罗平亚―关于解决我国钻井技术难题的探讨

1关于解决我国钻井技术难题的探讨西南石油大学油气藏地质与开发工程国家重点实验室2009年3月2目录一、我国钻井技术发展的主要方向二、井壁稳定技术的发展三、井下裂缝性恶性漏失的堵漏技术四、窄安全密度窗口的安全钻井技术五、高压、高产、高含硫气田安全钻井的几个问题六、超深井(≥7000M)高温(200—220℃)高密度(r:2.30—2.50)钻井液技术3国内钻井技术发展的主要要求：提高深井特别是复杂超深井的钻井能力，降低钻井风险，缩短钻井周期，是“十一五”乃至相当长时期内的主要研究课题，也是提高我国陆上油气勘探、开发效率急待解决的首要问题。利用钻井工程技术提高单井产量和采收率，增加可采储量，经济有效的开发边际油田和难动用储量。井下信息的随钻获取、钻井的自动化控制;建立钻井信息数据综合菅理与适时应用的钻井远程快速决策系统。也是二十一世纪钻井工程技术发展的主要内容。一、我国钻井技术发展的主要方向4一、我国钻井技术发展的主要方向缩小与国外先进水平的差距、赶上世界先进水平;解决当前钻井技术的主要技术难题(制约我国勘探开发进程的主要技术瓶颈)5㈠.国外钻井技术(与装备)的发展趋势：1、向快速、优质高效、低成本方向发展。积极采用高性能螺杆钻具和新型钻头、高压喷射钻井、小井眼钻井、连续管钻井、套管钻井、随钻测量、随钻测井、随钻测试技术、旋转导向与地质导向钻井技术、垂直钻井技术、控压钻井技术、可膨胀管应用技术、气体钻井技术与装备、全过程欠平衡钻井技术、超深井钻井技术及万米深井钻探装备、随钻地震技术……等新技术、新方法,努力提高钻井水平与效率。2、采用水平井、大位移井、多分支井等MRC技术提高油田开发的综合效益。63、向更加注重QHSE方向发展，钻井安全和环保问题得到更加广泛的重视。4、向更有利于保护油气层的方向发展。积极采用优质钻井液和完井液，更好地保护油气层。5.以信息化、智能化为基础和特点向自动化方向发展:采用地面自动化钻机配合井下旋转闭环导向钻井系统,不断强化对钻井和地层的实时监控;通过卫星和互联网实现对现场的远程监控,建立钻井信息数据综合菅理与适时应用的钻井远程快速决策系统。6、对于解决深部复杂地层钻井的井下复杂问题的相关技术有重大进展,但距很好解决这类问题还有很大距离。7与世界先进水平的主要差距钻井总体能力方面，台年进尺:2001年:加6.04万米、美4.879万米、中2.04万米;2006年:加7.16万米、美5·425万米、中3.21万米。在深井超深井、钻井方面，我国目前的深井钻井平均钻井周期和使用钻头数约为美国的1.5倍。在钻井装备方面，国外正实现机械化、自动化，初步具备智能化，达到有效、安全、快速、经济的要求，钻机实现模块化、高运移性，满足各种地貌条件下作业需要，各种特殊工艺井的井下工具实现自动化、智能化。但国内特殊工艺井井下工具的高端产品仍主要依赖进口，高运移性的中浅井钻机和机械化、自动化工具与装备还正处在试验阶段。8在钻井核心技术与前沿技术研发方面，目前国内还基本处于跟踪模仿国外先进钻井技术阶段。国外已成熟的技术，国内往往才开始模仿研究或引进技术，时间落后5～10年。如国外研发的多种随钻测井系统、近钻头地质导向钻井系统、垂直钻井系统、旋转导向钻井系统等在上个世纪90年代就已商业应用，而国内在这些技术领域的研发工作仍处于追赶阶段。而且缺乏自主知识产权的先进工具与仪器，使得我国钻井工艺技术的发展受制于国外。在解决复杂地层深井钻井井下复杂问题方面差距并不大。与世界先进水平的主要差距9与世界先进水平的主要差距利用己有理念、装备、技术…解决工程问题(钻井工艺技术)不落后。落后在于:新理念的产生;新装备、新仪器、新工具的研发;信息技术、智能化技术、自动化技术的密切结合与应用…差距在于创新能力:基础理论、实验基础研究不足;相关学科、技术领域的理论、知识及新成果引入和应用差;国内整体技术水平不足…10㈡、当前钻井技术急待解决的主要技术难题(制约我国勘探开发进程的主要技术瓶颈)随着我国石油天然气勘探开发目标进一步面向地质条件十分复杂的深层油气资源。近年来我国在复杂深井钻探中遇到高陡构造及逆掩推覆体防斜打快、井壁稳定、恶性漏失、窄密度窗口安全钻进、高研磨性地层钻速低、复杂井固井质量差等世界级的难题，导致深井钻井复杂事故多、钻井速度慢、周期长、成本高，已严重影响到我国油气资源重要接替区勘探开发的进程。成为严重阻碍勘探开发进程技术瓶颈。11在我国,如何解决复杂地层深井(特别是深探井)钻井的主要技术难题引起了油气勘探和开发界高度关注。当前国外钻井先进技术的发展对于解决其中的某几个问题虽有一定的突破,但仍不能全面有效的解决它们。成为钻井工程所面临的重大挑战和发展机遇，钻井技术处于一个以解决这些难题打破这个瓶颈为重要标志的新的发展时期，也是我们钻井走问海外的技术支持和保证。121.目前急待解决又没能很好解决的重大技术瓶颈(井下复杂与事故；):目前，国内外在漏、喷、塌、卡、斜……这些井下复杂与事故中，一般情况下各单项问题都已基本形成有效的解决技术(包括相关理论和方法)，除有待进一步完善提高外，已对钻井构不成普遍威胁.但是在深井复杂地层情况下仍有一系列难题未能很好解决。13⑴.复杂地层条件下的井壁稳定问题如深井、高温大段盐、膏、泥层的井壁稳定;山前高陡构造、破碎地层井壁稳定问题气体钻井转换泥浆后的井壁稳定问题……⑵.山前高陡构造防斜打快问题。(垂直钻井技术可望解决)⑶.超深井(≥7000M)高温(200—220℃)钻井和固井技术:我国井温180℃以下,密度＜2·00—2·30的泥浆技术己基本过关。井温＞180℃,密度＞2·30的水基泥浆技术国内外都未过关。14(4).井漏问题(主要是指恶性漏失)及由此引发的一些井下复杂问题至今无一有效可靠的技术。主要由工程经验来解决问题。“恶性漏失”主要表现为漏失厉害并且很难堵住。它常有两种不同的情况：较大的天然裂缝及溶洞引起的有进无出的严重(漏速很大、很难堵住…)漏失长井段低承压地层“随机性、多点漏失”(漏速很大、很难堵住…)问题15⑸.窄安全密度窗口安全钻井问题:当漏、喷、塌、…位于同一裸眼井段(同层)，则引发出多种复杂问题:主要归纳为窄或负安全密度窗口的安全钻井复杂问题，成为目前钻井工程亟待解决的重大技术难题，而喷和漏构成的窄或负安全密度窗口的安全钻井问题则更为复杂、困难和危险,是我们当前重点攻关解决的重大难题。。16⑹.钻遇高压、高产、高含H2S(CO2)气层难题：①、H2S的高毒性所带来的重大技大难题及安全问题；②、H2S(CO2)的特殊腐蚀作用和高腐蚀性所带来的重大技术难题；③、H2S(CO2)在深井高温高压条件下的超临界态带来的重大技术难题：A.超强的特殊腐蚀作用。B.元素硫沉积带来的难题。C.对井控带来复杂影响所引起的重大技术难题……。这是当前我国正在全力进行攻关的重大技术难题。172,关于提高机械钻速当前、深井复杂井钻速低是制约我国油气勘探开发事业发展瓶颈的重要表现之一。其中除井下复杂与事故的影响外,努力提高机械钻速是一重要方面。高陡构造的防斜打快问题;深井上部大尺寸井段的机械钻速问题;深部重泥浆井段(耐磨地层…)机械钻速问题;油基泥浆提高钻速问题:油基泥浆机械钻速提高到超过现有水基泥浆水平；水基泥浆机械钻速整体再上台阶;18所有这些问题都是国内外至今没能很好解决的世界级难题,它严重的阻碍了我国油气勘深开发的进程。它们是钻井最传统的问题，是钻井工程永恒的难题。多年来为解决它们作过不懈的努力,并已集累了非常丰富的经验。但它们并未很好解决,更未完全解决,而且目前国外先进钻井技术及其发展并不能完全解决它们。应该成为我们钻井技术发展的一个必要的方向。19但要最终有效解决它们，必须在己有经验的基础上，深入研究其作用机理及内在规律，综合应用其它学科的最新成果，建立新的观点、新的方法、新的材料、新的工具、并形成新的技术才有可能有效解决例如：用VDS系统解决防斜打快问题用NDS系统引导窄安全密度窗口钻井特种凝胶堵漏技术……。20常见现象是井眼缩径、井壁掉块、井壁坍塌……对它我们具有丰富经验并能较好解决生产问题。但同时又是我们并未能完全掌握而时常碰到的技术难题(特别是在山前高陡构造、破碎地层、强水敏地层)。其问题的主要表现:尚不能准确预测，不能实时测定、不能准确判断；机理研究尚不能预先指导，只能事后解释；防塌技术实施难以准确到位。防塌泥浆密度普遍偏高,诱发一系列井下问题。多年来无重大突破和实质进展.也不太清础如何发展。二,井壁稳定技术的发展21井壁不稳定是由形成井眼后，井壁岩层产生的坍塌压力所引起.井眼形成后，地应力在井壁上的二次分布所产生的指向井内引起井壁岩石向井内移动的应力，称为井壁坍塌应力。P塌≥0。它是引起井壁不稳定的根本原因(P泥P塌)。但所钻地层形成井眼不一定必然会产生坍塌压力。㈠.井壁坍塌应（压）力：P塌22决定P塌的大小的主要因素:P塌与地应力方向和大小、岩石的力学性质、岩体强度、强度（破坏）准则有关；与岩石物性（渗透率、裂缝发育程度与状态、界面润湿性……）、地层流体组成性质有关；与地层流体压力(泥浆柱作用下)、岩石组成、产状及水化状态有关；与井眼状态（斜度、方位…）等因素有关；与泥浆类型、组份性能、泥浆柱压力有关。井壁坍塌应（压）力：P塌23而坍塌压力的产生是岩石力学-化学相耦合……的综合结果。但是目前的研究和技术应用中二者并未真正结合起来，基本上互不相干.岩石力学研究坍塌压力是以地应力、地层岩石的本构关系、岩石的相关力学性质和强度…为基础建立井眼地层产生坍塌压力的理论模型；几十年来，,考虑各种因素建立的井壁地应力二次分布求出P塌的模型有近百种，每一种都有其合理性，有很多具有指导意义和参考价值，但至今仍没有一种模型能真正具体指导一口井的井壁稳定技术，大都是指出方向，明确思路再由经验加以分析、判断、实验加以验证，通过实践形成实用(泥浆)技术。24泥浆化学重点研究泥浆组份、性能与井壁稳定的关系；这种研究以定性的找出其中的规律为主,与P塌之间没有关系。这样两大因素完全割裂的研究方法是当前阻碍解决井壁稳定难题的重大(关健)障碍。所以目前仍以经验规律总结及定性判定（半定量解释）相结合的实用系列技术。且很难有所突破。而且认为一个地区一个地层的P塌是一个受地质因素控制而不可改变的观点根深谛固。而事实上泥浆分两种情况严重的改变(增加)P塌。25主要指泥、页岩地层、钻井实施中井壁稳定问题。它们占80%。1、坍塌应力P塌由地应力、地层岩石力学性质、岩石强度、地层流体压力、井眼状态（井斜、方位…）等因素确定，以上因素一旦确定，井眼一形成P塌即是一确定的值。同时，此P塌将因受泥浆作用而增加。（二）水敏性地层的井壁稳定262.泥浆水化作用对地层P塌的影响对水敏性地层：（页岩）P塌增加增加地层塑性产生澎胀压：P膨降低地层强度泥浆的水化作用使P塌增加P破下降水化作用愈强，P坍增加愈多,同时降低P破27据研究资料表明：3000m页岩井段井眼的典型算例若页岩不水化，即页岩水化膨胀应变系数K1=0，K2=0则：P坍=0.63P破=2.53若页岩水化膨胀：K1=0.00708，K2=1.108则：P坍=1.06P破=1.4628粘土水化必使P塌上升,其影响大小与粘土被水化的程度密切相关。理论和实验研究表明:由此而引起P塌的增加,相当于密度增加0～2.00以上（依地层组成、埋深和泥浆类型等因素变化）。理论和实践证明，在一般情况下（地应力正常、地层倾角小、页岩埋藏深度不太大、地层不破碎……），P塌通常为0。但经泥浆作用后，P塌可以由0.00上升到1.00～2.00（当量密度）或更高。292.水敏性地层井壁稳定技术的评价方法不过关目前常用的方法有岩心浸泡、滚动回收、SSI值测定……。都不能很好反映其实质。而必须应该有的坍塌压力评价和粘土水化（去水化）程度的评价以及由于粘土水化（去水化）引起岩石力学性质、岩石强度变化而引起的坍塌压力的增加…的评价方法至今尚未建立。由现场实际使