阶梯水平井钻井技术冯志明 颉金玲(大港油田集团公司定向井技术服务公司,天津大港 300280)摘要 阶梯水平井是在水平井完成第1水平靶区后,通过降斜、稳斜、增斜段的调整,进入并完成第2水平靶区井段的水平井钻井技术。
该技术将水平井技术又推上了一个新的高度。
使水平井的应用扩展到常规油气层,连续薄油层、断块油层等复杂油气田。
文中从施工难点、优化工程设计、井眼轨迹控制3方面论述了阶梯水平井的钻井技术。
列举了TZ406井、YX2P1井、LN61-H1井3口阶梯水平井的施工数据。
针对TZ406井施工经过、施工要点、施工技术措施,对阶梯水平井的设计、轨道控制技术、施工难点经验、体会和认识,做了全面的论述。
现场应用表明:阶梯水平井显著地增加了产量,大幅度地提高勘探开发的综合经济效益,必将成为油气田开发的重要手段之一。
主题词 水平井 导向钻井 井眼轨迹 工程设计 钻具组合作者简介 冯志明,1966年生。
1987年毕业于重庆石油学校钻井工程专业,工程师。
颉金玲,1945年生。
毕业于华东石油学院,现任副经理,高级工程师。
阶梯水平井是指在一个井眼中连续完成具有一定高度差的两个或者多个水平井段,形成具有两个或多个台阶的井眼轨迹,用一个井眼开采或者勘探两个或多个层叠状油藏、断块油藏的水平井井型。
利用阶梯水平井连续在这两个油层中水平延伸一定长度,节约了重复钻井的投资,增加了单井产量,可取得最佳的开发效果。
一、施工难点1口成功的阶梯式水平井,能实现取代2口或多口水平井的开发目的,既节约投资,又能获得好的效益。
常用于阶梯式水平井开发的区块具有以下特点:(1)层叠式或不整合薄油藏;(2)断块油藏;(3)上部油层断失或尖灭,存在下部可供开采的油藏。
1.目的层油层薄,区块复杂,井眼轨迹拐点多,不平滑,不利于送钻和钻压传递,控制和调整井眼轨道工作量大。
着陆、阶梯过渡段控制困难。
2.对钻井装备、钻井液净化设备要求高,井眼的净化和携砂难度大,大斜度井段易形成岩屑床,造成井下复杂情况发生,需要有足够的动力,配套齐全的净化设备。
3.钻具组合、监测仪器等针对性强,技术含量高,钻柱受力复杂。
二、优化工程设计1.优化井身剖面设计 阶梯水平井的地质设计,通常只给定AB段、CD段两个阶梯水平段的入窗窗口和目标靶区,工程设计则需要满足以下3个方面的条件。
(1)满足地质对轨迹控制的要求:即中靶要求。
(2)井下专用钻具、工具、仪器装备能满足设计井眼轨迹控制的要求。
(3)完井电测、下套管、固井等完井工艺技术水平须满足开放要求。
阶梯式水平井,与普通水平井不同的是怎样依据地质要求,对第1水平段终点到第2水平段终点间的井身剖面进行设计。
2.优化井身结构 根据TZ406井、YX2P1井和LN61-H1井的施工技术,结合国内外其它地区阶梯水平井的施工经验、油层特点和完井方式,一般认为技套必须封固目的层以上的异常高压以及易垮塌、破碎带等不稳定地层,以保证水平井安全、快速地钻井和完井。
三、井眼轨迹控制技术1.合理的钻具组合设计 分析近年来完成的数十口水平井资料,总结出几套适合于常规水平井和阶梯水平井施工,目前国内工艺技术和装备又能够实现的钻具组合结构。
(1)侧钻钻具组合。
钻头+螺杆钻具+定向接头+无磁钻铤+MWD短节+钻铤+钻杆。
该钻具组合常用于回填导眼后的侧钻井段和第1造斜井段的施工,平均造斜率达10～12(°)/30m。
(2)钻盘微转增斜钻具组合。
钻头+稳定器+无磁钻铤+MWD短节+无磁钻挺+稳定器+钻铤+22石油钻采工艺 2000年(第22卷)第5期DOI:10.13639/j.od pt.2000.05.006加重钻杆+钻杆。
该钻具组合常用于第1增斜井段和调整井段的施工。
实际施工时可依据井眼轨迹造斜的需要,调整两稳定器之间的距离和稳定器、无磁钻铤、钻铤的外径以及钻井参数,实现对增斜、降斜、稳斜的调整。
(3)导向钻具组合。
钻头+导向马达+调整短节+欠尺寸稳定器+无磁钻铤+MWD短节+无磁钻铤+斜坡钻杆+加重钻杆+随钻震击器(依据井下情况决定用与不用)+加重钻杆+钻杆。
该钻具组合既能实现滑动钻进,又能转盘钻进,通过调整导向马达的角度和调整短节的长度,变换钻具的不同使用方法,实现对井眼轨迹的调整。
该钻具常用于水平井的第1、第2增斜井段的施工。
(4)简化导向钻具组合。
钻头+导向马达+无磁抗压缩钻杆+MWD短节+无磁抗压缩钻杆+斜坡钻杆+加重钻杆+随钻震击器+加重钻杆+钻杆。
该钻具组合,常用来钻进井斜角大于60°的造斜井段、水平井段、调整井段和第2水平井段。
通过选择导向马达角度和弯曲点位置、弯曲方式和造斜率,控制井斜方位的变化。
滑动方式钻进常用于井斜方位的调整,转盘方式钻进提高了钻进速度,调整井眼环境。
增大转盘方式钻进的比例,既能修整井壁减轻轴向摩阻,又能有效地提高钻进速度。
简单的钻具结构,既有利于传压、调整钻具工具面,更有利于携砂和井下安全。
上述钻具组合共性表现在3个方面:(1)优选钻具:选择造斜率略大于设计造斜率的导向钻具组合,增加转盘方式钻进的比率,有利于修整井壁;(2)倒装钻具。
即将重型钻具上移,底端位于井斜30°～60°之间,依靠钻铤、加重钻杆重量推动钻具顺利下钻或加压;(3)简化钻具:尽量避免刚度和外径有较大差别的钻具组合在一起;在保证正常施工的前提下,选用刚度小、外径小的钻具。
2.降低摩阻、扭矩 摩阻和扭矩是制约阶梯水平井施工的关键因素,在实际钻井作业中采取措施降低摩阻和扭矩。
如在油基钻井液中增加油水比例,在水基钻井液中使用润滑剂和玻璃微珠以增加钻井液的润滑性。
3.钻头的优选和使用 为适用于水平井滑动钻进和转盘钻进的需要,采用硬质合金轴承的高速钻头,根据地层情况配合不同的钻头齿形、牙轮部置和保径设计。
在塔里木地区选用H J517、HJT517L、ATJ22;在大港地区使用ATM、HJ系列等优质钻头,均取得了理想的效果。
短保径的金刚石钻头和BDS 系列钻头,更能使钻头的选型达到理想的状态。
有条件时,可使用水力加压器连续控制钻压,使用加长马达减少钻头泥包。
4.优质合理的钻井液体系 西部油田现场使用较多,基本能满足水平井发展要求的钻井液体系主要有、正电胶SN-1混油体系、正电胶聚合物体系、阳离子聚合物体系和油基钻井液体系。
5.精确的井眼轨迹预测 在实际施工中,由于具体条件的变化(如钻具组合,钻井参数,地层、岩性的变化等),经常造成已完成的井眼轨迹偏离设计轨迹,因此需要及时对下部井段进行预测,进行二次剖面设计,选择最佳的施工方案。
6.有效地消除岩屑床 在钻进到大斜度井段和水平井段时,由于各种原因,岩屑会沉降在下井壁形成岩屑床,可通过改善钻井液的流变性、增大钻井液排量,以较高的钻井液悬浮力,降低钻屑沉降速度;也可通过使用加长喷嘴钻头以及采用定时间、定井段短程起下钻、分段循环等机械方法,清除岩屑。
四、施工举例下表为1999年完成的3口阶梯式水平井的部分数据(均为斜井段的统计)。
本文仅对TZ406水平井做详细介绍。
阶梯式水平井斜井段数据表井 号TZ406YX2P1LN61-H1地区新疆塔里木青海柴达木新疆轮南施工时间/月日 4.18～ 5.26 3.19～ 3.279.5～9.27施工井分类导眼回填侧钻报废井回填侧钻常规造斜斜井段钻井周期/h940.5268220造斜点井深/m3460.001231.003940.00完钻井深/m4130.171553.944701.00第1水平段长/m40.19/150.12第2水平段长/m180.13/100.02井身剖面符合率合格合格合格 TZ406井是在新疆塔中403和404构造之间钻成的1口阶梯水平井。
井身结构施工简图,见图。
1.TZ406水平井设计概况 该井的井身剖面类型初次设计为:三增变曲率中半径结构。
造斜点为:井深3474.83m,设计方位52.99°,磁偏角偏东2.71°,最大井斜角90°,第1造斜率10.5(°)/30m,第2造斜率3.49(°)/30m,第3造斜率10.5(°)/ 30m,水平入口及完钻井底垂深3675.35m,水平段长400m,靶高3m,靶宽20m,前后摆动10m,完钻井23冯志明等:阶梯水平井钻井技术深4189.32m,目标A点位移207.58m,目标B点位移607.58m 。
TZ406井的施工简图在导眼井段钻完后,根据实际钻进情况更改井身剖面为:三增变曲率中半径阶梯结构,即直增增增稳(水平段)降增稳(水平段)。
造斜点为3490.61m,设计方位49°(真方位),磁偏角、最大井斜角、造斜率与初次设计相同。
水平目标A点入口垂深3678.00m,位移203.15m,B点位移303.15m,AB水平段长100m,靶高3m,靶宽20m,前后摆动10m,水平目标C点入口垂深3685.00m,位移423.15m,D点位移603.15m,CD水平段长180m,靶高、靶宽、前后摆动与AB段相同,BC井段增斜率 3.33(°)/30m,位移120m,完钻井深4194.07 m。
2.TZ406井井身轨迹控制技术 本井为二开水平井。
1999年4月18日进行侧钻。
(1)侧钻井段。
钻具组合为:241.3mm钻头+197mm直马达+203mm(2°)弯接头+ 178mm无磁钻铤+179mm MWD短节+ 127mm加重钻杆+127mm斜坡钻杆+127mm 钻杆。
钻压0～20～80kN,排量30L/s,泵压17～19MPa,钻进井段3460.00～3473.64m。
钻进中,以控制钻时为主。
控制钻时约为1.5h/ m,随井深的增加,保持钻时恒定,钻压逐渐增至20kN,后增至80kN。
通过观察岩屑,新岩屑占80%,表明新井眼已形成,钻至井深3473.64m时估计钻头寿命已到,起钻换导向马达增斜钻具,开始进行定向增斜钻进。
该钻具造斜率为14(°)/30m。
(2)侧钻结束至A点的增斜井段。
钻具组合是用197mm(2°)导向马达替换侧钻钻具组合中的197mm直马达+203mm(2°)弯接头。
其它钻具与侧钻相同。
钻压120～150kN,排量33L/s,泵压17～19MPa,钻进井段3473.64～3539.83m。
钻进中,实际造斜率比设计造斜率低,测得的井斜角由6°增至21.1°,方位由36.6°增至39.8°,造斜率约为 6.85～9.24(°)/30m。
因为井下有落物存在,此井段使用PDC钻头效果没有达到预期效果。
为提高造斜率,钻进到井深3539.83m时起钻下入钻具组合:241.3mm钻头+197mm(2°)导向马达+127mm无磁抗压缩钻杆+168mm MWD短节+127m m无磁抗压缩钻杆+127mm 斜坡钻杆+127mm加重钻杆+127mm斜坡钻杆+127mm钻杆。