元坝区块提高钻井速度技术方案探析

周延军,陈 明,于承朋

(1.中国石油大学石油工程学院,山东东营 257061;2.胜利石油管理局钻井工艺研究院,山东东营 257017）

元坝区块提高钻井速度技术方案探析

周延军1,2,陈 明2,于承朋2

(1.中国石油大学石油工程学院,山东东营 257061;2.胜利石油管理局钻井工艺研究院,山东东营 257017）

在总结分析前期钻井经验的基础上,从地质因素、钻井复杂情况、岩石可钻性、地层温度、钻井液密度、井身结构等方面分析了目前影响元坝区块深井钻井速度提高的因素。指出井身结构层次有限,不能完全有效封隔不同压力体系的地层以及须家河组地层可钻性差、埋深较深、段长,不能利用空气钻进行钻进是影响机械钻速的2个最重要原因。提出了气体钻井方案、钻头选型方案、进口动力钻具配合高效钻头钻须家河地层方案,以及采用特种井眼尺寸井身结构方案,为元坝区块深井钻井提供技术支持。

深井钻井;井身结构;机械钻速;元坝区块

川东北元坝区块主要钻遇中生界和上古生界地层,自上至下依次为蓬莱镇组、遂宁组、沙溪庙组、千佛崖组、自流井组、须家河组、雷口坡组、嘉陵江组、飞仙关组、长兴组、龙潭组,其厚度和埋藏深度变化较大。三叠系须家河组及以上为陆相地层,陆相地层特点是:砂泥岩互层频繁,软硬交错变化大;砂岩胶结致密、硬度大、研磨性强;沙溪庙组至千佛崖组易塌,自流井组含炭质泥岩、须家河组含煤层和煤线,极易剥蚀掉块。雷口坡组及其以下为海相地层,海相地层主要岩性是膏岩、灰岩、白云岩,可钻性较好。所钻井普遍存在溢流、井漏、垮塌等复杂和事故、机械钻速低,施工周期长。提高钻井速度成为降低钻井成本的关键。

1 影响钻速因素分析

1.1 地质因素

(1）在纵向上分布多套压力层系统。从实际的钻井情况来看,纵向压力分布为常压-高压-常压,沙溪庙组包括千佛崖组及以上地层为常压,千佛崖组及部分下沙溪庙有气层;自流井-须家河组有异常高压,从油气藏特征分析认为是高压低渗,多为裂缝性气藏;部分井雷口坡地层可能存在高压气层;飞仙关和长兴组同为一个常压力系统,以溶孔性气层为主。

(2）复杂地层多,分布分散。从实际的钻井资料来看,元坝区块地质剖面上能影响钻井工作的复杂地层有3套层系:一是上沙溪庙组上部的出水,地层承压不高,如果钻井液密度超过1.90 g/cm3时就易发生井漏;二是上沙溪庙组底部存在垮塌层,空气钻难以实施;三是自流井-须家河组地层复杂,其有3个方面的特点:①自流井-须家河组地层为高压低渗油气藏,多为裂缝性气藏,钻井时压力窗口窄,压井时易出现喷、漏同存;②自流井-须家河组的砂砾岩层可钻性极差,易出钻头事故;③自流井-须家河组地层为泥岩段不稳定,易出现掉块卡钻。

1.2 钻进时的复杂情况

除元坝1井、元坝1-侧1井、元坝12井外,各井均在千佛崖～须家河组井段钻遇了高压层,共发生溢流6井次。压井后,安全密度窗口窄小,漏喷共存,施工难度加大,钻进效率降低。压井后,钻井液密度高,导致机械钻速降低,增加了钻井周期。截止2009年底共发生钻井复杂19起,损失时间177.06天,漏失泥浆3012.67 m3。

元坝地区故障与复杂分为以下几类:(1）空气钻过程中出现的卡钻和断钻具事故;(2）出现高压后压井、井漏、固井低返等复杂情况;(3）在自流井、须家河复杂层中出现划眼及卡钻。

1.3 须家河地层可钻性差

须家河地层石英砂岩,研磨性强,易造成钻头过早磨损。元坝区块须家河组地层埋深较深,段较长,不能利用空气钻进行钻进,大大影响了钻速。

元坝1井在该层段钻井液钻进井段平均机械钻速不足1.0 m/h,并且单只钻头进尺少,平均只有69.19 m/只。须家河层段机械钻速慢、起下钻趟数多,是元坝1井全井钻井速度慢、钻井周期长的一个最重要原因,该井段长只占全井的20%,而纯钻时间超过了全井纯钻时间的50%。

1.4 深部地层高温

由于元坝构造以飞仙关和长兴组地层为目的层的井均为超深井,井底温度高(井底温度最高已达到160℃以上）,钻井液在高温高压下,性能不稳定,致使钻井液性能维护难度大。既要解决抗高温性,又要调整好它的流变性,钻井液抗温问题是一大难题。

1.5 高密度钻井液对钻速影响

元坝1、元坝2、元坝3井为同一个钻井公司施工,使用同一种管理模式,同一种钻井技术,同一种钻井液体系,可比性较强,其对比如表1所示。

表1 元坝1、2、3井陆相地层钻井液密度对钻速的影响

从其它井的对比来看,同样也是钻井液密度的提高,导致了地层机械钻速的降低。

1.6 井身结构的限制

截止到2009年底,元坝区块完钻井9口,正钻井8口,完成钻井进尺88793156 m。平均机械钻速1163 m/h,平均纯钻时效35.91%,平均生产时效90%,完钻井平均井深7159 m,平均建井周期497167天。元坝区块主要应用的井身结构见表2～5。

井身结构层次有限,不能完全有效封隔影响钻速的必封点,造成不能充分利用空气钻和不同压力系统在同一裸眼内打开的问题,影响了机械钻速。

2 提高钻速方案分析

2.1 气体钻井提速方案

元坝区块要实现快速钻井,在“444.5 mm和“311.2 mm井段气体钻井非常重要,主要思路是尽可能在“444.5 mm井眼全井段采用气体钻井,“311.2 mm井眼尽量延长气体钻井井段,采用空气潜孔锤钻井技术提高机械钻速,钻遇地层水后采用雾化(泡沫）钻井技术,井下条件允许时“444.5 mm井眼应用试验干井条件下“339.7 mm套管的固井技术。

一开“444.5 mm井段优先采用“444.5 mm空气潜孔锤钻进,钻遇地层水后根据实际情况转换为雾化或泡沫钻井,井下条件不能保证气体钻井安全钻进时转换为低固相钻井液钻进。

表2 元坝井身结构表(截至目前使用最多的井身结构）

表3 元坝井身结构表(元坝9井、元坝27井）

表4 元坝井身结构表(元坝6井）

表5 元坝井身结构表(元坝22井,特种井眼）

二开“311.2 mm是本井气体钻井提速的重点和难点。根据地质资料分析,本开钻井过程中钻遇地层为侏罗系沙溪庙组,以棕紫色泥岩、粉砂质泥岩间夹灰紫色粉砂岩及细砂岩为主,地层不稳定性,地层压力相对较低,承压能力差,且该组地层发育有多套含气层,岩性以砂岩与泥岩互层为主,地层软硬交错,砂岩可钻性差,泥岩易坍塌。元坝1井、元坝3井均在该段钻遇复杂而提前结束气体钻井。针对以上情况,本井段气体钻井过程中优先采用313系列空气潜孔锤防斜打快,进入沙一底部后采用牙轮钻头继续钻进,钻进过程中加强对井壁稳定性监测。若空气钻井过程中钻遇地层水,按照“444.5 mm井眼相同的方法处理,钻遇气显示转换为氮气钻井,钻遇地层油或井壁垮塌转换为钻井液体系钻井。本开争取钻穿上沙溪庙组,在保证安全的前提下尽量延长气体钻井井段。

空气潜孔锤不工作时改为牙轮钻头钟摆钻具组合钻井,雾化钻井、泡沫钻井时采用牙轮钻头塔式钻具组合,考虑到沙一底部可能出现的垮塌,“311.2 mm井眼空气潜孔锤钻进至2900 m后应起钻换牙轮钻头钻进。

2.2 欠平衡钻井方案

该区块侏罗系中统及下统地层发育有多套含气层,非本井主要目的层段,岩性以砂岩与泥岩互层为主,地层软硬交错,砂岩可钻性低,泥岩易坍塌、潜在地层应力变化、地层不稳定等复杂情况。

在沙溪庙～自流井组井段出水量过大、地层坍塌压力较大或出现气层且产量较大,不能满足实施气体钻井条件时,改为泥浆欠平衡钻井,以实现快速钻进目的。如欠平衡钻井出现井下垮塌立即终止欠平衡钻井,改为平衡地层坍塌压力钻进。

须家河组以灰～灰白色块状细～粗粒岩屑砂岩、长石岩屑砂岩、长石岩屑石英砂岩(局部含砾砂岩）为主,夹薄～厚层灰黑、黑灰色泥页岩,该地层井壁稳定,不含硫化氢,满足欠平衡钻井的条件。

在须家河组井段泥浆欠平衡钻井,以实现快速钻进目的,每次在起下钻时根据实际情况提高钻井液密度,待地层压稳后进行常规起下钻作业。须家河层钻完后,恢复平衡钻进。

2.3 钻头优选及钻井参数优化方案

在中石油龙岗构造的钻井过程中,开展了大量新型钻头(包括牙轮钻头、PDC钻头）以及空气潜孔锤的试验及优选研究,并取得较好成果。元坝构造与龙岗相邻,地层可钻性基本相同。

气体钻进井段,尽可能选用空气潜孔锤。

钻井液钻进井段,中石油在沙溪庙组～自流井组层段在龙岗构造进行了大量PDC钻头的应用试验,以贝克休斯的PDC钻头HCM505ZX效果最好(见图1）,目前该钻头应用已基本成熟,因此本井在该层段以贝克休斯的PDC钻头HCM505ZX为主;须家河组以宽齿牙轮钻头为主;雷口坡～长兴组地层以灰岩为主,可钻性好,适宜于PDC钻头,所以该层段以选用PDC钻头为主。

图1 龙岗构造侏罗系地层PDC钻头应用试验对比图

在4800～6000 m的海相地层,为提高机械钻速,设计采用PDC钻头+耐高温螺杆钻具进行复合钻进,复合钻进时转盘转速控制在30 r/min左右。该技术在龙岗构造也取得了非常明显的效果(见表6）。

表6 龙岗复合钻进表

2.4 采用进口动力钻具钻须家河地层

采用进口动力钻具(例如进口涡轮钻具）钻须家河地层,提高须家河地层的钻速,从而达到提速的目的。

2.5 推广特种井眼尺寸井身结构[1～3]

这套井身结构的优点是:(1）对上沙溪庙上部与下部的复杂层均进行了封隔;(2）进海相钻完雷口坡组的可能气层后,对上部的高压气层和不稳地层进行了封隔,为下部安全钻井和提高钻速提供了保障;(3）下部海相地层为同一低压力体系,可采取各种提速措施;(4）预留了一层套管层次;(5）开次少了一次,有利于提高钻井时效;(6）在再次优化井身结构上有优势;(7）在三开及以后的开次中,上部均可使用“139.7 mm钻杆,解决了目前元坝地区有的井钻具负荷不够和水马力消耗大的问题;(8）合理的钻头尺寸的井段加长,有利于提高机械钻速; (9）能更好地满足测试和勘探开发一体化的要求。

3 结论与认识

(1）井身结构层次有限,不能完全有效封隔影响钻速的必封点,造成不能充分利用气体钻井和不同压力系统在同一裸眼内打开的问题,影响了机械钻速的提高。

(2）须家河组地层可钻性差,埋深较深,井段较长,不能利用空气钻进行钻进,大大影响了钻速。

(3）采用特种井眼尺寸的井身结构实现专打专封,一层套管实现一个主要的钻井目的是实现元坝地区优快钻井的一个重要手段。在须家河地层采用进口动力钻具(例如进口涡轮钻具）和高效钻头是提高机械钻速的另一重要手段。

(4）推荐的井身结构方案,对解决元坝区块复杂地质环境条件下的深井超深井钻井问题起着一定的指导作用,但没有一种唯一的、完美无缺的套管程序。对于每一口井来说,每一种套管程序都是暂定的,灵活的,需要根据实际钻井条件不断进行改进。

[1] 管志川,邹德永.深井、超深井套管与钻头系列分析研[J].石油钻探技术,2000,28(1）.

[2] 编写组.钻井手册(甲方）[M].北京:石油工业出版社,1990.

[3] 胡超.开江区块深井井身结构设计探讨[J].钻采工艺.1999, 22(2）.

[4] 边培明.深层海相气井井身结构优化及应用[J].钻采工艺, 2006,11:13-15.

[5] 唐志军.井身结构优化设计方法[J].西部探矿工程,2005,6: 78-80.

D iscussion on Drilling Technology for I ncreasing ROP in Yuanba Block

ZHOU Yan-jun1,2,CHEN M ing2,YU Cheng-peng2(1.College of Petroleum Engineering in China University of Petroleum,Dongying Shandong 257061,China;2.Shen-gliDrilling Technology Research Institute,Dongying Shandong 257017,China）

Based on the summery of previous drilling experience,analysiswasmade on the factorswhich influence ROP in deep well drilling in Yuanba Block from the aspects of geologic factors,complex drilling conditions,rock drillability,for-mation temperature,mud density and casing program.There are -main affecting factors:one is the limit ofwellbore con-figuration stratification,which can not effectively seal the formationswith different pressure system;another is that the gas drilling can not be used because of bad for mation drillabilitywith a deep and long drilling section.Gas drilling,bit selec-tion and dynamic drilling tool coordinatingwith high efficiency bit scheme are presented for Xujiahe formation drilling and casing program with particularwell size are introduced to give technical support for deep well drilling in Yuanba Block.

deep well drilling;casing program;penetration rate;Yuanba block

TE242

:A

:1672-7428(2010）05-0001-04

2010-03-05

“十一五”国家科技支撑计划(项目编号:2008ZX05017-002）

周延军(1969-）,男(汉族）,山东济阳人,中国石油大学在读博士、高级工程师,钻井工程专业,主要从事钻井工程设计及研究工作,山东省东营市北一路827号胜利石油管理局钻井工艺研究院,yanjunzh@slof.com。