大庆油田第一口深层天然气双分支水平井钻完井实践.pdf

第 38 卷 第 1 期 2016 年 1 月 石 油 钻 采 工 艺 OIL DRILLING deep gas well; dual branch well; optimization design; Daqing Oilfield 基金项目国家自然科学基金“钻头谐振激励下岩石的响应机制及破碎机理研究” （编号51274072） 。 第一作者潘荣山（1970-） ， 1992 年毕业于大庆石油学院钻井工程专业， 现从事钻井设计与科研工作。通讯地址（163453） 黑龙江省大庆 市让胡路区西宾路九号采油工程研究院五号楼 113 室。电话0459-5961015。E-mailzhangkaipkf 芳深 6- 双平 1 井是大庆油田第一口深层天然 气双分支水平井， 目的层主要位于埋藏深度在 3 000 m 左右的白垩系和侏罗系火石岭组及基底， 多为砂 岩、 泥岩、 火山岩、 变质岩及砂砾岩等致密性岩石， 研 磨性强， 可钻性差， 可钻性极值为 810 级， 机械钻速 低；地层微裂缝发育， 容易引发井漏；营城组气层 含 CO2气体， 具有腐蚀性；技术套管壁厚， 强度高， 侧钻开窗难度大；采用四级完井方式， 实现双分支 石油钻采工艺 2016 年 1 月（第 38 卷） 第 1 期2 密封分隔。针对上述情况， 笔者从优化钻井设计、 优 选提速工具、 完善钻井配套技术等方面出发， 开展了 科研攻关与现场试验， 保障了大庆油田深层气双分 支水平井钻完井顺利施工。 1 地质情况及施工难点 Geologic conditions and difficulties in drilling 地质情况大庆深层气藏岩性复杂， 主要有砂 岩、 泥岩、 熔岩、 碎屑岩、 砂砾岩及其过渡性岩石， 并 具有多套储集类型。其典型特征为（1） 纵向上分布 井段长， 埋藏深， 最深达到 6 300 m；（2） 井温高， 平均 地温梯度在 4.0 ℃ /100 m 左右；（3）岩性致密， 密度 最高可达 2.75 g/cm3；（4） 物性差， 火山岩储层渗透率 最低， 仅有 0.02 mD， 孔隙度 4.0；（5） 储集空间复杂， 主要有原生气孔和裂缝组合、 纯裂缝储层、 溶孔与裂 缝组合等［1］。 施工难点（1） 嫩二段到泉头组地层倾角由 2.3 增大到 6.7 ， 软硬夹层多， 泥岩松软， 不易控制井斜， 井身质量不易控制， 井斜有增大趋势；（2） 地层研磨性 强， 机械钻速慢， 钻头和螺扶外径磨损严重；（3） 上、 下 分支水平段长， 井眼曲率不易控制；（4） 岩屑重复破 碎， 岩屑返出量不稳， 钻进过程中扭矩波动大， 钻头 使用情况不易判断。 2 钻井设计优化 Drilling design optimization 2.1 井身结构设计 Design of wellbore configuration 通过对邻井钻完井资料进行分析， 确定容易出 现复杂和钻速较低井段的位置， 采取应对措施。一 开、 二开直井段采用 PDC 钻头实现快速钻进；造斜 段和分支井段采用高效牙轮钻头配合旋转导向工具 和薄壁马达复合钻进， 以提高钻井速度， 缩短钻井周 期， 降低钻井成本［1-3］。 井身结构优化为（1）339.7 mm 表层套管下深 为 422.00 m， 封固地表松散地层；（2）由于邻井芳深 6-1 井的气水界面深度为 2 980.00 m， 因此 244.5 mm 二开技术套管下深为 3 030.00 m（气水界面以 下 50 m） ， 封固水层， 并优选高效 PDC 钻头， 采用复 合钻井技术， 提高二开井段机械钻速；（3） 分支井眼从 技术套管内侧钻， 下分支井眼下入 139.7 mm 生产 套管 4 873.00 m， 上分支井眼下入 114.3 mm 生 产套管 4 782.00 m。分支井眼钻进时采用顶驱、 旋 转导向、 薄壁马达和高速牙轮钻头完成钻井施工。 2.2 井眼轨道设计 Design of wellbore trajectory 合理的井眼剖面设计是长水段水平井钻井取得 成功的关键之一。通过尽量降低摩阻 / 扭矩、 增加井 眼延伸距离、 减少井眼狗腿度等有利于作业的方式， 对钻达地质目标的各种轨道进行优选。在理论上悬 链曲线轨道剖面是比较理想的， 它的特征是井壁和 钻具之间接触力为 0， 由此得出井壁和钻具之间的摩 擦力为 0， 但用该方法钻井存在困难， 首先钻柱底部 有效张力导致钻柱受压， 此外， 悬链线曲线比一些传 统的井眼轨道更长， 因而通常采用准悬链线轨道剖 面［3］， 即在浅层段以低造斜率 1.21.7 （ ） /30 m 造斜， 随井深增加， 以 0.50 （ ） /30 m 幅度逐步增加到 5.0 （ ） /30 m5.5 （ ） /30 m， 使最后的井斜角比传统 60 井斜 角高， 可达到8084 。 造斜率如果超过5.5 （ ） /30 m， 可能出现高的接触力。因此根据 2 个地质靶点进行 3 种剖面类型井眼轨道设计， 对起钻摩阻、 下钻摩阻 及平均摩阻进行对比（表 1） 。结果表明， 准悬链线 剖面平均摩阻最小， 选用该种剖面井眼轨迹较短， 减 少了钻井工序和施工难度， 有利于钻井安全。 表 1 芳深 6- 双平 1 井剖面类型优选 Tab.1 Optimization of profile types of Fangshen 6-shuangping 1 well 剖面类型起钻摩阻 /kN 下钻摩阻 /kN 平均摩阻 /kN 变曲率多圆弧 三增剖面 429.5444.0432.8 悬链线剖面426.8442.8433.5 准悬链线剖面421.0440.2430.8 上、 下分支井眼轨道均采用“三增剖面” 设计， 造斜率在 46 （） /30 m 之间， 先钻第一分支即下分 支， 下分支完井后再钻第二分支即上分支， 设计轨道 平滑， 有利于现场钻井施工， 也有利于测量工具及完 井工具的顺利下入。见表 2、 表 3。 2.3 完井设计 Completion design 根据地质设计要求， 分支井段采用管外封隔器 配套固井压裂分段滑套方式完井。上分支分 13 段 进行压裂， 下分支分 15 段进行压裂。 此外， 为实现双分支密封分隔， 达到生产管柱可 合采或分采的目的， 设计采用贝壳公司的壁挂式四 级完井系统。在壁挂式悬挂器内， 预装分支井眼导 向器， 尾管坐挂于 244.5 mm 套管内， 壁钩坐挂于 开窗点， 壁挂式悬挂器内的窗口上、 下两端设计有槽 面， 安装时， 导向器的密封件会横跨窗口两端， 临时 封堵主井眼， 见图 1。 3潘荣山等大庆油田第一口深层天然气双分支水平井钻完井实践 图 1 壁挂式完井工具示意图 Fig.1 Wall mounted completion tool diagram 3 现场应用 Field application 分支井施工的重点与难点在造斜段与分支井 段， 该井上、 下分支在同一方位， 为了避免井眼重入， 施工中采用先钻下分支后钻上分支的施工顺序。 3.1 下分支井眼 Lower branch hole 从 2 968 m 开始侧钻进入下分支造斜段， 为了控 制该段的井斜角、 造斜率以及保证机械钻速， 优选高 效 PDC 钻头配合旋转导向和 LWD 钻进， 造斜段钻 具组合215.90 mm 钻头 0.32 m172.00 mm 旋转导向工具 6.91 m172.00 mm 随钻测井仪 9.72 m182.00 mm 断电短节 2.33 m127.00 mm 加 重 钻 杆 9.31 m127.00 mm 浮 阀 0.40 m127.00 mm 加重钻杆 337.13 m127.00 mm 钻杆。 下分支水平段长 1 329 m， 属于长水平段分支 井， 而且位于多为火山岩、 变质岩及砂砾岩等致密 性岩石的 3 260 m 深营城组， 可钻性差；根据邻井 井史资料分析， 在该层系钻进时单只钻头进尺短、 机械钻速低。针对以上地层特点， 而且考虑到应用 旋转导向的风险和钻井成本等综合因素， 优选了贝 克牙轮钻头配合贝克薄壁马达， 水平段钻具组合 为215.90 mm 钻头 0.24 m212.00 mm 马达 7.02 m204.00 mm 扶 正 器 1.78 m176.00 mm 无 磁 钻 杆 2.87 m176.00 mm 断 电 短 节 0.82 m197.00 mm 通信短节 3.22 m204.00 mm 扶 正 器 1.31 m172.00 mm 随 钻 测 井 仪 6.67 m178.00 mm 扶 正 器 1.45 m127.00 mm 加重钻杆 9.28 m127.00 mm 钻杆。使用优 选出的钻具组合， 在该井段单只牙轮钻头最长进尺 达 177.41 m， 纯钻时间 121.40 h， 平均钻速 1.46 m/h， 较邻井平均钻速有很大提高。下分支井眼水平段总 共用了 15 趟钻， 用时 79 d， 比计划周期缩短了 11 d。 3.2 上分支井眼 Upper branch hole 上分支井眼从 2 860 m 开始侧钻， 根据下分支 造斜段施工经验， 开窗后下入陀螺配合定向， 由于使 用 PDC 钻头反扭矩不稳定造成马达工具面不稳， 决 定采用贝克休斯牙轮钻头配合贝克马达和 MWD 进 行造斜钻进， 造斜段钻具组合为215.90 mm 钻头 0.34 m212.00 mm 马达 6.99 m178.00 mm 随 钻 测 量 仪 14.92 m172.00 mm 浮 阀 0.93 m127.00 mm 钻杆 2 123.08 m127.00 mm 加 表 2 芳深 6- 双平 1 井第一分支井眼轨道设计数据 Tab.2 Design data of wellbore trajectory of the first branch hole of Fangshen 6-shuangping 1 well 位置测深 /m井斜 /（）网格方位 /（）垂深 /m闭合距 /m造斜率 /（） 30 m-1 下侧钻点2 968.001.40258.402 966.6866.500.63 造斜 1 完3 019.706.96100.863 018.2764.184.80 造斜 2 完3 423.5370.00206.973 329.98250.865.35 靶点 A3 539.1587.73206.973 352.22363.484.60 靶点 B4 876.0087.73206.973 405.221 698.870.00 表 3 芳深 6- 双平 1 井第二分支井眼轨道设计数据 Tab.3 Design data of wellbore trajectory of the second branch hole of Fangshen 6-shuangping 1 well 位置测深 /m井斜 /（）网格方位 /（）垂深 /m闭合距 /m造斜率 /（） 30 m-1 上侧钻点2 870.002.06260.062 868.7263.701.29 造斜 1 完2 925.266.5099.672 923.8861.724.60 造斜 2 完3 331.3970.00206.973 237.57250.345.32 靶点 A3 447.5887.43206.973 260.22363.484.50 靶点 B4 785.0087.43206.973 320.221 698.870.00 石油钻采工艺 2016 年 1 月（第 38 卷） 第 1 期4 重钻杆 195.05 m127.00 mm 钻杆。 上分支水平段采用 152.4 mm 小井眼钻进， 水平段钻具组合为152.40 mm 钻头 0.19 m 120.00 mm 马达 9.39 m178.00 mm 随钻测井 仪15.37 m88.90 mm钻杆2 123.08 m88.90 mm 加重钻杆 183.54 m127.00 mm 钻杆。该分 支井眼水平段长 1 337 m。由于地层可钻性差， 地层 夹层较多， 钻头使用磨损大， 扭矩波动大， 有托压现 象发生， 造成机械钻速波动， 钻速低， 共用 20 趟钻， 历时 93 d， 比计划周期多 2 d。 3.3 施工效果 Construction effect 该井已于 2014 年 9 月顺利完井， 经过大规模压 裂改造， 上、 下分支压后无阻流量达到 150104 m3/d。 该井的顺利施工解决了大庆深层气钻井技术单一的 问题， 为更高效开发深层气探索了新方式。 4 结论与建议 Conclusions and recommendations （1） 针对火山岩地层地质特点， 结合各井段施工 技术措施， 优选合理井身剖面和钻具组合， 造斜段采 用旋转导向工具钻进， 有利于对井眼的精确控制， 实 现井眼轨迹平滑完整；水平段采用薄壁马达配合贝 克牙轮钻头施工， 提高了该区块的机械钻速。 （2） 优选合理的完井方式， 采用裸眼压裂完井， 缩 短了施工周期， 而且避免了固井水泥浆对储层的伤 害， 提高了采收率。 （3） 上分支井眼水平段采用小井眼钻进， 钻头磨 损大、 扭矩波动大、 有托压现象是造成钻速低的原 因， 建议在该区块其他井施工时正常井眼钻进。 参考文献 References ［1］ 李瑞营， 王峰， 陈绍云， 刘金玮 . 大庆深层钻井提速技术 ［J］. 石油钻探技术， 2015， 43 （1） 38-43. 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