富县气藏优快钻完井关键技术.pdf

收稿日期:2 0 2 2-1 2-1 1作者简介:田绘杰(1 9 8 4-),男,河南许昌人,本科,工程师,主要从事钻井工艺研究及工程设计工作。富县气藏优快钻完井关键技术田绘杰(中石化 华北油气分公司 石油工程技术研究院,河南 郑州 4 5 0 0 0 6)摘要:富县区块位于鄂尔多斯盆地南部,行政区域主要分布在陕西省延安市,是华北油气分公司主要矿权区块。自2 0 0 9年该区块陆续开展气藏勘探评价以来,钻井过程中暴露出一系列难题导致成井难、钻进慢。近两年,研究人员针对性的深入研究了矿物组分及理化性能、三压力剖面、地层可钻性等工程地质特征,并以此重点开展了三个方面的攻关研究:一方面建立数据模型对实钻高效钻头进行优选,明确各井段使用钻头类型;另一方面通过软件模拟分析钻井参数应用情况,明确不同井型的激进钻井参数方案,同时还通过室内评价和现场试验优选出了聚胺钻井液体系优选,保证了泥岩井壁稳定。实践证明,这些技术措施能够有效解决目前所面临的难题。关键词:富县气藏;高效钻头;激进钻井参数;聚胺钻井液中图分类号:T E 2 5 7 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 6-7 9 8 1(2 0 2 3)0 6-0 0 9 3-0 41 引言富县区块古生界气藏资源量丰富,勘探开发潜力巨大,是华北油气分公司天然气重要接替阵地。自2 0 0 9年富县区块天然气开展勘探评价始,截止2 0 2 1年底已完钻直井、定向井3 6口,完钻水平井5口。富县区块气藏自上而下依次钻遇新生界第四系;中生界延长组、纸坊组、和尚沟组、刘家沟组;上古生界石千峰组、上下石盒子组、山西组、太原组、本溪组和下古生界马家沟组,垂深3 0 0 03 5 0 0 m。2 富县气藏钻井工程难点(1)钻遇地层存在上漏下塌,增加了钻井施工难度第四系黄土层地层疏松、缝洞发育,易发生井漏;石千峰、石盒子组泥岩粘土矿物含量高,山西组、太原组煤层发育,易造成井壁失稳;(2)马家沟组发育盐膏层,易造成钻井液污染下古生界马家沟组发育盐膏层,易发生盐侵、钙侵,造成钻井液污染;已完钻井中有8口均出现不同程度的钻井液性能污染情况;(3)古生界地层岩石可钻性差,导致机械钻速偏低从新生界至古生界随深度增加地层可钻性逐步变差,前期选用的P D C钻头及牙轮钻头实钻过程中出现过蹦齿、磨损严重的现象;同时还存在单井消耗钻头过多、频繁起下钻等问题;(4)高坍塌压力与储层保护之间的矛盾突出,严重影响成井质量富县区域储层应力敏感性较强,正压差条件下液相和固相易侵入储层,造成储层伤害;同时由于富县区块中下部地层坍塌压力较高,低密度钻井液易造成井壁坍塌,高质量成井变的困难。2 0 1 8-2 0 2 0年多口井石千峰至石盒子组井径扩大率明显高出全井平均值。3 富县气藏优快钻完井技术针对富县区块钻井工程方面存在的主要难点,近几年技术人员分别从工程地质特征、高效P D C钻头、激进钻井参数、钻井液配方及性能四个方面做了深入的研究,目前已有效的解决了富县区块成井难、钻进慢的问题。3.1 工程地质特征分析(1)岩石矿物组分分析通过对富县区块部分探井的不同井深和地层的岩心取样X衍射进行矿组组分分析得出:黏土矿物含量在1 5.3%4 3.9%之间,呈现出非均质性,山西组伊蒙混层含量较高,太原与马家沟非均质性强。(2)三压力剖面确定通过室内试验分别计算出了富县部分探井地39 2 0 2 3年第6期内蒙古石油化工层坍塌压力及地层破裂压力,从结果可以看出:富县地区孔隙压力基本为正常压力,在0.7 8-1.0 2之间波动;浅层至太原组坍塌压力与破裂压力整体随深度增加,坍塌压力从0.5增加到1.2,破裂压力从1.7增加到2.2,马家沟组坍塌压力迅速减小到0.5以下,破裂压力迅速增大到2.5以上。将计算结果与测井资料进行对比,两者误差整体小于1 0%;同时将计算结果的坍塌压力曲线与实用钻井液密度曲线进行对比,两曲线变化趋势与实际井径扩大率曲线的变化特征基本吻合。(3)地层可钻性级值确定利用全自动岩石可钻性测试方法分别对富县部分探井的延长组、下石盒子组、山西组、太原组、马家沟组3 7块全尺寸岩心进行了牙轮钻头与P D C钻头可钻性级值的测定,结果表明:富县地区可钻性级值总体较高,从上至下可钻性级值整体随深度增大,刘家沟组相对上部地层增加明显;石千峰组至本溪组可钻性级值达到顶峰,且数值振荡剧烈。富县地区浅层至和尚沟组P D C钻头可钻性级值总体低于牙轮钻头,刘家沟组至太原组P D C钻头与牙轮钻头可钻性级值的相差不大。3.2 实钻高效钻头优选(1)高效钻头统计模型的建立把钻头数据按照多元统计的角度去分析,钻头选型的实质就是依据钻头的效果指标优选钻头,然后寻求该指标下的最优的钻头工作条件。如从总体中获得了n个样品,每个样品有p个属性,则有:X=x1 1 x1 2 1 px2 1 x2 2 2 p xn 1 xn 2 n p (1)这样,对于总体X=X1 X2 Xp,给出X的综合指标,y1yk(kp)的确定原则:y1是X的线性函数,即要求yi=LiX(2)Li是P1特定常数向量,i=1,k;要求协方差矩阵D(yi)尽可能大,即yi能充分反映X的变化情况,i=1,k;要求,yi,yk互不相关,即C o v(yi,yi)=0,i j,或者说,yi,yk之间尽可能不含重复信息,这样的yi,yk,均成为X的主成分。Yi=1 iX1+2 iX2+p iXp;1,2,p为矩阵R各特征值对应的标准正交特征向量,那么第i个主成分为:Yi=1 iX1+2 iX2+p iXp(3)其中i,j=1,2,p,显然有v a r(Yi)=i;c o v(Yi,Yj)=0,(i j)。特征值1v 2p对应的Y分量Y1,Y2,Yp依次称为X的第一主成分、第二组成分、第p主成分。那么由m个主成分构建的综合评价指标为:Z=m(1Yi)mk(4)(2)高效钻头优选结果针对不同井段不同层位采用主成分分析法对实钻应用钻头应用效果进行排序,进而优选出不同井段的钻头型号。3.3 激进钻井参数优化国内外相关理论表明,机械钻速与钻压呈近似S型变化,根据钻压的增加可划分为三个区域:A区域随着钻压增大机械钻速呈现缓慢增加趋势;B区域随着钻压增加机械钻速呈近似线性增加趋势;C区域随着钻压增大机械钻速缓慢增加甚至降低。钻压与机械钻速的最佳匹配关系是中间的近似线性B区域,强化钻井参数的目标便是扩大B区域,使钻压增大可以增大更多的机械钻速。表1 富县区块气井优选钻头结果井段应用较好钻头型号单井钻头进尺(m)钻头类型一开井段G S 1 9 0 5 T X一开一趟钻五刀翼(不 对 称)、深 排 屑 槽、弧 线 布 齿,1 9 mm切削 齿、保 径 齿、中 高 密 度 布 齿、7喷嘴延长组-刘家沟组GM 1 6 0 5 T X/M 1 6 5 5 F CS 1 6 6 5 G/H S 5 1 6 1 1 6 5 J 1 D R T1 9 9 0 m(S 1 6 5 5 F GA 2)1 7 9 7.5 m(GM 1 6 0 5 T X)1 4 2 6 m(M 1 6 5 5 F C)旋转 五 刀 翼、深 刀 翼 中 短 抛 物 线 冠 部,1 6 mm切削齿、双排齿或单排齿+减震特征、保径齿,中密度布齿刘家沟-马家沟S 1 6 4 6 F G AH S 4 1 6 1 1 6 4 J 1 D R T7 3 3 m(S 1 6 4 6 F GA)5 6 1 m(H S 4 1 6 1 1 6 4 J 1 D R T)五刀翼、双排齿结构、小弧度刀翼、小角度斜保径结构、复合片中等偏小倾角、中深内锥、小角度主刀翼夹角49 内蒙古石油化工2 0 2 3年第6期 图1 机械钻速与钻压关系曲线 (1)富县区块钻井参数提速潜力分析富县区块现场施工队伍设备情况主要为:5 0型钻机,采用F-1 3 0 0或F-1 6 0 0型泥浆泵两台(最高泵压3 5 MP a),地面管线及水龙头承压可达到3 5 MP a,水龙头额定载荷4 5 0 0 k N。富县区块地层属于软中硬地层,采用的钻井参数处于钻压钻速曲线的第二个阶段即B阶段,钻压与钻速成正比增长,可以继续提升钻压、转速等进而提高机械钻速。(2)激进钻井参数模拟针对强化后的激进钻井参数,通过软件模拟进行了全井段循环压耗等情况分析,模拟计算结果图2。表2 富县区块地层条件及提速潜力钻井参数影响规律当前参数富县区块具体条件钻压钻压与钻速关系曲线分为3个阶段,区域B钻压与钻速成正比增长二开6 0-8 0 k N处于区域B有提升空间转速软中硬地层钻速与转速成正比关系硬地层中钻速与转速成反比关系二开L G+4 5中软中硬地层有提升空间排量设备承受范围内,排量越大钻速越快二开2 83 2 L/s未达到泥浆泵极限泵压设备承受范围内,泵压越高钻速越快二开1 11 9 MP a未达到泥浆泵极限图2 激进钻井参数钻柱内及环空循环压耗 模拟结果显示,二开、三开井段排量及钻压在现场应用螺杆 合理参数范 围内,井 口 立 压(1 62 1 MP a/1 82 7 MP a)在 循 环 系 统 额 定 工 作 压 力(3 5 MP a)范围内。模拟强化循环排量,环空返速由1.0 0增至1.1 6 m/s、当量循环密度由1.1 4 6增至1.1 5 2 g/c m3,不超过地层破裂压力当量密度1.6 0 g/c m3,不会压漏地层,但对地层的冲刷会加剧。(3)激进钻井参数施工方案59 2 0 2 3年第6期田绘杰 富县气藏优快钻完井关键技术基于富县区块前期钻井参数应用情况,结合现用机泵条件、钻杆承压能力、螺杆使用条件等,并通过模拟计算最终确定了直井、水平井二开井段及三开水平段激进钻井参数方案,见表3。表3 富县区块现用钻杆及螺杆承压能力、使用条件开次强化前后钻压(k N)转速(r p m)排量(L/s)立压(MP a)二开强化前6 08 0L G+4 52 83 21 11 9强化后8 01 1 0 L G+5 06 03 03 51 52 4三开强化前4 06 0L G+3 51 61 82 0强化后5 08 0L G+5 06 01 82 01 82 73.4 聚胺钻井液体系优选(1)前期钻井液体系的应用情况2 0 2 0年之前,富县区块钻井液体系以钾铵基钻井液体系为主,钾铵基钻井液体系主要特点为表现为:低伤害、低固相、低失水,低成本。该钻井液体系配方目前存在的问题主要有以下两个方面。抑制性不足:钾铵基钻井液配方抑制剂含量少,在通常情况下多为分散钻井液,主要依靠膨润土的水化分散提高钻井液的黏度和切力,钻井液抑制性严重不足,尤其是在泥岩段钻井液分散严重,威胁井下安全。钻井液护胶能力不足:钾铵基钻井液的泥饼主要依靠裸露的膨润土分散形成泥饼,对黏土颗粒的护胶不足,泥饼稳定性不足,容易受到地层环境污染、高温、固控等环境因素影响而降低泥饼质量。由于泥饼中分散的裸露黏土颗粒多,黏性强而不光滑,容易造成黏附卡钻等井下复杂情况发生。(2)聚胺钻井液体系的优选富县区块井壁易失稳,且下古生界盐膏层发育,钻井液体系应具有较强的井壁稳定和抗盐膏污染能力,通过调研优选出了聚胺钻井液体系,并开展了大量室内试验,最终确定聚胺钻井液体系具体配方如下:清水+3%淀粉+0.5%P A C-L V+3%Q S-1+0.2%X C+2%乳化沥青+0.5%聚胺+5%氯化钾+1%润滑剂+0.1%杀菌剂。4 整体实施效果分析经过不断的优化钻井参数和钻头选型,以及优选钻井液体系,2 0 1 9-2 0 2 1年富县气藏完钻井平均钻井周期3 3.4 0天,比2 0 1 8年缩短了3.7 5%;平均机械钻速9.0 8 m/h,比2 0 1 8年提高了2 8.6 1%,同时井径扩大率指标也明显改善;其中多井多项钻井指标均刷新该区块记录。5 结论与认识(1)针对富县钻井工程难点,通过矿物组分及理化性能、三压力剖面、地层抗钻特性等基础研究,揭示了井壁失稳机理及制约钻井提速因素,为开展钻井技术研究奠定了详实的理论依据。(2)通过梳理完钻井井史,建立了富县区块钻头应用数据库,并利用主成分分析法优选出了高效P D C钻头,形成了各井段钻头推荐方案。(3)基于激进钻井参数提速原理,明确了直井、水平井钻井参数方案;并开展了激进钻井参数对钻具、循环系统及井眼稳定性影响分析。(4)通过室内评价优选出了相应沥青、聚胺、淀粉等处理剂,最终形成了该地区抗盐防塌的聚胺钻井液体系。参考文献1 胡南,夏宏泉,付建红.大港油田港中区块地层三压 力 剖 面 的 建 立 及 应 用 J.钻 采 工 艺,2 0 1 1,3 4(4):1 0 5-1 0 8.2 窦同伟,刘清友,任海涛,孙景涛,周岩.地层岩石抗 钻 特 性 横 向 分 布 规 律 J.石 油 学 报,2 0 1 6,3 7(S 2):1 4 4-1 4 9.3 姜喜龙.某区块地层抗钻强度及井壁稳定研究D.东北石油大学,2 0 1 4.4 邱正松,钟汉毅,黄维安.新型聚胺页岩抑制剂特性及作用机理J.石油学报.2 0 1 1,3 2(4):6 7 8-6 8 2.5 马旭杰,张生军,蒋龙军等.深层致密砂岩钻井参数强化研究J.内蒙古石油化工.2 0 0 9(9):9 2-9 4.6 张立刚,吕华恩,李士斌等.钻井参数实时优选方法的研究与应用J.石油钻探技术.2 0 0 9,3 7(4):3 5-3 8.7 周权,张建丽,张喜民等.定北区块钻头选型的难点 及 对 策 J.石 油 地 质 与 工 程.2 0 1 4,2 8(3):9 2-9 5.69 内蒙古石油化工2 0 2 3年第6期