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滄東凹陷致密油氣藏水平井鉆井關(guān)鍵技術(shù)

滄東凹陷位于黃岐市凹陷南部??椎耆旱膬蓚€階段形成一個相對封閉的湖泊環(huán)境,發(fā)育著密集的油氣藏。隨著石油工程技術(shù)的不斷進步及對地質(zhì)情況認(rèn)識的深入,滄東凹陷孔二段細(xì)粒沉積巖的勘探開發(fā)取得了突破,致密油氣已成為大港油田重要的接替資源。為了提高滄東凹陷致密油氣的開發(fā)效益,需要采用長水平段水平井開發(fā)。但是,該區(qū)域無長水平段水平井鉆探先例,可借鑒經(jīng)驗少,需要進行關(guān)鍵技術(shù)研究。為此,筆者從井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化、井眼軌道設(shè)計、井眼軌跡控制方式優(yōu)選擇、鉆井設(shè)備及工具優(yōu)選、鉆井液體系優(yōu)選與性能優(yōu)化、提速提效技術(shù)措施選擇和套管安全下入方式優(yōu)選等方面進行了研究,形成了致密油氣藏水平井鉆井關(guān)鍵技術(shù),并在2口井進行了成功試驗,為實現(xiàn)滄東凹陷致密油氣藏的高效開發(fā)提供了技術(shù)支持。1井眼軌跡控制技術(shù)與鉆井滄東凹陷致密油氣藏埋深3500.00~4000.00m,水平井造斜點井深超過3000.00m、裸眼段長大于2500.00m、水平段長大于1500.00m,且鉆遇巨厚石膏層和多個漏層,給安全高效鉆井帶來了極大挑戰(zhàn)。分析認(rèn)為,主要鉆井技術(shù)難點為1)水平段和裸眼段長,摩阻高、扭矩大、循環(huán)壓耗高,對鉆井設(shè)備和鉆具的性能要求高,設(shè)備和鉆具的優(yōu)選難度大。2)要求靶框范圍上下≤2.0m、左右≤5.0m,且著陸后的控制點多,需要頻繁調(diào)整井眼軌跡,對井眼軌跡控制技術(shù)的要求很高。鉆井過程中攜巖困難,尤其在井斜角45.0°~65.0°井段極易形成巖屑床,增大了井眼軌跡控制難度和卡鉆的風(fēng)險。3)孔一段地層頂部有厚約110.00m的石膏層,石膏純度高,易造成鉆井液污染,對鉆井液抗污染性能要求高;館陶組底部礫巖段、沙一段底部生物灰?guī)r段和孔一段斷層存在不整合面,鉆井過程中發(fā)生井漏的風(fēng)險高,對鉆井液封堵性能要求高;水平段和裸眼段長,摩阻大,施加鉆壓困難,卡鉆風(fēng)險高,對鉆井液潤滑防卡性能要求高4)儲層以泥巖和頁巖為主,硬脆性強,部分地層含有少量淺灰色細(xì)砂巖。泥巖以紫紅色和灰色泥巖為主,硬度高、研磨性強,鉆頭磨損嚴(yán)重,機械鉆速低。頁巖微裂縫和層理發(fā)育,容易發(fā)生頁巖表面水化及滲透性水化,引起井眼失穩(wěn)。2鉆井關(guān)鍵技術(shù)針對上述鉆井技術(shù)難點,從井身結(jié)構(gòu)、井眼軌道、井眼軌跡、鉆井設(shè)備、鉆進工具、鉆井液,以及鉆井提速提效技術(shù)、套管安全下入技術(shù)等方面進行了研究,形成了致密油氣藏水平井鉆井關(guān)鍵技術(shù)。2.1井身結(jié)構(gòu)及井壁塌風(fēng)險分析水平井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計時,除了考慮地層壓力和必封點等因素外,還應(yīng)考慮鉆井設(shè)備負(fù)荷和井下風(fēng)險。在保證實現(xiàn)地質(zhì)目標(biāo)的前提下,盡可能縮短裸眼段長度、降低摩阻扭矩、縮短裸眼浸泡時間和減輕鉆機負(fù)荷,并降低井壁垮塌風(fēng)險根據(jù)滄東凹陷致密油氣藏的地層巖性、三壓力剖面、注水情況、漏層分布和施工難度,水平井設(shè)計采用三開井身結(jié)構(gòu):1)一開采用?339.7mm表層套管封固明化鎮(zhèn)組以上松軟地層,并安裝井口裝置,為下部安全鉆井提供條件;2)為了兼顧地層壓力、注水情況、裸眼段長度和施工難度的需求,二開采用?244.5mm技術(shù)套管封固孔一段棗Ⅲ油組注水層位;3)三開采用?139.7mm油層套管封隔油、氣、水層。2.2眼軌道設(shè)計與眼跡控制技術(shù)水平井井眼軌道設(shè)計需要綜合考慮鄰井防碰、井眼軌跡控制方式和難度等因素,進行分段優(yōu)化,保證井眼軌跡平滑,并精確中靶2.2.1造斜率控制措施1)造斜點優(yōu)選。東營組和沙河街組地層有大段硬塑性泥巖,容易發(fā)生井眼失穩(wěn);?311.1mm井段深部泥巖層定向鉆進托壓嚴(yán)重,定向效率低。因此,選擇在孔一段造斜,造斜點井深3000.00~3200.00m。2)造斜率優(yōu)化。為了保證井眼軌跡平滑,盡量縮短造斜段長度,降低施工難度,減輕設(shè)備負(fù)荷、降低鉆井風(fēng)險。因此,將第一增斜段造斜率控制在(2.4°~3.0°)/30m,井斜角控制在30°~35°;第二增斜段造斜率控制在(3.0°~3.5°)/30m,井斜角控制在82°~86°進入第一控制點;微降斜段降斜率控制在(2.1°~2.4°)/30m,井斜角控制在80.0°~82.0°進入第二控制點;第三增斜段造斜率控制在(2.1°~2.4°)/30m,快速進入末端控制點,開始鉆進水平段。2.2.2旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)方案考慮施工難度和井下風(fēng)險,確定了2種井眼軌跡控制技術(shù)方案:若造斜點在?311.1mm井段,第一增斜段和穩(wěn)斜段采用“?215.9mm×1.25°螺桿鉆具+?172.0mmMWD”控制井眼軌跡,后續(xù)井段采用“?172.0mm旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具+?172.0mmLWD”控制井眼軌跡;若造斜點在?215.9mm井段,則全程采用?172.0mm旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具控制井眼軌跡。由于旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井成本高,為了降低成本,建議現(xiàn)場根據(jù)水平段的長度選擇經(jīng)濟高效的井眼軌跡控制技術(shù):水平段不大于1000.00m的水平井,采用“水力振蕩器+MWD+螺桿鉆具+近鉆頭地質(zhì)導(dǎo)向工具”控制井眼軌跡;水平段長度大于1000.00m的水平井,采用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具控制井眼軌跡。2.3荷載和循環(huán)壓耗模擬計算結(jié)果選擇鉆井設(shè)備和鉆具時,需要綜合考慮大鉤載荷、扭矩、循環(huán)壓耗、井眼清潔和井下故障處理能力等因素。利用軟件模擬分析了不同井眼軌道、鉆具組合、鉆井液性能、鉆井參數(shù)和摩阻系數(shù)等條件下大鉤載荷、扭矩、循環(huán)壓耗和井眼清潔效果等關(guān)鍵參數(shù)的變化規(guī)律,優(yōu)選出最佳的鉆井設(shè)備和鉆具。1)頂部驅(qū)動裝置優(yōu)選。大鉤載荷和扭矩模擬計算結(jié)果如圖1所示。由圖1可知,最大扭矩為27.7kN·m。為了提高井下故障處理能力,選用DQ70BSD型頂部驅(qū)動裝置,最高轉(zhuǎn)速200.0r/min,最大連續(xù)輸出扭矩60.0kN·m。2)鉆井泵優(yōu)選。循環(huán)壓耗模擬計算結(jié)果如圖2所示。由圖2可知,最高循環(huán)壓耗為37.4MPa。為了提高鉆井泵的安全性,選用1臺F–2200HL高壓鉆井泵和2臺F–1600加強型鉆井泵,其額定工作壓力分別為52.0和40.0MPa。3)鉆具優(yōu)選。從圖1可以看出,起鉆、復(fù)合鉆進和下鉆的最大大鉤載荷分別為1677.6,1268.0和999.5kN。兼顧大鉤載荷、扭矩和循環(huán)壓耗,根據(jù)滿足強度前提下盡可能降低鉆機負(fù)載的原則,選用?139.7mm鉆桿(鋼級S137)×2000.00m+?127.0mm鉆桿(鋼級G105)。其中,?127.0mm鉆桿采用非標(biāo)準(zhǔn)NC52扣型和?107.7mm水眼,以進一步降低循環(huán)壓耗,減輕鉆井泵負(fù)載。2.4鉆井防塌劑提升品質(zhì)綜合考慮石膏層抗污染、斜井段攜巖、水平段抑制防塌和潤滑防卡等因素1)提高抗石膏污染能力。鉆井液中定時補充六偏磷酸鈉膠液,并隨鉆加入KOH進行處理。但是OH—含量過高會分散剝離泥頁巖,影響防塌效果,要求pH值維持在8.0~10.0。2)提高鉆井液的抑制性。為了保證鉆井液的抑制防塌效果,鉆井期間要求K+含量不低于500.0mg/L,并及時補充抗鹽強包被抑制劑BYJ–Ⅰ和抑制防塌劑BZ–YFT,改善濾餅質(zhì)量,控制API濾失量不大于3.0mL、高溫高壓濾失量不大于10.0mL。3)提高攜巖能力。用大分子處理劑和攜砂粉等控制鉆井液動切力,孔一段和孔二段的鉆井液動切力分別控制在8.0~12.0和12.0~16.0Pa;保證鉆井液動塑比不小于0.5、六速旋轉(zhuǎn)黏度計3r/min的讀數(shù)不小于4.0。4)提高潤滑防卡性能。用原油作為潤滑劑,鉆井液含油量控制在5.0%~8.0%,保證摩阻系數(shù)不大于0.06;同時,進入水平段后全程開啟離心機,清除鉆井液中的有害固相,降低摩阻。2.5鉆井參數(shù)優(yōu)化1)提高定向效率。?311.1mm造斜段和穩(wěn)斜段采用?203.2mm水力振蕩器,減輕滑動鉆進托壓,提高定向效率。該工具基本結(jié)構(gòu)見圖3,主要通過自身產(chǎn)生的軸向振動,將滑動鉆進過程中鉆柱與井壁之間的靜摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽Σ粒档豌@柱與井壁之間的摩擦阻力,提高滑動鉆進鉆壓的傳遞效率2)優(yōu)化鉆井參數(shù)。為了提高?215.9mm井段孔一段和孔二段地層的機械鉆速和井眼清潔能力,采用大排量、大鉆壓和高轉(zhuǎn)速鉆進。大排量主要用來提高井眼清潔能力,高轉(zhuǎn)速主要用來提高機械鉆速和井眼清潔能力,大鉆壓主要用來提高機械鉆速3)PDC鉆頭設(shè)計。根據(jù)孔二段砂泥巖研磨性高的特點,對PDC鉆頭進行了個性化設(shè)計4)提高攜巖能力。每鉆進1個單根劃眼1次,鉆進1個立柱正劃眼、倒劃眼各1次,充分循環(huán)攜巖。隨著井眼延伸和井斜角增大,僅依靠提高排量無法保證井眼清潔。此時,需要在鉆具中加入井眼清潔工具,利用其機械刮削和水力旋流的作用清除巖屑床2.6通井安全設(shè)計為了保證套管安全順利下入,利用軟件分析了?139.7mm套管的下入能力,優(yōu)化了扶正器的安放位置和數(shù)量。同時,為了提高預(yù)測精度,在下套管前最后一次通井時,記錄起下鉆懸重,測算起下鉆摩阻系數(shù),作為模擬套管下入的摩阻系數(shù)。1)井眼準(zhǔn)備。下套管前分別帶單穩(wěn)定器、雙穩(wěn)定器和三穩(wěn)定器進行3次通井。通井時,若下鉆阻力超過40.0kN,立即接頂驅(qū)劃眼,劃眼到底后對劃眼井段進行短起下鉆驗證,確保順暢后再進行下一步工序;起鉆遇阻的井段再次進行劃眼,并短起下鉆驗證。2)套管扶正器下入方案。為了保證套管居中度和套管能安全下入,選用?206.4mm整體式半剛性扶正器。利用軟件模擬優(yōu)化確定了套管扶正器的下入方案:水平段每隔2根套管加1只扶正器,造斜段每隔1根套管加1只扶正器,直井段每隔5根套管加1只扶正器。3)套管下入方式優(yōu)選??紤]裸眼段和水平段較長,以及套管扶正器數(shù)量多、套管下入難度系數(shù)大等情況,利用軟件對常規(guī)下套管方式進行了模擬分析。模擬結(jié)果表明,下入套管時,套管下放大鉤載荷952.3kN,套管靜止大鉤載荷1100.5kN,套管下放大鉤載荷大于靜止大鉤載荷的30%。結(jié)合模擬預(yù)測結(jié)果和通井情況,確定采用常規(guī)下套管方式。3地層適應(yīng)性好大港油田滄東凹陷頁巖油水平井GD1701H井和GD1702H井試驗應(yīng)用了滄東凹陷致密油氣藏水平井鉆井關(guān)鍵技術(shù),鉆井過程中未發(fā)生井下故障,整體效果良好,具體數(shù)據(jù)見表1。2口井平均井深5370.00m,平均水平段長1379.60m,平均機械鉆速11.4m/h,平均鉆井周期59.2d。其中,GD1701H井創(chuàng)造了大港油田5000.00m以深水平井鉆井周期最短、機械鉆速最高、鉆機月速最高和水平段最長等4項紀(jì)錄。GD1701H井采用三開井身結(jié)構(gòu),施工過程中未出現(xiàn)漏失、溢流和井眼失穩(wěn)等問題,且鉆井效率高。該井鉆進過程中井眼軌跡控制良好,鉆井液潤滑性能高,采用常規(guī)下套管方式未出現(xiàn)遇阻現(xiàn)象。其中,二開采用“水力振蕩器+MWD+螺桿鉆具”控制井眼軌跡,定向機械鉆速達(dá)到3.3m/h,且無托壓現(xiàn)象;三開采用“旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具+LWD”控制井眼軌跡,平均機械鉆速達(dá)到9.2m/h。GD1701H井最大懸重1900.0kN,最大扭矩26.0kN·m,循環(huán)壓耗最高達(dá)29.0MPa,選用的鉆機、鉆井泵和鉆具滿足了安全高效鉆進要求。應(yīng)用設(shè)計的PDC鉆頭鉆進孔一段和孔二段紫紅色泥巖、灰色砂巖、灰色泥巖和油頁巖,單只鉆頭完成造斜段和水平段,進尺1177.00m,平均機械鉆速9.7m/h,提速效果顯著,說明設(shè)計的個性化PDC鉆頭地層適應(yīng)性強。該井館陶組鉆遇8.0m厚的雜色礫巖,沙一段鉆遇8.0m厚的生物灰?guī)r,孔一段鉆遇斷層及不整合面,鉆進過程中及時補充隨鉆堵漏劑BZ–DSA,未出現(xiàn)漏失現(xiàn)象??滓欢毋@遇厚約149.0m的石膏層,進入石膏層之前配制六偏磷酸鈉膠液,維持鉆井液pH值始終在9.0以上,待振動篩處發(fā)現(xiàn)石膏侵時加入膠液,未出現(xiàn)鉆井液受鈣污染的問題。定時測量鉆井液含油量、API濾失量、高溫高壓濾失量和動切力等關(guān)鍵參數(shù),控制含油量在5%以上、API濾失量不超過3.0mL、高溫高壓濾失量不超過10.0mL、動切力在15.0Pa左右,保證了鉆井液抑制防塌、潤滑防卡和攜巖性能滿足要求。4鉆井關(guān)鍵技術(shù)1)滄東凹陷致密油氣藏埋藏深,水平井具有造斜點深和水平段長的特點,摩阻、扭矩和循環(huán)壓耗高,對鉆井設(shè)備要求高;從上到下鉆遇多個漏層和巨厚石膏層,對鉆井液性能要求高;孔一段和孔二段地層有大段硬度高、研磨性強的泥巖,機械鉆速低,對鉆頭匹配性要求高。2)滄東凹陷致密油氣藏水平井鉆井關(guān)鍵技術(shù)可以解決長水平段水平井鉆井過程中存在的技術(shù)難題,尤其是井身結(jié)構(gòu)及井眼軌道優(yōu)化設(shè)計、高

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