天然气钻水平井工艺技术.pdf

2 8 钻 采 工 艺 DRI LL I NG ＆ PRODUC TI ON T ECHNOL OG Y 2 0 0 8年 1 1月 No v ．2 o o 8 天然气钻水平井工艺技术 郭世侯 ， 胡 超 ，陈炜卿 ，白 碌 ， 邹 强 ， 张德军 ， 张 铎 1西南石油大学2川庆钻探工程公 司钻采工艺技术研 究院 郭世侯等．天然气钻水平井工艺技术． 钻采工艺， 2 0 0 8 ， 3 1 6 2 8 3 0 ， 4 4 摘要气体钻井技 术与水平井技 术的结合使用能 最大限度减 少对储层 的污 染， 能增大储层 暴露面积 ， 是 开 发低渗油气藏的一项重要技术措施。文中介绍了气体钻水平井存在的主要问题 ， 天然气钻水平井的适用条件， 天 然气钻水平井钻井工艺流程、 准备工作、 操作方法、 完井电测、 完井工艺等。结合广安 0 0 2一H 82井实际钻井情 况， 提 出了天然气钻水平井应注意的问题 ， 提 出了改进方向。 关键词 天然气； 水平井 ；电磁波 ； 随钻测量 ； 钻井工艺 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 8 0 6 0 0 2 8 0 3 随着油气资源的不断开采 ， 石油勘探开发呈现 出向更深、 更小 、 更复杂 的地质构造寻找油气的特 点。其中低压低渗油气藏的勘探开发是一个大的领 域。低渗透油气藏储层薄， 渗透率低， 压力系数低， 砂体纵 、 横向变化大 ， 砂体基质孔隙结构复杂 ， 地质 敏感性强。其面临的工程难点是岩性变化大 、 识别 难 ， 产能预测难 ， 储层改造难。单项技术成果对钻井 生产发展的影响很有 限， 只有相关的新技术配套发 展和推广应用， 才能迅速提高钻井技术的总体水平 并发挥显著效益 ， 气体钻井技术与水平井技术 的结 合使用能最大限度减少对储层的污染 ， 能增大储层 暴露面积， 是开发低渗油气藏的一项重要技术措施。 储层钻井中， 为防止井下燃爆， 通常使用氮气 、 柴油 机尾气和天然气钻井。天然气钻井 由于投入的设备 少 ， 成本低 ， 日益受到关注， 相关工艺技术得到了不 断完善。 一 、天然气钻水平井的应用条件 1 ． 目前气体钻水平井存在的主要问题 1 用于地质导 向的电磁波随钻测量仪 由于受 地层电阻率的影响， 其信号传输深度受限。 2 气体钻井缺少钻井液对井壁 的润滑作用， 摩阻大； 滑动钻进困难， 无法完成定向施工作业， 无 法通过改变钻具组合完成水平段扭方位作业。 3 井径扩大率 比钻井液条件下 的井径扩大率 大 ， 常规钻井液条件下的底部钻具组合 的造斜或稳 斜性能有所改变。 4 国产空气螺杆输 出扭矩小 ， 滑动钻进 困难 ， 有待改进设计。 2 ． 天然气钻水平井的适用条件 受钻井工具及工艺的影响， 在选择用天然气钻 水平井时， 应考虑以下因素 1 井场附近有充足 的气源 ， 地层稳定性好 ， 不 易发生坍塌。 2 不产油或微产油的气藏 ； 储层基本不产水 ； 储层不含 H， S 。 3 由于 目前地质跟踪能力和井眼轨迹控制能 力的限制 ， 储层厚度最好在 3 m以上。 4 水平段钻进中， 对方位要求不高 ； 为防止套 管、 井 15 1 及地面设备的刺坏 ， 一般选择低压 、 低渗气 藏 ， 不宜用在高压 、 高产气藏 ； 如钻遇 2 01 0 m 。 ／ d 以上高产气井， 就应结合设备能力， 尽量缩短作业时 间。 5 上层套管能下至储层顶部 ； 由于天然气回 收装置正在研制之中， 目前含有大量岩屑的天然气 在燃烧池被烧掉， 因此要求火炬附近不会造成严重 环境伤害。 二、 天然气钻水平井工艺技术 1 ． 工艺流程 气源一分离器一气体流量计一增压机一立管一 钻头一旋转防喷器一专用节流管汇一燃烧池。 收稿 日期2 0 0 80 51 7 作者简介郭世侯 1 9 6 8一 ， 高级工程师 ， 1 9 9 2年毕业于石油大学 华东 开发系钻井工程专业 ， 现从事定向井技术方面的研究和技术服 务等工作。地址 6 1 8 3 0 0 I t J l l 广汉钻采院定向井技术服务公司， 电话 0 8 3 8 5 1 5 1 3 9 4， Ema i l g s h 1 9 9 9 1 6 3 ． c o m 第 3 1 卷第 6期 V0 1 ． 3 1 No ． 6 钻 采 工 艺 DR I L L I N G＆ P R O DU C Ⅱ0N T E C HN O L 0 G Y 2 9 2 ． 钻前准备 2 ． 1井眼准备 1 上层套管尽量接近储层顶部， 并使上一开 井眼末端井斜角达到8 0 0以上， 方位达到设计要求。 2 下套管 固井后 ， 先钻塞 ， 清洁井底 ， 再分段 气举 ， 并烘干井壁。 2 ． 2地面准备 1 安装一至二条供气管线 ， 管线上装有液气 分离器、 气体流量计等。 2 安装旋转防喷器、 排砂管线、 泄压管线。 3 安装好降尘管线 。 4 接一条产量测试管线。 5 修好符合规范的挡火墙。 6 准备好钻杆挂， 油管挂和不压井起下钻装 置， 以备在产气量大、 检修井口等情况下使用。 7 对旋转控制头、 管汇、 阀门及相关设备试 压 ， 合格后方能开钻 。 8 做好天然气钻井 防爆工作 ， 在钻 台、 坡道处 铺帆布， 用水润湿， 在钻台、 井口安装防爆风扇。 3 ． 钻具结构 钻头 双母接头 强制止 回阀2只 短钻铤 气体钻井专用扶正器 无磁钻铤 1 根 内装 E M MWD 加重钻杆 1～ 3根 绝缘接头 斜坡钻杆 斜坡加重钻杆 斜坡钻杆 下旋塞 1 只 强制止 回阀 1 只 方钻杆下旋塞 六方钻杆 。 4 ． 正常钻进操作 1 钻进时， 要求送钻均匀 ， 并定期记录立压 、 扭矩值、 注气量等值。发现无岩屑返出、 岩屑润湿、 立压突然升高、 扭矩变化、 蹩跳严重、 上提遇卡等井 下异常现象时 ， 应立即停钻 ， 活动钻具 ， 循环观察 ， 如 发现井下产微量液体 ， 可降低机械钻速、 提高注气量 等方法试钻。如产液量大应结束天然气钻井。 2 每钻完一根单根划 眼一次 ， 上提下放钻具 时， 要记录上提下放摩阻， 空转扭矩等值 。 3 测斜时， 使钻具静止 2～ 3 m i n ， 得到一组数 据后 ， 就可恢复钻进。 4 钻进中， 结合电阻率、 伽马、 钻时、 岩屑及区 域构造情况可判断储层钻遇情况 ， 根据需要 ， 适时起 钻更换钻具组合， 尽可能保证在储层中钻进。 5 ． 接单根操作 1 接单根前， 根据需要， 循环 5～ 1 0 m i n ； 方钻 杆接头提出转盘面， 停止供气， 在泄压管线出口处点 火， 再泄掉方钻杆 内压力 ， 再卸方钻杆。 2 单根接好后 ， 应用锉 刀将接头 上被钳牙刮 起的毛刺磨平， 以免旋转控制头胶芯过早损坏。 3 供气 ， 下放钻具 ， 恢复钻进。 6 ． 起下钻工艺 6 ． 1 有套管阀情况下的起下钻操作 在起钻前 ， 先进行循环洗井 ， 减少井 内岩屑， 泄 掉方钻杆内气体后， 开始起钻。起钻中利用旋转防 喷器带压起钻 ， 排砂 管线 出口点火燃烧井 内产气。 起到下旋塞处时， 关掉下旋塞， 卸掉强制止回阀， 接 方钻杆， 开下旋塞， 泄掉方钻杆内气体后， 继续起钻。 钻头起过套管阀后， 通过与套管阀相连的地面液控 系统关闭套管阀， 使其将上部井筒和下部井筒分隔 开。当卸完套管阀上部套压后 ， 即可进行正常起钻 作业。下钻 中， 当钻头下至套管阀顶时 ， 使用旋转防 喷器控制适当的平衡压力 ， 然后打开套管阀， 控压下 钻。为了安全起见， 需要备用不压井起下钻装置， 万 一 发生灰尘卡住套管 阀使其 失效时 ， 可 以立即更换 为不压井起下钻装置进行作业 。 6 ． 2使 用不压井起下钻装置下的起下钻操作 在起钻前 ， 先进行循环洗井 ， 减少井内岩屑。泄 掉方钻杆内气体后， 开始起钻。起钻中利用旋转防 喷器带压起钻， 排砂管线出口点火燃烧井内产气。 起到下旋塞处时， 关掉下旋塞 ， 卸掉强制止 回阀， 接 方钻杆， 开下旋塞， 泄掉方钻杆内气体后， 继续起钻。 当钻柱悬重为 3～5 t 时 ， 停止起钻作业 ， 改为通过井 队放喷管线放喷点火 ， 关闭半封闸板防喷器 ， 迅速安 装不压井起下钻装置 。打开半封闸板 防喷器 ， 利用 游车配合不压井起下管串装置强行起钻， 司钻应特 别注意控制游车与不压井起下管串装置液缸同步。 钻头底部起至全封闸板 防喷器 以上 0 ． 2～ 0 ． 3 m， 关 闭全封闸板防喷器。吊出大方瓦， 打开旋转控制头 卡箍 ， 用气动绞车将旋转控制头起出 0 ． 5 m， 然后将 旋转总成、 钻头起 出转盘面， 坐人大方瓦， 卸钻头 ， 卸 胶芯 ， 倒换钻具结构。 下钻时 ， 将装有 回压阀的钻铤 吊上不压井起下 钻装置工作台 ， 过该装置上 、 下卡瓦， 在钻具上接上 插胶芯的引锥 ， 将钻具插入旋转控制头 ， 用钻头盒接 上钻头 ， 安装好旋转控制头 。开全 封闸板防喷器。 关闭井队放喷管线 ， 改为排砂管线点火燃烧 。强行 下钻柱 ， 直至钻柱悬重大于 3 5 t 时， 停止不压井强 行下钻作业。迅速整体拆除该装置后， 继续下钻。 6 ． 3无套管阀、 未用不压井起 下钻装置下的起下钻 操作 当产气量小 ， 井 口压力小时 ， 可采用以下方法 在起钻前 ， 先进行循环洗井 ， 减少井 内岩屑。泄掉方 钻杆内气体后， 开始起钻。起钻中利用旋转防喷器 带压起钻 ， 排砂 管线 出口点火燃烧井内产气。起到 3 0 钻 采 工 艺 D RI 1 L I NG ＆ P RODUCT I ON TE CHNOL OGY 2 0 0 8 年 1 1 月 NO V ．2 0 08 下旋塞处时， 关掉下旋塞， 卸掉强制止 回阀 ， 接方钻 杆 ， 开下旋塞 ， 泄掉方钻杆 内气体后， 继续起钻。当 钻头底部起至全封闸板防喷器以上 0 ． 2～ 0 ． 3 m， 通 过井队放喷管线放喷点火 ， 关 闭全封 闸板 防喷器。 吊出大方瓦 ， 打开旋转控制头卡箍， 用气动绞车将旋 转控制头起出 0 ． 5 m， 然后将旋转总成 、 钻头起出转 盘面， 坐人大方瓦 ， 卸钻头， 卸胶芯 ， 倒换钻具结构。 下钻时， 在钻具上接上插胶芯的引锥， 将钻具插 入旋转控制头， 用钻头盒接上钻头 ， 安装好旋转控制 头。开全封闸板防喷器。关闭井 队放喷管线 ， 改为 排砂管线点火燃烧 ， 继续下钻。 7 ． 完井电测 井 口上安装测井防喷系统 ， 测井仪器用连续油 管送人， 下连续油管 时， 将连续油管放上注人头 ， 然 后由注入头中的链条将连续油管拉直， 并将其送入 到井底。该链条是 由液压控制 的， 可以控制收放 的 速度。连续油管测井能够提供 自然伽马、 阵列感应、 井斜方位 、 补偿 中子、 补偿密度 、 密度校正、 井径 、 浅 中深电阻率等测井信息。 8 ． 天然气钻水平井完井工艺技术 1 不压井下油管先期裸眼完井。该方法是对 于岩性坚固稳定、 裸 眼段短且产层物性基本一致 的 油气层， 先下油层套管到油气层顶部固井后 ， 采用欠 平衡钻井方式打开产层 ， 钻至完钻井深采用不压井 带压起钻和不压井带压下油管串作业后试油投产。 2 特殊衬管完 井。欠平衡 钻井钻 至完 钻井 深， 用不压井带压作业下人套管后不注水泥， 再带压 下入油管传输射孑 L 管 串， 射孔完井后试油投产。该 方法由于下人尾管后不固井， 不存在 固井对产层造 成的伤害 ， 同时下人 的尾管又有利于防止投产后上 部井段跨塌而填埋产层 。它与不压井下油管先期裸 眼完井相比， 适合于井壁稳定性相对较低 ， 不适于裸 眼完成的井 ， 可用于裸眼段较长的井段 。 3 用井下套管阀下常规筛管完井 。当井下下 有套管阀时 ， 利用井下套管 阀和井 口防喷器可以方 便地下入常规筛管。 4 应急钻杆完井。当钻遇高产井时 ， 可把钻 杆用钻杆挂座在特殊四通里， 直接把钻杆 当做油管 完井。该完井方式要求不含硫 。 三、 现场实例 广安 0 0 2一H 82井 2 l 5 ． 9井 眼钻 至井深 2 0 1 3 ． 8 6 m， 测深 2 0 0 1 ． 8 6 r n ， 井斜达到 8 1 ． 2 5 。 、 方 位 2 8 8 ． 1 。 、 垂深 1 7 4 9 ． 2 1 m、 闭合距 4 2 8 ． 4 3 m、 闭合 角 2 8 8 ． 5 2 。 。固井后 ， 从 2 0 1 6 ． 7 4 m开始进行天然 气钻水平井实践， 使用 E M M WD地质导向仪器监 测井眼轨迹 ， 钻至井深 2 6 1 9 m完钻 ， 天然气钻进井 段达 6 0 2 ． 2 6 m。井斜角8 6 。 以上井段 5 3 9 ． 7 6 m。全 井最大水平位移 1 0 3 1 ． 4 2 m。该井创造了天然气钻 水平井三项全 国纪录 最深 、 水平段最长 、 水平位移 最大 。该井未下套管阀， 在 E 1 产 5 ． 61 0 m。 天然 气情况下， 全部使用全闭闸板配合旋转防喷器完成 了气体条件下的起下钻。完钻后利用威德福测井仪 器， 使用连续油管测井技术完成了气体条件下的水 平井测井。测井后 ， 直接下油管投产。 1 ． 主要钻具组合和钻井参数 1 增斜钻具 钻头 双母接头 气体钻井专 用扶正器 强制止回阀 2只 无磁钻铤 1 根 内装 E MM WD加重钻杆 1 根 绝缘接头 斜坡钻 杆 斜坡加重钻杆 斜坡钻杆 下旋塞 1 只 强制 止回阀 1 只 方钻杆下旋塞 十六方钻杆。 天然气钻井参数 钻压 2 O～ 4 O k N， 排量 5 0～ 6 0 m ／ ra i n ， 转数 4 0～ 5 0 r ／ ra i n ， 泵压 2 3 MP a 。 2 稳、 降斜钻具 钻头 双母接头 强制止回 阀2只 短钻铤 气体钻井专用扶正器 无磁钻铤 1根 内装 E MMWD加重钻杆 1根 绝缘接头 斜坡钻杆 斜坡加重钻杆 斜坡钻杆 下旋塞 1 只 强制止回阀 1只 方钻杆下旋塞 六方钻杆。 天然气钻井参数 钻压 2 0～ 4 0 k N， 排量 5 0～ 7 0 m ／ m i n ， 转数 4 0～ 5 0 r ／ m i n ， 泵压 4～ 4 ． 8 M P a 。 2 ． 钻进过程中遇到的主要问题 储层产少量油 ， 造成携带粉尘困难 ， 中途出现了 两次接单根后， 钻具下放 困难 。本井气源未安装分 离器 ， 气中含油较多 ， 对携带粉尘不利 ， 造成摩阻大， 使水龙带内胶皮脱落 ； 供气管线偏小 ， 易冰堵 ， 不能 保证稳定的供气量。 钻井过程 中， 通过改变钻具组合实现了对井斜 角的有效控制 ， 使用的稳斜钻具组合能实现 2 0 0 m 以上长段稳斜， 但方位左漂明显， 无处理手段。 钻井过程中， 未控制回压 ， 对储层伤害大。返出 粉尘易在放喷器腔室堆集 ， 一次关井不能封住。 3 ． 技术对策 1 增大注气量 ， 提高携岩能力 ； 尽量保证钻进 的连续进行 ， 遇起下钻 ， 每次下钻完 ， 先循环烘干井 壁 ， 钻进几米后， 再次停钻烘干， 直到上提下放摩阻 与起钻时一致后才继续钻进。摩阻太大或太小都说 明井下不正常。摩阻太大可能是井下产水 ， 摩 阻太 小可能是井下产油。 2 进气全部经过增压车打人井内， 依靠增压 车的分离器除去部分液体。每次接单 下 转第4 4 页 44 钻 采 工 艺 DRI L LI NG ＆ P R0DUC T1 0N T EC HN0L 0GY 2 0 0 8年 1 1月 NO V ．2 0 0 8 [ 1 2 ]Mi s h r a P ，G u p t a S N ．M o m e n t u m T r a n s f e r i n C u r v e d P i p e s [ J ] ． 2 ．N o nN e w t o n i a n F l u i d s ， I n d ．E n g ． C h e m． P r o c e s s D e s ．D e v ． ， 1 9 7 9 ， 1 8 1 1 3 7 1 4 2 ． [ 1 3 ]S a sJ a w o r s k y 11 A，R e e d T D ．P r e d i c t i n g F ri c t i o n P r e s s u r e L o s s e s i n C o i l e d T u b i n g O p e r a t i o n s [ J ] ．Wo d d Oi l ，1 9 9 7，1 4 11 4 6 ． [ 1 4 ]B h a r a t h N ．R a o ．F ri c t i o n f a c t o r s f o r t u r b u l e n t fl o w o f n o n N e w t o n i a n fl u i d i n C T [ J ] ．S P E 7 4 8 4 7一M S ， 2 0 0 2 ． [ 1 5 ]M c C a n n R C ， I s l a s C G ．F ri c t i o n a l P r e s s u r e L o s s d u ri n g T u r b u l e n t F l o w i n C o i l e d T u b i n g [ J ] ．S P E 3 6 3 4 5 ， 1 9 9 6 ． [ 1 6 ]H y u n C h o ， S h a h S N， O s i s a n y a S O ．A 3一l a y e r m o d e l i n g for c u t t i n g s t r a n s p o r t w i t h C T f o r i z o n t a l d ri l l [ J ] ．S P E 6 3 26 9一MS，2 0 0 0． [ 1 7 ]O z b a y o g l u M E， Mi s k a S Z ．T r o y R e e d e t a l ， A n a l y s i s o f t h e e f f e c t s o f m a j o r d ri l l i n g p a r a me t e r s o n c u t t i n g t r a n s p o r t e f f i c i e n c y for h i g ha n g l e w e l l s i n C T d ri l l i n g o p e r a t i o n s [ J ] ．S P E 8 9 3 3 4一MS ， 2 0 0 4 ． [ 1 8 ]I n d r a G u n a w a n ， R u d i R u b i a n d i n i R S ．D e t e r m i n i n g c u t t i n g t r a n s p o rt p a r a me t e r i n a h o riz o n t a l C T u n d e r b a l a u c e d d ri l l i n g o p e r a t i o n [ J ] ．S P E 1 0 1 9 3 7一S t u ， 2 0 0 2 ． [ 1 9 ]F r a s e r R G， R a v e n s b e r g e n J ．I m p r o v i n g t h e p e r f o rma n c e n f C T u n d e r b a l a n c e d h o ri z o n t a l d ri l l i n g o p e r a t i o n s [ J ] ． S P E 7 4 8 41一MS，2 0 0 2 ． 编辑 黄晓川 上接第3 0页 根时装好钻杆虑网， 防止水龙带脱落胶 皮堵仪器。 3 用蒸汽锅炉给供气管线关键点加热， 消除冰 堵 ， 保证稳定的供气量 ； 4 本井对方位要求不高， 未做定向控制。国外 已通过注入气中加石墨粉 、 钻具中加减阻接头等方 式实现了定 向控制。每次起钻完 ， 都要对全封 和半 封闸板多次活动， 直到能关住为止。 气体钻井专用扶正器 的设计考虑了四方面 ① 能顺利通过旋转防喷器 ； ②通过旋转防喷器时 ， 也能 密封； ③钻进过程中有利于岩屑顺利返出； ④有利于 减少钻井摩阻。因此 ， 在常规扶正器的基础上 ， 对扶 正器形状、 长度、 导流槽都做 了改进。使用腰鼓形 、 直棱、 V型浅导流槽设计， 满足了气体钻井要求。 四、 结论与建议 1 天然气钻水平井时 ， 应保证进气的纯净和气 量的稳定。 2 加强各钟参数的分析对 比， 及时采取应对措 施是天然气钻水平井成功的关键。 3 建议进一步加强减阻工具的研究 ， 争取实现 气体钻水平井条件下的定向钻进。 4 研究和引进带有 中继器 的电磁波随钻测量 系统 ， 使测量井深增大。 5 加强欠平衡装置研究 ， 实现控压钻井 ， 减少 长时间敞井放喷对储层的伤害。 参考文献 [ 1 ] 杨波， 肖润德．四川欠平衡钻井完井配套技术完善与推 广应用[ J ] ． 钻采工艺， 2 0 0 7 ， 3 0 2 ． [ 2 ] 肖润德， 杨令瑞， 杨波， 等． 四川不压井起下井内管串工 艺技术的研究与应用 [ J ] ． 钻采工艺， 2 0 0 5 ， 2 8 1 ． 编辑 黄晓川 欢迎订阅2 0 0 9年 复杂油气藏 复杂油气藏 原名 小型油气藏 新获国家新闻出版总署批准国内外发行。中国标准连续出版物号 C N 3 1 2 0 1 9 ／ T Q， 国际标准连续出版物号 I S S N 1 6 7 4 4 6 6 7 。 复杂油气藏系统研究复杂油气藏的成藏机理， 总结复杂油气藏 勘探开发经验， 探讨勘探开发复杂油气藏的新理论、 新方法， 推广应用高效、 节能环保新技术、 新工艺， 为科学研究、 油气 田生产和决策服务， 复杂油气藏 设有“ 石油地质” 、 “ 地球物理勘探” 、 “ 油气田开发” 、 “ 石油工程” 、 “ 生产现场” 等栏目。 复杂油气藏 为季刊， 大 1 6开本， 8 0页， 每季末2 5日出版。每期定价 1 0元、 全年定价4 0元。在校学生半价优惠。 订 刊汇款方式 1 ． 邮局汇款 2 2 5 0 0 9 江苏省扬州市文汇西路 1号 复杂油气藏 编辑部 联系人 吴一华 订刊电话 0 5 1 4 8 7 7 6 2 1 2 5 传真 0 5 1 4 8 7 7 6 2 1 1 5 电子信箱 f z y q e o e c o ． c o m ． e n 2 ． 银行汇款 中国石油化工股份有限公司江苏油田分公司财务核算部 开 户 行 扬州工行油田新村分理处 账 号 1 1 0 8 0 2 1 5 0 9 0 0 0 0 0 1 8 6 0