吉木萨尔致密油钻井提速技术与实践.pdf
第 3 6卷 第 5期 2 0 1 4年 9月 石 油 钻 采 工 艺 OI L DRI LL I NG PRODUCT1 0N TECHNOLOGY V0 1 . 3 6 No . 5 Se p t .2 01 4 文章编号 1 0 0 07 3 9 3 2 0 1 4 0 5 0 0 1 8 0 4 d o i 1 0 . 1 3 6 3 9 / j . o d p t . 2 0 1 4 . 0 5 . 0 0 5 吉木萨尔致密油钻井提速技术与实践 张 茂 林 万 云 祥 谢 飞 龙 张 彦 华 中国石油西部钻探准东钻井公司, 新疆阜康 段 江 8 31 51 1 引用格式 张茂林, 万云祥, 谢飞龙, 等 . 吉木萨尔致密油钻井提速技术与实践 [ J ]. 石油钻采工艺, 2 0 1 4 , 3 6 5 1 8 2 1 . 摘要水平井技术是实现致密油开发的重要途径。2 0 1 3年在 吉木萨尔致密油区开展 了水平井井组开发先导性试验, 针 对水平井裸眼长、 水平段长、 位移大的特点, 及钻遇地层井壁易垮塌、 井漏、 机械钻速低、 钻井周期长等主要技术难点, 在分析地 层特征的基础上, 通过优化简化井身结构、 井眼轨迹控制、 优化钻井液体 系、 开展个性化钻头及 小井眼降摩减扭措施和配套工 具的技术攻关和现场应用, 初步形成了一套吉木萨尔致密油水平井钻井提速技术, 同比机械钻速提高9 8 . 2 7 %、 钻井周期缩短 1 7 . 9 2 %, 为吉木 萨尔致 密油长水平段水平 井进一步提速及规模应 用奠定 了基础 。 关键词致密油藏;钻井提速;长水平段;水平井;钻头;钻井液;吉木萨尔 中图分类号 T E 2 4 3 文献标识码 B Te c h no l o g y a nd p r a c t i c e o f i nc r e a s i ng dr i l l i ng r a t e f o r t i g h t o i l i n J i mus a r Z H A N G Ma 0 1 i n , WA N Y u n x i a n g , X I E F e i l 0 n g , Z H A NG Y a n h u a , D U A N J i a n g Z h u n d o n gDr i l l i n gC o m p a n y , C N PCXi b u Dr i l l i n gC o r p o r a t i o n , F u k a n g 8 3 1 5 1 1 , C h i n a Ab s t r a c t Ho r i z o n t a l we l l d r i l l i n g t e c h n o l o g y i s a c r i t i c a l wa y f o r t i g h t o i l d e v e l o p me n t . I n 2 01 3 , a p i l o t t e s t wa s c a r r i e d o u t for h o r i z o n t a l we l l g r o u p i n t i g h t o i l a r e a i n J i mu s a r . I n v i e w o f l o n g o p e n h o l e , g r e a t d i s p l a c e me n t o f h o r i z o n t a l s e c t i o n , a n d t e c h n i c a l d i f - fi c u l t i e s s u c h a s c o l l a ps e we l l b o r e , l o s t c i r c u l a t i o n , l o w p e n e t r a t i o n r a t e a n d l o n g d r i l l i n g c y c l e , a t e c h n o l o g y f o r i n c r e a s i n g d r i l l i n g r a t e f o r t i g h t oi l i n J i mus a r h a s bee n p r e l i mi n a r i l y ge ne r a t ed . I t i s ba s e d o n a na l ys i s of f o r ma t i o n f e a t ur e s , o pt i mi z i ng t he we l l b or e c o nfig ur a t i o n , c o n t r o l o f w e l l b o r e t r a j e c t o r y , o p t i mi z i n g d r i l l i n g fl u i d s y s t e m, ma k i n g i n d i v i d u a l d r i l l i n g b i t s , r e d u c i n g d r a g a n d t o r q u e i n s l i m h o l e a nd fie l d a p pl i c a t i o n of s up po r t i ng t oo l s . As a r e s ul t , t h e pe ne t r a t i o n r a t e wa s i nc r e a s e d b y 98.27 % ,a nd dri l l i ng c y c l e wa s s h orte ne d b y 1 7 .9 2 %. Th e t e c h n o l o g y l a y s s o l i d f o u n d a t i o n s f o r f u rth e r s p e e d i n g u p a n d l a r g e r a p p l i c a t i o n s c a l e o f l o n g h o r i z o n t a l s e c t i o n s for t i g h t oi l i n J i mus a r . Ke y wor ds t i gh t oi l r e s e r vi or ; dr i l l i n g r a t e i nc r e a s i n g;l o ng ho r i z o nt a l s e c t i o n; ho r i z o nt al we l l ; dr i l l i n g bi t s ;d r i l l i ng flui d;J i mus a r 准噶尔盆地致密油勘探领域广 阔, 资源潜力 巨 大, 一旦突破将是新疆油田实现储量跨越式增长的 重要接替领域。准噶尔盆地吉木萨尔芦草沟组致 密油藏 , 位于吉木 萨尔 凹陷东斜坡 区, 岩 性圈闭构 造形态为一整体 由西北 向东南抬升的单斜 , 平 面上 大致呈 “ 类长方形”展布。致密油开发先导试验井 组是部署在吉 1 7 4 井区上甜点的 1 0口水平井, 采 用 “ 2 2 6 ” 模式 , 建 3个水平井平 台。平 台 1 、 平台 2各部署 2口井 , 平 台 3部署 6口井丛式水平井组。 该区储层岩石种类复杂, 发育云质 、 灰质以及正常碎 屑岩, 储层致密, 通常孔隙度小于 1 0 %、 渗透率小于 1 mD。由于油气聚集机理不同于常规储层 , 采用水 平井钻井方式提高单井产能 。 截至 2 0 1 3年 1 2月完 成 7口井水平井施工 , 通过致密油水平井施工实践 , 摸索 出一套优快钻井的方法 , 初 步形成井身结构设 计 、 各井 段钻具组合设计 、 水平井施工优化方案 、 钻 作者简介 张茂林 , 1 9 6 7年生。2 0 0 9年毕业于西安石油大学石油工程专业 , 高级工程师 。电话 1 3 7 7 9 2 6 1 2 1 3 。E ma i l z d z ml 1 2 3 1 6 3 c orn。 张茂林等 吉木 萨尔致 密油钻井提速技术与实践 1 9 头优选等技术 , 为致密油钻井提速提供技术支持。 l 钻井施工技术难点 1 长裸眼直井段 防斜打快与防碰风险较高。直 井段段长 2 9 0 0 m, 地层条件复杂 , 依次为 新近系、 古近 系 , 发 育大套 膏泥岩 、 膏岩层 , 吸水 易膨胀 、 缩 径 , 施 工 中极 易遇卡 、 遇阻 ;侏罗 系屯河组 、 西山窑 组地层硬脆性泥岩和煤层易垮塌掉块 , 易发生垮塌 卡钻及漏失 , 三工河 组、 八道湾组地层造浆 , 造成钻 井液 固相 污染 , 泥岩段存 在缩径 现象 ;三叠系克拉 玛依组 、 烧房沟组 、 韭菜园组和二叠系梧桐沟组泥岩 易发生水敏性垮塌 , 临井钻井 中多 出现挂卡和井壁 垮塌 。先导试验井部署丛式井组 3口水平井 , 井 间 距 1 0 m, 防碰扫描结果表明, 施工过程中防斜与打快 矛盾突出。 2 造斜段 和水平段可钻性差 , 机械钻速低。侏 罗系上部地层可钻性 相对较好 , 侏 罗系下部及三叠 系 以下可钻性较差。三叠 系以下地层岩性致密 , 硬 度大 , 二叠系梧桐沟组地层岩性均质性差 , 夹层多且 含砾 , 卢草沟组储层埋深 3 1 0 0 ~ 3 3 0 0 m, 地层可钻性 级值 6 ~ 7级 , 研磨性 4 ~ 6级 , 常规 P DC、 牙轮钻头的 适用性较差 , 前期梧桐 沟组牙 轮钻头平 均钻 速 1 . 5 3 m/ h , 常规 P DC钻头平均钻速 1 . 3 8 m/ h , 机械钻速低 , 钻井周期长。 3 梧桐沟组地层水敏性强 , 造斜 中稳斜 和绕障 施工难度大。 二叠系梧桐沟组地层易发生垮塌掉块 , 在该 地层 进行造斜和 1 1 5 m和 2 6 5 m绕障扭方位 , 造斜绕 障井段长 , 滑动井段增加 , 造成机械钻速低 , 施工中易发生井眼坍塌等恶性事故。 4 小井眼长水平段摩阻扭矩大 , 后期轨迹控制 难度大 , 严重影响钻井效率。随着小井 眼长水平段 延伸 , 循环压耗大, 钻具柔性大 , 摩阻扭矩高 , 携岩能 力差 , 井 眼清 洁困难 , 易造成井下复杂 和卡钻事故 ; 水平段在 1 3 0 0 m 以上时轨迹控制难度大 , 滑动井段 摩阻大 、 钻井液返速低 , 频繁发生托压和钻具 自锁等 问题 , 严重影响钻井速度 。 2 施 工技术措施 2 . 1 井身结构和井眼轨道优化设计 前期勘探采用四开井身结构, 根据地层压力剖 面和临井钻井事故 与复杂情况分析 , 井身结构从能 满 足水平段 多级压裂管柱 的要求 , 技术套管封 固复 杂井段 , 降低定 向绕障 、 长水平段钻井风 险, 为提高 钻井效率提供可靠的钻完井工艺措施等方 面进行 了 优化。技术套管下 入到卢草沟组储 层 4 0 5 0 m, 为 长水平段钻井提供条件 , 井身结构如图 1 。 图 1 优化后 的井身结构 采用该井 身结构 , 有效封隔梧桐沟组以上复杂 地层 , 二开采用 O2 4 1 mm井 眼钻至造斜点 , 造斜段 采用 O 2 1 6 mm井 眼, 解决 了上部 1 0 0 0 m 膏泥岩段 和复杂地层井壁不稳定对 同尺寸钻头造斜弯螺杆下 人的影响;依据致密油储层压力和地层 岩性 特征 , 降低钻井液密度的使用 , 对长水平段缓解高泵压 、 提 速起到重要作用。 通过确定井身结构对井眼轨道进行 了优化 , 采 用 “ 直一增一稳一扭一增一水平”三维剖面设计 , 对 不同造斜率、 方位变化率 、 扭方位位置的井眼轨迹和 摩阻进行对 比分析 , 降低 了井眼轨迹控制难度 , 形成 了 1 1 5 m、 2 6 5 m绕障井 , 分别在 O 2 1 6 mm井 眼造斜 段完成扭方位控制 , 确保轨迹圆滑 , 安全下人多级压 裂管柱 。 2 . 2 直井段防斜打快钻井技术 丛式水平井组直井段平均段长达 2 9 0 0 m, 直井 段 防碰是丛式井组施工的重点之一。经临井钻井实 际和地质分析 , 该井段防斜打直是 防碰的最佳方式 , 采 用塔式加钟摆钻具组合 , 个性 化 P D C钻头设计 , 在钻头部齿使用 1 6 mm和 1 9 mm复合片切削齿合 理布置 , 小角度切地层削角提高钻头攻击性能 , 提高 复合 片抗研磨性和穿夹层能力方面进行 了针对性设 计 ;钻井参 数采取钻压 1 0 ~ 3 0 k N, 钻井排量 5 5 ~ 6 0 L / s , 转速 1 2 0 ~ 1 5 0 r / mi n实施 防斜 打快 , 在地质地层 划分 的交 界面井段 每钻进 1 0 0 ~ 1 5 0 m 进行加 密测 斜 , 预测井眼间距 , 实现直井段井斜控制小于 2 。 。在 J HW0 1 9井使用一只钻头 5 . 5 8 d时间完成二开 2 3 5 0 m直井段 , 平均钻速达 2 4 . 5 r n / h 。 2 . 3 三叠系、 二叠系钻头优选 通过钻头适 应性和对井壁稳定性分析 , 造斜段 优选 短保径 5刀翼 P D C钻头 , O1 6 mm切削齿和高 攻击性切削角 , 在复合钻进时扭矩小切削能力强 , 提 高三叠系韭 菜园组 、 二叠系梧桐 沟组 的钻速 ;针对 井壁 易跨特征 , 增加钻头水 眼, 由 4 个 喷嘴增加到 7 个喷嘴 , 减少射流对不稳定井壁 的破 坏;通过试验 2 0 石油钻采工艺 2 0 1 4年 9月 第 3 6卷 第 5期 实现 了 1 只牙轮造斜 1只 P DC完 成绕障 , 平均机 械钻速 3 . 5 9 m/ h ;使用 1 只 P D C钻头一趟钻完成常 规造斜井段 , 进尺 4 1 3 m, 机械钻速 3 . 1 0 m/ h 。造斜 段平均机械钻速同比提高 7 9 . 5 %。 小井眼水平段 , 根据区块地层特征和前期 P DC 钻头使用 , 进行适应性分析 , 优选 6 刀翼 , 高强度耐 磨 O1 6 mm切削齿钻头 , 满足定 向钻进时工具 面稳 定 , 扭矩小 , 造斜 能力 强。实 现 了 1只 P DC钻头 2 次更换螺杆 , 进尺 1 3 1 0 m, 钻速 4 . 7 7 m/ h , 机械钻速 同比提高 6 2 . 1 2 %。 2 . 4 造斜、 水平段轨迹控制 造斜 点相互错 开是丛式井 防碰 的主要 措施之 一 ,根据绕 障轨迹优化方案 , 为消减因直井段位移导 致定向段造斜率 、 扭方位绕障难度增大问题 , 提前上 调造斜点 , 可极大缓解定 向段轨迹控制压力 , 在致密 油丛式井水平井施工 中, 按轨迹优化设计各井造斜 点直井段垂深相差在 3 5 ~ 1 0 0 m。钻完直井段后 , 根 据直井段井斜情况及时做好二次剖面设计及施工预 案, 优选螺杆度数, 在造斜初期因造斜率偏低, 选用 度数 1 . 5 o 单弯螺杆, 采用轨迹监控软件随钻作图并 预测 , 不断与当前井底的实际造斜率进行对 比分析 , 在定向初始尽快使各井井眼分离 , 以取得防碰成功。 绕障在很多情况下是在磁干扰条件下进行 , 由 于施工 中受各种 因素的影响 , 井眼方位难免出现超 出一定范 围的方位偏离 。实施 中造斜段扭方位在井 眼方位 的调整控制过程 中, 进行 了综合考 虑 , 一是 尽量减少井眼的狗腿严重度 ;二是方位控制选在下 技术套管之 前 , 将井 眼方位调整 到合适 的范围内; 三是减轻给后续长水平段施工造成 困难 。因此调方 位井段选择在井斜角增至 4 0 。 以后 , 采用大单弯中高 速螺杆度数 , 采取一边增斜 、 一边稍扭方位 的措施 。 经过实践 1 1 5 m绕障井 , 扭方位在二开段调整完成 ; 2 6 5 m绕障井 , 方位调整至增斜人靶的最佳井斜和方 位, 从而大幅降低扭方位作业施工难度, 提高机械钻速。 水平段优选钻具组合 , 采用 O1 0 1 . 6 mm钻杆降 低循环压耗 , 增强钻具抗扭强度 , 使用 O1 2 7 mm单 弯螺杆柔性钻具增斜入靶后 , 复合与滑动钻进交替 进行 , 为 了减少调整井斜的次数 , 提 高机械钻速 , 定 向时将井眼轨迹控制在下靶 区, 而后依靠复合钻进 时井斜 自然t D t l 的规律使井身轨迹逐渐靠近设计轨 道。当井斜增到一定程度后 , 采用滑动钻进 与复合 钻进相结合 的方式随时校正井眼轨道 , 保证实 际井 眼按设计轨道施工 。随着水平段的延伸大角度螺杆 施工摩阻扭矩增大 , 采用 1 . 2 5 。 螺杆完成 1 3 0 0 m水 平段施工 。4口 1 3 0 0 m水平段井 复合钻进进尺 占 6 2 . 8 %, 复合机械钻 速是滑动钻进 的 2 ~ 2 . 5 倍 , 取得 了好 的提速效果。 2 . 5 使用水力振荡器工具 , 提高水平段的钻井速度 水力振荡器通过水力作用产生沿钻具轴线方向 上振动 , 利用振动将静态的摩阻转变为动态摩阻, 把 单纯的机械式加压改为机械与液力相结合 的加压方 式来提高钻进过程 中钻压传递 的有效性和减少钻具 与井眼之间的摩阻 , 减少扭转振动,提高机械钻速 ; 通 过减少钻进过程 中的摩 阻和扭矩 , 使得钻压易于 传递 、 工具面易于控制 , 提高水平段 的钻井效率。 长水平段摩 阻扭矩 大是钻进 中突 出的问题 之 一 ,随着位移 的增加需对实钻摩阻和扭矩进行监测 和分析 , 采取相应 的措施 以实现长水平段安全快速 钻井。J H W0 1 8井是本 区块 目前水平 段最长 、 位移 最 大的一 口井 , 利用 L A ND MAR K软件进行 了摩阻 扭 矩值模拟 和实钻跟踪 , 从而指导 钻井现场施 工。 在 J HW0 1 8井 水 平 段 1 3 0 0 1T I 以后 延 伸 段 4 5 7 2 ~ 5 3 2 5 m, 钻具加入 A G i t a t o r 公司生产的水力振荡器 减摩降阻, 工程措施上采取短起下钻 、 大幅度活动钻 具 , 滑动钻进 时,一个单根最后 2 - 3 m可尽可能采 用复合钻进 的方式钻进 ,钻完 1 个单根进行 1 ~ 2次 划 眼, 然后下放到底再测斜 , 这样有利于携带岩屑; 在造斜率允许 的条件下尽量多采用复合钻井的方式 钻进 ,这样既可改善井眼的平滑性 ,又可促进钻屑 的返 出, 提高常规钻具组合 在长水平段 的延伸钻进 能力 , 进尺 7 5 3 m平 均钻速可 达 4 . 8 5 m/ h 。对 比发 现 表 1 , 采用水力振荡器 时滑动钻进机 械钻速提 高 4 8 . 1 6 %, 复合钻进机械钻速提高 1 5 . 2 8 %;取得了 非常显著 的效果。 表 1 水力振荡器使用与未使用钻速效果对 比 趟钻 水力振 荡器 钻进累计 时间 /进尺 /平均机械 钻速 / 次序使用情况方式h m m h 2 . 6 钾钙基聚璜有机盐钻井液体系的应用 钻井过程 中井 壁失稳 易造成井 壁垮塌 、 缩径 、 漏失 、 卡钻等井下复杂情况 和事故。该 区块 已钻井 复杂统计表 明每 口井都有不同程度的缩径 、 掉块 、 挂 卡。致密油井区钻井井壁稳定问题一种是强水敏性 地层 蒙脱石含量高达 8 0 % 以上 及钙 、 膏泥岩 的 水敏性坍塌 ;另一种是 由地应力引起的层理发育的 泥页岩地层 的硬脆性坍塌。 针对井壁失稳问题优选钾钙基聚璜有机盐钻井 液体系 , 该钻井液具有强防塌和抑制能力 , 适用于该 张茂林等 吉木 萨尔致密油钻 井提速技 术与实践 2 1 区块安全 、 快速钻井。 直井段地 层 的膏 质泥岩 强化钻井 液 的强 抑制 性 ,确保钻井 液封堵 防塌能力 ;钻至三叠 系、 二叠 系梧桐沟组地层出现严重的硬脆性泥岩掉块, 因此 保持钻井液抑制性、 封堵性, 提高润滑性, 钻井液密 度 提高 到 1 . 4 8 ~ 1 . 5 0 g / o m , 保持 高液柱压力 物理支 撑井壁 。在 造斜前混 入 白油 5 %, 进入造斜 段后逐 步提 高 到 白油 含量 1 0 %, 增 强钻井 液 的润滑 防 卡 性 能。水平段施 工降低钻井 液密度至 1 . 4 2 ~ 1 . 4 3 g / c m , 配合钻具组合 降低循环压耗 , 提高井 眼清 洁效 率 ;随着水平段延 伸 , 钻进过程 中补充 白油含量逐 步提高到 1 2 %~ 1 5 %, 配合使用固体润滑剂, 保持 良 好的润滑性 ;监测钻井液中钙离子 、 碳酸氢根 、 碳酸 根浓度变化 , 及时处理维护 , 钻井液中保持钙离子浓 度 4 0 0 - 6 0 0 mg / L, 钾 离 子 含 量 2 5 0 0 0 mg / L, p H值 1 0 ~ 1 l , 提高钻井液抗污染能力 ;合理使用固控设备 及时清除钻井液 中有害 固相 , 控制钻井液低 的固相 含量 ;配合工程措 施 , 各次通井使用超细纤维洗井 液清扫井眼 , 小井眼井段打封闭浆封闭等措施 , 保证 了水平段安全钻进 。 3 实施效 果 通过以上措施 , 已完成的先导试验井组小井眼 水 平井 , 同 比平均钻井周期 降低 1 7 . 9 2 %, 平 均机械 钻速提高 9 8 . 2 7 %, 完成井平均水平段长 1 4 5 6 . 7 7 1T I , 油层钻遇率 9 5 %, 井区首次完成水平段长 1 9 6 4 11 1 , 满足最大 2 3 级压裂管柱顺利下入并成功完井 , 取得 了 良好的提速技术实践效果。 4 结论与建议 1 通过致密油小井眼水平井的钻井技术攻关 和 实践 , 初步形成 了吉木萨尔致密油水平井钻井井身 结构设计、 井眼轨迹控制、 钻井液体系研制、 钻具合 理组配 、 施工工艺优化等钻井配套技术 , 适应本地区 钻井地质特点 , 提高 了钻井速度 , 为后续钻井提速技 术推广和进一步提高吉木萨尔致密油开发效益提供 了经 验 。 2 应用降低摩阻、 扭矩的新工具和新技术 , 提高 了长水平段的钻井速度, 通过水力振荡器的使用优 化井段 , 有利于降低钻井成本。 3 随着水平段的延伸, 井眼清洁及防卡是突出 问题 , 需进一步开展井 眼净化与防卡监测系统研究 。 通过调整钻井液润滑性能 , 配合工程措施 , 能有效减 低摩阻和扭 矩 , 需进一步 利用 软件对水平段钻进过 程中摩阻和扭矩进行跟踪 , 指导现场钻井 , 提高施工 效率, 缩短钻井周期。 4 建议 继续开展个 性化 P DC钻头 、 长水平 段 钻井液 、 工艺技术等方面 的攻关 , 进一步提高钻井速 度 , 探索致密油水平段 2 0 0 0 m以上的长水平段钻井 提速技术 , 满足致密油多级大规模压裂提高开发效 益的需求 。 参考文献 [ 1 ] 谭 平, 岳砚 华 , 雷桐 , 等 .长庆 小井眼 丛式 井钻井技 术 [ J ]. 石油钻采工艺, 2 0 0 2 , 2 4 1 1 1 - 1 4 . 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