岚M1_1煤层气多分支水平井充气钻井技术.pdf

文章编号 1000- 7393 2006 01- 0015- 04 岚 M1- 1煤层气多分支水平井充气钻井技术 * 龚志敏 段乃中 华北石油管理局钻井二公司,河北任丘062552 摘要 为开采煤层气提高煤气产量, 设计钻探了岚 M 1- 1煤层气多分支水平井, 该井煤层气储量大, 埋深在 900m处左右。钻进时, 先钻一口直井并在煤层段造洞穴, 在距 200m处钻一口水平井, 水平段连通洞穴, 再在水平 段上对称侧钻出 10个分支井眼。钻进中, 采用欠平衡钻井技术, 直井眼充气, 钻井液与气体在洞穴处混合, 形成负 压钻井。直井和水平井的上直段采用钟摆钻具组合。水平井的主井眼和分支井眼均采用导向钻具组合、 无线测量 技术, 井壁稳定技术采用高黏度钻井液。造洞穴采用液压伸臂式扩眼器, 水平井上直井段 500m 处打悬塞, 直井洞 穴上部悬挂 127mm割孔尾管进行完井。结果为, 总进尺 7993 m, 生产时效 100 , 全井组平均机械转速 8. 69m / h, 锻铣造洞穴成功率 100 , 水平井与洞穴直井一次连通, 悬空侧钻分支一次成功率 100 , 电测一次成功率 100 , 完井一次成功率 100 。结果表明, 岚 M 1- 1多分支水平井工艺技术先进, 10个分支数量在国内最多, 控制 面积在国内最大, 为今后国内煤层气井钻进技术提供了宝贵的经验。 关键词 煤层气井; 多分支水平井; 空气钻井; 洞穴 中图分类号 TE243 ; TE242 . 6 文献标识码 A 煤层气的开发是 21世纪的发展方向。在近十 几年里用常规开采工艺对煤层气的开发利用还没有 突破, 主要是单井采气量低, 不能形成规模经济市 场。山西省的煤炭资源十分丰富, 国家的西气东输 能源大动脉经过山西省境内, 因此开发煤层气具有 深远的战略意义。经研究和实践证明, 当煤的渗透 率在 1 10 - 3 m 2 时, 其水平井的产气量比垂直井 的产气量可提高 3 10倍, 国外近几年对煤层气的 钻探在采用了新工艺后加快了煤层气的开发, 并取 得了社会效益和经济效益。岚 M1- 1井就是应用 先进技术在煤层里先钻一个主水平井眼, 然后在 主水平井眼里再钻出多个分支水平井眼。在钻进 时应用充气方法降低井筒液柱压力, 保护煤气层。 从而完成了多分支水平井充气钻井工艺。取得了 地面施工占地少, 地下煤层水平进尺达 5043 m 的 成果。 1 地质概况 岚 M1- 1井位于山西省岚县东南方向 400 m, 构造位置为宁武盆地南部斜坡带上, 钻探目的层为 二叠 石炭系 9 煤层, 钻探目的为二叠 石炭系的 山西组、 太原组主力煤层钻多分支水平井, 开采煤气 并提高煤气产量。 2 工艺设计 岚 M1- 1直 洞穴 井的设计 一开 311 . 15 mm钻头 70m, 244 . 5 mm 表层套管 65 m, 水泥 返至地面; 二开 215 . 9 mm 钻头 960 m, 177 . 8 mm技术套管 958m。岚 M1- 1多分支水平井直 井眼和分支井眼设计 一开 311 . 15 mm 钻头 70 m, 244 . 5 mm 表层套管 65 m, 水泥返至地面; 二开 215. 9 mm 钻头 980 m, 177. 8 mm 技术 套管 975 m 煤层顶界深度, 井斜角 85 90 , 垂 深 890 m, 水泥返至 3煤顶 400 m; 三开 152 . 4 mm 钻头 井深 2100m 及 10分支 裸眼完井。 10个分支水平井段进尺 6137 m, 直 洞穴 井井深 950m, 多分支水平井主井眼井深 2000 m, 总进尺 8500 m。 第 28卷 第 1期 石油钻采工艺 Vo. l 28 No . 1 2006年 2月 OIL DRI LLI NG 循环系统由 1台 3NB - 1000泵和 1台 3NB- 1300 泵组成; 钻井液达到 4级净化处理; 井控装置有 1台 FZ35- 14防喷器和 1台 2FZ35- 35防喷器; 多分支 水平井配有 Grant旋转防喷器 静压 6 . 7 MPa 、 动压 1 . 76MPa和 1 . 2m 液气分离器装置; 欠平衡钻井 设备由 4台 Enric S- 10/250- B空气压缩机和充气 管汇组成。 3 . 2 岚 M1- 1多分支水平井简介 首先钻 1口直 洞穴 井, 在煤层位置下入玻璃 钢套管, 然后利用专用工具将玻璃钢套管敲碎并进 行造洞穴。再钻 1口水平井利用磁定位专用工具使 水平井与洞穴连通。连通完成主井眼钻进再进行分 支井钻进。 3 . 2 . 1 直 洞穴 井基本数据 2005年 7月 30日 1000第 1次开钻, 311 . 15mm 钻头钻至井深 62m 见基岩 30 m 完钻 , 244 . 5 mm 套管下至井深 59. 85m, 固井水泥返至地面。 2005年 8月 2日 1700采用 215 . 9 mm 钻头 进行第 2次开钻, 2005年 8月 14日 2300钻至井深 950m 完钻, 钻井周期 15 d , 平均机械钻速 3 . 75 m / h 。177 . 8mm套管下至井深 946 . 5 m, 玻璃钢套管 下入井段 875 . 31 883 . 64 m, 2005年 8月 18日 11 00测声幅完, 固井质量合格。 2005年 8月 22日 1200 采用 152 . 4 mm 钻头钻至人工井底 944 m试 压合格完井。8月 28日 000造穴完, 造穴井段 878 883m, 洞穴直径大于 500 mm。 2005年 10月 14 日下 127 mm 割孔尾管悬挂封隔煤层洞穴井段。 3 . 2 . 2 多分支水平井基本数据 2005年 8月 21 日 2100第 1次开钻, 311 . 15 mm 钻头钻至井深 53 m, 244 . 5mm套管下至井深 51 . 44 m, 固井水泥 返至地面。 2005年 8月 24日 1800采用 215. 9 mm钻头进行第 2次开钻, 2005年 9月 3日 1830 钻至 712 m造斜点位置。 2005年 9月 13日 1420 钻至井深 951 m 二开中完。177 . 8 mm 套管下至 井深 949 m。 2005年 9月 18日 1800采用 152 . 4 mm钻头进行第 3次开钻, 2005年 9月 20日 304 水平井与直井连通。井深 1009 . 67 m, 垂深 879. 5 m, 水平位移 201 . 81m。 2005年 9月 25日 1500主 井眼钻完 951 2000 m。2005年 9月 26日 1330 开始钻进 10个分支井, 2005年 10月 10日 1100完 钻。钻井周期 49. 58 d 。平均机械钻速 8 . 07m /h。 3 . 2 . 3 其它主要技术指标 1总进尺 7993 m; 2设备使用运转率达到 100 ; 3 生产时效 100 ; 4纯钻时效 48 ; 5全井组平均机械钻速 8 . 69 m /h ; 6锻铣造洞穴成功率 100 ; 7 水平 井与洞穴直井一次连通率 100 ; 8悬空侧钻造分 支一次成功率 100 ; 9煤层钻遇率大于 95 . 19 ; 10井下事故时效 0 , 复杂时效 0 ; 11电测一 次成功率 100 ; 12固井质量合格率 100 ; 13 127mm尾管作业一次成功 100 。 3 . 3 多分支水平井钻进技术关键 3 . 3 . 1 二开中完井深的确定 为确保二开中完下 套管、 固井安全, 钻至煤层顶板泥岩下入技术套管。 3 . 3 . 2 造洞穴技术 玻璃钢套管下入煤层后, 用套 管段铣工具将玻璃钢套管磨铣掉, 然后下入液压伸 臂式超大直径扩眼器进行造洞穴。 3 . 3 . 3 水平井与洞穴的连通 水平井钻至距洞穴 50 60 m 时, 在直 洞穴 井气举掏空 450 m, 下入 强磁接收仪, 入洞穴 0 . 5m左右; 水平井下入强磁发 射工具, 由磁定位跟踪两井眼的连通。钻具结构 152 . 4mm 钻头 HA517G, 10 3 125 mm 强磁 距离测量仪 0 . 39 m 120 mm 马达 1 . 5 120 mm无磁钻铤 2 . 91 m 120 mm 无线随钻 测量工具 120 mm 无磁钻铤 120 mm 浮阀 89 mm加重钻杆 21根 89 mm 钻杆。复合导 向钻进至预计距洞穴 4m 时, 直 洞穴 井起出仪器 关封井器, 水平井继续钻进, 至出现泵压下降、 井口 不返钻井液、 并有放空现象表示连通成功。连通斜 深 1009 . 67m, 垂深 879 . 5m, 井斜 92 . 25 , 闭合方位 252 . 6 , 水平位移 201 . 81 m两井地面相距 199 . 06 m。 3 . 3 . 4 井眼轨迹控制技术 1直井、 水平井上直段均采用钟摆钻具结构。 水平井实钻造斜点选择, 根据洞穴直井测陀螺数据, 直井井深 885 m, 闭合位移 15 . 89 m, 闭合方位 177 . 31 , 考虑直井井底位移向反向发生 15 . 89 m 偏 移, 水平井造斜点提前。根据地层的可钻性和钻头 使用情况造斜点选择在 712m。 2井段 712 951m, 进尺 239m 井段完成了 0 83 的造斜。下入可调试单弯螺杆 1 . 76, 钻进 16 石油钻采工艺 2006年 2月 第 28卷 第 1期 参数 钻压 20 80 k N, 转速 DN 25 r/m in, 排量 30 L /s, 泵压 9MPa, 由于山西组砂泥岩可钻性较差, 机 械钻速只有 1 . 33 m /h , 钻头偏磨严重, 钻至 813 m 造斜率只有 28 35 /100 m, 满足不了施工要 求, 进入太原组通过强化钻井参数, 钻压改为 80 100 kN, 造斜率为 47 /100 m 左右, 基本满足了 施工要求。 3三开 152. 4mm 井眼轨迹控制。为了有利 于水平井主井眼轨迹控制, 首先使用牙轮钻头钻进, 钻具结构 152 . 4 mmHA517G钻头 10 3 120 mm马达 1 . 5 120 mm 无磁钻铤 2 . 91 m 120mm无线随钻测量工具 120 mm 无磁钻铤 120 mm 浮阀 89 mm 加重钻杆 5柱 89 mm钻杆 15柱 89 mm 加重钻杆 8柱 89 mm钻杆。钻井参数 钻压 20 40 kN, 转速 DN螺 杆 30 r/m in , 排量 15 16 L / s , 泵压 12 15 MPa 。根据无线随钻测量工具测井曲线数据分析对 井眼轨迹实施控制, 确保中靶和在煤层中穿越。 主井眼牙轮钻头钻至 1434 m 出现明显托压现 象, 为解决传压问题及考虑井下安全问题和加快钻 井速度、 保护煤气层, 在钻具组合上换 PDC钻头并 加入减阻器, 钻具结构为 152 . 4 mm M1653MSS钻 头 W 12 , W12 , W13 120 mm 马达 1 . 5 120mm无磁钻铤 2 . 91 m 120 mm 无线随钻 测量工具 120 mm 无磁钻铤 120 mm 浮阀 89mm 加重钻杆 2柱 2 . 57 m减阻器 2. 55 m 减震器 89mm加重钻杆 3柱 89mm钻杆 30柱 89 mm 加重钻杆 8柱 89 mm 钻杆。 自 1434m 下入了一只 M1653 MSSPDC钻头, 钻完主 井眼和 10个分支井眼, 累计进尺 5609 m, 平均机械 钻速 25 . 47 m /h 。 3 . 3 . 5 分支井眼侧钻点的选择 侧钻点所选择的 地层要比较稳定, 井径规则, 所选择的井段全角变化 率最低。如果允许尽可能将侧钻点选择在增斜井 段。侧钻点选择后, 将工具面摆至 左 150或右 150 , 保持工具面不变, 开泵慢慢上提下放钻具 6 8m, 划槽 3 5次, 以利于侧钻成功; 然后将钻头放 置侧钻点, 开始控制钻时侧钻, 前 1 2m 控制钻速 为 1m /h , 3 4m 控制钻速为 2m /h, 5 7m控制钻 速为 3 m /h , 8 12 m控制钻速为 4 m /h, 然后正常 速度钻进。钻进参数为 钻压 0 50 k N, 排量 15 L / s , 转速 DN 35 r/m in 。 3 . 4 井壁稳定与井眼净化 为配合充气欠平衡钻井, 保持井壁稳定, 三开采 用钾基无固相钻井液体系。根据地层压力和充气欠 平衡作业技术, 确定合理的钻井液密度是关键, 密度 确定为 1 . 08 g /cm 3。使用降失水剂及防塌润滑剂, 控制失水, 改善滤饼, 降低摩阻。由于主井眼及 10 个分支井累计进尺 6000多米在煤层中穿行, 进尺 快, 单位时间内返出的煤屑很多, 钻井液必须具备较 强的携砂能力和悬浮能力。钻进过程中每打完一柱 泵入 1 m 3 的高黏钻井液, 清洗净化井眼。加强净化 设备的使用, 严格控制含砂量小于等于 0 . 1。钻 井液性能 密度 1 . 08 g/cm 3, 黏度 42 s , 失水 5 mL, 含砂 0. 1 。 4 充气钻井技术 充气钻井是将一定量气体 空气、 氮气、 天然 气 连续不断注入钻井液内, 使其呈均匀气泡分散于 钻井液中, 形成充气钻井液, 充气钻进流程见图 1 。 图 1 岚 M 1- 1井多分支充气钻井示意图 17 龚志敏等 岚 M1- 1煤层气多分支水平井充气钻井技术 三开水平主井眼与直井洞穴连通后, 关直 洞 穴 井防喷器, 在直 洞穴 井的井口连续注气, 从两 井的连通处与水平井段的上返钻井液混合后返井 口, 经旋转防喷器和节流管汇、 液气分离器控制, 使 液气分离, 并实现多分支水平井环空充气欠平衡钻 井工艺。为了确保煤层实现欠平衡安全钻进, 其调 节控制多分支水平井的井口套压值最好为零, 欠压 值不宜过大。欠平衡作业参数为 钻进时泥浆泵的 排量 14 15L /s , 直 洞穴 井注气量 7 8m 3 /m in, 井口压力 7 . 8 8 . 5MPa , 两井在连通处以上的井筒 液柱压力其压差欠压值在 0 . 7MPa左右为好。 5 完井工艺 多分支水平井眼完成后, 直 洞穴 井清洗洞穴 至人工井底 944m 的煤屑。冲洗过程为直 洞穴 井光钻杆下至人工井底, 多分支水平井光钻杆下至 1030 m, 两井眼的钻具连通交叉, 两口井同时开泵进 行冲洗作业, 冲洗完成后在直 洞穴 井洞穴位置的 上方悬挂 127mm割孔尾管, 多分支水平井在井深 500 m处打悬空水泥塞完井。采气作业将在直 洞 穴 井进行。见图 2 。 图 2 岚 M1- 1井多分支完井结构 6 结论与建议 1宁武盆地南部斜坡带煤层气岚 M1- 1多分 支水平井是国内煤层气钻探中煤层埋藏最深、 水平 进尺最多、 分支井最多、 控制面积最大、 钻井最顺利、 周期最短的一口井, 各项技术指标均达到了设计要 求, 该井的成功钻探为今后在宁武盆地南部斜坡带 乃至整个煤层气市场推广应用多分支水平井钻井技 术奠定了良好的基础。 2该井充气欠平衡钻井设备、 钻井方式、 工艺 技术有待完善。由于在直井注气, 液气不能有机的 混合, 连通口处会发生憋堵, 在憋堵之后就会发生气 体滑脱, 井口压力突然增大, 发生地面失控的现象。 3多分支水平井充气钻井工艺要求井控装置 要完备, 工具及仪表要齐全。 参 考 文 献 [ 1] 钻井承包商协会论文集. 北京 石油工业出版社, 2005 [ 2] 张抗. 鄂尔多斯断块构造和资源. 陕西西安 陕西科学 技术出版社, 1989- 07 收稿日期20051113 〔 编辑 张振清〕 18 石油钻采工艺 2006年 2月 第 28卷 第 1期 OIL DRILLING lcasing pro gram;annular pressure loss ; opti m izating design BOREHOLE STABILITY ANALYSIS FOR MEGA- EX TENDED- REACH WELLS AT LIUHUA OIL FIELD IN SOUTH CHINA SEA Yu Baohua , Deng Jin gen, Gao Deli China University of Petroleum, Beijing 102249 Abstract Borehole stability is one of the most i mportant factors for successful drilling of extend- reach wel.l Based on the comprehensive analysis of logging data ,geological infor ma tion and laboratory tests results ,this paper studied the pore pressure ,in- situ stresses and rock strength of Liuhua 11- 1 oil field,analyzed the borehole stability during the drilling of shale and li mestone payzones for extended- reach wells ,and calculated the safemud density window for the extended- reach wells . F ield application showed excellent results , which provide a quantitative base for the drilling design of extended- reach wells in the field. K ey words extended- reach wel;l claystone ;li mestone ; wellbore stability ;safemud density window BOREHOLE CLEANING TECHNOLOGY FOR M EGA - EXTENDED- REACH WELLS AT LIUHUA FIELD IN SOUTH CHINA SEA W ang Zhi m ing,Guo X iaole ,Zhang Songjie ,Gao Deli China University of Petroleum, Beijing 102249 Abstract To monitor the hole- cleaning condition and provide guidance during drilling , A new approach is proposed to monitor the hole cleaning condition and calculate the height and position of cuttings bed in extended- reach- wells . This approach was used to calculate and analysis the case ofL iuhua 11- 1- 17 B3 ER W 4wel. l The calculation coincidedw ith the actual conditionswel,l which showed that the approach in this study wasworkable and valuable in drilling engineering . A t the sa me ti me ,the study result indicated that cutting- beds w ith differentheights existed during alldrilling phases and the seg mentwhere the hole sizewas444. 5mm and the hole inclina tionwasmore than 45 degree had the highest cuttings- bed and beca me the most difficult seg ment for cuttings transport . The approach is si mple and applied, thus providing guidance for field operation . K ey words ER W;hole cleaning ;cuttings bed ; ECD NUM ERICALANALYSISOFDOWNHOLEDRAG TORQUE AND ROTARY STEERING SYSTE M FOR LI UHUA M EGA - EXTENDED -REACH WELLSIN SOUTH CHINA SEA Gao Del, i Tan Chengjin , DaiW eifeng China University of Petroleum, Beijing 102249, TangH aix iong , W eiHongan Abstract The drilling and completion data of 5 co mpleted mega- extended- wells are listed in this paper ,and according to the fifth mega- extended- reach well C1ERW 5,utilizing the autonomously- developed software for numerical analysis of do wn- hole drag torque ,the drag torque during drilling and running casingwere predicted and analyzed. The calculation re sultsmatch wellw ith the actual survey data . M eanwhile ,the mechanicsbehavior of rotary steering syste m RSS wasprobed into quantitatively according to the RSS used in L iuhuamega- extended- reach well engineering . The calculation results show that thewellbore trajectory can be effectively controlled by ad justing the magnitude and orientation of the control force pro duced by the RSS. This paper can provide an i mportant refer ence to the following i mple mentation of other mega- extended - reachwells . K ey words extended- reach wel;l drag run ning casing ;rotary steering ;system TECHNOLOGY OF DRILLING M IXED W ITHGAS FOR LAN M 1- 1 COALBED GAS M ULTI- BRANCH HORIZONTAL WELL Gong Zhi m in , Duan N aizhong The No . 2 Drilling Co .of HuabeiPetroleum Adm inistration Bureau , Renqiu 062552, He bei Abstract To increase output of coalbed gaswel, l we have 82 ABSTRACT Vo. l 28 No. 1 designed and drilled Lan M 1- 1 coalbed gas multi- branch horizontalwel. l W ith a large coalbed gas reserves ,the buried depth is about 900 m. W hen it was being drilled,a vertical wellwas drilled at first ,and caves were made in coalbed gas sect ,then a horizontalwellwere drilled at a distance of200m, horizontal seg mentwere in connection w ith the caves ,and 10 branch holes were lateral drilled symmetrically in horizontal sect . Underbalance technology were taken by us during drill ing , verticalhole was filled w ith gas ,drilling fluid were m ixed w ith gas in caves , and negative pressure drilling technologywas for med . Pendulum asse mblywasused in verticalwelland upper vertical seg ment of horizontal wel.lSteering asse mbly and MWD and LWD were used in main holes and branch holes of horizontalwel. l H igh viscosity drilling fluid was used for stabi lizing borehole wal.l Hydraulic reamerwas used aking ca ves, and plugging at the distance of 500 m in upper vertical seg mentofhorizontalwel. l A 127mm slotted linerwas hanged above verticalwell cave to complete the wel. l The result is ,to tal footage is 7993 m, production percentage is 100 ,the aver age mechanical rotating speed of the whole well is 8. 69 m /h, percentage aking caves in seg mentbym illing is 100 , hori zontalwellwas connected w ith caves only one ti mes. Percent age for branch by i mpending lateral drilling in one ti me is100, percentage for electric logging is 100 ,percentage for well co m pletion in one ti me is 100. The result show that the technology for LanM 1- 1 multi- branch horizontalwell is advanced ,and the a mount of branches w ith 10 is the max i mum in domestic marke, tthe controlling area is the biggest in domestic market , which willprovide valuable experience for domestic coalbed gas drilling in future . K ey words coalbed gas ; multi- branch horizontalwel; l drillingm ixed with gas ;caves NEW FOR HOLE TRAJECTORY DESIGN W ITH A REQUIRED DIRECTION AT TARGET Huang Genlu1 , 2 1 . Petroleum Engineering College , China University of Petroleum,Dongying 257061,Shandong ;2. Shengli Drilling Technology ResearchInstitute ,Dongying 257017, Shandong , Zhao Jinha, i Zhao Jinzhou, Han Laiju Abstract Design of hole trajectory being restricted to the required direction at its target is very i mportant forwell trajecto ry control in directional and horizontalwel.lIt can be used to i mprove the ability ofwell trajectory control and target hitting . According to the principle that the number of constraints and unknowns ofwell trajectory should be equa,l the paper provides all the possible profiles and demonstrates that a three- section profile with two planar circular arcs and one straight line is the si mplest and right profile for correctionalwell- path with a re quired direction at target .On the basis of it ,a new called Path- Seeking One- by- One is presented to avoid sol ving the nonlinear constraint equation set . To reduce the co m puting ti me used on Path- Seeking One- by- One to reasona ble range ,the function with two independent variables for path - correction planning is abandoned and a new functionwith one independent variable is constructed. The based on the ne w function is calledmodified Path- Seeking One- by- One . The steps of the is described and a planning exa mple is solved and analyzed . The result sho ws that the ofmodi fied Path- Seeking One- by- One neednt solve the nonlinear constraint equation set and is an efficient and reliable . K ey words hole trajectory ; design ; directionalwel; l hori zontalwel; l mathe maticmodel TECHNOLOGY OF WATER BASED DRILLING FLU IDS USED IN EXTENDED REACH WELLS AT LIUHUA FIELD Yan Jienian, Yang Hu , W ang Liguo China University of Petroleum, Beijing 102249 Abstract To reduce the application of oil based drilling fluids in extended reach wells , water based drilling fluidswas developed for L iuhua O ilfield. The for mulation and properties of the drilling fluids used in different intervals of extended reach wells located at the Liuhua O ilfield, South China Sea ,are af fir med by large numbers of tests