张硕
中国石油长城钻探工程有限公司录井公司
Zhang Shuo
中图分类号: TE132.1
文献标识码: A
收稿日期: 2019-03-28
网络出版日期: 2019-06-25
版权声明: 2019 《录井工程》杂志社 《录井工程》杂志社 所有
作者简介:
作者简介 张硕 工程师,1987年生,2010年毕业于东北石油大学地球化学专业,现在中国石油长城钻探录井公司井筒监测与评估项目组从事技术研发及应用推广工作。通信地址:124010 辽宁省盘锦市兴隆台区石油大街77号。电话:15142778849。E-mail:zs1.gwdc@cnpc.com.cn
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摘要
随着勘探开发的不断深入,钻探目标地质条件日趋复杂多样,各类风险频发。为确保安全高效钻井,针对钻井施工风险,开发了钻柱摩阻跟踪、地层压力预测和钻井时效分析3个监测功能模块,制定了钻前风险预测、钻中风险监测和钻后风险总结的井筒风险录井评价技术方案,并系统阐述了该项技术的研发设计和实际应用。井场应用效果表明,该项技术对于分析区域钻井施工风险、预防和减少钻井施工复杂情况和事故发生、评价钻井效率及保障钻井安全起到了重要作用。
关键词：
Abstract
With the deepening of exploration and development, the geologic conditions of the prospects to drill are becoming increasingly complex and diverse, and various risks occur frequently. In order to ensure safe and efficient drilling, three monitoring modules, namely, drill string friction tracking, formation pressure prediction and drilling time analysis, were developed for the risk of drilling construction. The concrete and feasible wellbore risk mud logging evaluation technology scheme of pre-drilling, in-drilling risk prediction and post-drilling risk summary was formulated, and the research and development design and practical application of this technology were expounded systematically. Well site application results show that this technology plays an important role in analyzing regional drilling construction risks, preventing and reducing drilling construction complications and accidents, evaluating drilling efficiency and ensuring drilling safety.
Keywords：
随着勘探开发难度的增加,钻井施工中发生的钻井复杂情况和事故越来越多,勘探成本居高不下,钻井风险和非钻井成本进一步增高[1,2,3]。针对这个问题,斯伦贝谢与BP公司合作研发了无意外风险钻井技术(NDS)[4],实现了钻井全过程风险评价,其对目标井实施最多可以帮助目标井节约50%的成本,可见有效削减钻井风险对于勘探开发提速、提效具有重要作用。
本文结合国内现状,从现场录井应用实际出发,通过对辽河油区施工井的复杂情况及事故进行统计分析,基于“已发生案例”,制定出针对性的解决方案,研发了井筒风险录井评价技术,通过地层压力监测模块、钻柱摩阻跟踪模块和钻井时效分析模块,实现了钻井风险的实时跟踪监测,有效降低了施工风险,提高了钻井效率。
井筒风险录井评价技术研发目的在于明确钻井过程中发生概率最大的是何风险以及何时可能发生,并制定有针对性的应对措施,进而把钻井风险降到最低。其技术思路如图1所示:首先从宏观角度出发,对区域施工现场曾发生的复杂情况及事故进行统计分类并量化,得出各类复杂情况及事故发生概率,找出本区域的主要施工风险;然后从本井实际出发,制定井筒风险录井评价技术实施方案,利用该方案所制定技术服务模块有效预测和评价本井大概率发生的复杂情况及事故,并可实现钻前-钻中-钻后三阶段相互融合循环更新的分析过程[5]。钻前通过分析历史数据进行风险预测,发现施工难点,并进行风险反演;钻中进行各个模块同步分析,监测施工状态,识别潜在风险,达到施工风险的实时监测与评价;钻后进行施工监测效果评价,总结并记录有价值的信息,为下一步施工提供指导。
根据井筒风险录井评价技术思路,进行该项技术各项功能模块的设计。首先统计分析区域钻井施工中曾发生的复杂情况及事故,再针对当前施工井制定技术实施方案,包括钻前风险预测、钻中风险监测及钻后风险总结3项主要功能模块。
井筒风险录井评价技术实施的前提是对技术实施对象充分了解。以辽河油区为例,统计了2015-2017年间完钻的井深超过3 500 m的43口井钻井事故复杂情况资料(表1),并进一步对复杂情况及事故进行分类统计(图2)。
从以上统计结果可以看出,卡钻、井漏、钻柱失效占据了所有施工复杂情况及事故的75%以上,是构成施工风险的主要组成部分。针对上述风险,开发了钻柱摩阻跟踪、地层压力监测和钻井时效分析3个风险监测功能模块,并制定了钻前-钻中-钻后施工阶段全覆盖的施工方案。
2.2.1 风险预测
风险预测是钻前阶段的关键工作内容,为了让施工方在施工之前充分了解施工风险,有针对性地做好施工方案优化和风险预案,防患于未然,钻前风险预测要尽可能细致、全面,并将预测结果作为贯穿全井施工风险的指导性索引。钻前风险预测流程如图3所示,在区域复杂情况及事故统计基础上,以目标井所在构造区块为对象,深入挖掘和应用历史数据,推测目标井发生风险的概率大小,对目标井进行“施工风险反演”。为了使钻前风险预测更加准确,并增加辨识性,使用不同颜色对风险等级(概率性)进行标注,以红色表示邻井多次发生且本井发生概率性较大的高风险,黄色表示邻井较少发生或未发生但本井可能发生的中等风险,绿色表示邻井未发生且本井发生概率性较小的低风险。
2.2.2 风险监测
风险监测的制定主要基于区域复杂情况及事故的统计和钻前风险预测,根据钻进中风险监测实际需要,主要设计了3种分析模块(图4)。
(1)钻柱摩阻跟踪模块:主要监测钻井过程中的卡钻风险。在现场钻具组合、井眼轨迹、钻井液性能等钻井数据相对确定不变化的情况下,大钩负荷的变化可代表钻柱摩阻的变化情况。根据摩阻扭矩监测原则,钻进中需要监测空转、起钻、下钻、接立柱时平均大钩载荷,对比理论和实测的大钩载荷偏离度,当出现连续起下钻3柱的偏离程度在5%以上时,说明存在井眼净化不良、环空堵塞、键槽、缩径及压差卡钻风险。
(2)地层压力监测模块:主要监测钻井过程中的井漏、溢流风险。基于实时录井参数计算的dc指数法[6],建立实时孔隙压力和破裂压力曲线剖面,通过钻井液密度与安全压力窗口的比较,并结合气测单根峰变化趋势[7],对井底压力状态进行监测,及时识别异常压力,避免井漏、溢流风险发生。
(3)钻井时效分析模块:可精确记录钻井时效,对于纯钻时效、进尺时效、生产时效和非生产时效进行分类统计,让施工者清晰地了解到本井施工全貌,便于找到施工技术优势和存在差距,进一步寻求提高钻井效率的措施。通过对钻井时效准确和全面的分析,能够在一定程度上提高钻井作业的整体效率,对下一步施工有积极的指导意义[8]。
2.2.3 风险总结
钻井施工过程中会时常发生各种异常,通常情况下,施工人员仅仅注重出现较大复杂情况及事故时的大量分析,往往忽略正常钻井过程中出现的微小异常,但及时发现这些微小异常并正确处置是钻井全程顺利施工的关键所在。因此,在详细记录较大复杂情况及事故的同时,有必要对有价值的微小异常信息进行详细记录,便于钻后还原所钻井的整体钻井历史,用于进行钻后全面的风险分析总结。所有复杂情况及事故及其解决方法存档后可用于该区域未来钻井施工的参考和指导。
钻后风险总结主要包括两部分内容(图5)。一是记录施工过程中有价值的信息,将目标井施工过程中出现的异常、异常发生的机理、应对措施和处理效果等内容进行归纳,录入案例库中。由于同一区块往往具有共性的地质特征和施工方式,已钻井施工中出现的异常信息能够对下口井的施工提供有价值的参考。二是进行施工效果评价,对全井风险评价技术实施的效果进行验证,统计服务井复杂情况及事故发生频次以及区块单井平均发生复杂情况及事故发生频次,并作直方图进行比较,直观地反映技术服务效果。
辽河油区X井是一口设计井深为4 307 m的水平井,水平段长836 m。该井施工难度大、设计周期长,利用本文研发的井筒风险录井评价技术进行风险监测评价技术服务,取得了良好的应用效果,确保了该井的顺利钻进。
钻前风险预测的内容力求详细全面,尽管所描述的风险类型不一定全部会发生,但应包含可能发生的所有风险。
本井的钻前风险预测如表2所示,将钻进深度从浅至深分为8段,每一段的重点风险有所不同,从颜色等级可以看出,需要特别注意的是R 06号井段,由其预测风险描述可知:位于井段1 790~2 500 m的沙一段、沙二段和沙三上亚段含大段泥岩,邻井出现多次阻卡情况,其机理为泥岩水化膨胀导致的井眼缩径以及脆性碳质泥岩与钻具机械膨胀导致的剥落垮塌[9]。因此建议:本井在钻遇此井段时提前调整钻井液性能,增加抑制性,防止泥岩过度水化膨胀,避免在此井段过多划眼,尤其避免倒划眼,减少钻具与井壁的机械碰撞,同时做好遭遇阻卡等异常情况的施工预案。
3.2.1 钻柱摩阻跟踪
2017年11月20日在起下钻摩阻跟踪过程中,发现2 300~2 380 m井段(直井段,垂深斜深基本相同)上提下放过程中摩阻出现异常(图6),与钻前对此井段做出的缩径卡钻风险预测相符。根据泥页岩缩径卡钻风险[10]处理原则,通过小排量划眼、增加钻井液抑制性及时解除风险,避免了复杂情况的进一步恶化。
3.2.2 地层压力监测
2018年1月14日,钻至井深3 972 m时钻速较快(6~8 min/m),监测发现地层孔隙压力当量密度为1.14 g/cm3,破裂压力当量密度为1.32 g/cm3,安全密度窗口较小,地层疏松承压能力弱。现场接完单根后由于开泵速度过快,瞬间产生了较大的波动压力,使立压迅速升至18 MPa,之后逐渐回落至16 MPa(图7),存在憋漏地层风险。根据钻前风险预案,建议开泵时缓慢增加泵冲数(泵为无级变速,可以实现),防止激动压力压漏地层。施工方采纳该建议,调整开泵方式(图8),避免了可能发生的井漏风险。
3.2.3 钻井时效分析
本井的时效统计分析对于减少非生产时间同样取得了成效。表3记录了X井全井时效数据,该井在前期电测、固井等工况中组织不力,因等汇报、等测井车、等固井车造成停工时间过长,产生大量非生产时间。在发现这个问题后,及时通知施工方做好组织协调工作,以避免不必要的时间浪费。施工方对此问题比较重视,后期加强各方协调组织工作,避免了更多时间浪费。即便如此,仍导致产生178.3 h的组织停工时间、59 h的设备维修时间,非生产时间共11.74 d,占钻井周期的7.24%。因此,组织协调能力、设备维护保养能力是钻井施工队伍需要进一步改进和提高的方向。
表3 2017年10月21日至2018年4月12日X井钻井时效统计
| 作业时间分类 | 工况 | 时间/h | 时间/d | 百分比/% | 备注 | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 进尺时间 | 纯钻进 | 943.6 | 39.32 | 24.25 | 旋转钻进、滑动钻进、取心钻进 | |
| 进尺时间 | 钻进辅助 | 1 954.0 | 81.42 | 50.21 | 循环钻井液、起下钻、接单根等 | |
| 生产时间 | 非进尺时间 | 固井、测井、下套管 | 632.5 | 26.35 | 16.25 | 固井、测井、下套管、钻塞、候凝等 |
| 非进尺时间 | 生产辅助 | 79.5 | 3.31 | 2.04 | 倒大绳、装防喷器、校仪表等 | |
| 事故 | 30.0 | 1.25 | 0.77 | 卡钻、掉钻具、井漏等 | ||
| 修理 | 59.0 | 2.46 | 1.52 | 修泵、修卡瓦等各类维修 | ||
| 非生产时间 | 组织停工 | 178.3 | 7.43 | 4.58 | 等汇报、等测井、等固井等 | |
| 处理复杂 | 14.5 | 0.60 | 0.37 | 处理键槽划眼、遇阻通井等 |
3.3.1 异常情况汇总
本井风险评价技术服务过程中共提出7次摩阻异常预报、2次压力异常预报和1次时效异常提示,有效避免了多次潜在风险事故的发生,提高了生产时效。其监测成果如表4所示。
表4 X井风险评价成果汇总
| 序号 | 井深/m | 工况 | 监测模块 | 异常情况 | 发生机理 | 处理措施 | 实施效果 | 与预测是 否符合 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 1 503 | 起下钻 | 摩阻监测 | 上提超拉 | 泥岩缩径 | 小排量划眼 | 异常消除解除风险 | 是 |
| 2 | 1 644 | 起下钻 | 摩阻监测 | 上提超拉 | 泥岩缩径 | 小排量划眼 | 异常消除解除风险 | 是 |
| 3 | 1 734 | 钻进 | 摩阻监测 | 上提超拉 | 压差 | 开转盘活动钻具 | 异常消除解除风险 | 是 |
| 4 | 1 922 | 接单根 | 摩阻监测 | 下放困难 | 泥岩缩径 | 小排量划眼 | 异常消除解除风险 | 是 |
| 5 | 1 965 | 钻进 | 摩阻监测 | 扭矩异常 | 井壁失稳 | 打稠塞 | 返出掉块解除风险 | 是 |
| 6 | 2 014 | 钻进 | 摩阻监测 | 卡钻 | 井壁失稳 | 泡解卡剂 | 解除风险 | 是 |
| 7 | 2 380 | 起下钻 | 摩阻监测 | 上提下放阻卡 | 泥岩缩径 | 控制速度 缓慢通过 | 解除风险 | 是 |
| 8 | 3 300 | 固井 | 时效分析 | 组织停工过长 | - | 加强协调 | - | - |
| 9 | 3 862 | 钻进 | 压力监测 | 异常低压 | 裂缝发育 | 加入随钻堵漏剂 | 缓慢钻进解除风险 | 是 |
| 10 | 3 972 | 接单根 | 压力监测 | 破胶压力 | 人为操作 | 缓慢开泵 | 解除风险 | 是 |
3.3.2 效果评价
根据钻井时效统计(表3),本井生产时效达到92.76%,表明整体施工顺利。只有一次比较明显的阻卡,因钻前分析得到预防,及时得到了解除,另外发生了一次钻具刺漏,因不在技术服务范围内,不做考核。与同区块邻井(选取样本为方圆5 km范围内相同井型施工井,共计8口)相比,施工过程中发生的复杂情况及事故均大幅降低(图9),说明风险评价服务收到了显著效果。
本文在井筒风险录井评价技术的设计与应用过程中,研究了利用历史数据建立钻前风险预测的方法,并设计了有针对性的施工方案,该项技术的应用有效降低了现场复杂情况及事故发生率,对于提高钻井效率、降低钻井成本起到了积极作用。
(1)进行区域性施工复杂情况及事故统计有助于制定科学合理的施工方案,在此基础上实施井筒风险录井评价技术具有更强的针对性和指导性。
(2)井筒风险录井评价技术建立了贯穿钻前、钻中、钻后全过程以及围绕摩阻、压力、时效多手段的风险跟踪监测模式,实现对施工异常情况由被动报告到主动预警的转变,对消除潜在钻井风险、保障施工顺利发挥了重要作用。
(3)未来本项技术将朝着进一步智能化、信息化的方向发展,使用先进的算法和硬件传感器设备逐步弱化人为的思考与判断,如使用岩屑称重装置实现对井眼清洁的评价,使用高精度流量计实现早期井涌井漏的监测等[11]。
The authors have declared that no competing interests exist.
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