大牛地气田某井的钻井工程设计大学论文.doc

大牛地气田某井的钻井工程设计 以DP46S井为例摘要：大牛地气田位于鄂尔多斯盆地，属于低孔、低渗、低丰度油气藏，加之该地区地形复杂，所以能否实现优快钻井与该地区是否具有开发价值息息相关。本论文主要是运用钻井工程理论与技术，通过对大牛地气田的地质概况进行分析并结合该地区现阶段的钻井技术对大牛地气田DP46S井的钻井工程进行设计。具体来讲，本文是通过对大牛地气田的分析，再参照该地区近年来形成的一套优化快速的钻井体系对DP46S井的井眼轨道、井身结构、钻具组合、钻头类型及水利参数、钻井液体系等方面进行设计，并希望通过此文加深人们对该地区地质特征、油气存储等方面的认识，为该地区今后的石油天然气的勘探和开发提供帮助。关键词：大牛地气田；地质概况；井眼轨道；钻具组合；钻井液体系A Well Drilling Engineering Design in Daniudi Gas Field A Case Study of DP46S WellAbstract: Daniudi gas field in ordos basin, belongs to low porosity, low permeability and low abundance reservoirs, plus the complex terrain of the region，so can not use the optimized drilling is closely related to the region has the development value. This essay mainly use theory and technology of drilling engineering, analysis of the Daniudi gas field geological survey and combined with the region's current drilling technology on DP46S Daniudi gas field well drilling engineering design. Specifically, this article is based on the analysis of Daniudi gas field, and with reference to the region in recent years to formed a set of optimized and rapidly drilling system for DP46S well hole design, wellbore structure, assembly, bit type and hydraulic parameters,drilling fluid system by the line design, and hope that through this article to deepen the people to the region geological characteristics, oil and gas storage and other aspects of the understanding, to help the future exploration and development in this region.Key words: Daniudi Gas Field; geological survey; wellbore track; assembly; drilling fluid system目录1绪论11.1研究目的11.2发展现状11.3研究内容22 地质概况22.1大牛地气田的地质概况22.2 DP46S井的地质概况33 井的设计53.1开钻前要求53.2 井眼设计53.2.1 井眼设计原则53.2.2 该井井眼结构设计53.3井身结构及钻井固井程序设计73.3.1 井身结构设计及钻具组合73.3.2套管强度设计103.4 钻井液体系设计114 结论12参考文献13致 谢141绪论在石油天然气的勘探开发过程中，钻井起着极其重要的作用。诸如寻找含油气构造、探明油气储量、获取油田地质资料、获取工业气流直至将其取到地面上来等都与钻井密不可分。因此，一口井的合理钻取对于石油天然气的勘探和开发至关重要。1.1研究目的大牛地气田位于鄂尔多斯盆地，储层低孔低渗，加之该地区经济落后，人烟稀少，地形复杂，海拔一般为12301360m，鉴于上述情况该地区石油天然气的勘探和开发较为缓慢。本文通过对大牛地气田地质概况、钻井技术等方面的研究来对大牛地气田DP46S井的钻井工程进行设计，并希望通过此文加深人们对该地区的认识，为该地区今后的石油天然气的勘探和开发提供帮助。1.2发展现状随着勘探开发的不断深入；地质资料的不断增多，人们对大牛地气田的认识也不断深入。本文就大牛地气田现阶段钻井技术的以下方面做一简单的介绍：（1）钻头及钻井参数通过对钻头和钻井参数的优化，使该地区的钻井工艺技术更加的科学化、合理化，优化后机械钻速较原来提高了12.46%，钻井周期缩短了12.86%，从而提高了气田开发效益。（2）钻井液体系经生产实践表明：大牛地气田的储层损害机理主要为液相圈闭和固相侵入。2004 年以前，该气田在生产实践中使用4种钻井完井液体系，通过优化，目前该地区选用的主要为天然高分子钻井液体系和甲胺基钻井液体系。（3）固井技术由于大牛地气田的地质特征以及现阶段的钻井技术的限制，该气田所钻井在完井之后需进行压裂等措施才能获取工业气流。因此，要求完井液、完井工艺技术能够最大限度的保护储层。此外，为了避免在固井过程中出现泄漏等现象采用防气窜短促凝近平衡技术，即在固井过程中保持环空动液柱压力与地层破裂压力基本平衡。生产套管固井优质率93.6%，合格率100%。在钻井完井液体系方面：通过对储层地质特征和储层敏感性分析并结合对该地区以往完井液体系的研究，优化出了能很好的应用于水平井钻井的低成本的钾铵基聚合醇和钾铵基悬浮乳液钻井完井液体系。经实验表明：钾铵基聚合醇伤害率小，平均渗透率恢复率为76%；钾铵基悬浮乳液钻井完井液体系的渗透率恢复率大于66%。2010年DPS-1井、DP25H 井采用钾铵基聚合物钻井完井液体系，DP26T 井采用钾铵基悬浮乳液钻井完井液体系，均大幅降低了钻井液费用，仅为2009年费用的50%左右。1.3研究内容（1） 了解大牛地气田的地质特征、现阶段该地区的钻井技术以及该井的 地质概况；（2）对该井所钻遇地层进行研究，设计出合理的井眼轨道和井身结构以 及固井体系；（3）根据该井设计好的井身结构和井眼轨道并结合该地区的地质特征对 该井在钻进过程中所使用的钻头、钻具组合进行研究、设计；（4）根据该井的地质特征设计出钻井完井液体系，力求最大程度的保护 储层。2 地质概况2.1大牛地气田的地质概况大牛地气田位于鄂尔多斯盆地伊陕斜坡北部，储层物性较差，平均孔隙度为7.7%，平均渗透率为0.76×10m，属于低孔低渗气藏。整体来讲该气田倾角小于1°，裂缝不发育，气藏类型为致密砂岩岩性气藏。其地理位置位于内蒙古乌审旗与陕西省榆林市的交界处，如图1所示。根据生产实践可得：大牛地气田所钻遇地层主要为第四系、白垩系、侏罗系、三叠系、二叠系、石炭系等，着重研究的主要是石炭系太原组、二叠系山西组和下石盒子组气层，其埋深一般为25002900m。其中石炭系太原组以海相沉积环境为主，储层非均质性较小，岩性主要为泥岩、煤层与砂岩互层，并且局部夹灰岩透镜体；而二叠系山西组为海陆过渡沉积和陆相沉积，经研究该层段的主力含气层为山1段，岩性主要为砂岩、砂砾岩、砾岩、泥岩、黑色炭质泥岩互层。 图1大牛地气田地理位置图2.2 DP46S井的地质概况DP46S井是大牛地气田内的一口水平气井，其地理位置位于内蒙古自治区鄂尔多斯市伊金霍洛旗扎萨克镇台格庙嘎查三社，构造位置位于鄂尔多斯盆地伊陕斜坡东北部。井口位于D33井口359.67°方向1009.01m处。设计井深3851.09 m，垂深2648.05m，设计方位165°，完钻地层为二叠系下统山西组山1段。其井口及靶点坐标见表1，钻遇地层预测简表见表2表1 井口及靶点坐标项目井口导眼靶点A靶点B靶点X4334916.214334626.404334578.134333612.2Y19384820.0019384898.0019384910.5919385169.41距井口方位/165°165°165°距井口距离/300m350m1350m垂深/2649m2651m2648.5m斜深/2801.35m2851.08m3851.09m表2 DP46S井所钻地层预测表地 层 系 统垂深(m)垂厚(m)岩 性 简 述界系统组段代号新生界第四系全新统Q41515该段全为浅灰黄色中-细粒散砂层。中生界白垩系下统志丹群K1z190175上部为棕色泥岩与砂岩互层，底部为棕褐色中、粗粒砂岩。侏罗系中下统安定组J2a406216上部为棕红色泥岩夹杂紫色泥灰岩，底部为棕褐色粗砂岩。直罗组J2z596190上中部为棕、灰绿色泥岩与同色中砂岩略等厚互层。下部为灰绿色中、粗粒砂岩延安组J1-2y826230上部灰色泥岩与浅灰细砂岩、粉砂岩不等厚互层，其中夹多层炭质泥岩及煤层。下部为灰白色中砂岩夹薄层同色泥岩，底部同色含砾中、粗砂岩。三叠系上统延长组T3y1396570上部为灰、灰绿色泥岩、泥质粉砂岩与灰、灰绿色中、细砂岩不等厚互层。下部为浅棕色中砂岩与灰、灰绿色泥岩不等厚互层。中统二马营组T2e1571175浅棕灰色中砂岩与灰绿、棕红色泥岩不等厚互层。下统和尚沟组T1h1939368上部灰绿、灰、棕及杂色泥岩，下部杂色泥岩与浅棕灰色细、中砂岩不等厚互层。刘家沟组T1l2085146浅棕灰色细砂岩与灰绿、棕色泥岩呈略等厚互层，底部为浅色细砂岩。上古生界二叠系上统石千峰组P2sh2330245上、中部为浅棕、灰色细砂岩与棕、棕红色泥岩不等厚互层。下部为棕灰色细、中砂岩并发育有褐、灰绿色泥岩。底部为灰白色粗、中砂岩。上石盒子组P2s2475145紫、棕褐及杂色泥岩与棕灰、灰白、浅灰色细、中砂岩不等厚互层夹灰绿色粘土岩。底灰、浅灰色中砂岩。下统下石盒子组盒3P1x3251540棕褐中、粗砂岩中上部有棕红色泥岩，底部发育灰绿色泥岩。盒2P1x2255136棕褐中、粗砂岩中上部有棕红色泥岩，底部发育灰绿色泥岩。盒1P1x1259342浅灰、灰白色中、粗粒砂岩和夹灰色泥岩薄层的含砾粗砂岩。山西组山2P1s2263441主要为深灰色泥岩夹杂少量的浅灰色细砂岩。山1P1s12651（A靶点）17（未穿）该段储层岩性为单一的浅灰色粗砂岩、中砂岩。2648.5（B靶点）2.5（未穿）该段储层岩性为单一的浅灰色粗砂岩、中砂岩。3 井的设计3.1开钻前要求（1）严格按照要求安装钻井设备。调整转盘、天车，使其与井眼轴线处于同一铅垂线上，要求偏差不超过10mm，正常运转超过2h，认真观察运转情况，待验收合格后，方可正式开钻。（2）开钻前要认真贯彻设计，按照设计要求做好开钻前的各项准备，对于设计上提出的各方面的技术要求要认真贯彻，确保在钻进过程中能顺利实施。（3）要求地面净化设备配备齐全，包括振动筛2台、除砂器1台、除泥器1台、离心机1台，尽量减少对储层以及环境的损害 。3.2 井眼设计3.2.1 井眼设计原则（1）根据现有的各种数据以及油气田的勘探开发要求，保证井的顺利钻进。（2）根据油气田的构造、油气产状等的特征，要求所设计的井眼能尽可能的 提高油气产量和采收率。（3）在选择造斜点，井眼曲率等参数时，要充分考虑以后的各种作业。如尽可能为钻井、采油、修井等作业的实施提供有利条件。（4）在满足能够按照勘探开发要求顺利实现以钻井为目的的前提下，应尽可能选取简单的井眼轨道类型，力求最大程度的降低井眼轨道控制的难度，减少工作量，有利于优化、快速的钻进，降低钻井成本 。3.2.2 该井井眼结构设计根据大牛地气田形成的优快钻井技术以及本井的地质概况，本井的井眼轨道设计如表3所示，垂直剖面图如图2所示表3轨道各点数据井深m井斜角°方位角°垂深m水平位移m南北位移m东西位移m造斜率°/30m备注0.000.00165.000.000.000.000.000.002301.690.00165.002301.690.000.000.000.00造斜点2331.694.92165.002331.661.29-1.240.334.922361.699.84165.002361.405.14-4.971.334.922391.6914.76165.002390.7011.53-11.142.984.922421.6919.68165.002419.3520.41-19.715.284.922451.6924.60165.002447.1331.71-30.638.214.922481.6929.52165.002473.8345.36-43.8111.744.922511.6934.45165.002499.2761.25-59.1615.854.922541.6939.37165.002523.2579.26-76.5620.514.922571.6944.29165.002545.6099.26-95.8725.694.922601.6949.21165.002566.15121.10-116.9731.344.922631.6954.13165.002584.75144.63-139.7037.434.922661.6959.05165.002601.26169.66-163.8843.914.922691.6963.97165.002615.57196.02-189.3450.734.922721.6968.89165.002627.56223.51-215.8957.854.922751.6973.81165.002637.15251.92-243.3465.204.922769.8376.78164.942641.79269.44-260.1870.034.92侧钻点2781.6978.73165.002644.27281.06-271.4872.744.922811.6983.65165.002648.86310.70-300.1180.414.922841.6988.57165.002650.89340.62-329.0188.164.922851.0890.11165.002651.00350.01-338.0890.594.92A2881.0890.11165.002650.94380.01-367.0698.350.002911.0890.11165.002650.88410.01-396.04106.120.002941.0890.11165.002650.82440.01-425.01113.880.002951.0890.11165.002650.80450.00-434.67116.470.002952.5290.17165.002650.80451.45-436.06116.841.202982.5290.17165.002650.71481.45-465.04124.610.003012.5290.17165.002650.62511.45-494.02132.370.003042.5290.17165.002650.53541.45-523.00140.130.003051.0990.17165.002650.50550.01-531.27142.350.003052.5590.11165.002650.50551.47-532.68142.73-1.203082.5590.11165.002650.44581.47-561.66150.500.003112.5590.11165.002650.38611.47-590.64158.260.003142.5590.11165.002650.32641.47-619.62166.030.003151.0990.11165.002650.30650.01-627.86168.240.003152.5590.17165.002650.30651.47-629.27168.621.203182.5590.17165.002650.21681.47-658.25176.380.003212.5590.17165.002650.12711.47-687.23184.150.003242.5590.17165.002650.03741.47-716.20191.910.003251.0890.17165.002650.00750.01-724.45194.120.003252.5490.11165.002650.00751.46-725.85194.501.203282.5490.11165.002649.94781.46-754.83202.260.003312.5490.11165.002649.88811.46-783.81210.020.003342.5490.11165.002649.82841.46-812.79217.790.003351.0890.11165.002649.80850.00-821.04220.000.003352.5390.17165.002649.80851.46-822.44220.381.203382.5390.17165.002649.71881.46-851.42228.140.003412.5390.17165.002649.62911.46-880.40235.900.003442.5390.17165.002649.53941.46-909.38243.670.003451.0990.17165.002649.50950.01-917.64245.880.003452.5490.11165.002649.50951.46-919.04246.26-1.203482.5490.11165.002649.44981.46-948.02254.020.003512.5490.11165.002649.381011.46-977.00261.780.003542.5490.11165.002649.321041.46-1005.98269.550.003551.0990.11165.002649.301050.01-1014.23271.760.003552.5590.17165.002649.301051.47-1015.64272.141.203582.5590.17165.002649.211081.47-1044.62279.900.003612.5590.17165.002649.121111.47-1073.59287.670.003642.5590.17165.002649.031141.47-1102.57295.440.003651.0990.17165.002649.001150.01-1110.82297.650.003652.5590.11165.002649.001151.47-1112.23298.03-1.203682.5590.11165.002648.941181.47-1141.21305.790.003712.5590.11165.002648.881211.47-1170.19313.560.003742.5590.11165.002648.821241.47-1199.16321.320.003751.0890.11165.002648.801250.00-1207.41323.530.003752.5490.17165.002648.801251.46-1208.81323.911.203782.5490.17165.002648.711281.46-1237.79331.670.003812.5490.17165.002648.621311.46-1266.77339.430.003842.5490.17165.002648.531341.46-1295.75347.200.003851.0990.17165.002648.501350.01-1304.01349.410.00B图2 DP46S井导眼设计垂直剖面示意图3.3井身结构及钻井固井程序设计3.3.1 井身结构设计及钻具组合依据DP46S井所钻地层预测表、大牛地气田形成的优快钻井技术以及参考井身结构设计方法（SY/T 5431-2008），大牛地气田DP46S井采用三开式井身结构，接下来本文就该井每开的井眼尺寸、井深、固井程序、钻具组合等方面进行研究设计 。一开采用311.1mm钻头钻至401米。推荐钻具组合为311.1mm钻头203.2无磁钻铤×1根203.2钻铤×8根177.8钻铤×9根127mm钻杆；所用钻压为6080kN；转速为80110 r/min；排量为4555L/s。待钻井完成后下入244.5mm套管进行固井。该次下入的套管为表层套管，其主要作用是封固第四系黄土层和志丹群砂砾和泥岩等疏松地层，防止出现井壁坍塌等现象，要求水泥浆返至地面，保证固井质量。注意事项：(1) 由于上部地层松软，井壁极易受到损害，为了保证井身质量，刚开始时要轻压钻进，待井眼逐渐加深后再转入正常钻进，每钻完一个单根后需洗井23分钟并修整井壁。(2)由于上部地层松软，在钻进时井壁易出现垮塌现象，所以钻进时易出现沉砂卡钻现象。为了解决这一问题，接单根时要不断开转盘活动钻具。(3)钻达设计井深后，应加重泥浆维持井壁稳定，下套管前反复清洗井底，确保井底清洁，进行短起下钻，确保井眼畅通后再按要求下入套管进行固井。二开采用215.9mm钻头导眼钻至2885.69m，回填，侧钻点2769.83m，主井眼造斜一次击中A点。具体来说，该段首先垂直下钻至2301.69m，推荐钻具组合：215.9mm钻头+158.8mm无磁钻铤1根 +158.8mm钻铤1根+214mm扶正器+158.8mm钻铤7根+127.0mm加重钻杆30根127.0mm钻杆，所用钻压：120140 kN；转速：90100 r/min；排量：2830L/s。然后打导眼侧钻至2885.69m，该段井斜角：076.78°；造斜率：4.92º/30m。由于该段为斜井，所以推荐钻具组合为定向钻具组合为215.9m钻头+172mm单弯动力钻具+ MWD无磁循环短节+159mm无磁钻铤9m+159mm无磁转换接头+127mm无磁承压钻杆9m+127mm加重钻杆+127mm斜台阶钻杆+127mm钻杆，所用钻井参数为泵压1821 MPa；压差 11.5MPa；排量28-30L/S。回填至2769.83m开始侧钻，钻至2851.08m，该段井斜角：76.7890.11°；造斜率：4.92º/30m。推荐钻具组合：215.9m钻头+172mm单弯动力钻具+ MWD无磁循环短节+159mm无磁钻铤9m+159mm无磁转换接头+127mm无磁承压钻杆9m+127mm加重钻杆+127mm斜台阶钻杆+127mm钻杆，所用钻井参数为：泵压1821 MPa；压差 11.5MPa；排量 2830L/S。待钻井完成后下177.8mm技术套管进行固井，为三开水平段的安全施工、顺利钻进提供有利条件。注意事项：(1)开眼要直，其次因为在下入表层套管固井后会出现水泥与地层接触的界面，在钻遇此界面时容易打斜，所以钻压一定要小，钻速也应严格控制。待钻铤全部进入新地层后才可恢复正常加压进行钻进。(2)由于上部地层松软，在钻进时易吸水膨胀形成厚泥饼而造成卡钻，所以在钻进时仍要坚持短程起下钻制度：每钻进200300m(或纯钻时间50 60h)，短程起下钻一次以保证起下钻畅通，如果在此过程中遇阻则要反复进行拉井壁或划眼，直到井眼畅通后再继续钻进。(3)应控制好起下钻速度，防止井底压力变化较大而造成井涌、井塌、井漏等井下复杂事故。(4)在钻进过程中应严格监控直井段井身质量。要求每钻进100200m就用单点测斜进行一次测斜，并计算井眼轨迹，严格控制井斜角、水平位移等各个井身要素都在设计要求的范围内，若发现有超标趋势，则应及时纠正。(5)起钻前，要充分调整好钻井液性能，要求既能实现该井段的顺利钻进，又能为定向造斜钻进作好井眼准备。(6)如果下钻遇阻但没有超过l00kN时，主要应该以冲通为主，禁止硬砸硬压，特别是在下钻到造斜点附近时要严格控制下钻速度，防止把钻头和稳定器塞入小井眼中，造成卡钻事故。(7)旋转钻进时，可根据现场具体施工情况，灵活应用，及时调整钻进的各项参数，从而提高施工速度。三开水平段采用152.4mm钻头由2851.08m钻至3851.09m B靶点，井斜角为90.11°90.17°。推荐钻具组合为：152.4mm钻头+120mm1.0º单弯动力钻具+120mm无磁钻铤9m+LWD（自然伽玛）+88.9mm无磁承压钻杆9m+88.9mm斜台阶钻杆 +88.9mm加重钻杆+88.9mm钻杆。钻进参数为：钻压 50100kN；螺杆+30r/min；排量为：16-18L/S。根据大牛地气田井身结构的优化，在目的层段，如果水平段钻遇煤层和泥岩采用预制管完井，如果钻遇全部为砂岩则采用裸眼完井。由于本井的在B靶点处的山1段的岩性为砂岩，所以采用裸眼完井。注意事项：(1)每钻进一个单根就应及时计算井眼轨迹，测量一次井斜角、方位角等数据，确保井眼轨迹能按照设计要求达到目的层位和靶点而进行延伸。(2)在调整下入旋转或复合钻具组合时，要求既要满足井眼轨迹的需要，又要达到能够清除井底岩屑床的目的。(3)在钻进过程中要根据扭矩和摩阻的情况，判断岩屑床问题，并且能够在短起下钻过程中，清除岩屑床。(4)每钻进l00200m，短起下钻一次，短起下钻井段长度100500m，短 起下钻过程中，视情况可采用倒划眼的措施，清除岩屑床。(5)泥浆性能优良，四级净化设备运转良好，确保井下安全。(6)完钻后应收集全部井眼的井斜、方位数据，认真分析并计算出实钻轨迹的全部数据。综上所述大牛地气田DP46S井的井身结构与套管程序设计见表4。表4井身结构与套管程序数据表开数井眼尺寸×井深套管尺寸×下深水泥返高一开311.1mm（12 1/4） ×401m 244.5mm（9 5/8） ×400m地面二开导眼215.9mm（8 1/2）×2885.69m有效水泥塞面井深2769.83m215.9mm（8 1/2）×2851.08m177.8mm（7） ×2851.08m地面三开152.4mm（6）×3851.09m裸眼完井 除上述推荐钻具组合外，还需要一些基本的钻井设备。这些钻井设备要求既能使该井能够顺利钻进，又能尽可能的节约能源、保护环境。该井的钻井主要设备见表5表5钻井主要设备序号名称型号单位数量负荷(kN)功率(kW)备注1钻机ZJ50L部1315012钻杆3200m89钻杆4000m2井架JJ315/45-D套13150K型，高度45m3提升系统天车TC315台13150游车YC350台13500大钩DG350台13500水龙头SL450台131504转盘ZP275台15850转速:最高195rpm5钻井液泵F-1600台21180最高压力35.0MPa6柴油机PZ12V190BBL-3台32430单机功率810kW7发电机1#VL436台2740单机功率370kW2#VL208台1208单机功率208kW9罐类钻井液储备罐个3单灌体积40 m3淡水储备罐个2单灌体积40 m3循环罐个5总体积260 m3环型防喷器FH35-35台110井控装置双闸板防喷器2FZ35-35台1二开，三组合，负荷能力35.0MPa压井放喷节流管汇YG-35JG/S3-35套1司钻控制台KQP6407+远控台1负荷能力35.0MPa11控制系统节流控制箱ZS2×1.15×2/3P套141#12振动筛2#ZS2×1.15×2/3P套14高频振动筛NCJ-227台12.2处理量227m3/h高频振动筛13除砂器NJ-861台12.214除泥器台115电动砂泵LW355台118.516离心机台117电磁涡轮刹车套118自动灌钻井液装置Q10Y-M台119液压大钳钻井参数仪表套120泥浆参数仪表套13.3.2套管强度设计套管柱从下入井内开始就与随后的钻进以及油气生产息息相关。套管柱在井下能否起到很好的作用主要取决于作用在套管柱上的外载以及套管本身的强度。而套管柱所受的外载，甚至套管本身的强度从套管柱入井后就是不断变化的。套管柱强度设计的任务就是要事先设计出足够支撑以后各项作业所需强度的前提下，尽量降低套管柱的成本，这就是通常所说的套管柱设计的“既安全又经济”的原则 。利用套管强度设计软件设计该井的套管强度见表6表6套管强度设计井段(m)套管尺寸(mm)段长(m)下深(m)钢级壁厚(mm)重量(kg/m)段重（t） 总重(t)抗拉(kN)抗挤(MPa)抗内压(MPa)扣型0401245400400J558.9453.5721.4321.43175313.924