吉木萨尔致密砂岩油藏工厂化水平井钻井技术.pdf
第 4 2卷第 6期 2 0 1 4年 1 1月 石 油 钻 探 技 术 P ETR LE UM DRI I I 1 NG TECHNI QUES V0 l _ 4 2 NO . 6 NO V ., 2 O1 4 . . 钻井完井 d o i 1 0 . 1 1 9 1 1 / s y z t j s . 2 0 1 4 0 6 0 0 6 吉木萨尔致密砂岩 油藏 工厂化水平井钻 井技 术 廖腾彦, 余丽彬 , 李俊胜 中国石油西部钻探工程有限公司定向井技术 服务公 司, 新疆乌鲁木齐 8 3 0 0 2 6 摘要 为提 高吉木 萨尔致密砂岩 油藏开发速度 , 降低钻 井成本 , 满足 大规模 开发 的要 求 , 进行 了致密砂岩 油 藏工厂化 水平井钻 井技 术研 究。根据 吉木 萨 尔凹陷的地 质特 点及 工厂化水平井的钻 井和 完井要 求, 将其设计 为三 开井身结构 , 并根据 工厂化水 平井钻 井的特 点制 定井眼轨迹控 制技 术措施 。在 重点防碰 井段利 用 L a n d ma r k软 件 进行防碰 扫描 , 防止 两井相碰 。选 用旋转导 向钻具和 螺杆 水力振 荡器钻进 定向 井段 和水平 井段 , 以提 高定向 井 段和水平井段 的钻速 。工厂化水平井钻井技术在吉木 萨尔 区块 不 同平 台钻 了 8口水平 井, 井眼轨 迹控 制 良好 , 与 设计吻合度 高, 成功 实现 了防碰绕 障, 2 平 台 2口水平井各绕障 1 1 5 m, 3 平台 1口井最 大绕障 2 6 5 m; 与 2 0 1 2年 所钻的 3口井相比, 造斜段和水平段的平均机械钻速分别提高了2 4 0 . 0 和 1 2 5 . 9 。这表 明, 致密砂岩油藏工厂 化水平井钻井技术可有效防碰、 降摩减阻和提高机械钻速 , 能满足吉木萨尔致密砂岩油藏大规模开发的要求。 关键词 致 密砂岩 油藏 工厂化钻 井 水平井 旋转导向 水力振 荡器 机械钻 速 吉木 萨尔 中图分类号 TE 2 4 3 . 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 0 8 9 0 2 0 1 4 0 6 0 0 3 0 0 4 A Fa c t o r y - Li ke Dr i l l i ng Te c hn o l o g y o f Ho r i z o nt a l W e l l s f o r Ti g h t S a n d s t o n e Re s e r v o i r s i n t h e J i mu s a e r Ar e a Li a o T e n g y a n,Yu Li b i n,L i J u n s h e n g Di r e c t i o n a l We l l Te c h n o l o g y S e r v i c e Co r p o r a t i o n, CNPC Xi b u Dr i l l i n g En g i n e e r i n g Co mpa n y Li mi t e d, Ur u mq i , Xi n j i a n g,8 3 0 0 2 6 , i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o a c c e l e r a t e t h e d e v e l o p me n t o f t i g h t s a n d s t o n e r e s e r v o i r s a n d r e d u c e t h e d r i l l i n g c o s t t o me e t t h e d e ma n d o f 1 a r g e s c a l e d e v e l o p me n t , t h e f a c t o r y - l i k e d r i l l i n g t e c h n o l o g y o f h o r i z o n t a 1 we l l s f o r t i g h t s a n d s t o n e r e s e r v o i r wa s r e s e a r c h e d . Ac c o r d i n g t o t h e g e o l o g i c a l c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e J i ms a e r a r e a a n d r e q u i r e me n t s o f f a c r o r y - l i k e d r i l l i n g a n d c o mp l e t i o n f o r h o r i z o n t a l we l l s , t h e c a s i n g p r o g r a m wa s d e s i g n e d i n t o t h r e e s e c t i o n s 。 a n d ma d e t h e t e c h n i c a l me a s u r e s o f c o n t r o l l i n g we l 1 t r a j e c t o r y b a s e d o n t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f c l u s t e r h o r i z o n t a 1 we l l s . L a n d ma r k s o f t wa r e s c a n n i n g wa s u s e d t o p r e v e n t t wo a d j a c e n t we l l s f r o m c o l l i d i n g a t k e y i n t e r v a l s 。 a n d t h e ROP o f d r i l l i n g d i r e c t i o n a l a n d h o r i z o n t a 1 s e c t i o n s wa s i mp r o v e d b y e mp l o y i n g a r o t a r y s t e e r i n g t o o l 。 t h e P DM a n d h y d r o o s c i l l a t o r . Th e t e c h n i q u e wa s a p p l i e d i n o r d e r t o d r i l l e i g h t h o r i z o n t a l we l l s i n t i g h t s a n d s t o n e r e s e r v o i r o n d i f f e r e n t p l a t f o r ms i n J i mu s a e r a r e a , a n d t h e we l 1 t r a j - e c t o r i e s we r e we l 1 c o n t r o l l e d . Th e y b a s i c a l l y me t t h e n e e d o f p l a n n i n g, wh i c h s u c c e s s f u l l y r e a l i z e d t h e a n t i c o l l i s i o n a n d d e t o u r i n g . Two h o r i z o n t a 1 we l l s i n p l a t f o r m 2 b y p a s s e d t h e b a r r i e r t o 1 1 5 me t e r s r e s p e c t i v e l Y, o n e we l l i n p l a t f o r m 3 e v e n b y p a s s e d t o 2 6 5 me t e r s .C o mp a r e d wi t h t h e t h r e e h o r i z o n t a l we l l s t h a t d r i l l e d i n 2 0 1 2, t h e a v e r a g e ROP wa s r a i s e d b y 2 4 0 i n t h e v e r t i c a l s e c t i o n a n d 1 2 5 . 9 i n h o r i z o n t a 1 s e e t i o n . Th e p a p e r s h o we d t h a t t h e t e c h n o l o g y o f f a c t o r y - l i k e d r i l l i n g o f h o r i z o n t a l we l l s f o r t i g h t s a n d s t o n e r e s e r v o i r c a n e f f e c t i v e l y p r e v e n t we l l c o l l i s i o n, r e d u c e d r a g a n d f r i c t i o n, i mp r o v e ROP s i g n i f i c a n t l y , a n d me e t t h e d e ma n d s o f l a r g e s c a l e d e v e l o p me n t o f t i g h t s a n d s t o n e r e s e r v o i r i n t h e J i mu s a e r Ar e a . Ke y wo r d s t i g h t s a n d s t o n e r e s e r v o i r ; f a c t o r y - l i k e d r i l l i n g; h o r i z o n t a l we l l ; r o t a r y s t e e r i n g; h y d r o o s c i l l a t o r ; r a t e o f p e n e t r a t i o n; J i mu s a e r 吉木萨尔凹陷位于准噶尔盆地东部隆起, 是在中 石炭统褶皱基底上沉积的一个东高西低呈箕状凹陷 的二级构造单元 , 其周边边界特征 明显, 三面被断层 封隔。 目的 层 芦 草 沟 组 全 凹 陷 均 有 分 布, 面 积 1 2 7 8 k m 2 , 厚度 2 0 0 3 5 0 m; 发育上、 下 2 个甜点体, 属于典型的致密油储层。储层岩性主要为厚层灰色 、 深灰色及灰黑色泥岩, 云质粉砂岩 , 白云质粉砂岩 , 泥 质粉砂岩 , 砂质泥岩, 灰质粉砂岩和灰质泥岩 。2 0 1 2 年 , 该区块部署并完成 了 3口水平井的钻探, 这 3口 收稿 日期 2 0 1 4 - 0 6 0 5 ; 改回日期 2 O 1 4 1 O 一 2 O 。 作者简介 廖腾彦 1 9 7 O 一 , 男, 四川邛崃人 , 1 9 9 6年毕业于石油大 学 华 东 石油工程专业, 工程师, 主要从事定向井钻井方面的技术_T - 作。 联 系方式 0 9 9 1 7 8 9 0 9 4 6 , q p h h y s i n a . c o m。 基金项 目 中国石油天然气集团公司科技项 目“ ‘ 工厂化 ’ 钻 完井作 业技术在页岩气开发中的研究应用” 编号 2 0 1 3 0 2 0 1 0 0 1 资助 。 第 4 2卷第6期 廖腾彦等. 吉木萨尔致密砂岩油藏工厂化水平井钻井技术 3 J 水平井从造斜段开始到完钻, 平均机械钻速只有 2 . 1 m/ h , 不能满足大规模开发的要求 。为了加快开 发节奏、 降本增效 , 该 区块试验应用 了工厂化水平井 钻井技术 , 并取得了较好的应用效果。 1 地层特点 吉木萨尔区块水平井钻遇地层从上至下为新生 界的第 四系、 新近系和古近系 , 中生界的 白垩系、 侏 罗系和三叠系 , 古生界的二叠系 目的层为二叠系的 芦草沟组地层 。新近系地层为泥岩与泥质粉砂岩 , 底部为杂色细砾岩 。古近系地层为红褐色泥岩、 泥 质粉砂岩和细砾岩。古近系与新近系地层 中泥岩发 育 , 易吸水膨胀 , 钻井过程中易出现缩径、 卡钻。侏罗 系地层主要为泥岩、 粉砂岩 , 泥岩水敏性强 , 钻井过程 中易出现井眼缩径、 垮塌。三叠系韭菜园组至二叠系 梧桐沟组地层 以泥岩、 含砾泥岩为主, 坍塌压力较高, 由地应力引起层理发育的泥页岩地层易发生硬脆性 坍塌, 因而井壁稳定性差 。韭菜 园子组 、 梧桐沟组和 芦草沟组地层裂缝发育 , 钻井过程中易发生井漏。 芦草沟组储层以云质粉细砂岩 、 砂屑云岩为主, 黏土矿物含量整体较低 , 坍塌压力低 , 井 眼稳定 性 好 。储层裂缝相对发育 , 含油丰度较高 , 具有三高两 低 原油密度 、 黏度和凝 固点高, 气油 比、 地层 压力 低 的特点 。 2 钻井技术难点分析 1 井漏、 井塌分析已完成 3口水平井的施工 情况可知 , 该区块井下故障主要为井塌和井漏, 发生 层位为韭菜 园组 T1 j 、 梧 桐沟组 P 3 wt 、 古近 系 E 、 西山窑组 J 2 x 。引发井下故 障的原因是地层 泥岩发育 、 水敏性强、 地层坍 塌压力低 、 井壁稳定性 差 , 导致钻井过程中发生井塌 。同时为了防止井塌, 提高钻井液密度又导致井漏。因此 , 在钻遇这些层 位时 一方面要提高钻井液的抑制性, 抑制水敏性泥 页岩的水化而引起 的井壁坍 塌; 另一方 面在提高钻 井液密度平衡地层压力时, 要注意防止地层漏失。 2 井眼轨迹控 制难定向钻进时裸眼段长, 导 致摩阻大 , 托压严重 , 影 响定向效果。该 区块表层套 管下深为 5 0 0 . o o m, 二开完钻井深 3 1 8 0 . 0 0 m, 造斜 点井深 2 7 6 0 . 0 0 m, 二开斜井段长 4 2 0 . 0 0 m。后期定 向过程中将有 2 6 8 0 . 0 0 m长的裸眼段 。造斜井段地 层不均质 , 导致造斜率不稳定, 不利于准确控制井眼 轨迹。水平段较长, 均超过 1 3 0 0 m, 钻压传递困难, 井眼轨迹控制难度大 , 特别是后期 , 为控制井眼轨迹滑 动钻进时间长、 效率低、 效果差, 严重影响钻井效率。 3 井身质量要求高水平段后期要进行多级压 裂, 需要为后期压裂工具的下人提供 良好 的井 眼条 件。直井段长, 与邻井距离近 , 钻进 中必须进行防碰 监测 ; 造 斜 段 要 求 增 斜 至 4 7 . 4 1 。 后 , 再 按 造 斜 率 5 . 6 / 3 0 m.i 斜降方位钻至 A点 井斜角9 2 . 6 2 。 , 方位 角变化 1 2 3 . 1 3 。 ~5 7 . 0 0 。 , 后期定 向时在方位和井斜 控制上存在一定难度。 4 提速难造斜点位于二叠系梧桐沟组, 该处 为泥岩 , 岩石可钻性差 。已完钻的 3口井在该井段平 均机械钻速仅为 0 . 9 5 m/ h 。水平段较长, 定 向滑动 钻进时摩阻和扭矩大 , 还存在岩屑床难以被清除等难 题, 影响作业效率和钻井速度。芦草沟组地层岩性致 密, 可钻性差 , 已钻井平均机械钻速2 . 7 m/ h 。 5 防碰绕障难 由于吉木 萨尔致密油工厂化 水平井需要在一个有 限空间 内完成 多 口井 的施工, 存在井与井之间的防碰和绕障问题, 井眼轨迹控制 难度大 。绕障过程中方位不断变化 , 给定向带来一 定难度 , 不但要准确计算井斜角和造斜率 , 还要准确 计算方位角变化率, 这就要求现场工程师根据工具 造斜能力确定合理工具面和定向钻进与复合钻进 的 比例 , 才能保证井 眼轨迹平滑 。方位变化过快或过 慢都会影响防碰和中靶精度 , 入靶方位不准确将给 水平段钻进带来很大困难[ 1 ] 。 3 关键技术措施 3 . 1 井身 结构设 计 根据该油 田的钻井实践 , 设计采用三开井身结 构 一 开, 采用 0 4 4 4 . 5 mm 钻头 , 下人 3 3 9 . 7 mm 套管; 二开 , 采用 q , 2 4 1 . 3 mm钻头钻穿八道湾组地 层 , 然后采用 q 2 1 5 . 9 mm 钻 头钻至梧桐沟组 中下 部 , 下人 中 1 7 7 . 8 mm套管 , 封固三叠系 和二叠系不 稳定 地层 , 为 下部安全 钻进 提供条 件; 三开, 采 用 q , 1 5 2 . 4 mm钻头钻至完钻井深 , 裸眼完井 。该井身 结构少下一层油层套管, 同时井眼尺寸缩小一级, 可 以大幅度降低钻井成本和缩短钻井周期 , 预计采用 该井身结构钻井周期可以缩短 1 5 d 。 结合地 层情 况及 钻探 要求 , 井 眼轨道 设计 为 “ 直一增一稳” 三 段 制 , 设 计 绕 障 井 的水 平 段 长 1 3 0 0 . 0 0 m, 中间井不绕障, 水平段长为 1 8 0 0 . 0 0 m。 表 1为绕障井的井眼轨道设计结果 。 3 2 石 油 钻 探 技 术 2 0 1 4年 1 1月 2 7 6 0 . 0 0 3 0 2 0 . 1 1 3 0 4 2 . 0 7 3 4 4 1 . 3 9 4 7 4 2 . 7 5 O 1 2 3 . 1 3 1 2 3 . 1 3 5 7 . O O 5 7 . 0 0 3 8 3 . 0 6 2 9 7 . 9 7 2 8 4 . 4 2 5 5 . 2 6 1 1 4 5 . 5 3 O 5 . 4 6 8 0 5 . 6 0 0 O 造斜点 增斜 稳斜 A点 B点 3 . 2 井眼轨迹控制技术 长水平段水平井钻进时的关键问题是降低摩阻和 扭矩 。实钻过程中应尽量控制好造斜率 , 避免因造斜率 过大使摩阻和扭矩增大, 使后期钻井难度增大_ 2 ] 。因 此, 在造斜段及水平段分别采取以下措施 1 造斜段。根据直井段轨迹 , 修订轨道设计 , 定 向钻进初期精确控制工具面 , 确保实钻方位与修订后 的设计吻合。钻完一个单根后, 划眼修整井壁。定向 增斜钻进期 间采用 MWD测斜 仪监测井 眼轨迹 , 测 量间距不超过 1 0 m; 根据造斜情况及 时调整定 向参 数 , 确保井眼轨迹平滑|_ 3 ] 。 2 水平段 。以复合 钻进方式为主 , 采用定 向滑 动钻进方式对井 眼轨迹进行微调 。加强待钻井眼轨 道预测计算 , 利用趋势规律 勤调 , 避免过度调整井 眼 轨迹 , 严格控制狗腿严重度 , 以降低摩阻。同时灵活 测量 , 及时跟踪 、 调整井眼轨迹_ 4 ] 。 3 . 3 防碰绕障技术 3 . 3 . 1 防碰 扫描 分析 1 采用 L a n d ma r k软件进行防碰扫描分析 , 扫描 间距应不大于 2 0 m, 危险井段扫描间距不大于5 m。 2 防碰扫描时 , 井 眼方位角应使用当时 、 当地 的 方位修正角统一修正 。 3 . 3 . 2 技 术措施 1 直井段防碰是重点工作, 加强井眼轨迹监测 , 每钻进 3 0 ~5 0 m测斜一 次 , 必要时应加密测斜 ; 出 现磁干扰时, 应使用陀螺测斜仪测量。采用防斜打直 技术 , 严格控制井斜角 。 2 加强井眼轨迹防碰扫描和 2 0 0 m长未钻井段 的防碰预测。若出现井间距小于 3 m或防碰分离系 数小于 2 等情况时, 及时调整井 眼轨迹 , 进行定向绕 障 , 防止发生两井相碰。 3 录井时, 应加强砂样的录取, 密切观察是否有 铁屑返出, 以便及时判断是否与邻井套管相碰 。 4 钻至设计造斜点 以上 1 5 0 m时 , 大排量循环 清洗井底 , 按要求调整钻井液性能, 进行多点测量 , 以 便确定实际造斜点。 5 斜井段钻进过程 中, MWD仪器 的地磁强度 值超出正常值 --2 时, 分析磁干扰的原因, 并进行防 碰计算 , 如安全 , 则继续旋转钻进 1 O ~2 0 m, 捞砂 观 察水泥含量 , 发现异常则使用陀螺测斜仪进行定 向。 6 在扭方位定 向段 , 选择合适造斜能力的螺 杆 钻具组合, 根据软件计算结果, 准确控制工具面, 扭方 位和造斜同时进行 , 切忌全力连续扭方位 , 以确保井 眼轨迹平滑。 3 . 4 提速技术措施 3 . 4 . 1 导向钻具的选择 目前 , 水平井钻井主要采用 的螺杆滑动定 向钻 进 , 存在以下问题 摩 阻大 , 钻压施加困难 ; 工具面控 制困难 , 定 向调整轨迹效果差 ; 测斜 、 测方位 时间较 长, 易发生压差卡钻 ; 旋转钻进过程 中不能调整井眼 轨迹 。 旋转导向钻具在旋转钻进 中能连续导 向造斜 , 可 以提高机械钻速和井眼净化效果 , 减少压差卡钻 , 降低 井下风险, 而且还具有三维井眼轨迹的自动控制能力 , 从而提高井眼轨迹的平滑度, 降低扭矩和摩阻, 能增加 水平井 的延伸长度E 。 。 ] 。因此选用指向式导向钻具。 3 . 4 . 2螺 杆 水 力振 荡器 旋转导 向钻具虽然具有机械钻速快、 井眼轨迹平 滑等优点 , 但因未实现国产化 , 成本高, 推广应用难度 大。为此, 将螺杆与水力振荡器相结合用于水平段钻 进 , 以提高机械钻速和井眼轨迹 的控制精度。 水力振荡器通过一对 阀门周期性的相对运动把 流经动力部分的流体能量转化为压力脉冲 , 将该压力 脉冲传递给振荡短节 , 由振荡短节带动钻具在轴线方 向上进行往复运动, 使钻具在井底 的静摩擦变成动摩 擦 , 降低钻具摩阻, 改善 钻压传递 的效果 , 且不影 响 MWD、 螺杆钻具的使用E 引。在长水平段钻进 中使用 第 4 2 卷 第 6 期 廖腾彦等. 吉木 萨尔致 密砂岩油藏工厂化水平 井钻 井技 术 水力振荡器 , 不但能提高工具面的稳定效果 , 准确控 制井眼轨迹 , 而且在钻进 中不需调整工具面 , 可减少 非钻进时间 , 提高机械钻速[ 9 ] 。 根据吉木萨尔地层的特点及螺杆使用原则, 优选 中转速的 1 2 7 . 0 ml n螺 杆P D C钻头配合水 力振 荡器钻进水平井段 。 滑, 与设计吻合度高, 平台井成功实现了绕障和扭方位。 2 螺杆水力振荡器能改善钻压传递效果 , 提 高机械钻速 , 延长水平段长度 。 3 应用旋转 导 向钻具 可 以大 幅度提高机械 钻 速 , 实现了一趟钻完成水平段作业 , 但是国外旋转导 向钻具租赁费用较高, 制约了推广应用 。建议试验应 用国产旋转导向钻具 , 以降低钻井成本 。 4 现场应用 2 0 1 3 年 , 在吉木萨尔 区块 的不 同平 台上 钻 了 8 口水平井 , 通过优化井身结构 , 采用井眼轨迹控制技[ 1 ] 术和防碰绕障技术 , 采取应用旋转导向钻具和螺杆 水力振荡器的提速技术措施 , 井眼轨迹控制 良好 , 与 设计 吻合 度 高 , 成 功 实现 了 防碰 绕 障, 2 平 台 的 J HW0 0 5 井和 J HW0 0 7 井实现绕障 1 1 5 m, 3 平台的 J HW0 1 6 井实现绕障 2 6 5 m, 扭方位 7 0 。 ; 8口井造斜段 平均机械钻速 5 . 1 m/ h , 平均钻井周期 8 . 7 d ; 8口井水 平段平均机械钻速 6 . 1 m/ h , 平均钻井周期2 9 . 8 d 。与r 3 ] 2 0 1 2年完钻的 3口水平井相比, 造斜段和水平段的平 均机械钻速分别提高了 2 4 0 . 0 9 / 6 和 1 2 5 . 9 , 造斜段平 均钻井周期缩短了 1 6 . 3 d , 在水平段长度增长近 3 0 0 m 的情况下 , 平均钻井周期缩短了 1 . 3 d 。 E 4 ] 4 . 1 旋转导向的应用 J HW0 O 7井 的 水 平 段 实 现 一 趟 钻 完 成 、 J HW0 1 6 井和 J HW0 1 7井的定向造斜段应用了旋转 导向钻具 , 应 用井段 的平 均机械 钻速 7 . 5 6 m/ h , 而⋯ 2 0 1 2年未应用旋 转导 向钻具 井的平均机械 钻速仅 1 . 9 2 m/ h 3口井应用井段的平均施工周期 8 . 6 4 d , 比其平均设计施工周期缩短 2 1 _ 8 6 d 。 f 6 ] 4 . 2 螺杆水力振荡器的应用 J HW0 0 5 井 、 J HW0 1 5井和 J HWO I 8井应用 了螺r 7 ] 杆水力振荡器 , 与未应用井段相 比机械钻速大幅提 高, 其中滑动钻进提高了 4 8 . 1 6 。3口井侧钻滑动钻 进过程中, 钻压稳定在 1 0 3 0 k N, 未出现托压现象 ; 水 平段钻进中, 随着井深的增加, 所需钻压逐渐变大, 托压 滞动现象轻微 , 对延长水平段钻进起到了很好的作用。 5 结论与建议 L 9 1 各项技术的综合应用, 解决了吉木萨尔致密油 藏工厂C P_ A 平井钻井过程 中机械钻速低、 防碰绕障及井 眼轨迹控制难等问题 , 机械钻速明显提高 , 井眼轨迹平 参考文献 Re f e r e nc e s 张金成 , 孙连忠 , 王 甲昌, 等. “ 井工厂” 技术在我 国非常规油气开 发 中的应用 [ J ] . 石油钻探技术 , 2 0 1 4 , 4 2 1 2 0 2 5 . 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