欠平衡钻井技术及技术规范.ppt
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1、欠平衡钻井配套技术及技术规范,集团公司技术培训课件西部钻探克拉玛依钻井院 宋朝晖 伊明,主要内容,第一部分 欠平衡钻井技术简介第二部分 全过程欠平衡钻井技术第三部分 井下套管阀技术第四部分 欠平衡钻井技术规范第五部分 总结,第一部分 欠平衡钻井技术简介,1、欠平衡钻井定义及特点2、欠平衡钻井技术分类及特点3、欠平衡钻井配套技术装备4、欠平衡钻井技术发展趋势,欠平衡钻井定义,使钻井流体施加在井底的压力小于地层孔隙压力,有效控制地层流体流入井筒,并对其进行处理的钻井方式。,1、欠平衡钻井定义及特点,欠平衡钻井发展历程,1284 在中国第一次顿钻钻井1880s 第一次用空压机钻矿井1895 用水进行
2、旋转钻井1920s 第一次用空压机钻油气井1920 第一次用泥浆钻井1928 第一次使用防喷器1932 第一次应用充气泥浆钻井1955 空气钻井开始被广泛应用1960s 四川油田、新疆油田尝试了欠平衡钻井技术1970s 第一次应用稳定泡沫钻井1988 第一次应用欠平衡技术在Austin Chalk钻高压气井1993 第一次应用连续管钻欠平衡井,1995年开始用于欠平衡水平井1997 第一次在海上应用欠平衡钻井1980s 中石油欠平衡钻井技术开始深入研究与试验1990s 中石油欠平衡钻井技术迅速发展,欠平衡钻井在美国的应用,美国专家调查预测,未来几年欠平衡钻井仍然有较高的潜力。陆上使用欠平衡钻井
3、的比例将达到37%,海上将达到12%。,2006年世界欠平衡钻井领域排行榜,欠平衡和气体钻井技术是九十年代在国际上被广泛应用起来的一项钻井新技术,在北美地区尤为突出。欠平衡及气体钻井技术已成为继水平井技术之后的第二个钻井技术发展热点。,不同岩石类型中进行的欠平衡钻井产量增加的幅度,BP公司,21世纪里程碑石油技术,上世纪九十年代最受欢迎的钻井技术在世界范围内的应用增长迅速已成为开发一些压力衰竭油气藏的重要或唯一手段,欠平衡钻井的主要应用目的,欠平衡钻井在勘探开发中的作用主要体现在,勘探上:提高低压、复杂岩性、水敏性、裂缝性等类储层油气的发现和保护开发上:通过有效地保护储层,提高单井产量,降低开
4、发综合成本钻井工程上:提高了钻速,减少了井漏,用UBD 要有针对性,UBD推荐的地层及油藏,坚硬低钻速地层低压易漏地层污染敏感性地层水敏及易湿相乳化的地层裂缝及溶洞性灰岩地层,渗透率小于 1mD 的致密性油藏压力衰竭的油藏渗透率大于 1000mD 的高渗油藏容易湿相乳化的油藏裂缝性发育油藏,不适宜进行欠平衡钻井的地层,1.松散地层(Highly Unconsolidated Formations)2.具有塑性流动特性的岩盐层3.受强应力作用非稳定泥岩地层4.含高浓度H2S地层,因此,欠平衡钻井作业总体具有以下优势,.提高机械钻速,但!欠平衡钻井作业的局限性,.空气钻井钻遇储层存在井下燃爆风险,
5、.连续欠平衡钻井对地层条件要求高,.钻井作业井控风险相应增加,.钻井成本相应增加,2、欠平衡钻井技术分类及特点,欠平衡钻井分类,根据所使用的循环介质,将欠平衡井分为:,地层压力系数与钻井介质平衡关系,高压区;UBD钻井液为单相液体,工艺的选择取决于储层压力系数,UBD 常用作业区,是指人为控制钻井液有效液柱压力低于产层地层压力,使产层流体进入井筒,循环到地面,并可以得到有效控制的一种钻井工艺技术。它是在防喷系统的作用下,使地层流体有控制地进入井眼,通过旋转防喷器的导流,使含有地层流体的钻井液经过气液分离器、撇油罐等地面设备处理后,重新泵入循环罐参与正常循环的一种钻井工艺技术。,避免常规过平衡钻
6、井,因压差问题导致的储层伤害;可及时发现油气层,利于探井评价.欠平衡钻井工艺可提高机械钻速,降低综合作业成本,具有 良好的经济效益和社会效益。,特点:,液相欠平衡钻井技术,液相欠平衡钻井,作用于井底的环空压力包括:1.液柱压力(取决于钻井液密度);2.循环压耗(取决于井身结构,钻具结构);3.施加于井口的回压。,基本条件,泥浆液柱压力+循环压耗+欠压差值地层孔隙压力,目标,在钻井过程中,通过联合控制钻井液液柱压力与井口回压值,实现:地层孔隙压力-钻井液液柱压力+循环压耗+井口回压值 欠压差值,欠平衡钻井的压力区间,欠压差值根据地层的坍塌压力来决定,通常取值大于坍塌压力,经验数值取200-300
7、PSI(具体根据油藏特点确定)。,钻井液技术要求,正常循环状况下,应保持所希望欠平衡压差值 具有良好的井壁稳定及井眼净化能力 与地层流体及气体有良好的兼容性 具有良好的防护套管、钻具及井下工具等的性能 近平衡(起钻及完井)状况下,尽可能不伤害储层,井口控制系统旋转头、阻流管汇及控制盘等,液相欠平衡钻井主要系统构成,油气分离系统四相分离器、储油罐等,井下工具系统EMWD、单流阀及套管阀,钻屑处理系统,旋转防喷器、远程高压(70MPa)节流管汇、液气分离器、撇油罐、燃烧管线 自动点火装置等。,实施液相欠平衡钻井所需的设备,Williams Rotating Control Heads,Rotati
8、ng Control Head,Rotating working pressure:2,500 PSIStatic pressure:5,000 PSIShell(housing)capable:10,000 PSIMaximum operating RPM:150 RPMOperating temperature:-28 C to+121 C Fluid rating:H2S serviceUniversal,quick-change bearing assemblyPositive oil lubricationCooled bearing sealsHydraulically opera
9、ted clamp,欠平衡钻井地面设备,立式分离器,节流管汇,1.大通径2.防硫,要求,套管隔离阀(DDV),DDV:Downhole Deployment Valve,DDV的作用与特点起下钻过程中封隔油气藏,不必压井,减少起下钻时间完井作业时也不用压井,避免完井液对地层的伤害钻完井全过程使井保持欠平衡状态减少整个钻完井过程的费用,使欠平衡作业更容易,更安全通过地面液压管线控制阀门的开关DDV可永久安装,也有可回收式以供选择,启动器工作筒向下运动,将活瓣阀推开。当启动器工作筒返回上部位置时,活瓣弹簧将活瓣阀关闭。,液相欠平衡钻井井口装置,井口特点,井 场 布 局,该井采用液相全过程欠平衡钻井
10、技术。在井段2998.40-3060.00m中途裸眼测试产气9.7104m3/d和少量凝析油。而且实钻表明,利用欠平衡钻井技术有利于机械钻速的提高。,液相欠平衡钻井技术应用实例,新疆油田彩54井液相欠平衡钻井技术,欠平衡钻井中良好油气显示、边喷边钻,2008年度新疆油田液相欠平衡钻井应用情况,空气钻井技术简介,空气雾化钻井是以空气或雾化作为循环介质的钻井技术,其密度可在0.10.4g/cm3之间任意调整,它适用于岩性稳定的超低压裂缝性油气藏的勘探开发。有效地解决了钻井液对油气藏的污染,获得对产层的真实评价,有利于发现油气藏,可提高机械钻速34倍,最高达到1012倍,生产成本可大幅度降低。特别是
11、空气雾化流体的密度低,在钻井过程中可及时发现油气显示。,空气钻井,Angle理论:,实施空气钻井的重要条件是:,实际气体流量应达到满足携岩所需的最小排量,不同尺寸井眼、不同井深条件下的气体钻井气量选配表,空气密度低,易形成欠平衡状态,能有效解决井漏,适用于低压、衰竭油气层的钻井;对储层的伤害小,有利于发现和保护油气层,增加油气产量;能最大限度地提高机械钻速和单只钻头进尺,降低钻机作业时间,低开发成本;在缺水、钻井液费用昂贵的情况,可以减少钻井液和水的费用;,优点,缺点:,空气钻井工艺对井壁的支撑能力是最低的,从井壁力学方面促使井眼不稳,尤其是有水层、水敏性地层、泥页岩地层容易发生井下复杂,不适
12、用于软地层。,Air Drilling Waited Upon Large Portable Compression,Simple and convenient to drill with air inexpensively and anywhere.,Harold Vance Department of Petroleum Engineering,.设计井深:4500m,.钻井层位:石炭系,石炭系地层岩石可钻性差,钻井段长。,钻井难点,目标,提速。,空气钻井应用情况,该井空气钻井过程中,通过使用空气锤钻具组合,实现了在准噶尔盆地腹部石炭系深部地层快速钻进的目标。三开空气钻井钻速统计表明,空气
13、钻井相比较常规钻井液钻井方式,在提高可钻性极差石炭系地层机械钻速方面具有明显的优势。,滴北1井二开石炭系层段钻时曲线,平均机械钻速0.83m/h,三开空气钻井空气锤钻进井段机械钻速曲线,平均机械钻速6.70m/h,滴北1井实施空气钻井段长559.56m,作业周期14天。牙轮钻头平均机械钻速4.35m/h,为常规钻井液钻井条件下的4.72倍。空气锤钻进平均机械钻速6.7m/hr,为常规钻井液条件下7.28倍。,泡沫钻井技术,泡沫钻井是利用致密、连续、均匀的泡沫流体作为循环介质的钻井技术,其密度可在0.250.6 g/cm3之间任意调整。它一般适用于地层压力系数小于1.0的油气藏。与常规钻井技术相
14、比它的优点是:大幅度地减小钻井液的漏失造成的对油气层的污染,提高机械钻速,降低钻井成本。缺点是:泡沫是一次性流体,目前的技术可循环利用量小,成本高。其次还有可能造成环境污染。,泡沫(0-97%气体),空气/天然气/氮气/或其他惰性气体,H2O或者水基/油基,BJ7168井泡沫钻井井段1600m-2020m,多数井段全烃对比升至10万ppm以上,随钻始终有油/气进入井筒,实现了发现与保护油气层的目标。同时,泡沫钻井创造了在该区可钻性较差石炭系地层钻进,平均机械钻速4.5m/hr的指标。,BJ7168井井身结构图,泡沫钻井应用情况,白22井位于克白断裂带-检乌26井西夏子街组扇体。该井在3265m
15、-3755m井段应用泡沫欠平衡钻井技术。,白22井井身结构图,第一:实现了对该区储层的重新认识与评价,该井钻进至井深3755m,泡沫钻井出口返出异常,流速加快。关井后节流放喷,日产水6000m3/d。改变了前期评价该区储层为低压、低渗的认识。,第二:获得了在可钻性较差二叠系夏子街组和风城组地层机械钻速的突破。,白22井泡沫钻井段机械钻速图,白22井转换为钻井液井段机械钻速图,钻后统计,泡沫钻井相对于常规泥浆钻井,机械钻速提高幅度610%。,滴16井,地层特点及泡沫钻井目标,据此,对准噶尔盆地气基流体欠平衡钻井井身结构方案进行了适当调整:要求二开技术套管下深以进入石炭系地层不小于40m为原则。,
16、自井深1180m开始实施泡沫钻井,相对滴15井提高4.9倍,充气泥浆钻井技术,充气泥浆钻井是将一定量的气体(空气、氮气、天然气等)连续不断注入泥浆内,使其呈均匀气泡分散于泥浆中,形成充气泥浆。从井内返出的泥浆经过地面除屑除气后再次注入井内循环。充气泥浆的密度可根据用用户要求在0.45g/cm3以上进行调整,从而达到防止漏失和防止油气层污染的目的。其主要优点为:减少钻井液漏失造成对目的层的污染,提高机械钻速,降低钻井成本。,充气钻井液的分散相气体可以是空气、天然气、氮气等气体;连续相可以是各种类型的常规钻井液,也可以是淡水、清洁盐水、地层水、柴油等液体,但作为连续相的钻井液必须是易充气、易脱气且
17、很稳定。充气钻井液入井前通过调整气、液量来调整钻井液的密度;返出井口后经过地面除气器,气体从充气钻井液中脱离出来,以保证泵的正常上水。,在0.551.03g/cm3密度范围内能够通过充气进行有效地调整,从而降低静液柱压力,实现近平衡或欠平衡钻井,保护油气层;需要较高静液柱压力(而其它气体系不能产生)的油气藏,可以采用充气钻井液来钻,从而最大程度地降低地层损害;将充气钻井液应用到其它气体体系不能奏效的情况下,例如,在欠平衡钻井过程中,能够产出大量水的严重漏失地层,通过调整注气量和液量,可以在环空中获得平衡状态,从而既不漏失,也不井涌;对井塌等钻井复杂问题亦较泡沫有较强适应能力;,充气钻井技术优点
18、,基液可以是钻井液而不是水,因此可以在钻穿水敏性地层时,维持井眼的稳定性;减少钻具磨损和井下钻具着火的危险;钻井时效高,能大幅提高钻机作业效率;保持较高的PH值用于克服内在的腐蚀损害和对充气钻井液的破坏;消除了着火和灰尘危害,有利于保护环境;,可用于任何类型的地层,包括硬地层、软地层、干地层或湿地层,而空气钻井需要干燥的条件;根据压力变化随时调整注液量和基液密度控制井口和井底压力的变化,阻止盐水流入或井喷事故的发生;可采用常规测井和常规固井;易于施工,是费用最低的低压欠平衡钻井技术。可以利用常规钻井液,成本低,比泡沫类钻井流体节省成本。因此该技术应用比较广泛。,充气钻井技术缺点,需要增加气体的
19、注入压力;如果充空气需要进行更广泛的腐蚀控制;不适于高压高产储层;也存在井壁不稳定问题;遇到高压水层会产生技术上的困难。,环空气液混合流体特征分析,1994年Williams发表了气液混合物两相流流态结构。液、气经过泡沫发生器的混合基本形成了比较均匀稳定的混合物进入钻具内,其结构为泡状流,是泡而不是泡沫。充气钻井液属于塑性流体,随着气液比的增加,塑性粘度与动切力增加;随着温度的升高,相同的气液比下的充气钻井液粘度下降,动切力下降。,从井底环空到井口的上返过程中,混合物结构处于动态中变化中,流态为非线性两相流。随着液柱压力降低、温度的下降,小气泡结为大泡,混合物中气体体积增加,由泡状流变为段塞流
20、,再进一步变为过度流。井筒中上部为段塞流和过度流段,该井段为流态不稳定区。混合物到达井筒上部井段,气泡体积更大,形成环状流,流速增加。,过渡流,环状流,段塞流,泡状流,环空维持气液混合的极限返速分区,环空气液两相流分布情况,井筒中上部弹状流、涡状流,井筒下部泡状流,井筒上部环状流,环空内气液比、气体百分比随井深的变化,在井深2400米处的混合物中气体体积占3%,到井深600米处气体体积占18%;而井深300米处气体体积急剧变大,气体占58%,由600米到300米气体体积增加了2.22倍;到井口处气体体积占91%,比井底的泡沫体积增加30倍。,3000米的井深1.0的“基浆”在地面的气液比:25
21、:1,泡沫质量为96.15%,此时的泥浆几乎全是气体,密度0.0385;在井底气液比:1:99,泥浆密度为0.99,与基液几乎相同。而气体密度大约为0.37。,基本计算公式:,式中:P1井筒某点压力,Mpa;P2井筒另一点压力,Mpa;V1井筒某点气体体积,m3;V2井筒另一点气体体积,m3;T1井筒某点热力学温度,K;T1=273+t1,t1-井筒某点温度,;T2井筒另一点热力学温度,K。T2=273+t2,t2-井筒另一点温度,;Z1、Z2修正系数。,充气钻井液井筒压力计算,充气钻井的注气量、注液量、井筒流体柱压力、循环压耗、注入压力(泵压)、当量密度计算与模拟均需要专门软件。环空井底压力
22、能够通过调整液相密度、注液量和注气量来实现控制。特别需要指出的是,当注液量一定时,随着注气量的增加,环空压耗增加,因此存在着最佳注气量范围,现场应根据具体情况进行选择。最好在钻具组合中安装随钻压力检测仪(PWD),实时检测井底压力,判断欠平衡状态,指导施工。,注气量与压力关系(Saponja,1995),1614121086420,环空井底压力 2100m(MPa),氮气注入量(st m3/min),20,10,40,50,30,0,最佳点在一定的液体注入量条件下,降低流体密度所需的最小注气量。,摩阻控制区浪费气量比较稳定气体注入量使井底压力增加,静液柱压力控制区不稳定压力变化大气体注入减小井
23、底压力,注油量 200 L/min139.7 mm(5-1/2”)套管120.7 mm(4-3/4”)水平井眼,当液柱压力所减少的量与环空摩阻增加的量相互平衡抵消时,此时的气体注入量既为最佳注入量(最佳循环点)。临界值决定于环空几何形状、井深和液体密度。在设计和钻井过程中,必须确定井眼内是静液柱压力控制状态还是摩阻压力控制状态。因为增加气体的注入量并不总是使井底压力减少,反而造成因过多的增加气体泵入量,而增加成本。,最佳注入量,为了正确地设计、预测对作业的各种限制和控制井底环空压力等,必须考虑地层流体的流入对循环系统的影响。对各种地层流体的流入进行评价,以确定其对循环系统的影响和对循环系统的各
24、种限制是很重要的,实现必须充分考虑。,较小的气体注入量或者地层流体流入量的变化将导致较大的井底压力变化;地层气体的流入可能导致井底温度的降低,降低(原文为增加)井内的压力梯度,导致更多的地层气体的产生等等。井内气体(注入的/或地层流入井内的)少量的变化可能引起井底压力的急剧变化,井内压力的波动对所有已钻开的地层产生影响,可能导致过平衡或井眼不稳定。在静液柱压力控制状态,液体更容易在环空聚集和滞留,形成段塞流。,在静液柱压力控制状态,气体、液体注入量与井底压力之间的互动关系,循环系统更稳定;气体注入量的变化引起井底压力波动小;在地层气体进入井内时,井内气体量的增加将使井底压力适度的增加,同时也阻
25、止了地层气体向井内的流入。在摩阻压力控制状态,地层流体向井内的流入得到控制而且进入井内的量最少;在摩阻压力控制状态,如果液体注入量较大,则循环系统的稳定性好,可以不必考虑其影响。,在摩阻压力控制状态下,液、气注入量对井底压力的影响,16 14 1210 8 6 4 2 0,环空井底压力 2100m(MPa),氮气注入量(m3/min),20,10,40,50,30,0,注入柴油139.7 mm 套管120.7 mm 水平井眼,注入油量 100 L/min200 L/min300 L/min,最佳注入量,需要的气体标准量计算图表(After Phillips Pet.Co.),每方泥浆需要的气体
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