元坝272-1H井超深水平井钻井技术

元坝 272 1H 井长水平段超深水平井钻井技术 董志辉 孙连坡 汪海波 仇恒彬 中石化石油工程公司钻井工艺研究院 山东东营 257000 摘要 摘要 元坝 272 1H 井是位于元坝区块的一口超深长水平段水平井 存在地质情 况复杂 多套压力体系并存 气藏埋深超过 6500m 井底温度高达 156 等技 术难题 施工中通过钻井提速技术 井眼轨迹控制技术 高温定向工具使用技 术 井眼清洁技术 摩阻扭矩监测控制技术 高温钻井液技术 安全钻井技术 等先进技术 克服了裸眼段长 摩阻扭矩大 岩屑清洁效率低 井眼轨迹控制 困难 工具仪器耐高温高压挑战性高等难点 创造了元坝区块水平井水平位移 最长 水平段最长 钻遇含气储层最长三项纪录 为同类超深水平井的施工积 累了丰富经验 关键词 关键词 元坝 272 1H 井 超深水平井 钻井技术 长水平段 1 元坝元坝 272 1H 井概况井概况 元坝 272 1H 井是中石化西南油气分公司部署在四川盆地川东北巴中低缓构 造上的一口超深水平井 以长兴组顶部礁盖 顶 储层为主要目的层 该井位 于元坝区块长兴组 4 号礁带 完钻井深 7788 00m 完钻垂深 6549 66m 造斜点 位于 6050 00m 水平位移 1501 65m 水平段长 1073 30m 钻穿气层长度 820 00m 创造了元坝区块水平井水平位移最长 水平段最长 钻遇含气储层最 长三项纪录 井身结构采用五开制 实钻井身结构与设计井身结构对比如下 表 1 实钻井身结构与设计井身结构对比 井眼套管 开次井眼尺 寸 mm 设计井 深 m 实钻井 深 m 套管尺寸 mm设计下深 m实际下深 m 备注 导管914 43232720 00 300 31 75根据需要设置 1 660 4502 504 508 00 500 0 501 45 封上部易漏层和 水层 2 444 53050 2992 346 10 3048 0 2990 01 封上沙以浅地层 3 314 14922 4978 273 1 282 60 4920 0 4292 34 封雷三水层以浅 地层 4 241 36580 6580 193 7 206 40 6578 3593 96 6580 封长兴组顶界以 浅地层 5 165 17790 7788 1276528 7788 6525 7788 衬管完井 2 钻井主要难点分析钻井主要难点分析 1 直井段优快钻井 防斜打直困难直井段优快钻井 防斜打直困难 1 直井段长 6050m 钻遇地层多 地层复杂 上沙溪庙组有小水层 底部存在区域垮塌层 千佛崖组压力较高 自流井组底砾岩蹩跳严重 须家河组区域高压 石英砂岩可钻性极差 嘉陵江 组顶部盐膏层发育 嘉五 四段 嘉二段局部层段见高压盐水层 极易发生井喷 井漏 井塌等复杂情况 2 摩阻扭矩大 深井定向困难 摩阻扭矩大 深井定向困难 使用 PDC 钻头定向钻进 由于井眼深度 大 摆放工具面困难 很难摆放到位且容易偏移 裸眼段长 摩阻大 通过钻 压控制工具面难度大 工具面不稳 滑动钻进常有托压现象 易憋泵 3 储层调整频繁 轨迹控制难度大 储层调整频繁 轨迹控制难度大 长兴组储层礁体小 储层较薄 且 水平方向变化大 准确穿行优质储层难度大 为了钻穿更多优质储层 根据实 钻情况及时调整轨迹 调整轨迹难度大 水平段岩性变化大 复合钻进井斜变 化规律差异较大 甚至某一井段复合钻进增斜率异常 更增加了轨迹控制的难 度 4 泵压高 排量小 井眼清洁难度大 泵压高 排量小 井眼清洁难度大 五开井眼小 循环泵压高 水平 段长 易形成岩屑床 井眼清洁困难 钻具摩阻大 扭矩高并且不稳 钻具组 合 钻井参数优化困难 井眼清洁难度大 5 井底温度高 定向工具 仪器性能要求高 井底温度高 定向工具 仪器性能要求高 井底循环温度最高 152 静止温度最高 156 在井底高温环境下 MWD 仪器不稳定 容易出现故障 螺杆钻具在高温环境下 其工作寿命大幅降低 定向工具仪器耐高温性要求高 6 钻井液性能维护难度大 钻井液性能维护难度大 钻井液高温稳定性 流变性 润滑性 携岩 要求高 维护难度大 同时深部地层定向段水平段泵压高 泵排量小的影响 井眼净化难度大 如何保证良好的钻井液流变性和携岩效率 避免井下复杂情 况是一个难题 2 3 钻井技术实施钻井技术实施 3 1 钻井提速技术钻井提速技术 3 1 1 气体钻井技术气体钻井技术 气体钻井具有提高机械钻速 延长钻头使用寿命 减少井下复杂情况和卡 钻故障 降低钻井综合成本等优势 3 元坝 272 1H 井一开采用泡沫钻井 使 用一趟钻 钻进井段 32 504m 进尺 472m 机械钻速 5 28m h 二开采用气 体钻井 使用三趟钻 钻进井段 504 2992m 进尺 2488m 机械钻速 10 36m h 是常规钻井液钻井的 10 倍左右 提速效果显著 4 3 1 2 复合复合钻井技术钻井技术 三开 四开大部分直井段采用 PDC 钻头 螺杆钻具 复合钻井技术 该技术 能大幅提高机械钻速 并减少起下钻次数 是深井超深井钻井提速的有效手段 5 特别是本井海相地层以灰岩 白云岩为主 岩性相对均质 非常适合 PDC 钻头 为了更好地发挥 PDC 钻头高转速低钻压的优势 采用钻头和螺杆钻具相 配合的复合钻井技术钻进海相地层 实钻表明 采用 PDC 钻头 螺杆钻具 复 合钻井技术 通过对螺杆钻具选型 优化钻具组合 优选钻井参数和优化匹配 螺杆钻具与 PDC 钻头等技术手段 大幅提高了海相地层机械钻速 6 平均机械 钻速达到 3 53 m h 提速效果明显 3 2 井眼轨迹控制技术井眼轨迹控制技术 3 2 1 侧钻纠斜施工技术侧钻纠斜施工技术 直井段钻进至井深 5464m 时测得井斜偏大 不利于后期水平井的施工 决 定侧钻纠斜 长裸眼超深井侧钻难度大 主要原因为 侧钻点在 5000m 以下 钻杆柔性相对较大 侧钻钻具工作状态可控性差 由于三开套管未下到位 裸 眼段长 复杂井段未封隔 井眼不稳定 井壁摩阻大 易粘卡 侧钻送钻困难 大 直井段侧钻新老井眼不易分离 侧钻成功后仍需要钻进 1000m 直井段 侧 钻后井斜不能太大 回填至井深 5042m 侧钻井段地层为雷口坡组 主要岩性为白云质灰岩 膏质灰岩 白云岩 岩性相对均质 扫塞至 5110m 井斜 3 80 考虑侧钻点 地层岩性基本稳定 可钻性相对较好 以及考虑侧钻井眼轨迹圆滑度 选用 牙轮 1 5 螺杆 侧钻 摆好侧钻所需工具面 在侧钻点以上 15m 井段反复划 眼 4h 然后控制钻速 0 2 0 3m h 滑动钻进至 5122m 捞砂显示地层岩屑含量达 到 80 改控时为小钻压继续滑动钻进至井深 5134m 捞砂显示岩屑含量达到 100 测得井斜 3 81 老井眼井斜 5 38 判断侧钻成功 通过以上措施 使用 牙轮 1 5 螺杆 侧钻 实现了长裸眼超深井一次侧钻成功 较好地解决了 长裸眼深井侧钻问题 侧钻纠斜成功后 下入 PDC 直螺杆 钟摆钻具组合 钻进 钻达造斜点 6050m 实测井斜 0 97 位移 35 64m 直井段最大井斜 4 位于井深 5113 77m 为后续定向施工打下良好基础 3 2 2 井眼轨道优化技术井眼轨道优化技术 四开增斜段后期 滑动钻进变得异常艰难 经常憋泵 上提遇阻 随时面 临卡钻事故风险 主要原因如下 三开套管未下到位 造成长达 685 66m 大尺 寸复杂井眼未封隔 井眼不稳定 四开嘉陵江二段钻遇高压膏盐层 钻井液性 能变差且提升空间有限 四开飞仙关二段钻遇多套高压气层 地层孔隙发育 高密度条件下 滑动钻进存在较大的吸附卡钻风险 针对井下复杂情况 在不改变地质目标和靶点的情况下 优化井眼轨道设 计 调整增斜段造斜率 增加四开增斜段后期的复合钻进比例 有效降低了滑 动钻进安全风险 根据优化井眼轨道设计 从 6390m 开始多复合钻进 利用复 合钻进自然增斜 预计造斜率 8 100m 钻完四开 井深 6580m 然后五开按照 16 5 100m 造斜率增斜钻进 能达到地质靶点要求 中靶心 表 2 调整造斜率后的轨迹数据 井深 m井斜 方位 垂深 m南北 m东西 m视位移 m 狗腿度 100m 1 靶 6390 0047 00256 006354 27 13 90 156 96151 950 00 6555 0060 16254 696452 02 47 54 285 09283 778 00 6705 2284 68250 856497 07 89 95 420 70425 6516 50 6762 1384 68250 856502 35 108 54 474 22482 300 00 6793 7685 71245 716505 00 120 20 503 50513 8016 50A 7730 0185 71245 716575 00 504 20 1354 501445 300 00B 考虑五开小井眼造斜率不确定 为满足优化后设计造斜率要求 五开第一 趟钻选择钻具组合 三牙轮 1 25 螺杆 定向钻进 工具面稳定 造斜率较高 满足设计要求 考虑牙轮钻头寿命短 危险系数高等缺点 从第二趟钻开始选 择钻具组合 PDC 1 25 螺杆 既满足造斜率要求 又保证了井下安全 提高 了钻井速度 钻进至井深 6624m 探到目的层长兴组 根据物探层位标定及优 质储层预测 再次对井眼轨道设计进行优化 A 靶点垂深上调 2 5m 余下增斜 段造斜率 18 100m 进入长兴组后 地层造斜率异常高 PDC 1 25 螺杆 复合 钻进以 8 14 100m 增斜 及时发现这一情况后 调整每单根滑动钻进与复合 钻进比例 比较精确的控制了每单根造斜率 顺利中 A 靶 进入水平段施工 3 2 3 水平段轨迹控制技术水平段轨迹控制技术 长兴组储层礁体小 储层较薄 且水平方向变化大 准确穿行优质储层难度 大 为钻穿最多优质储层 实钻过程中 地质录井实时跟踪 根据实钻情况及 时调整轨迹 长水平段小尺寸井眼水平井的井眼轨迹控制难度大 水平段岩性 变化大 复合钻进井斜变化规律差异较大 甚至某一井段复合钻进增斜率异常 例如在水平段 6802 6806m 处钻时突快 井斜突降 0 6 同一趟钻同样钻井参 数情况下此前复合钻进井斜稳 更增加了轨迹控制的难度 根据增斜段以及水平段初期的实钻经验 长兴组目的层采用 PDC 螺杆 复合钻进井斜变化规律总体如下 使用 1 25 无扶正器螺杆复合钻进井斜以 2 100m 微降 使用 1 25 扶正器 148mm 螺杆复合钻进井斜稳 使用 1 00 扶正 器 161mm 螺杆复合井斜以 11 100m 强增 使用 1 25 扶正器 161mm 螺杆复 合钻进井斜以 14 100m 强增 水平段中后期 参考增斜段以及水平段初期的螺 杆复合增斜规律 每趟钻根据本趟钻所需造斜率情况来选择本趟钻所需的螺杆 度数 螺杆扶正器尺寸 通过复合钻进来控制井斜 达到调整井斜的目的 滑 动钻进只需对方位进行调整 水平段方位一直以 2 4 100m 左飘 滑动钻进调 整方位时 由于工具面不稳 防粘卡多次上提活动钻具等原因 扭方位效果差 在井下安全允许的条件下 尽量使复合钻进时转盘转速大于 50r min 利于抑制 方位左飘 在不影响开发储层的情况下 在水平段后期 适当放宽对方位的要 求 3 3 高温定向工具使用技术高温定向工具使用技术 采用进口高温 MWD 仪器 抗温能力达到 175 保证仪器能在井下 156 高温中稳定工作 下钻时 出套管后分段开泵循环 便于仪器降温 调整钻井 液性能 添加颗粒状及大粉末状堵漏剂 润滑剂等药品时 混合均匀 充分搅 拌 配制成胶液随钻跟入 尽可能减少钻井液中的气体含量 保证仪器正常工 作 本井共下入 MWD 仪器 17 趟钻 仅 2 趟钻仪器故障 满足使用要求 优选北石 127mm 抗高温 180 的螺杆 每趟钻下入新螺杆钻具 螺杆承受 钻压尽量在 50KN 以内 尽量避免憋泵 螺杆钻具入井开始累积使用时间 因 高温影响 螺杆钻具寿命大大受限 一般螺杆寿命为入井 120h 左右 若无进尺 或钻井参数异常 及时起钻更换螺杆 防止发生意外 3 4 井眼清洁技术井眼清洁技术 Hole cleaning techniques 井眼清洁是钻水平井尤其是钻长水平段超深水平井的技术难点 由于岩屑 易在长水平段及大斜度井段堆积 形成岩屑沉积床使环空间隙变小 造成井眼 不畅 导致井下各种复杂情况的发生 在元坝 272 1H 井中 采取了以下积极的 井眼清洁措施 1 优化钻井参数 理论计算元坝 272 1H 井水平段最小排量为 15 L s 适 当提高排量 保证水平段排量处于 16 18L s 泵压维持在 24 26Mp 既满足井 眼清洁 又保证井眼不至于排量过大造成井壁失稳 地面高压系统能力合适 在井下安全允许情况下 适当增加转速 保证转速大于 50r min 有效破坏岩屑 床 同时助于岩屑运移 2 增加循环时间 水平段储层内复合钻进机械钻速 9 5 5 5m h 钻时较 快 井眼小 深度大 循环泵压高 排量低 井眼清洁困难 增加循环时间 每钻进 10 15m 停钻循环 使岩屑返出 避免因钻时快 岩屑来不及返出而在 井眼局部堆积 3 优化钻井液流变性能 确保具备良好的悬浮和携屑能力 防止岩屑床 的沉积 4 积极采取划眼 短起下钻 大排量洗井等工程措施破坏岩屑床 每钻 完一根划眼一遍 每钻完一柱划眼两遍 及时破坏岩屑床 坚持每钻进 50 100m 或者钻进时间超过 24h 进行一次短程起下钻 短起下钻应与长短起下钻相 结合 有效破除砂桥 5 保证圆滑的井眼质量 减少岩屑在较大狗腿处沉积机会 尽量用钻具 的复合自然增斜能力实现轨迹控制 多复合钻进 少滑动钻进 减小狗腿度 增斜段最大狗腿度 24 39 100m 未连续三个测点狗腿度超过 20 100m 水平 段最大狗腿度 6 52 100m 井眼圆滑 3 5 摩阻扭矩监测控制技术摩阻扭矩监测控制技术 长水平段超深水平井摩阻扭矩是最突出的问题 随着位移增加 摩阻和扭 矩相应增加 如何对实钻摩阻扭矩水平进行监测和评估 以采取相应的技术措 施 从而达到安全快速钻进的目的是施工的重点 7 9 施工中利用先进的 Wellplan 摩阻扭矩计算分析软件 对上提下放摩阻以及扭矩值进行跟踪 并通 过数据反算摩阻系数 从而指导现场施工 如果实钻扭矩与理论计算扭矩出现 较大背离 立及从工程和钻井液方面采取措施 降低裸眼段摩阻系数 改善井 下摩阻扭矩 图 1 元坝 272 1H 井定向钻进摩阻扭矩曲线 由上图可以看出 四开定向段摩阻扭矩上升较快 实钻扭矩比理论扭矩大很 多 根据计算摩阻系数达到 0 45 这是由于裸眼段太长且存在大小井眼 复杂 井段未封隔 泥浆受高压膏盐层污染等原因引起 导致定向钻进困难 现场通 过调整泥浆性能 增加润滑剂含量 优化井眼轨道设计等措施 保证了四开顺 利施工 五开初期摩阻扭矩异常高 这是由于五开时间短 套管内不清洁 套 管内壁未形成有效优质泥饼等原因导致 通过钻进一段时间 套管内壁变光滑 并形成优质泥饼后 摩阻扭矩逐步恢复正常 3 6 钻井液技术钻井液技术 Drilling fl uid technology 施工中针对不同开次 不同井段井下情况 具有针对性的对钻井液进行处 理 钻井液维护处理正确 性能稳定 较好的满足了钻井施工需要 三开自流井组 须家河组地层页岩层理发育 与煤线互层 易出现垮塌掉 块 钻井液抑制防塌性能要求高 三开采用钾盐聚磺钻井液 钻井液密度 2 10g cm3 钻至井深 4630m 井下开始掉块增多 出现蹩跳钻 扭距增大 起 下钻遇阻等现象 返出掉块最大约重 200g 及时加大 FF II 超细碳酸钙等封 堵防塌抑制处理剂 并将井浆漏斗粘度由 75s 提高至 95s 左右 保证井内垮塌 物的携带 加入 SMP II SMC SPNH 降虑失剂 至三开中完保持中压失水在 2 0ml 左右 高温高压失水低于 12ml 保证了井壁稳定 抑制了掉块的产生 四开雷口坡组及以下地层含大段盐膏层 高压盐水层 钻井液易受膏 盐 侵污染 钻井液粘切变化大 以及盐膏层 塑性 变形缩径 四开采用金属离子 聚磺防卡钻井液 维持钻井液密度 2 07g cm3钻至井深 6050m 发现地层有出水 现象 循环提高钻井液密度至 2 12g cm3 起下钻后循环排后效 钻井液密度最 低 1 08g cm3 排盐水浆 48 54m3 加重提高钻井液密度至 2 18g cm 压稳水层 维持此密度直至四开中完 加入抗高温降滤失剂和沥青类封堵剂 严格控制钻 井液失水 加足处理剂 使钻井液具有一定的抗盐膏能力 有效防止了膏 盐 侵 预防了盐膏层缩径 进入造斜井段及时补充润滑剂 形成水包油分散体系 钻井液含油量达到 4 5 改善了斜井段的摩阻 五开采用金属离子聚磺混油防卡钻井液 施工中主要解决了四个问题 1 井底温度高达 156 钻井液抗高温稳定性问题 采用了抗高温护胶剂 SMP 2 SPNH DR 8 等多种抗高温处理剂复配使用 这些处理剂抗温能力均 超过 180 钻井液体系具有良好的抗高温稳定性 2 长兴组地层裂缝发育 气层保护及防漏堵漏问题 加入不同粒度 多级配的封堵剂 非渗透处理剂 FST 2 多级配超细碳酸钙 QS 系列 高酸溶性材料 ZD 系列 有效封堵渗透 层和微小裂缝 加足降虑失剂等处理剂 确保泥饼坚韧致密 3 小井眼水平 段排量受到限制 井眼清洁问题 钻井液动塑比控制在 0 3 0 6 之间 保持钻井 液低粘高切的流变性 使得钻井液有足够的结构力 增强对岩屑悬浮携带能力 采用不同粘切钻井液大排量洗井 确保井眼清洁 4 水平段长 润滑防卡问 题 加入与钻井液体系配伍的润滑剂 固体润滑剂与液体润滑剂结合使用 如 RH220 长城润滑油 超细活化石墨粉 乳化剂等 提高钻井液的润滑性能 降低摩擦系数 同时加入体积比达 3 的高效抗磨减阻剂 减小钻具和套管间的 摩擦 3 7 安全钻井技术安全钻井技术 Safe drilling technologies 1 五开钻进期间 施工周期较长 为保护已下人套管 使用防磨接头 抗磨减阻剂双效防磨技术 计算好防磨接头下入位置 共安装防磨接头 16 只 同时加入体积比达 3 的高效抗磨减阻剂 有效减小了钻具对套管的磨损 完井 套管试压合格 确保了已下入套管防磨安全 2 钻具负荷大后 定期对入井钻具进行无损探伤 不合格钻具甩掉 避 免带伤入井 定期定井段倒换钻具 特别是五开复合钻具连接附近的小钻具以 及井口处大钻具的倒换 确保了入井钻具安全 3 钻井过程中及时记录摩阻 扭矩 泵压 钻井液量及钻井液性能等参 数 若出现异常情况 及时停钻 查找原因并解决 确保井下安全 本井钻至 6632m 时 泵压逐步下降 4 5 Mpa 其它钻井参数正常 停钻 检查地面设备 正常 然后起钻检查钻具 钻具无刺漏 分析泵压下降原因为处理钻井液时沥 青类药品加量太多 太急 水化不好导致上水不好 以及泥浆有气泡等原因引 起 下钻到底充分循环后 泵压恢复正常 恢复钻进 4 元坝地区飞仙关组 长兴组地层含硫化氢 加强井控以及硫化氢监测 工作 搞好井控和防硫化氢应急演练 防止 H2S 危害是保障元坝超深水平井安 全钻井的关键 10 4 结论与建议结论与建议 1 超深水平井施工工序复杂 施工周期长 井下突发情况多 尤其是本 井属典型 三高 气井 存在地质情况复杂 多套压力体系并存 极易发生井 喷 井漏 井塌等复杂情况 钻井安全是首先必须考虑的 2 超深井段侧钻施工中 为加大侧