控压钻井技术在塔中区块的应用及效果分析.pdf

钻井新技术 控压钻井技术在塔中区块的应用及效果分析 * 孙 超 1 李根生 1 康延军 2 黄中伟 1 王鹏程 2 1中国石油大学北京 油气资源与探测国家重点实验室2 塔里木油田钻井技术办公室 摘要塔里木油田塔中区块存在着诸多钻井难题, 常规钻井装置和方法很难满足当前钻井作 业要求, 为此,开展了控压钻井技术研究与应用工作。控压钻井技术主要设备有造气及分离装置、 回压控制及计量装置、井筒控制装置及井下监测装置。根据实时监测的数据, 利用回压泵和节流 管汇对井底压力进行控制,用于提高复杂条件下钻井作业的安全性和效率。应用该技术后, XY722井非生产时间减少,钻井周期缩短近百天,在减少恶性漏失的同时,也减少了对储层的损 害,XY62- 11H 井节省钻井液多达 4 000m 3。 关键词 控压钻井 井漏 奥陶系 碳酸盐岩 0 引 言 控压钻井技术出现于 20世纪 60年代, 利用欠 平衡钻井工具和方法, 通过调节环空钻井液当量循 环密度, 实现精细控制井底压力。至今,控压钻井 技术已形成一套系统的理论和工艺,如双梯度钻井 技术,钻井液帽钻井技术及精细控压钻井技术 等 [ 1]。国内外学者大都对控压钻井技术进行了研 究 [ 2]。目前, 许多国际石油公司都开展了控压钻 井技术研究和现场试验。为了实现安全、快速地钻 进至常规钻井方法不能钻达的层位,扩大油气资源 的开发范围, 提高已探明储量的利用率,塔里木油 田也开展了控压钻井技术研究与应用工作。 1 控压钻井技术及设备 IADC 国际钻井承包商协会 对控压钻井技 术做了以下定义 控压钻井技术是一项改进的钻井 程序,可以精确地控制整个井眼的环空压力剖面。 其目的在于确定井底压力窗口, 从而控制环空液面 剖面 [ 3]。 11 控压钻井技术特点和实施目的 控压钻井技术不同于欠平衡钻井技术, 其主要 是解决钻井问题。根据地层压力情况,控压钻井技 术的循环介质可以选用常规钻井液、轻质材料钻井 液、充气液和泡沫等。钻井过程中调节钻井液性能 或注入一定量气体, 改变钻井参数, 使用闭合、承 压的钻井液循环系统,结合井口回压控制,实现井 底压力的精确控制。控压钻井技术的主要目的是解 决钻进过程中出现的相关复杂问题, 准确地控制环 空压力,借助配套设备, 实现作业过程中操作的快 速变更,应对作业过程的突发压力变化, 降低钻遇 窄密度窗口区域的钻井风险 [ 4]。同时, 减少对储 层的污染, 动态控制环空压力的能力使其可以钻进 至常规钻井方法无法钻达的区域。 12 控压钻井的主要设备 控压钻井所需的主要设备有造气及分离装 置、回压控制及计量装置、井筒控制装置、井下监 测装置等。其中压力控制及井下监测装置是控压钻 井技术的核心装置。 图 1是控压钻井技术的施工简图。在实施控压 钻井过程中,首先通过造气及增压设备产生循环介 质,通过相应的井控装置和旋转控制头保持井底压 力与地层孔隙压力始终处于平衡或近平衡状态。其 次,根据实时监测的数据,利用回压泵和节流管汇 对井底压力进行控制,用于提高复杂条件下钻井作 业的安全性和效率 [ 5]。 27 2010年 第 38卷 第 5期 石 油 机 械 CHI NA PETROLEUM MACH I NERY *基金项目 国家 973计划重点基础研究发展项目 2010CB226700 资助课题。 图 1 控压钻井技术施工简图 2 控压钻井技术现场应用 塔里木油田公司在塔中地区实施控压钻井, 开 辟了保护和发现油气层的钻井新途径, 并根据施工 的实际情况和取得的效果, 不断扩大控压钻井技术 的应用范围。目前,塔里木油田公司在塔中区块大 面积推广控压钻井技术,并实施了多井次的精细控 压钻井, 取得了预期的效果。 21 塔中区块钻井施工存在的难题 塔里木油田塔中区块存在着诸多钻井难题。首 先, 奥陶系裂缝发育, 容易同时出现井漏、溢流复 杂, 造成井控风险增加,大量的钻井液漏失也造成 钻井成本的急剧增加 [ 6]。其次, 该区块多为深井、 超深井, 钻井过程中裸眼井段长, 井漏等复杂情况 易转化为钻井事故 [ 7]。最后, 塔中区块开发多以 水平井为主, 水平井的井眼轨迹控制要求较高, 在 其地层压力几乎不变的情况下, 井底压力随着环空 摩阻的增加不断增大, 容易出现井塌或井漏,而且 复杂情况处理难度很大,造成开发井水平段进尺困 难。常规钻井装置和方法很难满足当前钻井作业要 求, 不能达到钻井设计要求,制约着该区块的大规 模开发。为解决该区块存在的诸多钻井难题,塔里 木油田公司实施了控压钻井技术。 22 控压钻井应用效果及分析 实施控压钻井技术后,相应的数据对比显示, 该技术有效地克服了上述钻井难题。其中 XY722 井位于塔里木盆地中央隆起塔中低凸起北斜坡塔中 83号岩性圈闭上,目的层为下奥陶系碳酸盐岩, 地层压力敏感,密度窗口狭窄。 与其地质结构相近的井相比, 钻井过程中该井 多发钻井事故,钻井周期长达 200 d 。在进入奥陶 系上部灰岩段之后,XY722井实施控压钻井,钻 井过程中未发生复杂情况及钻井事故, 非生产时间 减少, 与实施常规钻井作业的邻井相比, 钻井周期 缩短近百天。图 2为该井的地层压力预测曲线。控 压钻井技术的应用在减少恶性漏失的同时,也避免 采用高密度、永久性堵漏材料堵漏, 从而减少对储 层的损害, 为获得高产工业油流创造了有利条件。 XY722井实施控压钻井之后,试油产量达 256m 3 / d 。表 1为该井与邻井的数据对比。 图 2 XY722井地层压力预测曲线 表 1 XY722井与邻井的数据对比 井 号XY722XY72XY721 钻井周期 /d127212240 设计井深 /m5 7505 8005 800 完钻井深 /m5 7505 2365 505 复杂时间 /d0129121 试油产 量 / m3 d- 126529512648 试气产 量 / m3 d- 151 2029 560720 352 XY62- 11 H 井位于塔里木盆地中央隆起塔中 低凸起塔中号坡折带塔中 62岩性圈闭中段。该 井在进入奥陶系砂质泥岩之后实施控压钻井作业, 与实施常规钻井作业的邻井相比, 漏失量降低,节 省钻井液多达 4 000 m 3 见图 3,很好地完成了 水平段的钻井施工, 进尺多达 800m,实现了钻井 目标,创造出塔里木油田水平段进尺的新记录 见图 4。 图 3 与实施常规钻井作业的邻井漏矢量对比图 23 技术完善 经过不断的技术积累,在引进控压钻井技术的 同时, 公司也对其进行了不断的完善,使其更适应 28 石 油 机 械2010年 第 38卷 第 5期 塔中区块的钻井施工要求。根据现场的实际情况, 从工艺设计、设备配套和操作规程等方面进行改 进, 总结出一套控压钻井的井控管理办法及配套井 控装置来规范控压钻井作业。 图 4 与实施常规钻井作业的邻井水平段长度对比图 231 解决井口脱气难题 如实施充气控压钻井, 井口脱气成为重要一环。 首先, 加入聚合物和消泡剂, 保证钻井液低的粘切 性,同时增加钻井液流程, 延长钻井液脱气时间。 在钻井液出口加装一套真空除气装置,使循环流体 中的气体充分分离, 从而改善钻井液的流变性。 232 完善电测溢流控制技术 在实施控压作业的过程中,如果采用电缆测 井, 那么井口处于无控状态。为了降低电缆测井作 业期间的井控风险,配套使用了溢流控制技术。能 够在测井过程发生溢流时,及时地进行关井作业, 同时防止电测仪器落井,避免复杂情况的进一步恶 化, 为相应井控操作的实施创造条件。 233 使用井下液面监测系统 利用井下液面监测设备,在起下钻过程中不断 监测液面的高度, 通过液面高度判断灌入钻井液 量, 从而节约钻井液, 减少起下钻时间,降低井控 风险,保证钻井施工的顺利进行。 234 改进旋转控制头 对旋转控制头进行改进, 简化旋转控制头壳体 结构, 降低其高度。改进后旋转控制头安装方便, 降低控压钻井的使用条件, 各种型号钻机都能安装 旋转控制头,有助于控压钻井的实施,提高控压钻 井技术的通用性, 为控压钻井技术的推广创造条件。 3 结论和认识 1 控压钻井技术为压力敏感性碳酸盐岩地 层的勘探开发提供了新的手段,针对塔中区块的特 殊地质结构,通过不断对其进行改进和完善, 能够 有效解决该区块钻井难题。 2 控压钻井技术也具有一定的局限性,首先 其应对大裂缝和大溶洞发育的地层能力有限,因为 地层流体流动规律不符合达西渗流理论, 不存在漏 喷平衡点, 钻遇大裂缝和大溶洞发育的地层应进行 堵漏, 并使用常规钻井手段。其次采用气体压力控 制钻进时, 对常规定向井仪器信号传输有一定影响。 3 塔中区块地层多含有 H2S气体,应通过 脱气装置加以处理, 对气体循环装置和分离装置进 行密闭,避免其对仪器、设备和地面施工人员造成 损害。 参 考 文 献 [ 1] 向雪琳, 朱丽华, 单素华, 等 国外控制压力钻井 工艺技术[ J] 钻采工艺,2009,32 127- 30 [ 2] 周英操, 崔 猛, 查永进 控压钻井技术探讨与展 望[ J] 石油钻探技术,2008,36 41- 4 [ 3] 辜志宏, 王庆群, 刘 峰, 等 控制压力钻井新技 术及其应用[ J] 石油机械,2007,35 1168 - 72 [ 4] 王延民, 孟英峰, 李 皋, 等 充气控压钻井过程 压力影响因素分析 [ J] 石油钻采工艺,2009,31 231- 34 [ 5] Finley D,Ansah J ,G il I ,et alCo mparison of reser voir know ledge ,drilling benefits and econo m ic advanta ges for underbalanced and managed- pressure drilling [ R] SPE /I ADC 108350 ,2007 [ 6] 杨海军, 邬光辉, 韩剑发, 等 塔里木盆地中央隆 起带奥陶系碳酸盐岩台缘带油气富集特征 [ J] 石 油学报,2007,28 426- 30 [ 7] 汪海阁, 郑新权 中石油深井钻井技术现状与面临 的挑战 [ J] 石油钻采工艺,2005 ,27 24- 8 第一作者简介 孙 超,2007年毕业于中国石油大学 北京 材料工程与科学专业, 现为该校在读硕士研究生, 主要从事高压水射流在石油工程中的理论与应用研究工作。 地址 102249北京市昌平区。 E- mai l sunchao2003042118 yahoo comcn 。 收稿日期2010- 02- 28 本文编辑 王刚庆 292010年 第 38卷 第 5期孙 超等 控压钻井技术在塔中区块的应用及效果分析 the corresponding factors ,finding out the risk matrix of the effect of the factors on casing failure and deter m ining the dan ger property index for eight failure for ms of the oil- gas well casing . A prediction was conducted of the service life of 60 untrained sample casing damage wells . A co mparative analysis of the life prediction value and the field real life value indi cates that the m ethod can reach a higher precision in predic ting the medium length life of the oil- gas well casing ,thus providing an engineering reference . K ey words casing failure ,risk matrix,support vector machine ,sa mple training,life prediction ZhangW eiMOE Key Laboratory of Petroleum Engineer ing, ChinaUniversity ofPetroleum, Beijing, Fan Chunying , W ang N a . The floating and weight reduction technology of the deep water drilling riser .CPM,2010, 38 523- 26 To reduce the operating costs of deep water drilling , there is a tendency to make the drilling plat become sm al ler and smaller . To suit this tendency ,it is necessary to con trol the gravity of the drilling riser . Themajor co mponentparts of the riser were analyzed and several technologies for the structural gravity reduction of the riser were suggested ,inclu ding adoption of new- type lightmaterial risers ,risers of stat ically indeter m inate integrated structure and risers of variable stiffness structure .By reducing the self- gravity of the riser , the li m it operating water depth can be increased and the dy nam ic perfor m ance of the riser can be i mproved so as to make its inherent frequency avoid the resonance region and thus ex tend its fatigue life . K ey wordsdrilling riser ,deep water drilling ,floating and weight reduction ,lightm ateria, ltension device Sun Chao State K ey Laboratory ofO ilperforation density must not go beyond 44 holes per meter . W hen the perforation density goes beyond 22 holes per meter , 90 phase perforation mustbe chosen. K eywords perforation parameter ,sand production,cas ing damage ,buckling failure ,critical buckling load ,ANSYS analysis M a X ijin College of Fluid Dynam ics and Contro,l Lanzhou University ofT echnology , Lanzhou, N iu Cong , Q in X ia . The effect of the multiphase pump transition section on the exit flow field of the suction cha mber .CPM,2010,38 5 39- 41 In the process of designing the sem i- spiral suction chamber ,the area and for m of the sections are always modi fied several ti mes.Even if the section area is in agreement w ith the design value ,the designer can only depend on their own experiences to judge whether the flo w channel is smooth . Therefore ,the Pro/E software was adopted to establish the three- di mensionalmodel of the sem i- volute suction cham ber . And then the STAR - CD softwarewas used to conduct a si mulation calculation of the chamber flow field and analyze the result so as to find out the unreasonable aspects . The re sult holds that it is quite necessary to add a section of annular channel at the exit of the suction cha mber , which can provide even inflow for impeller entry .The prox i mate 90 transition section is nearly a flow around the fluid.The speed of fluid changes re m arkably here and addition of the transition section at the ex it of the cha mber helps to re move the unevenness . K ey wordsse m i- spiral suction chamber ,transition section,slice ,flow field analysis ,three- di mensionalmodel W ang X iaoyong Institute ofPetroleum Engineering Tech nology ,H enan O ilfield Company ,N anyang C ity ,Henan Province, M a H ongwe, iL iang Yubo ,et a. l R esearch and application of the KZF- 96 control clean- out and sand con trol valve . CP M, 2010,38 555- 57 T o i mprove the ter m of va lidity of separate injection 2