特殊工艺井钻井技术ppt课件.ppt

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1、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

2、（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：PmEPP一般要求：PP-PmE=P，P=0.77MPa。,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

3、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,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

4、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34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

5、，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

6、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,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,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

7、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,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4

8、0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。,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

9、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,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

10、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0.4777.95m3/h；大流量：出水量大于7.95m3/h。,泥饼环的形成及产生的后果,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，

11、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

12、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

13、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，

14、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

15、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

16、与实践。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。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力，确定气侵后循环压力，井底允许负压值、钻井液密度窗口。通过14口井流钻欠平衡钻井，以及8口井充气、空气、雾化泡沫欠平衡钻井完井的现场试验，取得了较好的效果。,肇深11井中途钻杆测试点火情况,卫深5井钻杆测试后喜获工业气流,徐深302井空气钻井现场,施 工现 场,2005年，租用了设备、聘请了专家，在升深2-17井、徐深21井泉二段到登四段地层，组织实施了充气、空气钻井试验。空气钻井相同井段节约时间13.93天。,二、

17、空气钻井现场试验,充气钻井试验效果表,空气钻井试验效果表,2006年，在徐深302井2840-3555m泉一段至登三段井段开展了空气钻井试验。共用4天17小时，进尺715m，机械钻速15.21m/h，机械钻速是邻井在相同层段采用PDC复合钻井机械钻速的57倍。,2007年又进行了8口井现场试验。分别是：徐深28、徐深29、徐深27、徐深42、徐深212、徐深232、徐深213、徐深24井。机械钻速平均提高4-7倍。其中徐深28井空气钻井累计进尺701m，纯钻时间69.20h，机械钻速10.13m/h。最大井斜2.78，气液转化一次成功。,1、低温施工问题 冬季施工，气温低影响空气钻井设备正常运

18、转。地面空气设备在-15气温下，设备频频出现问题。钻进中旋转总成胶芯受温度影响密封不严，井口喷冒粉尘，对井下安全存在隐患。,存在问题及下部发展方向,2、地层出水问题 大庆空气钻井井段存在水层。虽然在钻进中通过增大注气量、转化成雾化泡沫钻井，有效地解决了地层出水，但当停止循环，地层仍会继续出水，并与粉尘形成泥环，堵塞环空通道，易造成卡钻。,3、井壁稳定问题空气钻井气液转化完，井壁剥落，下钻划眼时间较长，影响工期。因井壁剥落，井径达到30左右，是常规钻井的一倍，影响井身质量。,5、下部攻关方向解决地层出水后，如何继续安全钻进。气液转换后，井壁稳定问题。,国内外欠平衡钻井技术概况大庆探井欠平衡钻井实

19、施情况介绍欠平衡钻井技术存在问题及下部发展方向,提 纲,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,水平井是在产层内钻一段“水平”段的特殊形式油气井，其最大井斜角一般不小于860。水平井钻井突出的特点是加强了油藏精细描述，应用随钻地质评价技术及地质导向等新技术，提高了对油藏地质不确定性的认识。通过随钻测量电阻率、伽玛、密度以及井斜、方位，准确判断钻头在储层的位置，并根据地质条件变化及时对井眼轨迹进行调整，使水平井段始终沿着储层最佳位置钻进，大大提高了水平井的油气层钻遇率，保证了水平井钻井的地质效果。,国内外水平

20、井钻井技术概况,1、水平井定义,目前，水平井技术在国外已经成为开发各类油藏的常规技术,目前，国外水平井已经形成了一项综合配套技术，大大降低了水平井的技术风险。1986年，在全世界范围内钻了大约50口水平井。进入90年代，开始大规模应用，1992年，已在全世界范围内钻了2500多口水平井。目前全世界水平井数量超过30000口，其中约有75%是美国和加拿大钻成的，最长水平段达6118m，最大水平位移10728米。LWD最高抗191高温，最深下至9375米。,2、水平井技术发展,国内水平井钻井最早于1957年，1990年以后逐步发展起来的。2000年2004年中石油共完成水平井339口，仅2004年

21、就完成水平井168口。2006年提出了“水平井钻井年”，施工水平井500口。其中塔里木、辽河、冀东油田在水平井应用上更是取得了长足进步，见到了规模效益。,“八五”期间，大庆石油管理局与大庆石油学院、北京石油勘探开发研究院共同承担了“低渗透砂岩水平井钻井完井技术”的科技攻关，在油藏工程、钻井工程、测井、固井等方面进行了配套技术研究，完成了树平1井等4口中曲率半径水平井的现场试验，形成了一套成熟的中曲率半径水平井钻井完井技术。1998-1999年，在古龙地区泥岩裂缝型油藏完成了探井水平井古平1井施工。2004年以来完成了几十口开发水平井施工。2006年完成了火山岩水平井-升深平1井施工。,3、水平

22、井关键技术-信息化和智能化相关技术,（1）信息化,MWD（随钻测量）,LWD（随钻测井）,井斜角方位角,地层电阻率体积密度中子空隙度自然伽马,实时获得所钻地层岩性及所含流体状况,SWD（随钻地震）,钻头前向待钻地层岩石类型岩石孔隙度、孔隙压力与其它声学敏感的岩石参数,FEWD（随钻地层评价）,GST（地质导向技术）,a.与MWD、LWD结合使用，组成了一个集成钻井信息系统（IDIS）b.获得方位角、井斜角、钻压、扭矩、应力状况、流体压力、泥浆密度c.地层空隙度、岩石密度等地层参数,根据随钻测量和随钻地质评价测井数据，通过人机对话控制井眼轨迹。使钻头始终沿油层钻进，自动避开地层和地层流体界面。,

23、DDS（钻井动态数据采集，测得8种参数、12个数据）,4个桥式应变片组，测得井底钻压、扭矩和2个正负方向弯矩测量井眼压力和环空压力测量钻头轴向加速度和2个横向加速度测量井下旋转速度测量井下温度,（2）智能化方向,井下导向工具、测试工具和作业控制日趋智能化。1990年由数家大石油公司及相关公司共同合作，历时5年，耗资近1000万美元，开发成功的集成钻井系统（IDS）和集成钻井作业系统（IDO），是钻井系统及作业智能化的体现。近年来，在地面自动控制井下导向工具和随钻地层评价测试系统（FEWD）开发成功，更体现了工具和作业智能化。,4、水平井常用钻具组合,直井段,第一造斜段,稳斜段,第二造斜段,探油

24、顶段,着陆段,水平段,裸眼完井：用于 碳酸岩、坚硬不塌地层。割缝衬管完井：当前水平井常用。带管外封隔器完井：封隔器与割缝衬管、封隔器与滑套、封隔器与衬管射孔射孔完井：完井尾管与技术套管宜重合100m左右。砾石充填：（防砂完井）采用预充填砾石筛管、金属纤维筛管或割缝衬管。,5、水平井完井方式,水平井钻井目的,长垣老油田挖潜、增加可采储量；,特低渗透扶杨油层提高采油效率；,深层火山岩气田水平井开发可行性；,深层致密砂砾岩气田储层提高产能；,海拉尔潜山油藏水平井开发可行性；,加大低丰度、薄层葡萄花油层水平井应用力度。,大庆水平井钻井实施情况介绍,1991-2003年水平井实施情况,典型井-升深平1井

25、：完钻井深3700.10m，垂深2970m，水平段长462.10m，井底水平位移921.20米，最大井斜角90.97，井眼轨迹到了预期目的和要求。,双88-平44井轨迹示意图,（以升深平井为例）,井眼轨迹控制难度大,（1）造斜点深，直井段长，直井段井斜控制困难。（2）钻具组合频繁调整更换，使用效率低。对螺杆造斜规率、钻具性能不掌握，实钻中，只有采取频繁调整更换钻具组合，来保证井眼轨迹走向。（3）由于火山岩构造具有不确定性，设计与实钻存在一定误差，无法准确确定目的层井深。这样，着陆点靶前距、垂深、靶点窗口偏差等不易控制，如果目地层提前，井斜角需要上挑，如果滞后，损失水平段。,（4）测量仪器数据存

26、在误差。由于仪器测点距井底17-19米，井斜、方位数据滞后，预测的井底实际井斜、方位数据有误差，给准确判断井眼轨迹走向和采取有效控制措施带来很大难度。（5）螺杆钻具寿命短。完钻实测井底温度105，高温硬地层中使用，影响使用寿命。加之使用油基钻井液，螺杆定子橡胶耐油性差，钻进过程中经常脱落现象。,水平井钻井技术存在问题及下部发展方向,卡 钻 问 题下井壁形成岩屑床。随着井斜角增大，形成的岩屑床越严重，尤其是水平段，岩屑床卡钻几率增大。造斜段形成键槽。粘吸卡钻严重。钻具紧贴下井壁，钻进中须经常上提下放活动钻具，否则就发生粘卡。,井下安全隐患多,钻 具 断 裂 问 题钻具扭矩大。为控制井眼轨迹，需要

27、导向钻进进行调整井眼轨迹，导向钻进时，钻具扭矩大，经常出现蹩停转盘现象，容易产生疲劳发生断钻具事故。大井眼井壁稳定问题比较突出。青山口、登娄库地层均存在剥落、掉块。,（以升深平井为例）,机 械 钻 速 慢,（1）托压问题严重。随着井斜角增大，斜井段增长，钻具摩阻逐渐增大，钻压不能有效传递，导致钻头破岩效率低。（2）排量受限制。螺杆和仪器压降高达6兆帕，限制泵排量。（3）钻头不适应。登楼库底部和营城组地层，大斜度井眼和水平段钻进，牙轮钻头不适应高转速，断齿、磨齿、外径磨损严重。再加上油基钻井液携砂能力差，使大量岩屑滞留在井底，造成重复破碎，影响钻头钻速和寿命。,（以升深平井为例）,升深平1井钻探

28、目的是开发深层天然气，如发生气侵，进入井筒气量大，串窜至地面快，给地面井控工作增加难度。,井控工作难度大,（以升深平井为例）,就大庆钻井水平井来讲，目前最主要的是应引进先进的仪器、优选螺杆和钻头，解决地层硬、井底温度高等给轨迹控制带来的一系列影响。长远来讲，应向自动导向钻井技术方向发展。目前，在世界范围内水平井、大位移井、分支井等高难度的复杂井正蓬勃发展，常规钻井技术难以适应需要，必须依靠先进的导向技术才能保证井眼轨迹的准确无误。,攻 关 方 向,利用近钻头处实时采集的地质地层参数，超前预测和识别油气层，并根据需要调整井眼轨迹，引导钻头准确钻达油气富集区域。地质导向的技术关键是近钻头处地层参数

29、、井眼轨迹参数和钻头工作参数的实时测量。国外对地质导向的研究始于八十年代末，主要有美国、英国、德国、法国和挪威等国家。1993年由Anadrill公司研制成功了钻井、测井综合评价系统，实现了地质导向。,地 质 导 向,1、连续井眼轨迹控制，减少起下钻次数；2、近钻头处的井斜传感器减少了大斜度井、水平井的井斜误差；3、近钻头钻速传感器可帮助司钻最佳使用导向马达，提高机械钻速，延长马达的使用寿命，减少起下钻换钻具的时间；4、近钻头传感器使钻头处参数测量的滞后时间接近于零，能使井眼最大限度地保持在油气层内；5、方位伽马射线测量能在钻头处进行地层对比，这对探测标志层、确定套管下深和取心层位是非常有用的，同时还可使司钻确知是否钻穿地层的顶部或者底部；6、定性的电阻率测量能够实时显示油气和岩性，这对地层对比和确定油气水界面是非常有用的；7、方位电阻率可使司钻得知油水、油气和其它液相界面流体边界的方向。,解 决 问 题,导向钻井技术必将给石油工业带来 显著的经济效益和社会效益,谢 谢！,