石油工程设计大赛-技术创新类

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1、,全国石油工程设计大赛,井底排水分支井组设计,技术创新类作品,团队编号：14146001 团队名称：燕大创新7队 团队成员：宋广明 指导教师：李子丰 教授,2014.4.29,1,作品说明,作品简介：根据本届大赛题目提供的沁端区块地质数据资料以及我国煤层气储层的构造特点，在对所收集文献资料的整理的基础之上，利用经验类比法对煤层气井井型、井身结构进行设计和优化，提出一种新井型井底排水分支井组。然后针对该区块煤层气储层特点，选择井口位置，进行钻完井设计。,作品名称：井底排水分支井组设计,2,目 录,3,第1章 绪论,1.1 背景 我国煤层气资源十分丰富，是世界上第三大煤层气储藏国。受多热源叠加变质

2、和多期构造改造的影响。我国的煤储层大多表现为“低孔”、“低渗”和“低压”，这种“三低”的储层条件使得垂直井压裂排采技术在我国无法获得预期成效。其主要原因在于储层的“三低”一方面限制了压降传递速度和距离，另一方面制约了“导流改善”的良性循环。因而煤层气井表现为“低产”。而且“不稳定”，这也决定了常规直井开采技术永远无法摆脱“点”的局限性，通常以有限的井筒影响范围来设计钻井和完井方案以及储层改造措施。,4,第1章 绪论,1.2 国内外研究发展概况 1.2.1 直井 现今国内外煤层气开采多用直井、水平分支井和水平连通井等技术。直井钻井技术最成熟，应用也最普遍。但是，该技术仍没有完全克服储集层低渗、低

3、压带来的不利影响。截至2007年底，我国煤层气累计钻井2446口，其中，水平井(主要为多分支水平井)29口，直井2417口。,澳大利亚采用增产措施的直井,5,第1章 绪论,1.2.2 水平分支井 美国CDX国际公司先后为美国钢铁公司在西弗吉尼亚州的煤层气开发项目钻了近69口定向羽状分支水平井，这些井在低渗透煤层气开发中取得显著成效。 我国在借鉴国外研究成果的基础上，通过攻关已基本掌握了分支井钻井技术，并先后在辽河油田和胜利油田完成了4口分支井，取得了较好的效益。我国第一口煤层气羽状分支水平井是中国石油天然气股份有限公司引进CDX国际公司的钻井专利技术在樊庄高煤阶区取得的试验成功。,煤层气羽状分

4、支水平井示意图,6,第1章 绪论,煤层气水平对接井示意图,1.2.3 水平对接井 水平对接井（又称U型连通井）技术在油田增产、食盐开发等方面已经得到了广泛应用，取得了比较明显的经济效益和社会效益。 在国外，澳大利亚钻井公司使用美国的地面定向钻进设备和导向钻进系统在澳大利亚成功施工的300多口煤层气开发井均已取得显著成效。我国首先在山西的保德地区进行勘探试验，施工了4对U型水平对接井组。2010年10月至12月，山西晋城潘庄区块进行的U型水平对接井技术的现场工业性试验取得成功，气井最高日产气量达2104m3。,7,第1章 绪论,1.2.4 V型井 V型井指由两组之间呈一定夹角并共用一口排采直井的

5、U型井组成，地层流体通过两个水平井眼分排流向同一排采直井井筒内，增加了泄流面积，实现两水平井共同排采降压采气，能够获得更大的气产量，煤层气V型井组钻井工艺集成了随钻地质导向、煤层造穴 三井对接、多井眼完井等多项先进的钻井技术。 2012年4月8日，中石化华东分公司在延川南煤层气工区完钻了第一个V型井组。,煤层气V型井组井身结构示意图,8,第1章 绪论,超短半径水平井分布图,超短半径钻井方案示意图,1.2.5 超短半径径向水平井 澳大利亚已成功应用高压水射流在煤层中钻水平孔长度达到428m，破岩钻进速度达到了30m/min。2008年，国内天津波特耐尔石油工程有限公司利用该技术在东北地区完成了8

6、个分支的煤层径向水力喷射钻井施工，每个分支均可达150200m。,9,第1章 绪论,1.3 基本思路,10,第1章 绪论,1.4 创新点,本设计结合煤层气单翼多分支井水平井和水平连通井的技术，在其现有基础上针对煤层气储层特点提出井底排水水平多分支井组。 该井型综合了多分支井水平井和水平连通井的优点，水平段沿煤层倾角，能有效防止打穿煤层，提高了单井产量和采收率, 适宜煤矿待采区的煤层气开采。,11,第2章 设计概况,2.1 基本数据 井名：Z4井底排水分支井组，其中Z4-H为直井，Z4-S为水平多分支井； 井型：直井、水平井； 井别：直井为生产井，水平井为工程井； 地理位置：沁端区块,位于沁水盆

7、地南部，隶属于山西省沁水县； 构造位置：如图；,12,第2章 设计概况,2.1 基本数据 井位坐标：直井：纵坐标（X）：19649400，横坐标（Y）：3966267.8，H：1000m；水平井：纵坐标（X）：19648454.5，横坐标（Y）：3965053.5，H：1000m； 目的煤层：3#煤层； 设计井深：直井：804.2m（垂深），测深见工程设计； 水平井：743.84m（垂深），测深见工程设计； 完钻层位：石炭系上统太原组（C3t）； 完钻原则：原则上钻3#层留足测井口袋（60m）完钻； 完井方法：直井洞穴完井，多分支水平井裸眼完井。,13,第2章 设计概况,2.2 设计依据 2.

8、2.1 执行标准及规范 所执行的主要标准及规范，但不限于以下标准及规范； （1）钻井工程设计格式（SY/T5333-1012）； （2）煤层气钻井钻井作业规程（Q/CUCBM0301-2002）； （3）井场布置原则和技术要求（SY/T5958）； （4）钻井作业安全规程（SY5974-94）； （5）井身结构设计方法SY/T5431； （6）钻井井控技术规程SY/T6426； （7）油气探井工程录井规范（SY/T6243-1996）； （8）油气探井气测录井规范（SY/T5788.2-2008）； （9）油气探井录井资料质量控制规范（SY/T6438-2000）；,14,第2章 设计概况,（

9、10）油气井钻井地质设计规范（Q/SH0075-2007）； （11）石油天然气勘探开发地质录井规范（Q/SH0076-2007）； （12）油气井地质录井规范（SY/T5788.3-2008）； （13）录井分析样品现场采样规范（SY/T6294-2008）； （14）探井化验项目取样及成果要求（SY/T6028-94）； （15）录井资料质量评定规范（Q/SH 1093-2008）； （16）油气井录井资料录取项目及归档要求（Q/SH 1094-2008）； （17）裸眼井、套管井测井作业技术规程（SY/T5600-2002）。 2.2.2 资料依据 （1）W1-W6六口参数井和W7-W1

10、6十口生产试验井实钻及测试资料； （2）本地区地质静态资料、实验室资料、生产动态资料及相关研究成果。,15,第2章 设计概况,2.3 钻遇主要煤层（设计）与临井钻遇主要煤层对比,16,第2章 设计概况,2.4 钻遇主要地层及故障提示,17,第2章 设计概况,2.5 靶点设计参数,18,第2章 设计概况,19,第3章 钻井工程设计,3.1 井身结构 3.1.1 井身结构优化研究 （1）井身结构优化的原则： a、要满足直井井身结构设计的基本原则，既要满足地质勘探开发的要求、有效保护储层，又要满足钻井工程的各种条件、保障井下安全，为安全、优质和经济钻井创造条件； b、要满足水平井的特殊要求，应有利于

11、井眼轨迹控制、精确中靶，满足完井、储层保护、井眼清洁的需要，并且保证套管柱能顺利地下至设计井深。 （2）井身结构优化的关键问题： 水平井井身结构优化设计的关键在于确定套管的下入层次和各层次套管的下入深度（特别是技术套管的下深）及钻头尺寸。 套管层次的确定主要受所钻井工区的地层岩性、地层孔隙压力、地层破裂压力、井深、造斜点位置、钻井成本和钻井周期等多种因素影响。一般情况下水平井井身结构设计为三层套管，即表层套管、技术套管和生产套管。其中，技术套管的下深是水平井井身结构优化设计的关键。技术套管的下深有四种方案：直井段、小井斜角井段、较大井斜角井段和接近靶窗。,20,第3章 钻井工程设计,3.1.2

12、 井身结构设计图,21,第3章 钻井工程设计,3.1.3 井身结构设计数据,Z4-H井身结构设计数据表,22,第3章 钻井工程设计,Z4-S井身结构设计数据表,23,第3章 钻井工程设计,3.2井眼轨道设计,Z4-H井眼轨道设计简表,24,第3章 钻井工程设计,Z4-S井眼轨道设计简表,25,第3章 钻井工程设计,Z4-S井眼轨道垂直投影图,Z4-S井眼轨道水平投影图,26,第3章 钻井工程设计,3.3 钻具组合,27,第3章 钻井工程设计,3.4 钻井液,钻井液性能表,28,第3章 钻井工程设计,3.5 钻头设计,推荐钻头的参数表,29,第4章 完井工程设计,4.1 井口装置,各次开钻井口装

13、置及试压要求,30,第4章 完井工程设计,二开、三开钻井口装置,防喷节流管汇示意图,压井管汇示意图,31,第4章 完井工程设计,4.2 固井设计,4.2.1 套管柱设计,套管柱设计数据表,32,第4章 完井工程设计,4.2.3 注水泥设计 （1）水平井和洞穴直井的表层套管固井，水泥浆返至地面（采用内管注水泥法） （2）洞穴直井的二开固井封固煤层段 钻穿煤层底界以下 60m，下入生产套管，在煤层段下入玻璃钢套管隔离煤层，固井，水泥浆返至至地面，侯凝后用钻头通井循环后，用套管段铣工具将玻璃钢套管磨铣掉,然后在煤层造洞穴。 （3）洞穴直井水泥设计参数与第一章中的Z1直井设计相近，这里不在重复。 （4

14、）水平井二开下入套管至煤层顶部，注水泥反至地面，采用管外注水泥法。,33,第4章 完井工程设计,4.2.4 水泥浆性能,34,第4章 完井工程设计,4.2.5水泥浆配方,注水泥设计表,35,第4章 完井工程设计,水泥浆配方表,36,第4章 完井工程设计,4.3 Z3-H完井设计 4.3.1 完井方法 Z3-H直井采用洞穴完井方法，二开在煤层段下入139.7mm玻璃钢套管，注水泥封固至地面。完井时下如专用套管锻铣工具在煤层段锻铣玻璃钢套管，然后在煤层扩孔造穴。造穴结束，向直井投入压裂砂，投入量高于洞穴顶面，之后在砂面上注入水泥塞，高度在砂面上50m，水平井与洞穴井连通并分段压裂后，钻开直井内水泥

15、塞住进行投产。 4.3.2 造穴采用的钻具组合 喷射式扩孔造穴器(500m)+88.9mm钻杆+方钻杆；钻压为0KN，转速为43r/min，排量16L/S.,37,第4章 完井工程设计,4.4 Z3-S完井设计,4.4.21完井方式选择 煤层气多分支水平井完井多采用裸眼完井，裸眼完井有利于增加煤层气的产量，本井也采用裸眼完井。在多分支井完井后，要在多分支井直井段打入水泥塞，防止煤层气泄露。 4.4.2 完井等级 根据分支井TAML分级体系，本设计采用的是一级完井，即主井眼和多分支井眼都是裸眼，分支处无支撑侧向穿越长度变量控制是受限的，完井作业不对各产层分隔，也不能对层间进行任何处理。 4.4.

16、3 施工过程 实际施工过程中分支井眼钻井顺序是由主水平井眼尾端往回方向按设计逐个钻成。主要工艺步骤包括:钻完主水平井眼后,调整钻井液性能,充分循环,确保水平井段井眼清洁;起钻,下入带“LWD+泥浆马达+PDC钻头”的导向钻具组合,侧钻出一个水平分支井眼;钻完第一个分支井眼后,充分循环,上提钻头至下一个侧钻点,钻第二分支井眼;用相同的方法依次钻完各分支井眼。,38,第4章 完井工程设计,4.5 完井结构示意图,Z-4H完井结构,Z-4S完井结构,39,第5章 进度计划及成本预算,5.1 钻完井进度计划,40,第5章 进度计划及成本预算,5.2 钻完井成本预算,41,参考文献,1 唐海, 周开吉, 陈冀嵋编. 石油工程设计M. 北京：石油工业出版社，2011 2 周全兴. 钻采工具手册(上)M. 北京: 科学出版社, 2000. 3 周全兴. 钻采工具手册(下)M. 北京: 科学出版社, 2000. 4 陈平主编.钻井与完井工程M. 北京：石油工业出版社，2005 5