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4水平井材料
2009年水平井材料
钻井四公司
水平井技术是一项集钻井工程、定向井技术、特殊工具和仪器仪表等涉及多学科的综合性技术。
钻井四公司自2007年以来,坚持对水平井技术的研究及工具、仪器仪表的配套,除油田内部及冀东项目水平井技术由甲方负责外,先后在江苏项目和大庆工区依靠自身实力成功完成了5口中曲率半径水平井。
水平井钻井技术很快推广开,并迅速转化为生产力,为公司外闯市场提供了有力技术支撑,并带来了良好的社会经济效益。
特别是徐深1-平2井完钻井深4509.07米,水平位移1085.18米,水平段长840.07米,是大庆徐家围子区块唯一达到地质设计要求和钻探目的水平井。
一、轨迹控制技术介绍
水平井的井身轨迹设计大致可分为单增剖面、以两种增斜率钻至入靶点的双增剖面和五段制剖面几种类型,实际施工中我们在能达到地质和工程施工目的的前提下,尽可能选择较简单的轨迹设计形式。
轨迹越复杂,钻井难度越大,成本越高。
我们在油田内部和大庆采用的都是单圆弧增斜剖面实时跟踪修改设计方法。
江苏因油层较薄(一般0.5~2米),为了配合地质人员卡好层位,在甲方的要求下我们采用了具有稳斜调整段的剖面设计(一般井斜稳定在50°左右,稳斜段长70—200米不等)。
作为水平井井眼轨迹控制来说,要满足以下几个要求:
(1)到达靶窗时,实际井眼轨迹要在规定的靶窗范围内,且井斜、方位还要在满足现有轨迹控制能力范围内确保轨迹在靶体中延伸的要求;
(2)水平段轨迹应在设计要求的靶区范围内。
1、直井段井眼轨迹控制
水平井轨迹控制包括直井段、至靶窗的斜井段和水平段控制。
水平井的直井段与常规井直井段控制相同,但它的防斜打直比常规井更重要。
在直井段应尽量使井眼打直,为下部井身轨迹的控制、提高剖面符合率奠定良好基础。
造斜点以上的裸眼井段较长时,着重注意井壁的稳定性,避免出现不必要的复杂情况,增加下步造斜井段的难度。
采用的钻具组合:
12-1/4″井眼通常采用塔式钻具组合:
12-1/4″钻头+9″钻铤*3根+8″钻铤*6根+7″钻铤*9根+5″加重钻杆+5″钻杆;或12-1/4″钻头+Φ246mm直螺杆+9″钻铤*3根+8″钻铤*6根+7″钻铤*9根+5″加重钻杆+5″钻杆。
8-1/2″井眼通常采用钟摆钻具组合:
8-1/2″钻头+7″钻铤*2根+Φ214mm稳定器+6-1/4″钻铤*9根+5″加重钻杆+5″钻杆;或8-1/2″钻头+Φ172mm直螺杆+7″钻铤*1根+214稳定器+6-1/4″钻铤*9根+5″加重钻杆+5″钻杆。
在直井段每钻进50-100米测一次井斜、方位,发现井斜过大立即调整钻井参数来控制井斜,必要时使用定向手段进行纠斜。
直井段钻完后用电子多点测量全井段的井斜、方位数据,计算造斜点的轨迹数据,以此为依据再次进行井眼轨迹设计。
2、定向增斜段井眼轨迹控制
水平井井眼轨迹控制重点在斜井段和水平段。
轨迹控制要精心做好计算和设计方案,分析存在的可能误差,精确掌握造斜率,及时调整钻具组合,制定可行的控制方案,通常要考虑以下几个关键因素:
(1)通常实钻造斜率低于设计造斜率,为防止因各种因素造成工具实钻造斜率低于其理论预测值,要按比理论值高10%~20%来选择工具。
选用1.25°或1.5°的单弯单扶螺杆,采用的钻具组合为:
钻头+单弯单扶螺杆+无磁钻铤+加重钻杆+钻杆。
这样的钻具组合结构简单,可以通过更换不同角度的单扶螺杆动力钻具来改变钻具的造斜率,以达到设计要求(造斜率一般控制在2~2.5°/10m,一般不超过3°/10m)。
(2)在控制中,实钻造斜率若高于井身设计造斜率,把它降下来的办法有很多;若实钻造斜率低于井身设计造斜率,则不敢保证一定可以把下一段造斜率增上去。
因此,一般造斜率选择先高后低。
(3)水平着陆控制中必须确立寸高必争的观念,它集中体现了着陆控制过程的特点。
从某种意义上说,着陆控制就是对“高度”(垂深)和“角度”(井斜)匹配关系的控制,而“高度”往往对“角度”有着某种误差放大作用,尤其是着陆控制后期以及前期。
例如井身设计造斜率K=8°/30m,着陆垂增ΔH=214.875m;若分别以K1=6°/30m、K2=12°/30m,假想钻进30m,相应的井斜角和垂增则分别为α1=6°,ΔH1’=29.9471m和α2=12°/30m,ΔH2’=29.7832m,可见二者的垂增相差甚微;但如果按K1、K2分别继续钻进直至着陆,前者垂增ΔH1=286.5m,将比设计值ΔH=214.875滞后71.625m进靶着陆;但后者垂增ΔH2=143.25m,将提前71.625m进靶着陆。
(4)着陆控制中,方位控制也很重要,否则很难使钻头进入靶窗。
“早扭方位”应作为着陆控制的一项原则,而且在钻井过程中,通过调整动力钻具的工具面角加强对方位的动态监控。
(5)入靶前保持一定的井斜角稳斜探顶,这时工具的造斜率相对较小,应变能力强,可以克服地质不确定因素,保证准确地探知油层位置,保证进靶井眼轨迹光滑性。
在钻进过程中必须经常与地质人员结合,及时卡准层位,确定窗口位置以便顺利着陆。
但是实际上像大庆油田那样几十米厚的气层,窗口位置可以适当放宽的工况并不多,往往有很多不确定因素。
江苏腰平1井的施工中,距离窗口垂深还有0.5米斜深15米时(此时井斜达到84.5°,方位246.5°),地质人员通知窗口下移2米。
若没有考虑到这种情况将着陆井斜一次挑到位的话,我们就必须降斜进窗,再增斜进行水平段钻进,这样的控制轨迹给下面的水平段施工带来很多不安全因素。
所以通过一年多的摸索和总结,采用“稳斜探顶”的总控方案设计(即在着陆前井斜控制在85°左右,这样如若窗口下移我们可以双驱20~30米左右再将井斜挑至88°左右进窗;如若窗口不变在原井斜的基础上再挑一根进靶即可。
以免钻入水平段就被迫过早地调整井斜和方位,影响井身质量和钻进效率。
这样既克服了地质不确定因素,保证地质人员可以准确探知油层顶部位置,又能保证进靶钻进按预定的技术方案进行,提高了控制的成功率。
(6)保持矢量入靶,保证井眼入靶井斜角、方向角和垂深满足地质需要,减少水平段调整井斜和方位的几率,影响井眼质量和钻进速度。
(7)及时进行轨迹预测,作出调整措施,实现轨迹跟踪。
通常实钻轨迹是一条弯曲的空间三维曲线,为一条相对于设计线上、下起伏的波浪线。
现场控制时尽量做到:
①保持下部钻具组合造斜和稳方位能力。
②井眼轨迹上下和左右微观变化,调整下部钻具力学能力,即调整造斜率。
③尽可能采用复合钻进。
复合钻进与滑动钻进相比有如下显著优点:
提高机械钻速;减少摩阻,易加钻压;破坏岩屑床,清洁井眼;保持井眼光滑。
因此,在钻进中应尽量采用复合钻进,多开转盘,特别是水平段钻进。
统计表明:
水平段复合进尺通常达到了水平段总进尺的75%,转盘转速一般限制在45-60rpm。
④坚持短起下。
每钻进一段距离(如50m左右,尤其是对小井眼井段和定向、纠斜井段),应进行一次短程起下钻。
3、广义调整井段轨迹控制
广义调整井段主要作用有两方面:
一是实际的造斜率与设计造斜率相差较大时,调整增斜段的长度,使实际轨迹更好地与设计轨迹相符,以便准确钻达入靶点。
二是用于消耗适当的水平位移或垂深,如靶前位移较大时,需要在较大井斜角的井段设计一稳斜段,或者是造斜点较高时,就需要在较小井斜角的井段设计一稳斜段。
施工中根据测量数据及时计算轨道坐标参数,并作出实钻轨迹图,与设计轨道进行对比,以指导控制下步轨迹。
4、靶前增斜段轨迹控制
靶前增斜段相对开始定向造斜段来说增斜要困难些,主要是钻压不易加到钻头上,钻进速度慢,因此,在此段的钻具组合与定向造斜段略有不同。
采用的钻具组合为:
钻头+弯螺杆+无磁承压钻杆+钻杆(长度为45°以后的井段和准备钻进井段的总和)+加重钻杆(150米)+钻杆。
5、水平段井眼轨迹控制
水平控制是着陆进靶之后在给定的靶体内钻出整个水平段的过程。
实钻水平段实际上是一条弯曲的空间三维曲线。
在水平控制中,动态监控仍然是主要的技术手段。
水平控制的技术要点:
钻具稳平、上下调整、多开转盘、注意短起、动态监控、留有余地、少扭方位。
水平段常用的钻具组合为:
钻头+单弯单扶螺杆+无磁钻铤或无磁承压钻杆一根+MWD短节+钻杆(长度为45°以后的井段和准备钻进井段的总和)+加重钻杆+钻杆。
控制过程中坚持勤测斜加密测斜的原则,尽快找出水平段双驱钻进规律,分析计算出因仪器监测原因(一般仪器提供的数据距井底钻头位置有15~20米的空白)带来的滞后量,及时调整和控制工具面及调整钻井参数,实现微增斜或微降斜,有效地将井眼轨迹控制在设计靶区范围内。
6、MWD无线随钻仪器现场应用注意事项
①必须使用钻杆滤清器,防止钻井液内有杂物造成仪器信号传输困难。
②下钻过程中,每下25柱钻杆必须用方钻杆灌钻井液一次,灌满为止。
③钻井液性能符合设计要求,泥浆泵上水良好,防止泵压不稳影响信号传输。
④严禁钻具猛提猛放,防止仪器传输错误信号。
⑤测斜时,钻具放到位后停泵,2分钟后开泵直到信号输出。
二、水平井安全钻井技术
水平井与直井相比,井下情况要复杂得多,不仅要稳定井斜角和方位,还由于重力作用、摩擦力、岩屑沉降等诸因素而涉及到其它一些问题,从而使水平井的安全钻进与直井相比有所不同。
在水平井中,由于重力的作用,井斜角超过30°以后的井段内,岩屑就会逐渐沉降到下井壁,形成岩屑床,如果钻井液携砂性能好,悬浮能力强,则形成岩屑床所需时间长,反之,则形成岩屑床所需时间就短。
当沉积到一定厚度后,岩屑床会整体下滑从而造成沉砂卡钻。
因此,在钻进中发现扭矩增加不正常,就要查明原因,如无其它原因,说明已经形成岩屑床;每次接单根或起下钻时,记录钻柱的摩阻,发现摩阻增加,说明井下已存在岩屑床,就要采用短起下和分段循环的办法清除岩屑床。
以徐深1-平2井为例叙述该井的施工情况。
徐深1-平2井是我公司目前所钻最深,水平段最长,井斜最大的一口水平井。
该井于2007年7月27日开钻,2008年8月23日完钻,2008年9月23日完井。
完钻井深4509.07米,水平位移1085.18米,水平段长840.07米,最大井斜角101.2°,穿气层井段长1028米。
为了打好这口井,技术人员优化设计、精心施工,克服了长水平段井身轨迹不稳定、中靶要求高、地层漏失、摩阻大、地层硬等困难。
1、地质、工程设计
设计A、B靶点水平距离799.94米,中靶要求严格,井身轨迹与设计线上下摆动不超过2米,左右摆动不超过20米。
井身轨迹剖面类型设计为:
直井段-增斜段-稳斜段-增斜段-水平段五段制,造斜点3222.34米,具体分段设计数据如下:
轨道设计结果表18
井身结构设计数据表表19
开钻
次序
井深
m
钻头
尺寸
mm
套管柱
类型
套管
尺寸
mm
套管下入
地层层位
套管下入
深度
m
环空水泥浆
返深
m
一开
458
444.5
表层套管
339.7
嫩五段
457
地面
二开
3602
311.2
技术套管
244.5
营四段
3600
地面
三开
4498.57
215.9
生产套管
139.7
营一段
4496
1826
2、钻井工程概况
2.1工程主要技术难点
(1)水平段长,使得井身轨迹难以控制,安全保障有一定的难度。
(2)气层钻开后,地层压力把握不准。
钻进过程中钻井液密度保持在1.12g/cm3-1.14g/cm3基本能够维持平衡,采取边打边漏、边漏边打的措施,但是起钻时密度必须提高至1.18g/cm3以上,否则气侵严重,下钻到底再降低至原密度。
(3)二开大井眼(¢311.2mm井眼)造斜,实际造斜率低,所钻地层为登娄库组地层,可钻性差。
(4)大井眼泵压高,排量达不到设计要求,钻井液携砂能力差,极易发生沉砂卡钻。
(5)因甲方的干预,井眼轨迹极不规则。
井深3731米达到最大井斜101.2°,按设计要求井斜必须再降至85°左右。
(6)三开地层岩性为火山岩,硬度高,不适合使用PDC,钻进中注意防止钻头事故。
2.2钻井施工情况
2.2.1直井段(472.14米-3222.34米)
上部直井段防斜打直,钻具采用塔式钻具组合(203.2mm钻铤*2柱+177.8mm钻铤*3柱),定点测斜,钻压14-16吨,排量50-55L/S,转盘转速120r/min。
单点监控,钻至造斜点起钻测多点,起钻测得井底井斜1.29°,方位67.09°,闭合距为7.52米,为下部施工创造了有利条件。
2.2.2二开增斜段(472.14米-3222.34米)
本井二开设计井深3602.00米,实钻井深3538.51米。
实际从3222.34米开始造斜到3538.51米,井斜55.8°,方位327.67°。
采用1.5°天津立林螺杆,进行造斜扭方位,钻至井深3472米时井斜42.19°,方位332.17°,此时方位已调正,但造斜率未达到设计要求,从3472米至3538.51米采用了1.75°螺杆,井深3538.51米井斜55.8°,已跟上设计步伐,使下部轨迹控制处于主动地位。
钻至井深3538.51米,钻进过程中发现泵压突然从23Mpa降至18.8Mpa,检查地面设备及循环管线无异常,立即起钻检查钻具。
起出钻具发现大庆钻井院无线随钻提供的定向配合接头公扣根部断掉,打捞失败后,申请甲方提前中完,下入Φ244.5mm技术套管。
二开定向滑动钻进钻速非常慢,机械钻速仅0.6m/h,而且牙轮钻头寿命短,起下钻次数多,加之定向仪器总出现故障无法正常提供准确数据,总体进度缓慢。
2.2.3三开增斜段(3222.34米-3669米)
由于断接头事故,三开套管内开窗侧钻,开窗位置3474米,井斜42.87°,方位333°。
出技术套管稳斜20米后,继续增斜,平均增斜率23.4°/100m。
增斜钻进至3669米,井斜86.6°,方位328.77°,顺利着陆。
2.2.4水平段(3669米-4509.07米)
水平段钻进采用165mm0.75°单弯螺杆加无线随钻的倒装钻具组合,采取滑动和复合钻进两种方式,随时调整井斜方位。
由于甲方的原因,造成井眼轨迹不规则。
井深3731米达到最大井斜101.2°,按要求再将井斜降至85°左右。
具体控制过程为,自3731米下入165mm直螺杆,平缓降斜,每钻进5米左右测斜一次,钻进至3802米,井斜降至93.9°,起钻换钻头。
考虑到0.75°单弯螺杆在水平段复合钻进时增斜率较高(2.8°/30m),故自3802米至井底均采用0.5°单弯螺杆(复合钻进时增斜率1.25°/30m)。
井斜降至85°后,坚持每个单根测井斜方位,控制井斜增斜率不大于0.5°/30m,井身轨迹尽量按设计轨迹走,在轨迹不脱靶的前提下采用滑动钻进方式降井斜和调正方位,如此反复,从而达到水平段向前延伸的目的。
3、钻进中主要技术措施和效果
3.1防卡技术
水平井井斜大,水平段钻具整体躺在下井壁,容易造成卡钻事故,从3700米以后指重表显示吨位不再增加。
在轨迹极其不规则的情况下,全井施工过程中最大摩阻控制在20吨,安全无卡钻事故。
主要从以下几方面下功夫:
(1)搞好井眼净化,防止形成沉砂和砂桥。
(2)选用聚合醇聚磺钻井液体系,采用四级净化系统,控制钻井液中固相含量低于0.3%,三开钻井液密度控制在1.14g/cm3左右。
渗漏严重后,聚合醇以胶液形式配制补充,含量达到3%以上。
(3)从3222米大井眼(311.2mm)定向,钻进时排量不低于45L/S,钻井液中润滑剂含量不低于8%。
(4)水平段钻进进尺不超过80米进行一次短起下,改变岩屑沉积状态和位置,同时提高钻井液的屈服值,增强钻井液的携砂能力,达到减少岩屑床厚度,清洗井眼的目的,使井眼尽量平稳光滑。
(5)简化钻具,用加重钻杆代替钻铤,用无磁承压钻杆代替无磁钻铤。
3.2提高钻井速度
(1)钻具倒装:
开窗点以上加入5柱加重钻杆,以下全部用钻杆,解决了长水平段施加钻压困难的问题。
全井用18°斜台肩钻杆,定期倒换。
(2)水平井段使用牙轮钻头不装水眼,排量30L/S,泵压14-16Mpa,保证动力钻具在最佳状态下使用,同时让井眼得到充分净化。
(3)水平段采用复合钻进为主,滑动钻进为辅的导向钻进方式。
(4)选准钻头型号,摸清一只钻头使用的最大时间,每趟钻尽钻头的寿命钻进,既便于井眼轨迹的连续控制,又有利于提高施工进度。
经过使用对比,江汉产MD637系列钻头使用效果较好,三开共使用MD637系列钻头15只,使用最好的一只是自4319米钻进至4509.07米完钻,纯钻进时间达到72小时,平均机械钻速达到2.64米/小时。
三、施工中的几处亮点
(1)井眼轨迹控制方面,轨道设计、预测、造斜率以及工具优选成功,几口井轨迹圆滑,摩阻控制较好。
(2)在井眼轨迹允许的情况下,尽量简化下部钻具组合,用加重钻杆替代部分钻铤;坚持定期倒换钻具,尽可能多的采用复合导向钻井。
在满足井眼轨迹控制要求的前提下,尽量使用旋转钻进方式,有效地破坏和清除岩屑床,保障井眼畅通和井下安全。
(3)掌握了不同尺寸螺杆在定向过程中的一些规律,1.25º、1.5º单弯单扶螺杆钻具与MWD配合进行导向钻进,具有滑动钻进时造斜率较高,双驱钻进可根据钻压适当调整增降斜率的优点。
(4)通过大庆徐深1-平2井的施工,积累了大斜度大位移井施工经验,为高难度井施工培养了人才。
(5)针对江苏区块圈闭构造严重,倾角大,加之钻遇断层后就直接进入目的层,使目的层垂深和位置的不确定性更大的因素有了较好的预控手段。
四、需要完善和解决的问题
(1)仪器、工具配套不完善,需要进一步提高。
仪器、工具配套对一口水平井来说尤其重要,会影响井身质量和钻进速度。
着陆时,采用的MWD测斜仪器与定向传感器离钻头较远(16-18米)。
当钻头进入油层后,还不能完全确定油顶位置,到信号传上来时油顶已过,导致滑动钻进上下找油层。
定向钻进时,采用国产仪器定向,传送信号不及时,每次传输工具面间隔时间为20秒或更长,信号传输也不稳定,增加了滑动时间,延长了建井周期。
(2)进一步优选钻头,提高钻进速度。
水平段井眼机械钻速比导眼机械钻速低,其主要原因是钻井施工难度增大,水平井段井眼深,定向滑动时间长。
如果能优选适应水平井井段定向的PDC钻头,强化钻进参数,控制好井眼轨迹,减少滑动钻进,机械钻速将有较大突破(华港104-2井三跺组的牙轮钻头使用机械钻速最高才4.04米/小时,但使用PDC机械钻速达到了10.47米/小时)。
尤其是大庆工区钻井,若能优选出适应火山岩地层的PDC钻头,钻井速度将带来一次质的飞跃。
(3)水平段施工。
①泥浆在水平段轨迹控制中携砂困难、井眼摩擦阻力增大、易发生卡钻;②较长的水平段钻进引起的摩擦阻力增大和继续钻进困难,导致钻井周期更长、井壁容易失稳;③部分区块倾角大轨迹变化异常无规律可循,作业时需每3~5米加密测量做好预控,需要较好的MWD仪器提供保证;④及时倒装钻具,调整钻具受力位置保证钻具受力均匀,避免断钻具。
(4)解决在长水平井段钻进时钻压传递困难,严重时无法加压钻进,保持钻头有稳定钻压的问题。
(5)装备更新、工具配置有待进一步加强。
近年来,尽管公司着力对钻机装备进行了升级改造和配套,施工能力有所提高,但钻机的性能整体落后于国内先进水平。
配套设备还不够完善,一定程度上制约了新技术、新工艺的应用。
五、几点认识与建议
从水平井技术推广应用以及外闯市场的长远发展目标来看,公司的水平井技术需坚持不断进行科研、设备配套完善,同时不断进行人员培训,经验积累。
通过近两年来水平井的实施,有以下几点认识和建议:
(一)进一步提高技术人员素质,增强积累技术人员现场经验,不断吸收新生力量,增强实力,扩大队伍。
(二)配套钻井的装备与工具是打好水平井的硬件保证。
在水平井的方案设计与施工中,要注重高目振动筛、离心机、钻井仪表、LWD仪器、钻井配合接头的配套,这是打好水平井的硬件保证。
(三)加强过程控制是打好水平井的重要环节。
在水平井实施过程中,识别好施工各工序的作业风险;执行好相关作业标准、设计和技术方案;确保入井仪器与工具的正常使用、动力与固控设备的完好和良好的钻井液性能;加强施工动态的分析与管理;密切与施工各方的协作是打好水平井的重要环节。
(四)及时解决好技术难题是打好水平井的重要支撑。
在水平井的施工中,要妥善解决好以下几个方面的问题:
第一,泥浆在三维井眼轨迹中携砂困难、井眼磨擦阻力增大、易发生砂卡与粘卡的问题。
第二,水平段长度引起的磨擦阻力增大和继续钻进困难问题;
第三,三维井眼轨迹和较长的水平段导致钻井周期更长、井壁容易失稳的问题。
第四,三维井眼轨迹和较长的水平段导致油层浸泡时间长,油层保护难度加大;
第五,三维井眼轨迹和较长的水平段要求马达等井下工具仪器性能更好。
结束语
水平井钻井是一项系统工程,它涉及到油藏开发需求、地质与工程设计优化、各施工单位资源的优化、现场的团结协作等方面,只有工程、地质、服务方的有机结合,才能形成合力,最终实现总体目标。
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