特殊工艺井钻井技术

张书瑞特殊工艺井钻井工艺技术2007年9月前言特殊工艺井一般指欠平衡井、水平井、大位移井、分支井、小井眼井、套管钻井等。特殊工艺井工艺复杂，施工难度大，几乎应用了目前世界上90%的最前沿的钻井完井技术。随着油田勘探开发得逐步深入和扩展，钻特殊工艺井数量越来越多，掌握特殊工艺井技术势在必行。利用这个机会，重点介绍一下欠平衡井和水平井钻井工艺技术。国内外欠平衡钻井技术概况大庆探井欠平衡钻井实施情况介绍欠平衡钻井技术存在问题及下部发展方向国内外水平井钻井技术概况大庆水平井钻井实施情况介绍水平井钻井技术存在问题及下部发展方向第一部分欠平衡井第二部分水平井提纲一、欠平衡钻井（UBD）定义欠平衡钻井指在钻井过程中钻井液柱压力低于地层压力、允许地层流体进入井筒，并可将其循环到地面的可控制的钻井技术，即：PmE﹤PP一般要求：PP-PmE=ΔP，ΔP=0.7～7MPa。国内外欠平衡钻井技术概况二、欠平衡钻井（UBD）的优势和特点●防止储集层污染，提高采收率欠平衡钻井中消除了驱使固相和液相进入储集层的正压差，因而减少了固相和液相侵入储集层近井地带造成的储层伤害。●早期发现油气层欠压差可使地层流体及时进入井筒，这有利于早期发现油气层。●提高钻速欠平衡钻井欠压差值更能使被钻岩石易破碎，也有助于消除压持作用。欠平衡钻井能大幅度提高钻速。●防止和减少压差卡钻及井漏压差粘附卡钻是由正压差引起，因此在易压差粘附卡钻井段、地区，可防止压差粘附卡钻。同时也可用欠平衡钻井钻易破裂及易漏井段。●随钻油气藏评价欠平衡钻井是钻井和开采同时进行的过程，为我们获得油藏特征信息，有利于工程及地质人员及时识别地层流体性质。二、欠平衡钻井（UBD）的优点气体钻井（空气、天然气、氮气、烟道气）钻井液玻璃微珠、塑料微珠钻井雾化钻井泡沫钻井充气钻井三、平衡钻井（UBD）分类类型密度g/cm3气体钻井0.001～0.01雾化钻井0.01～0.03充气泥浆钻井0.45～0.9泡沫钻井0.032～0.064玻璃微珠、塑料微珠钻井﹥0.7钻井流体按压力梯度设计●气体钻井利用干气（如空气、天然气、氮气、烟道气等）作为循环介质的UBD钻井方式。由于气体密度小，气体钻井中井内筒静水液柱压力大大低于常规钻井流体静水液柱压力，因而极易在井底形成欠压差值，这样不但能有效防止液相和固相进入储集层，保护储集层，而且能极大提高钻速。实践表明气体钻井比常规钻井液钻井提高钻速3～4倍以上。●雾化钻井液相以非连续液滴的形式存在于连续气相中作为循环介质的钻井称为雾化钻井。“雾”——指非乳化液相的体积分数小于2.5%，它将以非连续液滴的形式存在于连续气相中，这种低液相体积分数的钻井流体称为雾。雾化钻井在一定程度上能克服地层出水问题，并具有气体钻井的优点。作业程序：用小型小缸泵将液体低速注入循环气体中。注入液相通常为水、表面活性剂及防腐剂，有时加入聚合物或盐以防止水敏性页岩与钻井流体间的作用。●泡沫钻井稳定泡沫是由气体（连续相）、液体（分散相）和表面活性剂配制而成的一种流体，以这种流体作为循环介质而获得欠压差的欠平衡钻井为泡沫钻井。有以下优点:•循环压力低，减少了储层损害和漏失问题•钻入衬套时，在非胶结地层没有小孔冲蚀•优良的携岩能力，是水的7-8倍•低压缩要求•易鉴别返回的地层流体•不会对油气生产系统和炼油作业造成有害物质●充气钻井液相中充入气相（氮气、空气）的两相流体作为钻井循环介质获得欠压差值的欠平衡钻井，其中液相是连续相，气相为分散相。充气钻井一般应用于地层（储集层）压力梯度小于1.0的地层。●气体钻井专用设备（空气压缩机组、氮气发生器、尾气发生装置、增压机组、雾泵和化学药剂注入系统、冷却设备、气体流量计、取样装置、除尘装置等●旋转控制装置（旋转防喷器、旋转控制头和旋转万能放喷器）●液气分离装置（两相、三相和四相分离器）●欠平衡专用节流管汇●点火系统及防回火装置●数据采集系统四、欠平衡主要装备及工具●欠平衡取心工具●欠平衡测井工具●不压井起下钻装置●欠平衡完井工具（油管内防喷工具、膨胀筛管、暂堵衬管、套管阀）●欠平衡专用工具六方（三方）方钻杆、滚子方补心、钻具强制式回压阀、空气锤、空气螺杆钻具、空气震击器及减震器、欠平衡井底压力采集系统、气体监测仪器等。四、欠平衡主要装备及工具空气锤欠平衡钻井地面设备配套井场布置图五、欠平衡钻井工艺流程六、欠平衡钻井数据自动采集与分析系统手工录入数据数据库处理数据时间同步参数录入数据采集录井数据截取绘制参数曲线计算分析实时显示录井终端传感器七、国内外欠平衡钻井技术的发展历程●欠平衡钻井技术，开始于20世纪50年代，以空气钻井为先锋，70年代以前，出于安全的考虑，该项技术一般不用于打开储层。在90年代中、后期，欠平衡钻井技术发展极快，尤其是美国和加拿大。目前这两个国家的欠平衡钻井、完井技术已经商业化，形成了欠平衡钻井技术研究、设备研制、技术服务三位一体的专业化公司。欠平衡钻井技术也越来越多地与水平井、多分支井及小井眼钻井技术等相结合，美国已将其列为21世纪急需的钻井技术。国外欠平衡钻井一览表0.0%5.0%10.0%15.0%20.0%25.0%30.0%35.0%199419951996199719981999200020012002200320042005020004000600080001000012000百分率欠平衡井数●我国早在60年代，已在四川油田磨溪构造的大安寨、凉高山地层进行过试验，当时只是用清水钻进，进行“边喷边钻”。90年代:塔里木油田解放128井欠平衡钻井的成功，给我国欠平衡钻井推向了一个新的阶段。目前，我国各海上、陆地油田已引进各种类型旋转防喷器近40套，共进行了120多口欠平衡钻井试验。国内克拉玛依、四川、胜大港等先后开展了现场试验。大港油田板深7井、板深8井是国内最成功的范例，发现了亿吨级油气田。1914144050501200204060801001201402000年2001年2002年2003年2004年2005年2006年中石油2000-2006年欠平衡钻井数量分布表八、气体钻井简介1、适合条件●地层岩石坚硬●井壁稳定性强●较少的地层流体侵入●具有中低孔隙压力的地层。●缺水干旱地区。●对水基或油基钻井液敏感的地层。2、空气钻井优势●空气钻井可以大幅度提高钻井速度。●空气钻井在克服严重井漏、溶洞性漏失方面有着不可替代的优势，对水敏性垮塌地层更加有效。●空气钻井有利于储层保护，基本不会对储层造成损害。●对于低压、低渗、低产“三低”储层比常规泥浆钻井有更大优势。●可提高钻头使用寿命，对付硬地层钻进的能力显著提高。●空气钻井气源便利，经济。3、空气钻井局限性●空气钻井技术对地层的适应性要求很高，不可预见因素较多，如果地层易垮塌、严重出水、出气或井下发生燃爆，都需要及时转换成常规泥浆钻井。●对地层压力的控制能力降低，井控工作难度大。因此气体钻井作业一般限于那些储层孔隙压力较低的地区。●由于环空中含砂气流的冲刷作用，钻杆的磨损会加剧。●在钻进期间，井内的流体（空气）几乎不可能对钻柱提供缓冲作用，易疲劳破坏。4、气体钻井专用设备空压机增压机现场设备RCD增压机膜制氮空压机欠平衡节流管汇钻屑处理分离器气体流量计钻井泵液氮5、气体钻井流程6、气体钻井流体力学参数设计●确定携带钻屑所需的最小气体排量qgmin。●计算井底压力PB。●计算钻柱内钻头处压力Pa。●计算注入压力Pj。●由设计最小气体排量qgmin、注入压力Pj选择压风机和增压器。●地层出水是最大的障碍之一当钻遇水层，湿岩屑会粘附在一起，在钻杆外壁和井壁上形成泥饼环，不能被空气从环空中带上来，阻止了空气流动并产生卡钻。为了有效的防止水侵，必须了解水层的位置，水的流量和成分，这样可以很快采取措施。7、气体钻井技术难点•小流量：地层出水量低于0.477m3/h；•中等流量：出水量0.477—7.95m3/h；•大流量：出水量大于7.95m3/h。泥饼环的形成及产生的后果a)差的清洗井眼效果b)形成泥饼环d)发生卡钻c)发生井下爆炸和着火根据国外的经验，对付小于0.318m3/h的出水量使用化学干粉能很好解决这个问题。最常用的是硬脂酸钙、硬脂酸锌。另外一种是硅胶，它是一种极细的吸水性颗粒。这些粉末包在岩屑的外面，不会形成泥包，也能在井壁上形成保护膜，钻具上已经形成的泥块也易掉下来。而且具有很好的润滑性能，降低摩阻，在有井斜时效果更明显。地层小流量出水的后果与处理•中等水量最明显的表现是注入压力升高，钻屑突然停止上返，钻速降低，继续注入气体，排出管出口出现液体。发生岩屑结团的危险性较小，因为在空压机功率足够的情况下，可将水以气泡形式吹至地面。由于井内水多，钻屑被稀释，不会使岩屑黏结成块。但是对于存在水敏性不稳定地层的井，可能导致严重的井塌。•处理方法：加入泡沫剂，变成雾化钻井。地层中等流量出水的后果与处理地层大流量出水的后果与处理•大水量最明显的表现是注入压力明显升高，钻屑突然停止上返，钻速明显降低。其危险性较大，因为可能出现地层坍塌，而且空压机功率不能满足将水吹至地面。但是由于井内水多，钻屑被稀释，不会使岩屑黏结成块。•处理方法：加入泡沫剂，变成泡沫钻井或转为用泥浆钻井。●空气钻井难点之二---地层坍塌地层坍塌：因井筒内空气柱几乎对地层无作用力，因此靠静液柱压力来平衡坍塌压力的地层不能用气体来钻。国内外多口钻井实践证明，在气体钻井时有坍塌层会引起严重卡钻。●低井底压力增大了井眼周围的剪切应力在许多情况下，气体钻井井眼失稳是由于井内压力低于井眼坍塌压力引起的。如在2134m井深的气体钻井中，当注气体积流量Qgo=48.87m3/min，井底有效液柱压力0.4697MPa，在地层压力PP=16.75MPa时，井底欠压差值△P=16.28MPa。影响气体钻井井壁稳定性分析过、欠平衡钻井井壁受力状态●地层流体从井壁急剧进入井筒，压力梯度引起的井眼拉伸破坏和剥落。拉伸长破坏带地层流体急剧进入井筒引起井眼拉伸张力破坏钻进及起下钻井底激动压力曲线接单根井底激动压力曲线地层流体进入井筒引起的激动压力曲线●气体钻井循环系统的波动性引起井眼的不稳定性●空气钻井难点之三--岩屑录井困难气体钻井钻屑变成粉末，因此岩屑录井获得大岩屑困难，同时不能采用常规的录井方法进行录井。主要原因：•钻屑被钻头重复研磨变碎；•钻屑在上升至地面的过程中彼此碰撞，并同钻具、井壁碰撞变碎，更重要的是由于钻具旋转，钻屑被磨碎；•到达井口的钻屑经过90度转弯，冲击井口和排出管线而变碎。空气用于欠平衡钻井具有一般气体欠平衡钻井的特点，但由于空气中含有腐蚀和着火来源的氧气，容易造成腐蚀和井下着火。只要压缩空气中的氧同烃液或天然气混合，就极易燃烧或爆炸；压缩空气中约含20.9%的氧在高温、高压和潮湿的条件下还会造成快速的氧化腐蚀。因此，在空气欠平衡钻井时应采取有效措施搞好防火、防爆和防腐工作。●空气钻井难点之四——防止井下爆炸●空气钻井难点之五——防止井喷发生UBD最大优势是将“井控”变为钻进过程“井内流体控制”，即边喷边钻，从而有效地保护和发现油气层，同时也增加了井控工作难度。由于UBD过程始终是井内流体及压力控制问题，与常规钻井不同之处，必须选择配制两个控制系统A和B。A.控制系统：控制环空压力和引导返出的多相流体进入地面控制，分流系统。B.控制系统：去除返出多相流体中的气相、固相、油、回收钻井液相的控制，分流系统。旋转密封头选择必须满足以下原则：•满足设计井口压力•预估的储集层流体或H2S含量•已在油田使用证明安全、可靠地面控制，分流系统选择必须满足原则：•满足预估井口返出流量和混相流体出口流动压力。•高分离效率和破碎泡沫能力•能处理含屑量大的流体•在油田使用证明安全、可靠大庆探井欠平衡钻井情况介绍一、概况自2000年宋深101井开始，开展了欠平衡钻井研究与实践。①引进了2套Shaffer公司的旋转防喷器、2套截流阀、1套Swaco液气分离器。自主开发研制了旋转防喷器。②建立了直井多相流流动压降模型，编制应用软件计算井底液柱实际循环压