庆深气田致密砂砾岩气藏小井眼水平井钻井技术.pdf

第 4 1 卷 第 5 期 2 0 1 3年 9月 石 油 钻 探 技 术 P ETROL EUM DRI I LI NG TECHNII QUES Vo 1 ． 4 l NO ． 5 Se p ．。 2O1 3 ． ． 钻井完井 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 0 8 9 0 ． 2 0 1 3 ． 0 5 ． 0 1 1 庆深气 田致密砂砾岩气藏小井眼水 平井钻 井技术 韩福彬 ，李瑞营。 ，李国华。 ，代 晓东 ，陈绍云。 1 ． 中国石油大庆油 田有限责任公 司勘探事业部， 黑龙江大庆 1 6 3 4 5 8 ； 2 ． 中国石油大庆钻探工程公司钻井工程技术研究院， 黑龙江 大庆 1 6 3 4 1 3 摘要 为提高大庆油田深层致密砂砾岩气藏的勘探 开发效益， 缩短钻井周期 ， 降低钻井成本 ， 开展 了小井眼水平井 钻井技术研究。首先， 按照套管允许的弯曲半径必须小于井眼实际弯曲半径的原则， 在分析 2 1 5 ． 9 m r n弯曲井眼安全 下 入 机7 7 ． 8l n r n 技术套管和 1 5 2 ． 41T ff n钻具组合通过 姐7 7 ． 8 iT lr n 技术套管能力的基础上 ， 对井身结构进行了优化； 其次， 考 虑到目的层可能提前或滞后的情况， 利用探气顶稳斜角公式计算了不同厚度储层的稳斜角， 同时考虑造斜井眼尺寸以及 实际地层造斜能力， 对井眼轨道进行 了优化 ； 最后 ， 根据钻遇地层的特点 ， 对钻头进行 了选型 ， 设计了钻具组合 ， 优选 了钻 井参数 ， 最终形成 了庆深气田致密砂砾岩气藏小井眼水平井钻井技术。该技术在徐深平 3 X井成功 实施 ， 钻 井周期与常规 水平井相比缩短 了3 2 ． 8 3 。这表明， 该技术可为深层砂砾岩气藏的勘探 开发提供新的技术手段 。 关键词 深层 致密砂砾岩 气藏 小井眼钻并 水平井 井身结构 庆深 气田 中图分类号 TE 2 4 3 ． 1 ； TE 2 4 6 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 0 8 9 0 2 0 1 3 0 5 0 0 5 6 0 6 Ho r i z o nt a l S l i m- Ho l e Dr i l l i ng Te c h no l o g y f o r De e p Ti g h t Gl u t e n i t e Ga s Re s e r v o i r i n Qi n g s h e n Ga s F i e l d Ha n Fu bi n ， Li Ru i y i n g ， Li Gu o h u a 2， Da i Xi a o d o n g ， Ch e n S ha o y u n 1 ．E x p l o r a t i o n De p a r t me n t o f Da q i n g O i l f i e l d C o mp a n y， Pe t r o C h i n a， Da q i n g， He i l o n g j i a n g， 1 6 3 4 5 8 ， Ch i n a； 2 ． Dr i l l i n g En g i n e e r i n g Te c h n o l o g y Re s e a r c h i n s t i t u t e ， CNPC Da q i n g Dr i l l i n g ＆ Exp l o r a t i o n E n g i n e e r i n g C o r p o r a t i o n， Da q i n g ， He i l o n g j i a n g， 1 6 3 4 1 3 ， C h i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o i mp r o v e t h e p r o s p e c t i n g b e n e f i t ， s h o r t e n d r i l l i n g c y c l e a n d s a v e d r i l l i n g c o s t i n d e e p t i g h t g l u t i n i t e g a s r e s e r v o i r s i n Da q i n g Oi l f i e l d， t h e r e s e a r c h o n h o r i z o n t a l s l i m- h o l e d r i l l i n g h a d b e e n c a r r i e d o u t ． Fi r s t l y， a c c o r d i n g t o t h e p r i n c i p l e t h a t a l l o wa b l e c a s i n g b e n t r a d i u s mu s t b e l e s s t h a n t h e a c t u a l b e n t r a d i u s o f we l l b o r e ， a n d t h e c a s i n g p r o g r a m wa s o p t i mi z e d o n t h e b a s i s o f a n a l y z i n g t h e p o s s i b i l i t y t h a t r u n n i n g j 5 1 7 7 ． 8 mm i n t e r me d i a t e c a s i n g i n声 2 1 5 ． 9 mm c u r v e d we l l b o r e s a f e l y ， a n d t h e l 5 2 ． 4 mm B HA p a s s e d t h r o u g h 4 1 7 7 ． 8 mm i n t e r me d i a t e c a s i n g ． S e c o n d l y ， a s t h e d e p t h o f t a r g e t p a y z o n e ma y b e s h a l l o we r o r d e e p e r t h a n t h a t o f p r e d i c t i o n， h o l d a n g l e f o r mu l a wa s u s e d t o c a l c u l a t e t h e h o l d a n g l e o f r e s e r v o i r s i n d i f f e r e n t t h i c k n e s s ， i n a d d i t i o n， t a k i n g t h e f o r ma t i o n d e f l e c t i n g a b i l i t y a n d b o r e h o l e s i z e i n t o a c c o u n t i n b u i l d u p s e c t i o n ， t h e we l l t r a j e c t o r y wa s o p t i mi z e d ． F i n a l l y ， a c c o r d i n g t o t h e f e a t u r e s o f f o r ma t i o n s ， t h e t y p e o f d r i l l b i t ， b o t t o m- h o l e a s s e mb l y a n d d r i l l i n g p a r a me t e r s we r e o p t i mi z e d ， t h e h o r i z o n t a l s l i m h o l e d r i l l i n g t e c h n o l o g y h a d b e e n f o r me d f o r d e e p t i g h t g l u t e n i t e g a s r e s e r v o i r s i n Qi n g s h e n Ga s F i e l d ． Th e a p p l i c a t i o n o f t h i s t e c h n o l o g y i n W e l l Xu s h e n p i n g 3 X l e d t o a r e d u c t i o n o f d r i l l i n g c y c l e t i me o f 3 2 ． 8 3 t h a n c o n v e n t i o n a l h o r i z o n t a l we l l me t h o d， i t p r o v i d e s n e w t e c h n i c a l me a n s f o r e x p l o r a t i o n a n d d e v e l o p me n t i n d e e p t i ght g l u t e ni t e ga s r e s e r v o i r s ． Ke y wo r d s d e e p f o r ma t i o n； t i g h t g l u t e n i t e ； g a s r e s e r v o i r ； s l i m h o l e d r i l l i n g； h o r i z o n t a l we l l ； c a s i n g p r o g r a m； Qi n g s h e n Ga s Fi e l d 庆深气田是大庆油田深层天然气勘探开发的重 点区块 ， 现已探明该气 田在营城组火山岩和砂砾岩 地层有超过 2 0 0 01 0 。m。的天然气 ， 而徐家 围子 断陷是该气 田的勘测重点。徐家围子断陷营 4 段砂 收稿 日期 2 O l 2 1 2 2 ,i ； 改回日期 2 O 1 3 0 7 2 9 。 作者简介 韩福彬 1 9 7 O ， 男， 黑龙江宾县人 ， l 9 9 2年毕 业于大 庆石油学院钻 井工程专业， 1 9 9 5年获大庆石油学院钻井工程 专业硕士 学位， 高级工程师， 从事钻井工程技术研 究与管理 工作。 联 系方式 h a n f u b i n p e t r o c h i n a ． c o in ． c n 。 石 油 钻 探 技 术 为， 井下管柱是一条不承受弯矩的软绳， 但可承受扭 矩 。若井眼直径与管柱直径相差较大， 且管柱刚度 较小 ， 井眼不出现严重狗腿度的情况下 ， 则管柱刚度 对其受力的影响比较小 ， 在分析 中可采用软绳模型。 但在小井眼水平井实 际施工过程 中， 由于地质需要 存在局部范围内井 眼曲率大于优化设 计 曲率 的情 况， 而此 时在该局部范围内管柱则具有很强的刚性 ， 且环空间隙小。因此 ， 结合现场实际， 主要对局部弯 曲条件下 ， 小井眼内管柱通过能力进行了分析 ， 并重 点针对裸眼段套管的下人与弯曲套管内钻柱的下人 进行了计算 ， 从而初步确定 了合理的井 眼曲率范围 和管柱组合， 以保证施工安全[ 3 ] 。 1 ． 2 ． 1 1 5 ． 9 1 T II T I 弯曲井眼下入 j 5 1 7 7 ． 8 m m套管 根据定向井／ 水平井中套管管体允许 的弯 曲半 径计算公式来计算 { I 1 7 7 ． 8 mm套管允许 的弯 曲半 径 ， 利用定向井／ 水平井井眼曲率半径来计算不同曲 率下的井 眼曲率半径 ， 使套管允许弯 曲半径小于井 眼曲率半径E ] 。 套管允许弯 曲半径计算公式为 R 一 Kl K2 1 井眼曲率半径计算公式为 R。一 2 式中 R为套管弯 曲半径 ， m； R。为井眼 曲率半径 ， m； K 为井 眼曲率 ， 。 ／ 3 0 m； E 为钢 的弹性 模量 ， E一2 0 6 GP a ； D为套管外径 ， c m； K 为抗弯安全系 数 ； Kz为缧纹连接处的安全系数； Y p 为钢材 的屈服 极 限 ， k P a 。 当 K 、 K 取不 同值 时， 不 同钢级 声 1 7 7 ． 8 mm 套管允许的弯曲半径和井眼最大曲率见表 1 。 由表 1 可知， 当 K 、 K2 取值较小时， 1 7 7 ． 8 1T I I l l 套管允许的弯曲半径逐渐变小 ， 而井 眼曲率 随之增 大。由文献E 3 ] 可查得 K 、 K 取值， 同时结合大庆 油田深井二开技术套管钢级为 P 1 1 0 ， 2 1 5 ． 9 mm井 眼最大 曲率小 于 1 3 ． 1 9 。 ／ 3 0 m 时 ， 1 7 7 ． 8 romP 1 1 0 套管可顺利下人 。 表 1 不同钢级套管在一定安全系数下 允许 的井眼最大 曲率 Tab l e 1 M a xi mu m a l l o wa bl e b o r e ho l e c u r v at i o n f o r di f f e r e nt c a s i ng g r a de s un de r c o n s i d e r a t i o n of s a f e t y c o e f f i c i e nt J 5 5 N8 0 P1 1 0 J 5 5 N8 0 P1 1 O 1 ． 2 ． 2 1 5 2 ． 4 I T l m钻头通过 ≠ 1 7 7 ． 8 m mP 1 1 0套管 为满足抗压强度的要求， 必须采用壁厚 1 O ． 3 6 I n l T l 的 j 5 1 7 7 ． 8 m mP l l 0套管， 因此要着重考虑 1 5 2 ． 4 m m 钻头 钻具组合 通过弯 曲姐7 7 ． 8 m mP l l O套管 的问 题， 从而为确定轨道设计最大井眼曲率提供理论依据。 通过几何模型 见图 2 ， 计算 声 1 5 2 ． 4 mm钻头 钻具组 合 在不同井眼曲率条件和壁厚 1 o ． 3 6 m 1 7 7 ． 8 l y ff n P l l 0 套管的最大间隙与最小间隙， 结果见表 2 。 从表 2可看出， 1 5 2 ． 4 I I lr n钻头可以通过曲率小 套 管 壁 允许通过外径 套管壁 图2 姐5 2 ． 4 n l n钻头通过套管示意 晦2 _e t d I 唧o f 咖1 5 2 ． 4mm b i t p a s s i n gt h r o c a s i n g 第 4 1 卷第 5 期 韩福彬等． 庆深气田致密砂砾岩气藏小井眼水平井钻井技术 表 2 不 同曲率条件下的间隙大小 l h b l e 2 Cl e a r a n c e o f t he s a nl e c a s i ng i mde r d i f f e r e nt o r v a t ur e s 于 1 1 。 ／ 3 0 m的 1 7 7 ． 8 m mP l l 0套管， 但根据大庆油 田 的实钻经验 ， 套管内虚泥饼最大厚度可达 0 ． 5 0眦 。 同时， 井眼曲率设计应考虑造斜井眼尺寸及实际地层 造斜能力 ， 最终确定井眼曲率应小于 7 ／ 3 0 m。 1 ． 3井身结 构优 化结 果 根据 以上分 析和计算 ， 将庆深气 田深层小井眼 水平井的井身结构优化为 一开采用 3 4 2 ． 9 mm钻 头 ， 下人 2 7 3 ． 1 mm 套管 ； 二开采用 声 2 1 5 ． 9 mm钻 头， 下人 1 7 7 ． 8 mm套管 ； 三开采用 1 5 2 ． 4 mm钻 头 ， 下人 ≠ 1 1 4 ． 3 mm套管。 2 井眼轨道优化 针对庆深气 田深部地层硬度大 、 造斜点效率低 以及 目的层垂深预测精度低等难点 ， 在对 比三增剖 面、 悬链线剖面、 准悬链线剖面优缺点的基础上 ， 确 定采用七段制变曲率三增剖面法进行井眼轨道优化 设计 ， 以提高轨迹 的调整控制能力、 降低 目的层提前 与滞后的影响程度 。 图 3为水平井探气顶 至着 陆示意 图。图中， 为油层厚度 ， h ／ 3为常规水平段距离气顶 的距离 ， 探 气顶井斜角为 0 ， 从 A点到B点 的造斜半径夹角为 z ，由三角形边长计算公式和式 2 可推出探气顶井 斜角计算公式为 一 专一 a r c c 。 s 3 0 4 ／ 气层顶界 一 一 一一 一 一一 一 一一 一 一一 一r l I I h I 一一一一一一一一一一一～一一一一一一一一一一一 是 蹙 曼 一一 一 L 图3 水平井探气顶至着陆示意 Fi g ． 3 Sk e t c h ma p o f me a s u r i ng g a s r e s e r v oi r t o p t o l a nd i n g de p t h 根据式 3 可 计算 出不 同气层 厚度 最佳 的探 气顶井斜角 ， 从而确保及时发现气层 ， 使水 平段在 储层 中的 延 伸距 离 最远 ， 达 到 提 高 单 井 产 量 的 目的l_ 8 _ 。 地质预测徐深平 3 X井有效气层厚度约为 1 6 m， 同时考虑地层深度的不确定性 ， 设计徐深平 3 X井探 气顶井斜角为 7 7 。 ， 以利于实钻过程中控制井眼轨迹， 从而实现准确中靶。 根据上述分析， 并结合螺杆钻具的实际造斜能 力 ， 对徐深平 3 X井 的井眼轨道进行了优化设计 ， 设 计结果见表 3 。 表 3 徐深平 3 x井设计井眼轨道 T a b l e 3 D e s i g n e dt r a j e c tor y o f We l l X u s h e n p i ng 3 X 井深 ／ 井斜角／ 方位角／ 垂深／ 南北坐标 ／ 东西 坐标／ 视平移／ 造斜率 ／ 各 沣 m 。 。 m m I n m 。 3 O m 一 ～ 0 3 2 6 0 ． 9 5 3 5 1 O ． 9 5 3 5 3 0 ． 9 5 3 6 5 5 ． 5 7 3 6 9 0 ． 2 2 3 7 3 9 ． 2 7 4 5 5 1 ． 2 1 4 5 5 5 ． 0 0 地表井口 造斜 点 调整段 第二增斜段 探顶段 着陆段 靶点 A 靶点 B 井底 ／ ／一 一、 、 { 、 一／ ＼ 一 石 油 钻 探 技 术 3 配套技术 3 ． 1 钻头选型 造斜段地层为登娄库组 ， 其岩石可钻性级值高 达 5 ． 5 ～6 ． 7 级 ， 地层硬度高达 2 1 6 6 ～2 5 5 5 MP a 。 由于地层钻研磨性强， 在转速为 1 5 0 ～1 9 0 r ／ mi n条 件下 ， 定向钻进或旋转钻进过程中钻头偏磨较严重 。 因此 ， 选择适应高转速 、 掌背加强保径牙轮钻头 ， 以 满足实际施工过程 中耐磨 、 高转速破岩等要求。根 据大庆深层地层与钻头的匹配关系， 针对水平井施 工特性 ， 造斜段和水平段钻头优选结果见表 4 。 表 4 造斜段与水平段钻头优选 结果 Ta b l e 4 Opt i m i z a t i o n o f b i t f o r b ui l d - u p s e c t i on a n d h o r i z o n t a l s e c t i o n 地层 钻进井段／ m 井 眼尺寸／ r a m钻头型号 登二段一营城组3 2 6 0 ． 9 5 ～3 6 6 0 ． O 0 2 1 5 ． 9 S MD6 3 7 HD Y 营城组 3 6 6 0 ． ∞～4 5 5 5 ． O 0 1 5 2 ． 4 MD 6 3 7 HX 3 ． 2 钻具组合设计[ 。 ] 二 开 造 斜 段 钻 具 组 合 井 斜 角 0 。 ～ 7 7 。 j 5 2 1 5 ． 9 mm钻头 1 7 2 ． 0 mm螺杆 弯角 1 ． 2 5 。 ～ 1 ． 5 O 。 2 1 2 ． 0 mm 本 体 稳 定 器 9 m 声 1 7 2 ． 0 mm浮 阀 7 2 ． 0 mmMWD 9 m 1 6 5 ． 1 mm无 磁钻铤 9 m 1 5 8 ． 8 mm 钻铤 5 4 ． 0 0 m 1 5 8 ． 8 mm 投 入 式 止 回 阀 1 2 7 ． 0 mmj J 重钻 杆 2 7 0 m 1 2 7 ． 0 mm 斜坡 钻杆 。 三 开 造 斜 段 与 水 平 段 钻 具 组 合 井 斜 角 7 7 ． 0 0 。 ～8 7 ． 6 3 。 1 5 2 ． 4 mm钻头 1 2 0 ． 6 mm螺 杆 弯角0 ． 7 5 。 ～1 ． 2 5 。 1 4 8 ． 0 mm本体稳定器 5 m 1 2 o ． 6 mm浮阀 1 2 o ． 6 mmMWDx 1 3 m 1 2 o ． 6 mm 无 磁钻 铤 9 m 8 8 ． 9 mm 加重 钻 杆 5 4 m 8 8 ． 9 mm斜 坡 钻 杆 1 2 6 0 m eAe o ． 6 mm投 入 式 止 回 阀 8 8 ． 9 mm 加 重 钻 杆 2 4 3 m 8 8 ． 9 mm斜坡钻杆 。 3 ． 3 钻井参数设计 小井眼钻井要考虑排量和泵压的匹配关 系， 既 要加大排量以满足井眼净化所需的环空返速要求 ， 又要控制泵压在设备 的额定工作压力范围内。按照 现有钻具组合 的结构参数 ， 运用 L a n d ma r k软件对 徐深平 3 X井二开和三开 的钻井参数进行了优化设 计 ， 结果见表 5 。 4 现场试验 徐深平 3 X井是大庆油田第一 口深层小井 眼水 平 井 ，设 计 井 深 4 5 5 5 ． O 0 m，实 际 完 钻 井 深 4 5 8 6 ． 0 0 m， 三开采用尾管裸 眼封隔器完井液填充 完井 。该 井使 用 钻头 3 5只， 全 井 平均 机 械钻 速 2 ． 7 9 m／ h ， 一 开 3 4 2 ． 9 mm 井 眼平 均 机械 钻 速 1 7 ． 4 8 m／ h ， 二开 2 2 9 ． o ／ 2 1 5 ． 9 mm井眼平均机械 钻速 3 ． 1 8 m／ h ， 三开 1 5 2 ． 4 mm 井眼平均机 械钻 速 1 ． 3 3 m／ h 。该井钻井周期 1 7 9 。 8 O d ， 与常规深层 水平井相比， 缩短了 3 2 ． 8 3 。 4 ． 1 一 开 一 开 使 用 3 4 2 ． 9 mm 钻 头 钻 进， 钻 至 井 深 4 5 0 ． O 0 m完钻 ， 平均机械钻速 1 7 ． 4 8 m／ h ， 与邻井 相比提高了 2 2 ． 4 9 ， 最大井斜角仅为 0 ． 5 。 ， 为后续 施工奠定了良好基础。 4 ． 2二 开 为防止上部泥岩地层吸水膨胀， 二开首先采用 2 2 8 ． 6 mm钻头钻至井深 2 4 1 6 ． 6 O m， 平均机械钻 速 1 7 ． 6 4 m／ h ， 与邻井 3 1 4 ． 1 mm 井段相 比， 提高 了 8 7 ． 2 6 ， 同时还降低了下部 2 1 5 ． 9 mm 直井段 与造斜段的施工泵压 ， 达到提高排量、 保证井眼净化 的 目的 。 该井设计造斜点井深 3 2 6 0 ． 9 5 m， 实际造斜点 表 5 二开 、 三开井段钻进参数 Ta bl e 5 Dr i l l i ng p ar a me t e r s f o r b u i l d- u p s e c t i o n i n s e c on d a n d t h i r d s p ud - i n 第 4 1 卷 第 5 期 韩福彬等． 庆深气田致密砂砾 岩气藏小 井眼水平 井钻 井技术 6 ， 井深 3 2 5 7 ． 1 1 m， 二开造斜段 3 2 5 7 ． 1 1 ～3 6 5 7 ． O 0 m， 采用 S MD 6 3 7 HD Y高速牙轮钻头造斜至 6 9 ． 2 1 。 完 钻 ， 平均机械钻速 1 ． 1 5 m／ h ， 与完钻 的 9口常规深 层水平井 4 3 1 1 ． 1 mm 造斜段相 比提高 了 4 5 ． 5 7 ， 4 1 7 7 ． 8 mm技术套管一次顺利下人至设计位置 ， 没 有出现阻卡现象 ， 固井质量合格 。 4 ． 3三 开 三开由于采用螺杆钻具进行复合钻进 ， 泵压高， 排 量小， 返砂不好 ， 通过提高钻井液切力， 每钻进 1 根钻 杆划眼 2次， 从而保证了岩屑及时返出。三开造斜井 段为 3 6 5 7 ． O 0 ～3 7 5 0 ． 0 0 m， 水平 段 为 3 7 5 0 ． 0 0 ～ 4 5 8 6 ． O 0 m。 三开使用 2 O只牙轮钻头、 4只 P E C钻 头， 平均机械钻速 1 ． 3 3 m／ h ， 与完钻的 9口常规深层 水平井 4 2 1 5 ． 9 mm水平段 1 ． 1 6 m／ h 相比， 提高了 1 4 ． 6 6 。水平段井眼轨迹比较平滑 ， 最大井眼曲率 仅为 1 ． 9 2 。 ／ 3 0 m， 4 1 1 4 ． 3 mm 裸眼压裂工具一次性 安全下入 ， 没有 出现复杂情况 。 5 结论与建议 1 通过缩小井眼尺寸 、 减少破岩面积 ， 能够提 高机械钻速、 缩短钻井周期 ， 使深层致密砂砾岩气藏 得到经济有效的勘探开发。 2 采用小井眼水平井进行深层天然气藏的勘探 开发， 可降低钻井成本， 同时使 Z J 5 O D型钻机钻进井深 大于 5 0 0 0 m深层水平井成为可能 ， 应全面推广应用。 3 建议优选适应坚硬砂砾岩地层的高效 P DC 钻头与螺杆钻具配合 ， 以进一步缩短钻井周期 ， 提高 勘探开发效益 。 参考文献 Re f e r e n c e s [ 1 ] 韩福彬 ， 张洪大 ， 姜玉芳 ， 等． 庆深气 田深层 3 l 1 ． 1 mm井眼气 体钻井技术 L J ] ． 石油钻探技术 ， 2 0 1 1 ， 3 9 4 6 1 6 5 ． Ha n F u b i n ，Z h a n g Ho n g d a 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