了得網工業技術_復雜油氣藏鑽井理論與應用

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內容簡介

《復雜油氣藏鑽井理論與應用》主要介紹復雜油氣藏鑽井的相關基本理論和應用成果。《復雜油氣藏鑽井理論與應用》有6章，包括緒論、復雜地層工程地質力學研究、特殊結構井鑽井技術、復雜難鑽地層高效破岩技術、井下隨鑽測量技術基礎理論及其應用、復雜地層井筒壓力控制技術。

作者簡介

目錄
第1章緒論 1
1.1 復雜油氣藏類型 1
1.2 復雜油氣藏鑽井技術現狀 3
1.3 復雜油氣藏鑽井面臨的主要技術難題 7
第2章復雜地層工程地質力學研究 9
2.1 深部砂泥岩地層岩石力學特征 9
2.1.1 深部砂泥岩地層的岩石力學參數和地應力實驗研究 9
2.1.2 橫波時差曲線提取或構建 16
2.1.3 岩石力學參數的測井計算方法及實例 16
2.1.4 BD地區井壁力學穩定性分析 20
2.2 鹽膏層地層岩石力學特征 27
2.2.1 鹽層塑性蠕動特征及規律分析 27
2.2.2 鹽岩位移的黏彈性解 29
2.2.3 鹽岩岩石力學參數反演分析 30
2.2.4 確定合理鑽井液密度和安全鑽井時間 32
2.2.5 現場應用 34
2.3 頁岩氣儲層水平井井壁穩定力化耦合評價方法 35
2.3.1 井周圍岩應力分布模型 35
2.3.2 井壁穩定性判別模型 40
2.3.3 實例分析 43
參考文獻 55
第3章特殊結構井鑽井技術 57
3.1 特殊結構井鑽井工程優化設計 57
3.1.1 特殊結構井井眼軌跡設計 57
3.1.2 特殊結構井鑽柱優化設計 63
3.2 特殊結構井軌跡控制 72
3.2.1 特殊結構井軌跡控制模型的建立 72
3.2.2 特殊結構井軌跡控制影響因素分析 77
3.3 深井套管開窗工藝技術 82
3.3.1 斜向器開窗技術 82
3.3.2 段銑器開窗技術 86
3.3.3 斜向器開窗和段銑開窗技術比較 89
3.4 隨鑽擴眼技術 90
3.4.1 隨鑽擴眼鑽柱動力學模擬理論模型的建立 91
3.4.2 隨鑽擴眼鑽柱動力學影響因素分析 95
3.4.3 隨鑽擴眼效果影響因素分析 100
3.4.4 隨鑽擴眼技術現場試驗 103
3.5 小井眼流體力學與井眼淨化 104
3.5.1 超深井小井眼水力學模型 104
3.5.2 環空流速分布特征及壓力梯度影響因素分析 107
3.5.3 試驗井水力參數對比分析 109
3.5.4 井眼淨化 110
參考文獻 114
第4章復雜難鑽地層高效破岩技術 115
4.1 復雜難鑽地層鑽頭個性化設計技術 116
4.1.1 復雜難鑽地層岩石可鑽性測試 116
4.1.2 復雜難鑽地層鑽頭失效分析 122
4.1.3 PDC鑽頭的個性化設計原理 125
4.2 高效鑽頭新技術、新思想 133
4.2.1 PDC-牙輪復合鑽頭 133
4.2.2 微心鑽頭 153
4.2.3 交叉刮切PDC鑽頭 159
4.2.4 旋轉齒PDC鑽頭 161
4.2.5 錐齒鑽頭 164
4.3 個性化PDC鑽頭開發與應用 166
4.3.1 CK繫列PDC鑽頭開發與應用 166
4.3.2 內鑲二級齒PDC鑽頭開發與應用 168
4.3.3 橢圓PDC齒鑽頭開發與應用 171
4.4 輔助破岩工具 174
4.4.1 扭轉衝擊器 174
4.4.2 鑽柱延伸工具 177
參考文獻 182
第5章井下隨鑽測量技術基礎理論及其應用 184
5.1 隨鑽地層壓力測試基礎理論 184
5.1.1 隨鑽地層壓力測試原理 184
5.1.2 隨鑽地層壓力測試壓力響應特征 186
5.1.3 隨鑽地層壓力測試模擬實驗 198
5.2 隨鑽壓力和溫度測試技術及應用 203
5.2.1 隨鑽環空壓力及溫度監測裝置 203
5.2.2 隨鑽壓力溫度測試原理及標定 205
5.2.3 基於PTWD的井眼工況評價技術 212
5.2.4 現場試驗 214
5.3 井下鑽壓扭矩測試技術及應用 217
5.3.1 井下鑽壓、扭矩測試儀器結構設計 218
5.3.2 井下鑽壓、扭矩測試原理 218
5.3.3 測量儀電氣繫統及標定 221
5.3.4 井下工程參數測量儀應用 223
5.4 井下微流量隨鑽測試與控制技術 229
5.4.1 井下微流量控制鑽井繫統 229
5.4.2 井下微流量測量裝置及其測量原理 231
5.4.3 環空流量與壓差計算理論模型 234
5.4.4 井下環空流量的流體動力學模擬 237
5.4.5 井下微流量測量裝置現場試驗 239
參考文獻 242
第6章復雜地層井筒壓力控制技術 244
6.1 高溫高壓高產井非常規井控技術 244
6.2 改進動力壓井法 248
6.2.1 壓力平衡過程環空壓力場模型 248
6.2.2 擠入過程壓力模型 250
6.2.3 壓井參數設計 253
6.2.4 改進動力壓井法壓井程序 256
6.3 非常規壓井方法實例計算分析 256
6.4 井噴失控後復雜地形含硫天然氣擴散機理 261
6.4.1 常見擴散模型及其特點 261
6.4.2 基本擴散模，性的建立 264
6.4.3 特定條件下模型的解 265
6.4.4 模型數值計算方法研究 267
6.4.5 計算實例 272
參考文獻 274

前言

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第1章緒論
1.1 復雜油氣藏類型
隨著鑽井技術的進步，全球範圍內復雜油氣藏的勘探開發不斷獲得重人突破，致密油、致密氣、頁岩氣和高溫高壓高含硫氣藏等成為復雜油氣藏發展的重點領域。鑽井技術的發展與突破，使得復雜油氣藏的產量在中國陸上油氣產量中所占的比例穩步增長。未來以頁岩氣、致密氣為豐的復雜油氣藏產量將占我國油氣總產量的30%～40%，具有非常好的勘探開發前景。
1. 致密油藏（Tight Oil Reservoir）
致密油藏主要是指與生油岩層繫互層共生或緊鄰的致密砂岩儲集層中聚集的石油資源。雖然儲集層物性較差，但源儲一體或緊鄰，含油條什好，儲量大。
致密油開發*初起源於北美地區，美國是目前致密油資源開發*成功的國家，其主要致密油區帶為巴肯、伊格福特、奈阨布拉勒、尤蒂卡、沃夫坎等，其中北達科他州的巴肯和南得克薩斯州的伊格福特目前已投入大規模開發，成為美國致密油的主產區。據美國能源信息署(EIA)的統計，2011年11月，美國致密油產量接近90×104bbl/d，其中約84%來自巴肯和伊格福特頁岩區。到2015年3月，美國能源署所統計的美國的致密油產量達到489×104bbl/d。即便是處於低油價時代，2016年6月仍能保持410×104bbl/d的產量，巴肯和伊格福特頁岩區仍是產量增長的主力。
我國自20世紀60年代起，相繼在松遼、渤海灣、柴達木、吐哈、酒兩、江漢、南襄、蘇北及四川盆地發現了致密油資源，分布較廣泛，經過多年的勘探開發表明，我國致密油有效勘探面積為18×104km2，地質勘探總資源量為74×108～80×108t，有效可采資源量為13×108～14×108t。在我國的鄂爾多斯盆地、準噶爾盆地、四川盆地、松遼盆地、渤海灣盆地等地致密油已開始嘗試工業化生產，這些地區的工業化生產為我國致密油的勘探開發提供了技術先導試驗和借鋻，起到了較好的技術引領作用。
2. 致密氣藏(Tight Gas Reservoir)
致密氣藏一般指滲透率小於0.1md的砂岩地層天然氣藏，具有儲層致密、低孔、滲透性差等特點，單井產量低，致密氣藏岩性主要為砂岩，還包括致密鹽酸鹽岩和火成岩、變質岩等。
根據美國聯邦地質調查局研究結果，全球範圍內致密氣資源量大約有210×1012m3，目前致密氣主產區主要位於美國和加拿大。美國於20世紀70年代對致密氣藏進行了初步的勘探研究，到1980年，致密氣產量占美國天然氣總產量不足2%，到2011年，美國致密氣年產量達到1690×108m3，約占天然氣總產量的26%。加拿大致密氣產區主要位於其兩部的阿爾伯達盆地，至1976年鑽成**口工業致密氣井，加拿大致密氣地質儲量達到42.5×1012m3，其中，艾爾姆沃斯和霍德利兩大致密氣田可采儲量就達到6780×108m3，僅艾爾姆沃斯致密氣田，2008年年產量已達到88×108m3。
我國早在1971年就在四川盆地發現了致密氣田，但早期均以低滲氣藏進行開發，直到20世紀90年代中期，致密氣藏纔開始進入快速發展階段。2011年年底，我國已累積探明致密氣地質儲量3.3×l012m3左右，約占全國天然氣總探明儲量的39%; 2011年致密氣產量約256×108m3，約占全國天然氣總產量的1/4。截至2015年，我國致密氣產量達到500×l08m3，預計2020年將達到800×108m3。致密氣已經成為我國天然氣增儲上產的主要領域，在天然氣工業發展中占有非常重要的地位。
3. 煤層氣(Coalbed Methane Reservoir)
煤層氣指儲存在煤層中以吸附在煤基質顆粒表面為豐，部分遊離於煤孔隙中或溶解於煤層水中的天然氣，是煤層本身自生自儲式氣藏。
目前世界範圍內的煤層氣資源量約為256.3×1012m3，超過常規天然氣探明儲量的兩倍，主要分布在北美、俄羅斯及中國等國家。20世紀80年代初美國開始試驗應用常規油氣井開采煤層氣並獲得突破性進展。美國煤層氣資源量21.38×1012m3，2004年，美國煤層氣年產量達到500×108m3。近10年，美國煤層氣保持穩定產量為550×108～556×108m3，約占美國天然氣總產量的10%。
我國煤層氣總資源量36.8×1012m3，位居世界第三，其中，煤層氣資源量大於1×1012m3的盆地8個，合計28×l012m3，占全國煤層氣總資源量的76%，主要分布於中西部地區，以山西、陝西和內蒙古等省份為主。2006年以來我國煤層氣勘探實現了規模開發。截至2010年，在鄂爾多斯、沁水、渤海灣3個盆地累計探明煤層氣地質儲量2734×108m3，發現了沁南、鄂東等煤層氣田；煤層氣累計鑽井4722餘口，其中，直井4576口、水平井（主要為多分支水平井）146口。截至2015年，我國煤層氣產量達44.25×108m3。
4. 頁岩氣藏(Shale Gas Reservoir)
頁岩氣藏一般是指滲透率小於0.001md，賦存於富有機質泥頁岩及其夾層中，以吸附或遊離狀態為豐要存在方式的非常規天然氣。
2014年2月，EIA對全球41個國家137套頁岩氣資源進行了評價，並預測全球頁岩氣技術可采資源量為206.88×1012m3，主要分布在北美、中亞和中國、中東和北非等地區。美國頁岩氣勘探開發的迅速發展階段始於2000年左右，形成了巴奈特、費耶特維爾、伍德福德、海恩斯維爾、馬塞勒斯、伊格福特等頁岩氣主產區。根據EIA 2012年的數據，美國頁岩氣產量高達2653×108m3，到2015年，美國頁岩氣產量達到了13651×108m3，占美國天然氣總產量的50%，預計到2040年將增長到28835×108m3。頁岩氣的大規模開發使美國改變了原引進5000×104t LNG的計劃，改變了天然氣供給格局。美國頁岩氣開發取得成功後，加拿大、阿根廷、歐洲各國以及中國等開始重視頁岩氣資源的勘探開發並開展了大量工作。我國於2004年開始頁岩氣相關勘探工作，目前還處於勘探開發初期。截至2015年，我國頁岩氣可采資源量約為31×1012m3，頁岩氣產量達到44.71×108m3。目前已形成涪陵、長寧、威遠和延長陰大頁岩氣產區，年產能超過60×108m3。
5．高溫高壓高含硫氣藏(High Temperature-High Pressure-High Sulfur Content Gas Reservoir)
高溫高壓高含硫氣藏一般指地層壓力大於70MPa、儲層溫度大於150℃、H2S含量超過2%或30g/m3的氣藏，該類氣藏埋藏深度往往超過4000m，一般具有產量較高的工業氣流。
高溫高壓高含硫氣藏主要分布於美國、俄歲斯等國，其中俄歲斯阿斯特拉罕高含硫凝析氣田儲層達到3.8×1012～4.2×1012m3。我國的高溫高壓高含硫氣藏主要分布在四川盆地，盆地內現已探明的高含硫天然氣儲量超過9000×l08m3，占全國同類天然氣儲量的比例超過90%。該類氣藏在工程作業中往往容易引發生產事故，如著名的“12 23”事故，中石油川東北氣礦突然發生井噴事故，富含硫化氫的氣體噴湧而出，導致在短時間內發生大面積災害。又如清溪1井事故，該井四開鑽進至井深4285.38m時發生溢流，經過初期兩次壓井和三次搶險壓井，封井取得成功。高溫高壓高含硫氣藏雖然儲量巨大，但其三高特性非常容易帶來高昂的開發成本並容易引發安全事故。
1.2 復雜油氣藏鑽井技術現狀
我國白“八五”開始，鑽井工程技術研究在岩石力學與井壁穩定、特殊工藝井鑽井工藝、PDC鑽頭技術、井下工程參數測量與控制以及高溫高壓高產氣井井控技術等方面取得了顯著進展。
1．岩石力學與井壁穩定
岩石力學參數方面，可以根據地質資料、岩心實驗、測井資料和礦場地應力測試對井周岩石力學參數進行測試和分析，對單井地應力大小及方位進行測量和分析。針對煤岩和頁岩地層層理性力學特征，發展了考慮井眼軌跡和層理面各向異性岩石力學模型；針對高溫高壓高含硫的裂縫性氣藏，發展了考慮不同地層傾角下多場耦合的裂縫性岩石井壁失穩模型。
泥頁岩井壁失穩是鑽井工程中經常遇到的復雜問題之一，泥頁岩井壁穩定研究豐要體現在三個方面：井壁穩定力學方法、鑽井液化學影響研究和力學-化學耦合研究。井壁穩定力學方法是從岩石力學角度出發，采用彈性力學、塑性力學、彈塑性力學等力學方法研究井壁穩定性，彈性力學是*常用的方法之一。其主要過程：根據地質資料、岩心實驗、測井資料和礦場地應力測試確定地應力剖面，建立井周應力分布模型，並采用適當的岩石強度準則（如Mohr-Coulomb準則、Drucker-Prager準則和Hoek-Brown準則等）進行井壁穩定性判別，進一步研究井壁穩定性規律。鑽井液化學影響研究的重點是頁岩與鑽井液發生的物理化學作用，其結果側重於鑽井液性能評價，其目的是通過評價找到穩定井壁的鑽井液體繫。力學-化學耦合研究的重點是物理化學聯合作用下泥頁岩的水化膨脹特性、彈性特性、強度特性、自由水擴散規律、孔隙壓力傳遞規律等方面，研究目的是通過試驗確定鑽井液對泥頁岩化學作用產生的力學效應，並將該力學效應引入到井壁穩定力學評價模型中，目前，真正能夠用於定量計算的理論方法隻有三種：熱彈性比擬法、水分子白由能熱動力學理論法和非平衡熱動力學理論法。穩定井壁常常需要具備三個要素：即合理的鑽井液密度、足夠的鑽井液抑制性和足夠的鑽井液封堵能力，但是，三要素的合理範圍仍然無法確定，其主要原因是缺乏用於準確測量和評價其性能的手段和方法，也就無法建立坍塌壓力與力學化學耦合問的定量關繫，因此，現場隻能依靠經驗進行調整。
2. 特殊工藝井鑽井技術
特殊工藝井鑽井技術豐要包括定向井、側鑽井、水平井、多分支井、叢式井及“井工廠”等特殊工藝鑽井配套工藝技術。經過“八五”到“十二五”長時間的研究、應用與發展，特殊工藝井鑽井技術已經成為開發復雜油氣藏*有效的手段，主要體現在井眼穩定分析、井眼軌跡與井身結構優化設計、鑽柱摩阻扭矩分析及鑽柱結構優化設計、偏心環空流體力學分析與井眼淨化、“井工廠”鑽井技術等相關配套工藝技術的進步上。
國內超深水平井豐要集中在水平位移較大的海上油田或灘海油田的大位移水平井和垂深較大的超深水平井。大位移水平井垂深較淺，水平位移大，主要技術問題是降低摩阻扭矩和保持井眼淨化。人位移水平井通常采用合成基鑽井液降低摩阻扭矩，采用井下閉環鑽井工具控制井眼軌跡，同時通過監測井底壓力、摩阻、扭矩、泵壓、排量等鑽井參數判斷井下工況是否正常。對於類似於塔河壩氣田的垂深較大的超深水甲井，技術挑戰主要出現在下部小井眼的鑽井及完井問題，如小井眼條件下的管柱結構優化及環空壓力監測問題、高溫對井下測量及控制工具的影響問題、高溫小間隙偏心環空固井問題。國內在應對超深水平井下部小井眼鑽井及完井技術方面仍面臨較大挑戰。
從20世紀末開始，國內已完成不少超深水平井施工案例，豐要分布在塔裡木盆地和四川盆地，其垂深大都達到了***。2002年的TK636井完鑽井深6001.76m，水平段長244.09m，水平位移510.20m。2006年以來，普光氣田完成了多口超深水平井，其中普光204-2H井井深為7010m，垂深為5942.18m，井底水平位移為1628.lOm，水平段長453m，2009年，中古162-1H井完鑽井深6780m，**井斜86.720，**水平位移731.72m，水平段長456m，創造了當時中石油超深水平井紀錄。2010年，中石化塔河油田完成了兩口井深超過7000m的超深水平井。其中TH12302CH井深7047m，垂深6359m，水平位移892.72m，水平段長度726.11m; TH12513CH井深7099m，垂深6592.98m，水平位移1384.51m，水平段長度291.88m。2010年8月，塔河油田T

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