復雜地層水平井鉆井技術研究應用

困難地層水平井鉆井技術探討應用付紀浩張希智雷華才張勇吐哈石油勘探開發(fā)指揮部鉆井一公司摘要：由于地層困難、軌跡限制難度大、油層位置不確定、測量儀器落后等一系列問題的出現(xiàn)，導致困難地層水平井鉆井中發(fā)生過多起事故與困難，針對吐哈油田水平井存在的問題開展系統(tǒng)探討，形成一套完整的系統(tǒng)的困難地層水平井技術。關鍵詞：困難地層、水平井、事故困難前言水平井以其產(chǎn)量高、能有效開發(fā)薄油藏、底水油藏和稠油油藏，經(jīng)濟效益明顯的優(yōu)點，越來越受人們的重視。吐哈油田從1994年起先探討引進水平井鉆井技術，吐哈油田自1994年到2005年共完成了21口水平井，其中10口井發(fā)生過事故與困難，占完成井的48%。因此針對吐哈油田水平井存在的地層困難、軌跡限制難度大、鉆井風險高、油層位置不確定等一系列問題開展系統(tǒng)探討。形成一套完整、系統(tǒng)的適合吐哈油田的困難地層水平井鉆井技術。二、水平井鉆井技術的現(xiàn)狀調(diào)查國外：截止到2004年，國外水平井數(shù)量已經(jīng)超過40000口。美國2000-2004年共完鉆水平井6969口，2005年達到3100口左右；加拿大也超過1000口，美國年鉆水平井數(shù)量已經(jīng)超過總井數(shù)的7%，加拿大水平井數(shù)量占總井數(shù)的比例超過了10%。國外水平井鉆井技術取得的一些主要指標是：水平井最大水平段達7200米，水平井最大垂深6062米；水平井最大單井進尺10172國內(nèi)：四川、新疆、成功、塔里木油田都完成深井困難地層水平井的施工，塔里木油田先后實施了DH1一H1、DH1一H2、DH1一H3、DH1一H4等四口世界級超深水平井，東河1一H1井是當時全國水平井井深最深(6452.00m)、垂深最深(5784.00m)、裸眼段最長(4949.62m吐哈指揮部在哈薩克斯坦肯基亞克鹽下油藏完成了6口井高壓深井水平井施工，完鉆井深超過4500m,2004年完成了該油田地層條件最困難、施工難度最大的水平井H8101井。三、吐哈油田困難地層水平井鉆井的難點2002-2005年所鉆水平井發(fā)生困難與事故的類型及緣由井號困難或事故類型困難事故緣由果平1卡鉆井下坍塌。玉平1劃眼和上小鉆具鉆水泥塞由泥巖縮徑和鍵槽引發(fā)劃眼，水平段套管浮箍失效，水泥倒返。神平210下鉆劃眼泥漿失水過大，鉆進時排量偏小。神平275下鉆探水泥面卡鉆井壁虛泥餅過厚。鄯平1填井側鉆、鉆具斷、卡鉆定向方位偏離嚴峻，井眼軌跡差早成螺桿鉆具斷，鉆具結構不合理造成卡鉆。勒平1完鉆通井時劃眼煤層垮塌牛平14-13劃眼、井漏泥巖縮徑膨脹導致劃眼，鉆遇滲透性漏層。牛平17-14劃眼泥巖段縮徑、煤層坍塌，井眼軌跡曲率過大。由上表可以看出吐哈油田困難地層水平井主要存在井眼軌跡限制和井下平安鉆井問題，其難點主要有以下幾點：1、水平井設計為二維五段制剖面,造斜點高、靶前位移較大,鉆具摩阻大、鉆井周期長。2、上部地層傾角大,井斜難以限制,加之多套斷層的影響，造斜率改變規(guī)律不易駕馭，軌跡限制難度大。3、油層卡層不精確，須要隨時調(diào)整井眼軌跡，簡單鉆成波浪形或階梯性井眼。4、上部地層含鹽膏層、縮徑嚴峻，裸眼段長(1200-2800m)，地層壓力系統(tǒng)不一，井眼穩(wěn)定性差,易坍塌。5、測井和固井屬于特別工藝技術，簡單發(fā)生測井遇阻遇卡，固井水泥倒返、水泥竄等問題。四、困難地層水平井鉆井技術對策1、優(yōu)化井身結構及井眼軌跡剖面設計，縮短鉆井周期。2、直井段采納MWD復合導向鉆井技術限制井身質(zhì)量,斜井段采納地質(zhì)導向鉆井技術,確保地質(zhì)中靶。3、完善平安鉆進技術，優(yōu)選鉆井液體系,輔以工程技術措施削減事故與困難。4、測井前，加入固體潤滑劑,采納鉆桿傳輸測井。5、選擇合理的套管串結構，優(yōu)化水泥漿配方。五、困難地層水平井鉆井技術（一）井身結構的優(yōu)化設計目前吐哈油田水平井井身結構主要有兩種結構①三層套管結構：Ф444.5mm鉆頭+Ф339.7mm套管+Ф311mm鉆頭+Ф244.5mm技套+Ф216mm鉆頭+Ф優(yōu)點：削減困難事故隱患，摩阻扭矩小有利于套管串的順當下入。缺點：成本高、機械鉆速低、鉆井周期長。②兩層套管結構：Ф444.5mm鉆頭+Ф339.7mm套管+Ф216mm鉆頭+Ф139.7mm油套優(yōu)點：成本低、機械鉆速高、鉆井周期短。缺點：鉆井風險高、摩阻扭矩大、套管下入困難。今年依據(jù)不同區(qū)塊和所鉆井深的不同，采納不同的井身結構。如在地層條件困難、井深超過3000m的魯克沁區(qū)塊采納三層套管結構，保證井下平安，在其它區(qū)塊完鉆井深在2000m左右的井則采納兩層套管結構，縮短鉆井周期，節(jié)約鉆井成本。（二）井眼軌跡剖面優(yōu)化設計井眼軌跡剖面設計目前主要采納兩種，第一種：二維五段制剖面（直-增-穩(wěn)-增-穩(wěn)）該剖面的優(yōu)點是有充分的調(diào)整井段有利于A點中靶；缺點是造斜點高、靶前位移較大，井眼長度大、進尺多。其次種：二維三段制剖面（直-增-穩(wěn)）該剖面的優(yōu)點是軌跡光滑，摩阻扭矩小，靶前位移小，井眼長度短，少打進尺；缺點是剖面相對調(diào)整余地小。隨著吐哈油田水平井軌跡限制技術的發(fā)展和采納先進的LWD隨鉆地質(zhì)導向鉆井技術，將井眼軌跡剖面設計為二維三段制，不僅可以降低摩阻扭矩，縮短鉆井周期，同時能夠保證精確中靶。（三）井眼軌跡限制技術1、直井段井身質(zhì)量限制：水平井鉆井過程中，直井段防斜打直是水平井鉆進的前提和基礎，是保證后續(xù)工作的一個重要環(huán)節(jié)，表層采納剛性較強的2-1-3塔式鉆具組合，鉆壓限制在60-80KN，堅持打完單根劃1-2遍眼，接合單點測斜限制井斜在1°以內(nèi)。二開一般采納2種鉆具結構加上合適的鉆井參數(shù)來限制井斜：①單2或2-1的鐘擺鉆具組合，牙輪鉆頭鉆壓一般不超過80KN，PDC鉆頭限制在30KN以內(nèi)，加以鉆進150m測斜一次的單點跟蹤，限制直井段井斜在2°以內(nèi)。②采納復合導向鉆具組合隨時跟蹤限制井身質(zhì)量，釋放鉆壓提高直井段的鉆井速度。通過以上2種方法保證了直井段的直井段井斜在2°以內(nèi)，水平位移限制在20-30m，完全滿意了設計要求，為下部施工創(chuàng)建了良好的條件。2、造斜段軌跡限制：①螺桿鉆具的選擇目前吐哈在水平井鉆井中運用的螺桿尺寸主要有Φ165mm、Φ172mm、Φ197mm，一般Φ165mm螺桿用于Φ216mm井眼，Φ172mm螺桿用于Φ241mm外徑尺寸(mm)螺桿度數(shù)(°)造斜率（°/30m）1971.255-8.281.58-101.758-121721.255-81.55-12.71.756-151651.254.5-71.57.5-121.758-13.9實際施工時在滿意造斜要求的狀況下，一般都選擇增斜率比設計增斜率略大的螺桿，以提高復合鉆進方式在整個鉆進中的比例，從而提高鉆井速度。②鉆頭類型及鉆具結構的確定增斜段主要選擇牙輪鉆頭，水平井對井眼軌跡的精度要求是最高的，工具面的穩(wěn)定與否干脆影響造斜率、井斜、方位的改變，牙輪鉆頭相比PDC鉆頭反扭拒小，工具面穩(wěn)定，因此在造斜段均選用牙輪鉆頭，避開在增斜時由于工具面的不穩(wěn)定導致方位的改變。鉆具組合的確定由于目標深度的不確定性，使得造斜段軌跡調(diào)整變得較為頻繁；為削減起下鉆次數(shù)，縮短鉆井周期，鉆具組合上從造斜施工到完鉆全井段運用螺桿鉆具+MWD；做到隨時能夠調(diào)整井眼軌跡。依據(jù)斜井段長度和井斜狀況共運用了三種不同的鉆具組合：A：牙輪鉆頭+螺桿+無磁鉆鋌根+鉆根+斜坡加重鉆桿+斜坡鉆桿；B：牙輪鉆頭+螺桿+無磁鉆鋌根+斜坡加重鉆桿柱+斜坡鉆桿；C：牙輪鉆頭+螺桿+無磁鉆鋌根+斜坡加重鉆桿+斜坡鉆桿+斜坡加重鉆桿+斜坡鉆桿。三種鉆具結構適用狀況及特點井斜狀況（°）鉆具選擇儀器選擇鉆具特點0-30AMWD剛性強，鉆具穩(wěn)定，適合井斜較小、井下平安的井段。30-60BMWD+伽瑪剛性較強，適合井斜較大，斜井段較短。60-90CMWD+伽瑪剛性弱，能夠解決滑動托壓問題，能夠依據(jù)地質(zhì)要求找尋油層現(xiàn)場采納了滑動增斜結合旋轉鉆進的方式，在井斜較小的狀況下采納A鉆具組合，反扭角限制在30-40°，使實際軌跡快速合攏到設計軌道上來，當井斜達到30度以后，方位完全到位后，為了保證井下平安，防止粘卡，采納B鉆具組合滑動與轉動相結合增斜至A點，旋轉鉆進中鉆壓限制在80-100KN，轉速30-40r/min，中途假如滑動托壓嚴峻則換用C鉆具組合增斜鉆進至A點。③入靶前井斜角限制依據(jù)油層傾角的不同選擇入靶前井斜角AAB20~30m85°--86°油層為上傾方向油層為上傾方向，水平段井斜角大于90°時，探油頂段長限制在距A點前20～30m，穩(wěn)斜角限制在85～86°，進入油層。AAB40~50m81°--84°油層為下傾方向油層為下傾方向，水平段井斜角小于90°時，探油頂段長限制在距A點前40～50m，穩(wěn)斜角限制在81～84°，進入油層。不同造斜率下井斜從82o增至90o單增剖面設計數(shù)據(jù)造斜率（o/30m）5678910垂深增量（m）3.32.82.42.11.91.7位移增量（m）47.839.934.229.926.623.9由于目前我們所用地質(zhì)導向的儀器所測數(shù)據(jù)一般滯后12-15m，在未鉆導眼的水平井，設計油層垂深與實際的存在肯定的誤差。采納限制入靶前井斜角和位移的方法，可以避開由于以上2方面的緣由造成軌跡限制困難，甚至脫靶的狀況發(fā)生。我們運用的螺桿鉆具造斜率都在8-13度之間，入靶前位移限制在30m，能夠滿意要求探到油層后快速調(diào)整井斜到水平段的要求。入靶前采納復合鉆進弱增斜限制井眼軌跡，盡量減小入靶前的井眼曲率，便于以后的傳壓鉆進。④、測量工具的選擇2006年所鉆水平井所用測量工具全部采納MWD+伽瑪+電阻率進行地質(zhì)導向鉆井。SHAPE造斜點以下定向井段運用MWD+導向鉆具進行井眼軌跡監(jiān)測與限制，探油頂段以下井段運用LWD+導向鉆具進行井眼軌跡監(jiān)測限制和地質(zhì)導向3、水平段軌跡限制方法①鉆頭選擇選擇PDC鉆頭鉆進，因為水平段主要以穩(wěn)斜鉆進為主，井斜也以達到80o以上調(diào)整軌跡時工具面在20o范圍內(nèi)搖擺對方位基本沒有影響，并且PDC鉆頭相比牙輪鉆頭有機速快，運用時間長的優(yōu)點。②螺桿鉆具及鉆具結構的選擇°）+無磁鉆鋌（內(nèi)置MWD+伽瑪）+斜坡加重鉆桿+斜坡鉆桿+斜坡加重鉆桿+斜坡鉆桿由于吐哈油田油層厚度在3-20m之間，水平段的軌跡調(diào)整一般限制在4-8°/30m以內(nèi)，因此水平段鉆進選擇1.25°或1.5o螺桿。利用伽瑪和電阻率曲線，剛好監(jiān)測地層改變，追蹤油層，確保按設計要求在油層中鉆進剛好調(diào)整軌跡確保在油層中鉆進。該倒裝鉆具結構解決了軌跡調(diào)整時的傳壓問題，滿意了平安鉆井的要求。（四）鉆井液技術今年吐哈油田水平井主要分布在紅南、神泉、三塘湖區(qū)塊。結合水平井施工難點及各區(qū)塊地層特點，鉆井液技術主要如下：１、鉆井液體系選擇。在直井段選擇聚合物鉆井液，在含鹽膏的神泉區(qū)塊，加入抗鹽處理劑；定向前轉化為ＭＥＧ鉆井液。鉆井液配方如下：直井段：聚合物鉆井液4-6%坂土＋0.5%KPAM＋0.4%NaPAN＋0.2%XY27＋0.3%CMC（抗鹽處理劑0.3%PAC+純堿+0.5%HYJ）斜井段及水平段：MEG鉆井液聚合物鉆井液＋0.1%XC＋0.5%LYDF＋0.5%SPNH＋5-10%MEG2、確定合理密度，嚴格限制失水，加強封堵造壁實力。（1）依據(jù)紅南、神泉、三塘湖區(qū)塊所鉆井的三壓力剖面圖，調(diào)研鄰井完成井鉆井液密度，確定不同井段的鉆井液施工密度。（2）定向造斜前對鉆井液進行處理，加入鈉鹽、CMC等將API失水限制5毫升以下，并加入5%MEG，充分循環(huán)，調(diào)整泥漿性能符合設計要求。（3）進入易塌井段，加大磺化類及瀝青等防塌劑用量，改善泥餅質(zhì)量，限制HTHP失水小于15ml。3、調(diào)整泥漿流型，加強攜帶，滿意井眼凈化。（1）調(diào)整鉆井液的流變性，加入0.1%XC或MMH提高鉆井液動塑比，確保懸浮攜帶實力。4、加強潤滑性，降低摩阻。（1）隨井斜增加，漸漸提高MEG含量，斜井段不低于7%，水平段漸漸提高到8-10%。（2）依據(jù)井下狀況，可采納固液雙重潤滑方式，加入1-2%固體潤滑劑，進一步提高潤滑性。鉆進平安保障措施⑴、限制起下鉆速度，杜絕壓力激烈造成井壁失穩(wěn)坍塌。⑵、鉆遇石膏和膏質(zhì)泥巖層，堅持定期、定井段、定井斜短拉；鉆遇煤層，采納進一退二，穩(wěn)扎穩(wěn)打，保證塌塊能剛好破裂并帶出井筒。⑶、接單根前停泵緩慢干通一遍，修復井壁，清除井壁粘附物，防止大段縮徑。⑷、簡化鉆具結構，斜井段井斜大于30o后除無磁鉆鋌以外全部運用加重鉆桿，增加鉆具與井壁的支撐點，防止壓差卡鉆。⑸、加強四級固控設備的運用，振動篩及除砂器運用率100%，除泥器運用率大于70%，進入斜井段及水平段后離心機運用率大于80%，并定期清理沉砂池，限制固相含量小于10%，坂含小于60mg/l，含砂小于0.3%。⑹、測井前采納牙輪鉆頭+光鉆鋌鉆具結構進行通井，在斜井段以下加入玻璃微珠或塑料小球，處理好泥漿性能，同時將井眼軌跡數(shù)據(jù)告知測井人員，保證測井成功，防止出現(xiàn)測井事故。（五）固井技術吐哈油田油層物性較好，孔隙度10%-19%，屬于中細砂巖油藏，膠結好、出砂不嚴峻，因此水平井全部采納篩管完井。1、管串結構：引鞋+短套管1根+篩管（16孔/m）3根+篩管（12孔/m）7根+盲板+管外封隔器+分級箍+套管1根+浮箍+套管串。篩管管串結構示意圖2、水泥漿配方：水泥漿配方及性能配方：天山G中+2.0%TD-80+0.5%USZ+5.0%微硅+3.0%F17A+0.10%HBF-818W/C=0.46密度：1.91g/cm3/30MPa/45稠化時間：141min/167min45n=0.89k=0.19Pa·sn6.9MPa/45℃3245℃048h，抗壓強度26.7線性膨脹率，%4.63、套管扶正器的選擇和安放彈性扶正器選擇了德州華聯(lián)雙弓彈性扶正器。該扶正器性能穩(wěn)定，質(zhì)量牢靠，通過彈性力可以削減下套管的推力；同時在彈性力范圍內(nèi)，調(diào)整適應不同井徑。另外其最小復位力、最大起動力均比單弓的大，扶正效果也好。剛性性扶正器選擇了螺旋剛性扶正器該扶正器使套管距離井壁有肯定的間隙；不增加額外的下套管推力（直井段）；不影響套管的活動。更重要的是可以誘發(fā)渦流，提高水平段的頂替效率，保證水平段的封固質(zhì)量。科學安放套管扶正器實行“抬頭法”工藝，在浮鞋后跟一根短套管，加上雙弓彈性扶正器1只，緩解套管下入過程中偏向低邊，防止套管插入井壁，削減套管下入阻力。①采納“優(yōu)點彌合”技術，在水平段把雙弓彈性扶正器和剛性螺旋扶正器相隔加入，使兩種扶正器的優(yōu)點結合作用在水平段。②定向井段每根套管加一只雙弓彈性扶正器，有效保證點接觸，防止下套管粘卡。③定向段以上封固井段，隔根套管加一只雙弓彈性扶正器，有效保證套管居中。4、井眼凈化及其他工藝技術措施①下套管前仔細用原鉆具通井，調(diào)整泥漿性能，確保井眼穩(wěn)定，防止沉砂。②下套管采納漂移技術，防止套管粘卡。③注水泥前循環(huán)洗井2-3周，調(diào)整泥漿性能。④采納液壓式分級箍代替壓差式分級箍碰壓，確保分級箍循環(huán)孔關閉。⑤施工結束后，依據(jù)浮箍浮鞋密封狀況，可以采納管內(nèi)憋壓候凝。六、應用狀況及效果分析應用狀況：2006年水平井軌跡限制井段施工統(tǒng)計表井號完鉆井深（m）鉆井周期(d）水平段長（m）限制井段限制井段總長（m）起鉆次數(shù)（次）施工時間（d）造斜時間（d）水平段時間（d）備注紅南平71594.8317.79200.37493.612431紅南平8162419170527.392532紅南平6161628.25181.5857451046取芯神平2112140.8426.71199.02573.4151192困難劃眼魯平1300045.63231.774323541紅南平9-1166931.576.84247.482431牛6781141284牛平10-12211525.25390.4772441192神平312212224.21204.4256231082神平311216735.58136487513112神平3132115.0233199.63552.4731082魯平2297831.5223.335283882牛平11-141912.9921.29235.2510.992871雁平11914.131.13198.71504.14761平均537.6438.426.4222002-2004年水平井軌跡限制井段施工統(tǒng)計井號完鉆井深（m）鉆井周期(d）井底水平位移（m）水平段長（m）限制井段限制井段總長（m）起鉆次數(shù)（次）施工時間（d）造斜時間（d）水平段時間（d）神平2102745.7367.00812.01601948.8316362016連平12016.0125.33436339674.4681183勝北平12277.2737.5600400720.271515105紅南平21786.4433.75538256652.31220128溫平5-842844.0054.6551432662212281513神平2753106.00102.00=SUM(left)499310.001056.3854459玉東平3-52903.0032.3=SUM(left)286.16110.00344.741275玉平13760.00102.6=SUM(left)491.75275.0064014433211紅南平41497.5015.5=SUM(left)289.25100.00374.722651紅南平31487.4512.4=SUM(left)250.02100.32344.452541紅南平51474.729.2=SUM(left)250.1899.88397.52431平均6158.6321.27困難地層水平井軌跡限制技術應用14口井，平均限制井段長537.64m，施工周期8.42天，起下鉆3-4次，取得了比較好的限制效果。序號井號完成日期完鉆井深（m）裸眼長度(m)最大井斜(°/m)最大全角改變率(°/30m)水平段長（m)鉆井周期（天）機速（m/h)困難時效（%）1紅南平71594.831290.5191.8712.67200.3717.7910.2902紅南平81624132090.413.021701912.2603紅南平61616130692.258.64181.5828.2511.704神平2112140.841737.8491.719.81199.0226.7112.457.85魯0912.37231.7745.6310.412.796紅南平9-116691368.9891.4813.1676.8431.510.407牛平10-1422172010.592.210.52499.67306.9608牛平10-1221151909.8490.89.94390.4725.257.0909神平3122122171991.4410.18204.4224.219.87010神平31121671754.8397.713.6713635.586.99011神平3132115.021708.029312.68199.63339.28012魯平229782579.3889.5612.49223.3331.511.49013牛平11-141912.991709.9989.1511.58235.221.298.09014雁平11914.11612.690.369.96198.7131.1311.640平均2084.70224.7828.639.920.722006年水平井完成指標今年完成水平井平均井深2084.70m，最大井斜97.7°最大增斜率達到13.67°/30m，水平段最長的499.67m，平均機速9.92m/h，平均鉆井周期28.63天，平均困難時效0.72%，事故時效0%。有2口井發(fā)生了困難，其中神平211井由于劃眼損失時間50小時，困難發(fā)生經(jīng)過及緣由：2006年6月24日，井深1926m，下鉆究竟后，開泵MWD儀器沒信號，起至井深1685m，循環(huán)調(diào)試好儀器后下鉆遇阻，主要緣由：采納1.75度螺桿，在斜井段循環(huán)時間過長，造成沉砂填埋井眼。魯平1井在測井是儀器遇卡，后采納穿心打撈解卡，主要緣由是鍵槽卡電纜，事故損失時間30.5小時。應用效果2006年截止到9月底共計完成14口水平井，相比2002-2005年所完成的水平井困難與事故時效都有了明顯的下降，鉆井指標有了較大提高，具體狀況見下表：水平井鉆井指標對比表時間序號井號完鉆井深（m）鉆井周期（天）機速（m/h)水平段長（m）困難時效（%）事故時效（%）2002-20051溫平5-8428