气体全过程欠平衡钻井压力控制技术探讨

成功完成十多口全过程欠 平衡井。 目前套管 阀主 要 有 7 和 9 5/ 8 两种 规 格 , 国 外 主要以美国 Weat her ford 为主。 国内新 疆、 北京 等也 都在不同程 度上 进行 了研 究 , 分 别研 制出 自 己的 井 下套管阀和 地面 配套 设备 , 套管 阀具 体的 规 格参 数 如表 2 所示。 从表 2 可以看出, 7 套管阀阀板两侧的压差可以达 到 70M P a, 而 9 5/ 8 的套管阀目前只能承受 35MP a 的 压差。 2 大庆深层气体全过程欠平衡钻井压力控制技术难点 2. 1 深层气层属于高压储层 ( 1) 储层的孔渗特征: 大庆深层天然气储层主要为 营城组的砂砾岩储层和火山岩储层, 两种储层的孔渗特 性及其代表井的产能情况见表 3。 从表 3 可知, 对于砾岩高产储层其渗透率在 1. 0 - 3 10 m 2 以上 , 孔隙 度大于 6% ; 商业气层 的渗透率 在 ( 0. 2~ 1. 0) 10- 3 m 2 之间, 孔隙度在 4% ~ 6% 之间 ; 对于火 山 岩 , 达 到 商 业 气 流 储 层, 渗 透 率 在 0. 05 10 m 以上 , 孔隙度在 6% ~ 10% 之间。具备商业气 层的孔渗特征 , 火山岩储层要好于砾岩储层。 ( 2) 储层压力特征见表 4。 从表 4 可知, 松辽盆地北部深层储气层压力达到了 40M Pa 以上 , 地层压力梯度在 1. 02~ 1. 52 之间 , 实现 气体全过程欠平衡钻井的压力控制装置应达到 40M Pa 以上。
35 70 采用压力操作方式 ( 通过控制线 ) 3. 5 ~ 5 2669 3778
3800
6870
表 3 松辽盆 地深层天然气储层孔渗特征评价数据表 储层类型 类高产气层 类商业气层 类低产气层 表4 地区 安达 徐中 徐东 渗透率 ( 10 火山岩 0. 1 0. 1~ 0. 05 0. 05~ 0. 005
pM ZRT 可得到气体平面径向流的一个近似式[ 3] : = 774. 6k h( p e - p wf ) - re T Z ln rw 式中 : qsc 标准状态下的产气量, m 3 / d; q sc = k Z T h rw re pe 渗透率, 10- 3 m 2 ( 即 mD) ; 气体粘度, MP a s; 气体偏差系数; 气层温度, K; 气层有效厚度, m; 井底半径 , m; 距井轴的任意半径 , m; r 处的压力 , M Pa;
图1
国内近年全过程欠平衡钻井统计图
从图 1 可以看出, 近年来国内全过程欠平衡钻井已 占欠平衡钻井总数的 25% 以上 , 而且基本属于上升趋势。 全过程欠平衡钻井技术的应用关键在于压力控制 技术的发展应用, 在压力控制手段上除了井口控制设备 及旋转控制头外, 最主要的两种控制设备就是井下套管 阀和不压井起下钻设备。
2011 年第 1 期
西部探矿工程
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气体全过程欠平衡钻井压力控制技术探讨
杨 毅 1 , 宋瑞宏1 , 姜玉芳2
*
( 1. 大庆钻井工程技术研究院欠平衡钻井技术研究所 , 黑龙江 大庆 163413; 2. 大庆钻井工程技术研究院设计中心 , 黑龙江 大庆 163413) 摘 要: 简述了国内外全过程欠平衡钻井技术及其控压设备的应用现状 , 分析了不压井起下钻装置和
国外 ( Weatherfo rd) 7 209. 5 154. 8 3048 35 35 7 211 154. 8 3048 70 56 9 5/ 8 304. 8 220. 5 4191 35 35 35 7 210 152 2400 65 43 35
国内新疆 7 216 158 2400 65 43 35 液压管线控制 3. 5 ~ 5 3800 9 5/ 8 310 220 2395 66 61 35
3
起下钻过程中的井口控压设备。其主要工作原理是起 下钻过程中, 通过设备上的两个固定卡瓦和两个移动卡 瓦的交替开关, 来实现对井下钻具的有控制起下 , 从而 解决了对井下压力的控制和在 管轻 状态下可能出现 的 放火箭 等危险事故 。 不压井起下钻装置在国内外全过程欠平衡钻井中 都进行了不同程度的应用 , 其中美国、 加拿大等国家的
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m2 ) 砾岩 1. 0
孔隙度 ( % ) 火山岩 10 10~ 6 6~ 2 砾岩 6 6~ 4 4~ 2. 5
代表井产气情况 ( m 3 / d) 火山岩 升深 2 井 326972 芳深 9 井 升深 7 井 50938 4417 砾岩 徐深 6 井 徐深 1 井 徐深 5 井 522676 54758 6619
2 2
( 3)
( 4)
2. 2
现有设备控制压力难度大 松辽盆地深层天然气钻井一般都采用标准的井身
结构, 即: 444. 5mm 钻 头 339. 7mm 套 管 + 311. 2m m 钻头 244. 9m m 套管 + 215. 9m m 钻 头 139. 7m m 套管。在三开井段的全过程欠平衡钻 井中如果 使用 套管 阀 来进 行 压力 控 制, 就必 须 使用 9 5/ 8 的套管阀。但目前国内外 9 5/ 8 的套管阀最大 工作压力为 35MP a, 不压井起下钻装置最大下压力只 有31. 5M Pa, 不能满足 40M Pa 以上地层压力的需求。 2. 3 套管阀工作难度大 ( 1) 套管阀关闭后井底压力与时间的关系分析 : 根 q r = k( 2 h) dp dr 连续方程: q = 1 q 1 = 2 q 2 = 常数 和偏差系数气体状态方程 :
国外 ( Hy dr a Rig 公司 [ 2] ) H RS- 340 1511. 4 835. 7 25. 4~ 3. 048 279. 4
从表 1 可以看出 , 不压井起下钻装置最大能承受 1156kN 左右的防顶力 , 而国产的只能承受 300kN 。根 据井口压力和上顶力的关系式 : Fp Pa = 2 ( 1) 0. 7854 d 式中 : F p Pa 井内欠压值产生的上顶力 , N; 井口套压值 , MP a;
1. 0~ 0. 2 0. 5~ 0. 1
松辽盆地深层储气层的压力特征 地层压力 ( M Pa)
井号 达深 3 井 徐深 1 井 徐深 9 井 徐深 21 井 徐深 232 井
压力计深度 ( m) 3799. 50 4233. 08 3596. 27 3619. 33 4139. 00
地层压力 压力梯度 ( M Pa) ( M Pa/ 100m) 47. 51 64. 71 40. 42 41. 17 42. 30 1. 25 1. 52 1. 12 1. 14 1. 02
套管阀装置的优缺点。 针对大庆气体钻井过程中所遇到的诸多问题和大庆地层的物理特性, 对大庆 油田深层实施全过程气体欠平衡钻井的技术难点进行了深入分析 , 认为现有控压设备不能满足大庆 油田高压气层气体全过程欠平衡钻井的需求。 为此提出了旋转控制头总成密封控制法和气流引导法 两种深层气体钻井的控压设备及方案 , 在达深 9、 徐深 41 等五口气体钻井中进行了现场应用, 在有烃 值显示的情况下起下钻时使用该方案有效地控制了地层气从井口返出, 从而达到推进气体全过程欠 平衡钻井作业的进程, 提高气体钻井效率的目的 。 关键词: 欠平衡钻井; 气体钻井; 压力控制; 不压井起下钻 ; 套管阀 中图分类号: T E242. 6 文献标识码: A 文章编号 : 1004 5716( 2011) 01 0043 05 全过程欠平衡钻井是指从开钻到完井的整个作业 过程都实现欠平衡状态的一种钻井工艺。在正常钻进 过程中保持欠平衡状态是比较容易实现的, 而在起下钻 过程中保持欠平衡状态则需要使用除旋转控制头之外 的其它压力控制设备。对于流体欠平衡钻井通过控制 钻井液密度来调节套压值 , 实现流体全过程欠平衡钻井 的压力控制技术相对成熟 , 在油气田勘探开发中进行了 推广使用。但用气体钻井实现全过程欠平衡相对来说 增加了很大的难度。气体钻井技术在大庆深层天然气 勘探中的应用效果表明 , 该项技术在提高机械钻速、 及 时发现油气藏等方面都取得了良好的效果。要使用气 体钻井打开储层 , 并保护好储层使其不受污染 , 就要使 用全过程欠平衡钻井技术 , 而气体全过程欠平衡钻井技 术的关键是实现其压力控制。为此 , 开展大庆深层气体 全过程欠平衡钻井压力控制技术的探讨和研究, 对提升 深井钻井成功率、 提高钻井效率都有十分重要的意义。 1 全过程欠平衡钻井压力控制技术应用现状 鉴于欠平衡钻井在提高油气井产量和发现与保护 储层的突出作用 , 全过程欠平衡钻井在近年来的欠平衡 钻井中所占的比例越来越大, 在北美地区得到了广泛的 应用 , 据不完全统计 , 在美国和加拿大仅气体欠平衡钻 井的进尺就分别占总进尺的 30% 和 17% 左右 , 并且大 多数的气体钻井为全过程欠平衡钻井。国外高度重视
* 收稿日期 : 2010 04 14 第一作者简介 : 杨毅 ( 1984 ) , 男 ( 汉族 ) , 陕西延安人 , 助理工程师 , 现从事欠平衡 / 气体钻井技术工作。
对储层的保护 , 全过程欠平衡钻井技术只要条件允许都 得到了不同程度的应用。 随着对欠平衡技术的深入研究和设备引进, 近年来 国内多个油田也对全过程欠平衡钻井技术进行了现场 的试验和应用 , 比如四川、 新疆等。图 1 为近年我国全 过程欠平衡钻井的井数统计。
表1 参数 型号 最大 举升力( kN) 最大 下压力( kN) 卡瓦规格 ( mm) 举升行程 ( m) 最大通径 ( m) H RS- 225 1044. 6 533. 4 25. 4~ 3. 048 279. 4 139. 7
[ 1]
不压井起下钻装置参数 四川欠平衡钻井公司 H RS- 600 2667. 2 1155. 8 193. 7 25. 4~ 219. 1 3. 048 381. 0 60t 不压井起下钻装置 600 300 60. 3~ 3. 5 279. 4 177. 8
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表 2 井下套管阀参数
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参数 规格 外径 ( mm) 内径 ( mm) 长度 ( mm) 壳体最大内压 ( M Pa) 壳体最大外压 ( M Pa) 阀板两侧压差 ( M Pa) 控制方式 操作压力 ( M Pa) 拉伸 额定值( kN) 7 215. 9 159. 4 3048 35 35 35
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西部探矿工程 不压井起下钻装置 不压井起下钻装置是一种用于全过程欠平衡钻井
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钻井技术服务公司都在现场使用过该项技术。国内四 川、 江汉、 华北等油田也对该装置进行了研发和使用, 其 中只有四川进行了现场试验, 在 1999~ 2006 年期间四 川利用不压井起下钻装置共完成了 48 口全过程 欠平 衡, 在井浅 2 井中使用纯天然气全过程欠平衡钻井共发 现两个气层, 完井测试产量 5. 28 104 m 3 / d, 而同井场 的井浅 1 井用常规钻井方式酸化后仅获气 1840 m / d。 实现了该构造组油气勘探开发的重大突破。国内外不 压井起下钻装置具体参数如表 1 所示。
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
d 钻具的最大外径, m m 。 可以算出在钻头直径为 216mm 的井眼中 , 国外的 不压井起下钻设备能承受的最大井口压力为 31. 5M Pa 左右 , 而国内的则只有 8. 2MP a 。也就是说井口的压力 如果超过这个范围就可能出现控压失效。况且该装置 属于井口控制设备, 一旦发生意外就没有补救的方法 , 而且承压能力低 , 只适用于储层压力较低的气藏 , 或液 相欠平衡钻井作业中。 井下套管阀 井下套管阀 是 一种 安 装于 套 管上 的 截 止阀 , 可 作为技术套管 的组 成 部分 下入 并固 在井 中 , 主要 是 1. 2 通过井下阀板 的关 闭 来隔 离井 下的 油气 和 压力 , 保 证井口安全作业。它对任何 循环介 质的欠 平衡钻 井 都能起到井下封隔作用 , 而且 控压效果 好 , 即使失 效 井口的控制设 备还 可 以进 行再 次控 制 , 并 且 操作 工 艺简单 , 安全 性较 好。新 疆在 夏 202 井中 对 国产 套 管阀进行了现场应用 , 并获得 日产 油 111m , 日产 气 5800m 3 的高产 油气 流。到 目 前为 止 利用 套 管阀 已