欠平衡钻井.ppt

,山东胜利职业学院钻井教研室2003.8,欠平衡钻井技术,加拿大计划用欠平衡钻井技术开发整个油田；美国能源部和Maurer工程公司预测，到2005年，全球运用欠平衡技术钻井总数可达12000口美国和加拿大拥有先进的欠平衡钻井装备、配套的欠平衡钻井技术、专业技术服务公司,欠平衡压力钻井作为能提高油气产量的一项重要技术，已在世界20多个国家3500多口井上应用。,国内从九十年代中后期开始引进旋转防喷器等主要设备，进行欠平衡钻井的试验研究，选择合适的地层进行探索性试验。,目录,一、欠平衡钻井技术简介二、欠平衡钻井设备三、欠平衡钻井技术四、欠平衡钻井的类型五、欠平衡钻井实例六、油田欠平衡钻井的发展,一、欠平衡钻井技术简介,（一）欠平衡钻井概念指在钻井过程中钻井液的循环压力包括液柱压力和循环回压，低于地层的孔隙压力。允许产层流体流入井眼，并可将其循环到地面，在地面进行分离并可有效控制，这一技术称为欠平衡压力钻井技术。,（二）欠平衡钻井的优点、缺点,优点及时发现和有效保护油气层随钻对储层进行评价可提高机械钻速避免井漏、防止粘吸卡钻提高勘探效率能够避免井喷,缺点产层伤害井塌问题环境保护安全问题,（三）欠平衡钻井方法的分类,1.按钻井循环介质的密度分类1自然欠平衡地层压力当量密度大于或等于1.10g/cm3用合适密度的钻井液进行的欠平衡钻井,2人工诱导欠平衡地层压力小于1.10g/cm3用充气钻井液、泡沫、雾、甚至用气体做循环介质进行的欠平衡钻井,2.按工艺分类,5油包水、水包油钻井密度0.8-1.0g/cm36淡水或卤水钻井液钻井密度1.0-1.30g/cm37常规钻井液钻井密度〉1.10g/cm38泥浆帽钻井,1气体钻井空气、天然气、废气、氮气密度0-0.02g/cm32雾化钻井密度0.02-0.04g/cm33泡沫钻井密度0.04-0.6g/cm34充气钻井密度0.7-0.9g/cm3,3.按用途分类,0级---只提高钻井作业速度和保证钻井作业安全,不存在含碳氢化合物的底层.1级---井内流体依靠自身的能量不能流到地面井眼稳定,低危险2级---井内流体依靠自身的能量可以流到地面,但利用常规压井方法可以控制,设备失效只产生有限后果.3级---地热和非碳氢化合物开采,最大关井压力低于旋转控制头等设备的额定压力.设备严重失效产生严重后果.4级---油气开采.最大关井压力低于旋转控制头等的额定压力.设备严重失效时产生直接严重后果5级---最大地面压力超过旋转控制头的额定压力,但低于防喷气组的额定工作压力,（三）欠平衡钻井的条件,1.地层条件地层压力条件地层稳定性底层渗透率H2S含量2.井身结构条件技术套管应下到欠平衡施工井段的顶部,3.地面装备条件液相欠平衡钻井旋转控制头、液控阀液气分离器、真空除气器、防回火装置、火炬、点火系统等4.气相欠平衡钻井井口装置、气体制备、增压设备、液体注入装置,（四）适合欠平衡钻井的地层,,只有在负压差条件下才能发现的地层地层情况复杂对于渗透性好的地层，可提高机械钻速避免压差卡钻与钻井液滤液严重不相容的地层含大量对水基钻井液滤液敏感的矿物的地层,（五）欠平衡钻井井场布置,1、井场布置原则根据工程设计确定钻机类型和井场布局根据季节风向确定井场走向井场应距居民区1000米以上，含硫地区2000米以上保证井场通风良好，防毒，防爆,2.井场使用面积规定ZJ40,ZJ50,ZJ70井场面积均为120m100m不包括燃烧池与放喷池面积,二、欠平衡压力钻井设备,（一）井口设备1、旋转控制头功用封闭钻具与套管之间的环空，将井筒内的流体导流出井口。分类按胶芯密封钻具方式分主动式、被动式按工作压力级别分抵压型低于5MPa中压型510.5MPa高压型大于10.5MPa,2.被动密封式旋转头,原理靠胶芯与钻具之间的过盈来密封，井压可助封细分单、双胶芯；是否有冷却润滑系统优点结构简单可靠，安装拆卸方便钻进过程中更换胶芯方便迅速，容易保养维护缺点需要与六方或三方方钻杆、环形防喷器配合使用常用有FX35-10.5/21-99旋转控制头Williams7100EP旋转控制头应用广泛,静压35MPa动压17.5MPa,美国Williams公司7100型旋转控制头,目前世界上压力等级最高的旋转防喷器,,3.主动密封式旋转头,原理靠液压推动胶芯抱住钻柱来实现密封，井压可以助封。优点能封任何类型的钻具缺点安装拆卸繁琐，钻进过程中更换胶芯需起钻，结构复杂。Shaffer、TESCO、RBOP、NEO、海德利尔等公司应用不广,美国Shaffer公司PCWD旋转防喷器,静压35MPa动压21MPa封零17.5MPa最大转速100rpm21MPa200rpm14MPa,目前世界上压力等级最高的旋转防喷器。,旋转防喷器,动力站,（二）节流控制系统及分离系统,1、节流控制系统功用基本与常规钻井节流系统相同，控制从井口返出流体的压力及流量大小，从而控制井底欠压值。系统组成节流管汇、液压控制系统,2、分离系统功用进行气、钻井液、钻屑、油等分离组成液气分离器、除气器、固控系统、撇油系统、排气和燃烧系统,液气分离器分离大气泡除气器分离小气泡除气器分类常压除气器真空式除气器,真空除气器,液气分离器,3.撇油系统,组成撇油罐和储油罐功用撇油罐将钻井液中的油分离出来储油罐储存分离出的油待回收撇油罐上的液泵将钻井液泵回循环系统4.排气和燃烧系统组成由燃烧管线、防回火装置和点火装置组成功用燃烧可燃气体，排放不可燃气体防止空气进入燃烧管线和分离器,自动点火装置,防回火装置,5.密闭循环系统,功用用于含硫化氢钻井液的分离,6.固相控制系统常规固控设备,线性,振动筛,,,三）制氮充气钻井设备与雾化装置,氮气置备与注入装置低温液氮供给装置低温罐泵氮机组容积泵，热交换器泵氮机组代替空气压缩机和增压器供氮不连续膜滤制氮装置供气连续方便可行,压缩机组,空气冷却器,微粒过滤器,烃过滤器,水过滤器,氧过滤的隔膜,增压机,雾泵,,,,,,,,,,氧气出口,氮气进入立管,环流空气进入,Weatherford生产的制氮增压系统,组成由空气压缩机、冷却、清洁系统、增压器和控制系统组成特点一台柴油机驱动空压机和增压器结构紧凑，放在9m5m的撬座，运输方便,美国Weatherford公司制氮及增压系统,雾化装置,功用在泡沫、雾化钻井过程中注入液体，并与气体混合形成雾化液或泡沫组成由注液泵、雾化器、管汇组成注液泵根据注液量实际要求选择压力和排量，目前用水泥车作为注液泵泡沫发生器,,（四）不压井起下钻装置,欠平衡钻井的重要一环是欠平衡状态完井，不压井起下钻是欠平衡完井的一个重要步骤国内有BY30-2型不压井起下钻装置美国CUDD公司和Weatherford生产的不压井起下钻装备为液压控制，能独立作业加拿大TESCO公司的管子推拉机结构简单,管子推拉机技术规范额定工作下推力222KN;额定工作上推力111KN;使用钻杆直径60.3178mm卡瓦行程3m,,卡盘,强行起下钻设备,三、欠平衡钻井技术,（一）欠平衡钻井欠压值及其控制,三钻井液与完井液,二井口装置与钻具组合,四欠平衡完井,（一）欠平衡钻井欠压值及其控制,,1.影响欠平衡钻井的压力欠压值Pu钻井液静液柱压力Pm环空压耗Par井口回压（Pbp）地层压力（Pp）立管压力（Psp）,,2.欠平衡钻井过程中的压力分析,1.开始钻进时井筒内压力关系PudPp-PmParPud----设计欠压值Pp----地层压力Pm----环空流体重力产生的压力Par----环空流动阻力钻入产层后，地层流体会进入井内,,2.钻井过程中停止循环时压力关系,1）井筒环空处于流动状态时PuPp-PmpPbpPu---实际欠压值Pmp---环空多相流重力产生的压力Pbp---井口环空回压值2）井口环空关闭时PuPp-PmpPbp0,PuPp-PmpPamPbpPu---实际欠压值Pmp---环空多相流重力产生的压力Pbp---井口环空回压值Pam----环空压耗,3.欠平衡钻进过程中压力关系,3.欠压值的设计与控制,1.确定合理的欠压值推荐欠压值范围是1.42.1MPa根据储层的类型和岩性特点确定根据储层压力和产液量大小确定要考虑环空油气与钻井液混合情况综合考虑作业人员经验和设备情况,,（1）欠压值确定公式ρmu103Pp-Par-Pud/9.8Hρmu-欠平衡钻井液密度，g/cm3H---垂直井深，m（2）对于探井，当发生溢流时应关井确定地层压力，适时调整钻井液密度。,2确定欠平衡钻井液密度,3）欠压值的控制,（1）通过控制井口回压控制欠压值地层流体未进入环空，不控制回压此时立管压力PspPspPdpParPbjPdp钻柱内压耗Par----环空流动阻力Pbj----钻头喷嘴压降此时井底压力为ParPm地层流体进入环空后PudPp-PmParPudPp-PmpPamPbp,,,Pdp,Pbj,,（2）调整钻井液密度控制欠压值方法调整井口回压控制立管压力值立压与泥浆密度的关系Psp1/Psp2ρm1/ρm21初始值2---调整后的值（3）调整注气量和注液量控制欠压值使用专门的软件模拟计算,二井口装置与钻具组合,井口装置分为三级一级井口装置套管头、单闸板防喷器、钻井四通、双闸板、旋转头用于高风险井二级井口装置套管头、钻井四通、双闸板、环形放喷器、旋转头用于风险不太大的井.地层压力低于35MPa三级井口装置套管头、钻井四通、双闸板、旋转头用于低风险井,常规钻具组合如下钻头钻铤回压阀投入式止回阀18斜坡接头钻杆下旋塞六方钻杆上璇塞钻头回压阀钻铤投入式止回阀18斜坡接头钻杆下旋塞六方钻杆上璇塞,三钻井液与完井液,1、欠平衡钻井液完井液的分类常规钻井液体系气体类空气、天然气、氮气、废气雾化液空气、氮气、天然气雾化液泡沫体系空气、氮气泡沫充气钻井液体系无固相钻井液体系淡水、盐水等含轻质固相添加剂的体系,2.欠平衡钻井液完井液的合理选择,与地层流体的相容性腐蚀问题黏度问题自发的逆流吸入井壁稳定性问题井眼清洁问题密度稳定问题安全环保和成本,3、根据油气井类型选择钻井液和完井液,（一）液体欠平衡钻井技术,1液体欠平衡钻井技术的特点技术简单可靠不用配置过多的专用设备、工具、软件充分利用原钻机的配备添加旋转控制头、分分离器、撇油器,四、欠平衡钻井的类型,2液体欠平衡钻井技术的分类,油包水或水包油钻井液技术密度适用0.81.02g/cm3水或卤水钻井液技术，密度适用1.01.30g/cm3常规钻井液技术密度适用大于1.05g/cm3采用密度减轻剂钻井液钻井技术密度适用大于0.9g/cm3,3液体欠平衡技术使用的地层,溶洞、裂缝、孔隙性储层，石灰岩、砂泥岩等又喷又漏的复杂底层硬地层地层压力较高的储层4技术优点允许较多的地层流体流入井筒并返出地面适用于钻压力较高、产能较高的地层可是用常规的动力钻具等工具作业成本比其他方式低,5工艺流程,固控系统,,钻井四通,撇油灌,节流阀组,液气分离器,,气体点燃,,岩屑,,,储油罐,,泥浆罐,泥浆泵,,,,,井眼,,,,,（二）空气欠平衡钻井技术,优点易形成欠平衡状态----适用于低压、衰竭油气层对储层伤害小----特别适合水敏性地层提高机械钻速不污染岩屑，可准确评价底层可有效解决井漏问题----适合带裂缝溶洞的灰岩层可使用空气锤，----适用坚硬干燥底层缺水地区，降低成本-----适用于严重缺水地区与其他气体相比费用最低,缺点不适合钻含大量水的地层不能钻含硫化氢等井井壁不稳定，不适合钻软地层钻进时扭矩和阻力难控制无悬浮能力，井眼净化差可能井下爆炸需专门井下动力钻具和MWD,空气钻井工艺要点,按设计要求根据确定的最大注气量和注入压力选择注入设备、管汇和仪器气举过程中应注意注入压力的变化，如压力过高应控制井口回压钻进过程中注意注入压力变化、岩屑返出情况的变化、钻柱旋转和上提下放阻力变化情况。如有异常应停钻，洗井或调整注入量保持井眼通畅。测井、固井等需要替入完井液时，应注意替入过程中控制井口压力和返出量,胜利油田第二、三、四套欠平衡钻井地面处理系统,,,,,,,,五、欠平衡钻井实例,,1.史125-1井（新区直井）,高压低渗透储层，地层压力系数1.52，三开实施欠平衡钻进。,设计井底负压差2MPa，采用多元醇防塌钻井液，钻井液密度1.35，最低降到1.25，比同地区邻井降低0.30左右，为正确评价储层创造了条件。,滚动生产井，火成岩储层,地层压力系数0.96，三开实施欠平衡钻井。,2.罗151-11井,三开采用硬胶泡沫钻井液，地面密度0.6-0.7，设计井底负压差1.5MPa，完钻静止25min外溢,试油日产18t/d,为邻井产量的两倍。,该井水平段前段为中孔-特低渗孔隙型储层，后段为整体裂缝型储层，采用饱和盐水混油乳化钻井液欠平衡钻进。,江汉油田王场地区盐间非砂岩储层欠平衡水平井,3.王平1井,王平1井水平段裂缝性井段实测地层压力系数1.62，采用1.35-1.51的钻井液，井底静欠压1.43MPa，动欠压0.78MPa，投产后取得明显的效果，日产65t/d。,,,以往该地区钻井发生严重漏失，造成油层污染，为解决这个问题决定采用欠平衡钻井技术。,,,4.商741-平1井,火成岩储层欠平衡水平井,地质预告储层压力系数小于1.0,用常规钻井液无法实现欠平衡，水平段采用充氮气诱喷，实施欠平衡钻进获得成功。,该井水平段欠平衡钻进，井底动欠压3.1MPa，投产60t/d以上，取得明显的效果。,商741-平1井,,,,,5.埕北244井,该井在2951.37米，钻井液密度1.06井漏，1.04井涌，打不成钻。今年2月16日装旋转防喷器，边涌边钻，解决了潜山裂缝性储层上涌下漏的复杂情况，历经三个多月，成功地钻穿奥陶系，钻达目的层太古界。,（评价井）,埕北244井采用欠平衡钻井装备，探讨边涌边钻、边漏边钻的工艺，既保证了钻井的成功，又有效地保护了油气层，确保了勘探成功率，经试油，取得10mm油嘴日产油235吨、日产气6940立方米的好成绩。,,98年开始引进欠平衡钻井设备,立项进行攻关。已经引进了四套欠平衡钻井设备,在多口井上实施了欠平衡作业。,六、胜利油田欠平衡技术研究应用情况,欠平衡压力钻井工艺研究,引进了美国MAURER工程公司的欠平衡压力钻井设计计算软件一套，包括MUDLITE、NITROHE和UBCOST三个软件，可以进行欠平衡钻井多相流设计计算及成本分析等。开展了控流钻井、充气钻井、泡沫钻井工艺研究，并在火成岩、古潜山灰岩、低渗透等油藏进行了初步应用。,●控流钻井技术的研究,确定合理负压差，设计钻井液密度从开发上讲，油层速敏、应力敏感性、出砂、坍塌的临界值决定了负压差的最高限从钻井工程上讲，泥页岩地层的井壁稳定性确定了负压差的最高限地面设备的分离能力也限制了最高负压差负压差大小视储层的产能而定，一般为0.7MPa,,使用与储层岩石、流体配伍的钻井液防止各种敏感性损害以及润湿反转、沉淀、结垢、乳化、水锁等损害考虑钻井液与产出的储层流体相容性问题，主要是防止水-油、气-油乳状物的形成，以利于地面油气分离,常规防喷器组合、六棱方钻杆、斜台肩钻杆、内防喷工具、重泥浆储备罐以及消防安全器材，节流管汇至少要配置一个液动节流阀，另外对于大庆3200型钻机的底座还需要加高，井口最好使用套管头。,钻井公司配套的设备、工具,井口要正严格按照井控标准试压关井校正地层压力井口压力控制是欠平衡钻井的关键制定应急安全措施,施工要点,胜利油田第一套欠平衡压力钻井地面处理系统,,在引进膜氮设备的基础上，进行充气钻井设备配套，完善充气钻井技术，实现低压油藏的欠平衡钻井；开展欠平衡钻井监控系统研究，实现井口压力的自动控制；开展欠平衡钻井数模研究，实现根据油气产能进行欠平衡钻井设计；加快国产化进程，在明年初进行样机现场试验，国产化率达到80以上。,,,,,发展展望,谢谢,