 3水平井在 施工过程 中也多次调整井眼轨迹 ， 实钻 A点垂深 比 最初设计垂深下调 3 6 m。 DX1 4 2井原设计 A点井深 3 8 9 8 m， 实钻时直到 4 2 3 6 m才发现有价值的气层 ， 补下技术尾管 ， 比原设 计推迟了 2 3 8 m。四开水平段钻进过程中， 根据实钻 岩屑录井和气测显示情况 ， 又多次调整井眼轨迹 。最 终的井眼轨迹垂直剖面图是 “ 马鞍” 型， 如图 1 所示。 水 半 位 移 ／ m 图 1 DX1 4 2水平 井垂直剖面 图 由于 D X1 4 2水平井多次大幅度调整井眼轨迹 ， 使井 下摩 阻、 扭矩剧烈增加。在水平段施 工时静态 摩阻达到 2 0 0 k N 以上 ， 转 盘扭 矩达到 1 3 k N m， 增 加了井下事故的隐患。 2 施工时采取的技术措施 2 ． 1 易漏井段的技术措施 2 ． 1 ． 1 防漏堵漏措施在造斜 点以上井段钻进时 ， 在钻井液 中加入 1 ％以上的核桃壳或速胶堵漏材料 ， 以便 快速封堵漏失裂缝。如果有井漏 的发生 ， 就采 用综合堵漏的方法 ， 配以堵漏材料 1 0 ％ 以上的钻井 液打人漏失井段 ， 充分静止后采用分段洗井的方法 ， 逐步下放钻具直至井底。进人造斜点之前要对上部 地层 进行 承压实验 ， 提高上部地层 的承压能力。承 压堵漏时 ， 泵速控制为 5 - 1 0 冲／ mi n ， 按照“ 少量多次” 的原则进行憋压 。堵漏剂配方应兼顾材料颗粒的大 中小 、 软硬系列的复配 ， 提高其堵漏能力。承压堵漏 时要憋压 1 5 mi n以上 ， 井 口稳压要达到 3 MP a 以上。 2 ． 1 ． 2 漏失井段的轨迹控制技术造斜井段要钻穿 克下组 、 梧桐沟组 、 进入石炭系 ， 其 中梧桐 沟组和石 炭系有漏失井段。目前使用的随钻 MWD测量仪器 以钻井液为介质传播井下数据， 钻井液中带有堵漏 材料影 响仪器性能 的发挥 。在做井 眼剖面设计时 ， 易漏地层尽量采用稳斜钻进 ， 使用旋转钻进 的方式 快速穿过该地层。在造斜段发生井漏时 ， 要迅速提 钻 ， 甩掉仪器 、 螺杆 ， 用常规钻具充分堵漏 、 保证井眼 2 0 石油钻采工艺 2 0 1 2年 9月 第 3 4卷 第 5期 稳定后再进行造斜施工。 造斜井段如果井漏严重 ， 钻井液中必须带有核 桃壳等堵漏材料进行钻进作业， 可采用有线随钻测 量仪跟踪井眼轨迹数据， 保证井眼按预计轨迹运移。 应尽快探讨电磁波随钻测量仪器 E MWD 在深井 中的使用规律 ， 提高其井深使用 门限。 水平井段钻进时如果漏 失严重 ， 必须带堵漏材 料钻进时， 采用旋转“ 盲钻” 方式钻水平段。所谓“ 盲 钻” 方式就是在没有随钻测量仪器情况下， 依靠井下 钻具力学性质和钻进参数对井眼轨迹控制 。每钻进 一 定井段 ， 就用多点测量仪测取轨迹数据 。当然 ， 旋 转钻进 时对井眼轨迹 的控制能力还 与地层特性、 上 部井 眼的轨迹惯性等有关 。常用的旋转复合钻具有 如下几种 。 1 单弯螺杆钻具组合。 常用的螺杆有 O ．7 5 。 、 l 。 、 1 ． 2 5 。 等几种类型， 随着螺杆弯角 的增加 ， 其工具 能力也逐渐由微降斜改变为微增斜。 2 单弯螺杆 后置稳定器钻具组合。属于强 稳 斜钻具结构 ， 其稳斜能力 除了与地层特性 、 钻进 参 数、 螺杆参 数等有关外 ， 还与稳定器 的欠 尺寸量 有关 。 3 短钻铤 稳定器钻具组合 。如果把这种钻 具看成一个简单的支梁， 钻铤在钻压作用下产生纵 横弯 曲， 稳定器在最大饶度处 ， 则是稳斜钻具。随着 短钻铤长度 的增加 ， 也逐渐 由增斜钻具组合变为降 斜钻具组合 。 2 ．2 易坍塌井段技术措施 2 ． 2 ． 1 斜 井段地层坍塌的机理分析滴西气 田易坍 塌地层主要有克拉玛依组、 梧桐沟组的褐色泥岩 ， 石 炭系的泥岩、 炭质泥岩及煤层等。一般来说， 井壁的 坍塌是 由于地层 的原始应力受到破坏所引起 的。由 于受多重因素影响， 在原始地应力中， 三轴应力值大 小不一样 ， 即 6 x≠6 y ≠ 1 式 中， 和 分别是水平方 向的 2个 主应力 ， 是 垂直方 向的主应力 。 在直井 眼中， 地层坍塌方 向与最大主应力方 向 相一致。在斜井眼中， 诱发井壁坍塌的因素多且复 杂。井眼坍塌方向除了与最大主应力有关外， 还与 井眼走 向、 井 眼轨迹参数有关。笔者认为， 在井斜角 较小的情况下 ， 井壁 的坍塌倾 向于侧井壁 ；随着井 斜角的增加， 坍塌的井壁逐渐向上井壁扩展， 范围逐 渐扩大。 2 ． 2 ． 2 防止井壁坍塌的技术措施 为了抑制泥岩 的坍塌， 钻井液要有低失水、 良 好的滤饼等特性。如 果采用聚磺钻井液体系， 通过 、 c a 复合作用， 提 高钻井液的抑制性 ， 同时加大高聚物的含量 ， 提高滤 液 黏度。KC 1 的加 量不 低 于 5 ％， 大 分子 MA N1 0 4 的含 量 不 低 于 0 ． 5 ％， 通 过 加 人 MA N1 0 1 、 S MP 一 1 、 S P N H、 N P A N降低钻井液滤失量。加人磺化沥青、 Q C X 一 1 来改善滤饼的质量。如果使用有机盐无固相 钻井液体系， 其 w e i g h 2的含量要超过 5 0 ％， we i g h 3 的含 量要 超 过 2 0 ％。平 时维 护要 以加入 we i g h 2 、 w e i g h 3 为主， 保证钻井液的抑制性。 对于石炭系炭质泥岩或煤层的坍塌 ， 要适 当提 高钻井液的密度， 用液柱压力来平衡地层坍塌压力。 所用的钻井液密度要高于该井段的地层坍塌压力梯 度， 同时， 适当提高其黏度。 2 ． 2 - 3 坍塌井眼的通井划眼技术措施斜井 眼通井 划眼的关键是如何防止划 出新 台阶。一般来说 ， 高 造斜率井段 比低造斜率井段或稳斜段更容易划出新 台阶 ， 其 中井斜角在 3 O 。 到 6 0 。 之间是最危 险井段。 通井 、 划眼技术措施包括 2 个方面。 1 钻具组合。钻具组合的选择要考虑与井眼 的相容性 ， 常用 的钻具组合包括带动力马达的钻具 结构和不带动力马达的普通钻具结构。笔者认为 ， 如果选 择 带动力 马达 的钻具 组合 ， 其 马达参 数 和 作业方式尽量 与该 井段钻进 时的马达参数和作业 方式相一致， 特别是工具面角的选择二者要尽量一 致。不带动力马达的普通钻具组合包括①带稳定 器的钻具组合 ， 这种钻具组合 的优点是近钻头稳定 器支撑钻头较容易地进入增斜井眼 ， 其缺点是 由于 带有稳定器 ， 增大 了钻具与井 壁的摩 阻；②不带稳 定器的钻具组合 ， 这种钻具组合 的优点是钻具与井 眼之间的摩 阻较小 ， 其缺点是 在旋转划眼时钻头切 削下井 壁 ， 与原增斜井 眼 的相容性 差。施 工时 ， 具 体选用哪种钻具组合要根据井眼状况、 轨迹参数等 综合考虑。 2 通井划眼措施 。在斜井段严禁定点划眼。划 出新 台阶的一个重要 因素是划眼速度小于等于该井 段的钻进速度， 所以， 在保证安全的前提下尽量快速 通过。为了提高划眼效果 ， 对 遇阻严重井段可重复 多次划眼。 2 ． 3 水平段的降摩阻技术 儿加 大幅度调整井眼轨迹会使钻具摩阻 ／ 扭矩剧烈 增加 ， 影响管柱 的顺利下入和对钻头顺利施加钻压 。 较高的摩阻 ／ 扭矩还会使井下钻具受力复杂 ， 使其疲 劳损坏 ， 引起井下事故 。圆滑的井 眼轨迹是 降低摩 范志国等滴西火山岩复杂地层水平井钻井技 术 2 1 阻的重要条件 。为了避免井眼 曲率的大幅度变化 ， 水平段施工时 ， 若需要调整井眼轨迹 ， 采用 “ 分次定 向技术” 。所谓 “ 分次定 向技术” 是指将需要连续定 向增 降 斜井段予 以分解 ， 交替使用定 向滑动和旋 转复合钻进， 每次连续定向井段不超过 1 0 m， 使井眼 轨迹更加 圆滑 。 使用钻井专用软件对井 内钻具进行力学分析 ， 根据井 内摩 阻情况 ， 对下部钻具组合优选 ， 尽量使钻 具与井眼具有相容性。将加重钻杆放在井斜角小于 3 0 。 以上井段， 下部钻具全部采用 1 8 。 斜坡钻杆等柔 性钻具 ， 这些措施可以有效降低钻具摩阻。 曲折井眼 中钻具摩 阻剧烈增加 ， 水平段滑动钻 进时产生的摩 阻会使钻具产生螺旋弯 曲， 甚至发生 “ 自锁”现象， 无法有效地传送钻压。使用钻井软件 对下部 钻具摩阻进行 分析 ， 制定合 理 的钻进参数 。 表 1 是某井滑动钻进 时钻具所受 的轴向载荷 受压 为负值 。 表 1 滴西某水平井滑动钻进时受到的轴向载荷 滑动钻进时 ， 为 了使水平段按预计轨迹顺利延 伸 ， 要求司钻采用 “ 点送”控制钻进参数 ， 通过钻具 的瞬间震动来达到传递钻压的目的。 提高钻井液的润滑性 ， 使其有低的摩阻因数 ， 可 以有效地减少摩阻。从滴西施工实践来看 ， 油基钻 井液 的润滑性优 于聚磺钻井液体 系， 而聚磺钻井液 体系优于有机盐无 固相钻井液体系。 为 了防止钻具在高摩阻 ／ 扭矩 的井眼 内疲劳损 坏 ， 定期对钻具进行倒换 ， 改变其受力状态；同时提 高对钻具 的探伤频次 ， 保证井下安全。 3 结论及认识 1 滴西气 田采用水平井工艺对提高该区产能具 有重大意义。该区 6口水平井 的成功钻探为今后在 同类型井施工提供 了有益经验。 2 四开 四完井身结构应作为该 区水平井的基 本 井 身 结 构 加 以 推 广。 4 4 4 ． 5 l I l i n x 3 3 9 ． 7 mi l l 表 层 套 管 X 5 0 0 m封 隔 上 部 易 塌 地 层 、 安 装 井 口；03 1 1 ． 2 n l l n02 4 4 ． 5 mm技 术 套 管 进 入 三 叠 系 的 白碱滩 组 ， 封 隔八 道 弯 及 以上 的易 漏 地层 ； O2 1 5 ． 9 mm 01 7 7 ． 8 1 T ll n技 术尾管 进入石 炭系 ， 封 隔梧桐沟及 以上易塌泥岩地层 ；O1 4 9 ． 2 mm钻头 四 开 ， 裸眼完井。 3 除了地层因素外， 井眼轨迹参数对井塌井漏 等也有影 响。与直井 眼相 比， 影响斜井眼井壁稳定 的因素多且复杂。应继续探索影响斜井眼井壁稳定 的因素 ， 制定合理措施来消减和应对井下复杂情况。 4 继续探讨包括 电磁波 E MWD 在 内等以非 钻井液作为传播介质的井下测量仪器的使用范围， 提高其井深使用 门限 ， 保证在钻井液 中有堵漏材料 等特殊情况下对井眼轨迹的控制能力。同时， 继续 对下部钻具力学模型深入探讨， 定量分析其对井眼 轨迹的控制能力， 提高 “ 盲钻” 时的轨迹控制精度。 5 施工时需要多次调整井眼轨迹 。应从优化井 眼轨迹、 优选井下钻具组合、 提高钻井液的润滑性等 几方面人手 ， 降低摩 阻。还要采取对井下钻具定期 倒换 、 提高探伤频次等措施 ， 防止钻具疲劳损坏 ， 保 证井下安全。 参考文献 [ 1 ] 杨虎， 张伟， 凌立苏， 等 ． 准噶 尔盆地陆东裂缝性火山岩 钻探技术 [ J ]． 石油钻采工艺， 2 0 1 0 ， 3 2 4 2 2 ． 2 5 ． [ 2] 石秉忠， 蔡利山， 李斌， 等 ． 官深 1井超高密度钻井液性 能调控关键技术 [ J ]． 石油钻采工艺， 2 0 1 2 ， 3 4 2 4 1 ． 44． [ 3 ] 钻井手册 甲方 编写组 ． 钻井手册 甲方 [ M]． 北京 石 油工业 出版社 ． 1 9 9 0 ． [ 4] 范志国， 徐 秀杰， 于建克 ．KH W8 0 1 水平井窄间隙尾 管 柱下入技术 [ J ]． 石油钻采工艺， 2 0 0 4 ， 2 7 3 2 4 ． 2 6 ． [ 5 ] 郭建 国， 乔 晶， 朱静 ． 杜 8 4 一 馆 平 1 2 S形 三靶 水平 井 井 眼轨迹控制 [ J ]． 石油钻采工艺， 2 0 0 5 ， 2 7 5 8 - 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