大庆油田欠平衡钻井技术

.,大庆石油管理局钻探集团钻井工程技术研究院,2006年6月,大庆油田欠平衡钻井技术,汇报人：杨智光,.,大庆油田欠平衡钻井技术发展现状欠平衡钻井发展的几项关键技术典型实例欠平衡钻井取得的效果欠平衡钻井技术应用前景下步攻关方向,汇报内容,.,一、大庆油田欠平衡钻井技术发展现状,针对大庆油田深层勘探开发的需要，大庆石油管理局钻探集团钻井工程技术研究院开展了欠平衡钻井工艺及配套技术研究，引进了2套欠平衡钻井设备，并于2000-2005年在大庆长垣东部完成了宋深101井等12口探井欠平衡钻井施工和2口开发井欠平衡钻井施工，形成了一套适合于大庆油田的欠平衡钻井技术，取得了较好的勘探开发效果。,.,一、大庆油田欠平衡钻井技术发展现状,基础理论研究现状,在欠平衡钻井过程中，为了实现井底负压的精确控制，建立了环空岩屑影响井底压力增量的理论计算模型，为深井欠平衡钻井负压控制提供了理论依据；修正并完善了流钻欠平衡钻井环空多相流井底压力计算模型，为欠平衡设计计算与施工提供了理论依据。在充分考虑了井壁稳定、井内压力波动、储层压力预测误差、欠平衡钻井装备的承受能力等因素的影响之后，确定了欠平衡钻井储层井筒地面一体化多相流钻井监测与分析软件。,.,一、大庆油田欠平衡钻井技术发展现状,工艺技术发展现状,确立了一套适合大庆长垣东部地层特点的流钻欠平衡钻井完井工艺配套技术，通过14口井的检验，已经完善成熟；开展了专用装备技术的研究，地面设备和井下工具的选型和配套基本满足了欠平衡钻井作业的要求；研制出低密度水包油钻井液体系。实现了国内抗温180C的突破，在保持井壁稳定、提高机械钻速、有利于气层的发现等方面起到了积极作用；研制成功了随钻井底压力温度测试仪器，实测出井底压力温度变化，为勘探开发提供准确的实测数据；探索并试验了充气和空气欠平衡钻井技术，初步形成了一套人工诱导的欠平衡钻井技术；形成了一套行之有效的欠平衡钻井科研攻关，现场试验、技术管理、生产组织，配合协调等内容的配套措施与管理办法。,.,一、大庆油田欠平衡钻井技术发展现状,装备及人员现状,引进了2套美国Shaffer公司旋转防喷器，3套液气分离器，能同时实现2口欠平衡钻井施工；自行研制开发了一套具有自主知识产权的旋转防喷器、液气分离器、油水分离器和欠平衡地面检测维修装置；培养和锻炼了一批欠平衡钻井专业技术人员，目前专家1人，学术技术带头人3人，科研项目经理4人，技术服务项目经理3人，专业技术人员20人。,.,大庆油田欠平衡钻井情况统计表,.,二、大庆油田欠平衡钻井发展的几项关键技术,欠平衡钻井工艺技术欠平衡水包油钻井液技术欠平衡钻井参数自动采集与分析处理系统充气欠平衡钻井技术欠平衡井底压力及温度测量技术欠平衡专用装备的研制,.,1、欠平衡钻井工艺技术,欠平衡钻井工艺技术，就是在钻井过程中始终保持钻井液循环体系井底压力低于地层孔隙压力，利用专用设备使产层的流体有控制地进入井筒并将其循环到地面，实现安全钻进。包括：欠平衡专用装备的选型与配套、井身结构、钻头优选、钻具组合、参数优选、井控技术等几个方面。,旋转防喷器（PCWD）,液压泵站,Shaffer旋转防喷器主要技术参数,装备的选型与配套,欠平衡钻井主要设备和工具的配套,装备的选型与配套,欠平衡井井口装置组合示意图,欠平衡钻井装备地面系统流程示意图,井身结构,大庆欠平衡深层探井多采用三层套管井身结构，即444.5mm钻头339.7mm表层套管+311mm钻头244.5mm技术套管+215.9mm钻头139.7mm尾管（或生产套管）。,欠平衡井井身结构示意图,钻具组合,在14口井欠平衡井段采用的是满眼钻具组合，除第一口宋深101井使用顶驱外，其它井都使用六方方钻杆完成，该组合提高了钻具组合刚度，井斜均符合设计要求，未出现钻具失效现象。经过对大庆长垣东部深层岩石力学性质的研究，对欠平衡井段所用钻头进行优选，选择了江汉钻头厂生产的HJT617637系列钻头，使用效果见表,欠平衡井段钻头使用效果最好的三口井数据统计表,钻头选型,欠平衡钻井井控技术与常规钻井井控技术的区别,常规钻井井控技术常规井控包括：一级井控、二级井控、三级井控。欠平衡钻井井控技术欠平衡钻井是通过旋转防喷器（或旋转控制头）和节流管汇控制井底压力，允许井涌和适度井喷，只有在井口回压（套压）超过一定值时，采用常规井控技术来控制井底压力以防止井喷失控。欠平衡钻井不存在一级井控阶段。,欠平衡井控技术,.,欠平衡钻井井控技术,欠平衡井口装置的选择井底压力影响因素分析气侵后环空钻井液密度及压力分布规律地层气体侵入井内的预测方法气体上窜时间预测技术井底压力控制技术欠平衡压井技术,欠平衡井控技术,.,卫深5井井底压力控制曲线,欠平衡钻井井控技术,欠平衡井控技术,.,卫深5井正循环压井曲线,卫深5井反循环压井曲线,欠平衡钻井井控技术,欠平衡井控技术,.,2、欠平衡水包油钻井液技术,为了实现低密度流钻欠平衡钻井，在室内研究评价的基础上，优选了水包油钻井液体系作为大庆探区深层气藏欠平衡钻井液体系。自2000年以来，水包油钻井液已经成功使用了18口井，其中近平衡井4口、欠平衡井14口（其中包括吉林油田的长深1井），施工均很顺利。,.,满足欠平衡钻井的钻井液体系至少应满足下面六个条件：（1）钻井液密度是否能保证实现欠平衡（2）满足井壁稳定要求（3）钻井液的抗温性能以及携屑能力（4）对录井、测井以及固井的影响（5）对地层产出物的敏感性（6）经济性和安全性,欠平衡钻井液体系的优选,水包油钻井液(油:水=60:40)性能表,.,水包油钻井液在13口欠平衡井的应用情况,水包油钻井液体系在宋深101井等13口欠平衡井三开井段的钻进过程中，维持了较好的流变性能和稳定性，日常只是通过补充低密度胶液来维持钻井液密度和补充钻井液量，不需要大型处理，减轻了劳动强度。特别是在有利于气层的发现、提高机械钻速、稳定井壁等方面起到了积极的作用。具体使用情况见表,13口使用水包油钻井液的欠平衡井情况的对比表,.,3、欠平衡钻井参数自动采集与分析处理系统,欠平衡钻井需要实时掌握井下欠平衡状况，监测地面钻井参数、钻井液性能的变化，提前预防井下发生的异常情况，及时采取措施，也为事后分析提供基础资料。为了节约钻井成本，避免重复安装地面数据采集仪器，我们在地质录井数据采集的基础上直接截获录井数据，进行数据转储，编制计算软件调用进行计算分析。,系统工作流程示意图,.,通过侦听得到的数据包，经过以太网、IP、TCP及X11协议的逐层解码，可以得到传送的字符串流，进行进一步的多关键字匹配，定位数据得到所需的工程参数量，从而实现有用数据的分离和提取。,欠平衡钻井参数自动采集与分析处理系统,统计模式分类系统模型,.,欠平衡钻井参数计算软件编制,井底压力模块分析算法流程图,欠平衡钻井参数自动采集与分析处理系统,欠平衡钻井参数计算软件首先利用截获的数据，然后是手工输入变化频率不大的数据，如钻井液性能参数，转储到数据库中，编制计算程序，调用数据进行分析计算。将计算结果以图表和曲线的形式显示在计算机屏幕上，供现场工程技术人员分析使用。,.,主控模块数据包侦听模块数据包分析模块手工录入数据模块数据计算分析模块数据实时显示模块随机显示曲线选择模块,曲线实时显示模块数据存储模块数据随机查询打印模块井下及地面工况实时动态模拟模块数据曲线回放模块离线模拟计算分析模块,欠平衡钻井参数自动采集与分析处理系统,欠平衡钻井参数计算软件编制,.,现场应用情况,该系统经过在10口欠平衡井中的应用并完善，可以可靠而高效运行，同时对欠平衡钻井现场作业及事后分析具有重要的指导作用。,欠平衡钻井参数自动采集与分析处理系统启动界面及手工数据输入界面,欠平衡钻井参数自动采集与分析处理系统,.,现场应用情况,曲线显示界面,欠平衡钻井参数自动采集与分析处理系统,数据显示界面,.,充气欠平衡钻井与流钻欠平衡钻井的区别,1）共同点（1）都是采用专用的欠平衡钻井设备。（2）两者都可以实现欠平衡钻井。（3）控制原理和工艺技术基本相同。2）不同点（1）在常规欠平衡钻井的基础上增加了注气设备。（2）井底压力及当量密度的理论计算方法不同。（3）充气欠平衡可以满足地层压力系数小于1的目的层欠平衡钻井，而且通过改变气液比的方法调整钻井液密度更加方便有效；而水包油钻井液体系只能满足地层压力系数大于1的目的层欠平衡钻井，而且水包油钻井液体系密度向下限调整的难度很大。（4）由于充气钻井液的基液是水基钻井液，地面脱气效果好。（5）充气欠平衡钻井环保工作压力低。（6）充气欠平衡钻井的携屑性能更好。,4、充气欠平衡钻井技术,.,充气欠平衡钻井技术,多相流压降计算的基本方程,.,充气欠平衡钻井技术,通过对充气水力学计算模型研究，编制了充气欠平衡钻井计算软件。软件包括输入模块、计算模块、分析模块、优化模块、输出模块、存储模块。,充气钻井计算软件开发,.,计算软件,不同井深的实际密度,当量密度和实际密度的影响,充气欠平衡钻井技术,液体流量对当量密度的影响,.,计算软件,当量密度计算分析,气体流量对当量密度的影响,套压对当量密度的影响,充气欠平衡钻井技术,.,充气欠平衡钻井工艺流程,充气钻井工艺流程图,充气欠平衡钻井技术,.,5、欠平衡井底压力及温度测量技术,.,欠平衡随钻井底压力测试工具在钻具组合中的位置,.,达到的技术指标,测试工具抗温180，测试工具最大测量压力105MPa，压力测试精度0.03MPa，压力分辨率0.002MPa；测试工具压差试验承压达到20MPa；仪器抗振性良好，目前井底工作时间1200多小时，满足钻井工况要求。,.,利用该仪器实测的井底压力可以比较精确计算地层压力,通过实测井底压力和计算井底压力对比，计算在钻进过程中不同井深的实际环空摩阻，不断修正计算模型,不同井深环空摩阻计算表,欠平衡井底压力及温度测量技术的应用,.,通过理论计算该井设计井底负压值24MPa，密度窗口0.921.00g/cm3。徐深5井在35613661m时属于欠平衡钻井，井底动负压值基本上在0-2.2MPa之间，井底静负压值在0-4之间，在36784057m基本上属于过平衡钻井，井底动静压差都是正压差。,井底负压值和密度窗口的确定,欠平衡井底压力及温度测量技术,.,达深2井井深0-3064m井底实测温度曲线图,经过200h的静止，温度从79上升到111.84，计算3.65/100m,深层欠平衡钻井流体温度和地层温度的研究与应用,徐深5井3665m循环和静止井下温度变化,经过5h的静止，温度从79上升到107，上升速度基本上为5.6/h,欠平衡井底压力及温度测量技术,.,地层水进入井筒内的井底压力温度变化曲线图,钻遇水层的判断,欠平衡井底压力及温度测量技术,.,欠平衡井底压力及温度测量技术,徐深4井气水层判断图,根据采集分析曲线组合图初步判断地层的含气情况,.,欠平衡井底压力及温度测量技术,准确掌握充气钻进过程中充气量对井底压力的影响关系,充气量与井底压力关系曲线,.,Williams被动式旋转防喷器,Shffer主动式旋转防喷器,体积重量,技术指标及性能,销售业绩,维修保养的难易,液压控制装置的复杂程度,整体的设计思想,欠平衡钻井专用设备研究,6、欠平衡专用装置的研制,.,欠平衡装置的研制,完成了旋转防喷器的设计、加工、现场试验,结构组成,旋转防喷器的各项技术指标：总高度：1679mm最大外径：1160mm总重量：4t公称通径：280mm动密封额定压力：17.5MPa；静密封额定压力：35MPa；,.,研制成功的旋转防喷器,.,研制成功的液压泵站,欠平衡装置的研制,通过汪905井现场试验验证旋转防喷器的动密封最大试验压力：17.5MPa；旋转防喷器的静密封最大试验压力：35MPa;旋转防喷器单只胶芯的工作寿命：累计工作88h，各项指标都已经达到了设计要求，各项工作性能比较可靠稳定，能够保证长时间的运转工作；通过现场试验摸索出了一套旋转防喷器的现场使用工艺，安装、更换胶芯、降低压差延长胶芯的使用寿命等方面积累了宝贵的经验；,完成了旋转防喷器的设计、加工、室内与现场试验,.,旋转防喷器试验检验装置（如图41所示）是专门对旋转防喷器的各项技术性能进行检验的试验装备，可对旋转防喷器进行转动性能试验、静密封试验、动密封试验、密封胶芯过六方钻杆、钻杆及钻杆接头的密封能力的试验。,欠平衡装置的研制,旋转防喷器试验检验装置,图41旋转防喷器试验检验装置的结构示意图,.,旋转防喷器试验检验装置,试验检验装置由地基、框架、液压缸、液压马达、旋转盒、扭矩传感仪、钻杆总成、底座和轨道小车组成。液压支持系统由套压泵站、液压马达泵站、液压缸泵站等组成。,.,三、典型实例,欠平衡技术在汪深1井中的应用升深2-17井充气钻井试验,.,欠平衡技术在汪深1井中的应用,汪深1井是大庆油田第5口欠平衡预探井，该井设计欠平衡段：29303900m，预测目的层地层压力系数1.03；欠平衡井段钻井动压差取值应为-0.74-2.32MPa，设计钻井液密度0.940.98g/cm3，三开钻井液密度设计值为0.94g/cm3，后在钻进过程中根据甲方要求降为0.92g/cm3，井底负压值控制在-1.0-0.5MPa。套压最大3.2MPa,最小0.3MPa，多数情况下控制在1.5MPa以下，控制效果较好，取得了较好的控制效果，满足了勘探的需要。,.,欠平衡技术在汪深1井中的应用,欠平衡效果,该井钻进至井深2966m时气测全烃值升至81.8659%，点火成功，3月18日0:52达到最大10028m3/h的工业气流，火焰高度逐渐升高，约810m，该井完井采用12mm油嘴试气，日产气62866m3，经压裂改造后，日产气202190m3的工业气流，计算单井可控储量51.24108m3，含气面积17.2km3，取得了较好的勘探效果。,.,升深2-17井充气钻井试验,升深2-17井三开设计井深为3381m，其目的层位为营城组、登娄库组。2005年6月24日7月16日在升深2-17井三开的2517m3150m井段，进行了充气钻井现场试验