第七章水平井技术Word下载.docx
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另外,不稳定或复杂的地层使第一增斜段的造斜率可能产生较大变化,通过斜直段的调节,使井眼在通过第二次增斜在预定的垂深进入水平。
实际上,双增剖面同时在大半径和中半径水平井中使用。
从经济方面考虑,与长半径水平井相比较,中半径水平井垂直井段要长这段费用较低;
虽然中半径水平井自造斜后开始,其单位费用率高,但它减少了弯曲井段的进尺。
国外有资料说明了这方面的比较,认为总的费用大致与长半径水平井相当。
③短曲率半径水平井系统
短曲率半径系统是使用扰性或铰链工具钻出其狗腿率范围在60°
~300°
/30m水平井的钻井系统。
短半径水平是在6inT4-3/4”in井眼中进行,其狗腿度在140°
~280°
/30m之间。
由于短曲率半径水平井的位移小,弯曲段要求的垂深也小,因此,这一系统特别适用于那些目的层覆盖层为复杂油层的井。
它能在钻弯曲井眼段之前把上部井眼封起来,从而进一步减少了钻进面临的复杂情况,保证下一阶段关键井段的顺利进行。
由于短曲率半径水平井弯曲段所需的垂直浓度小,这就使得泵油设备可以被下到垂直井段的深部接近产油层的位置,而且无需过量的弯曲或油泵抽油杆。
另外,由于短半径造斜率大,与长半径和中半径水平井相比,短半径水平井中靶的总垂深误差要相对小。
但是,短半径系统也有一些缺点,它的工具不像其它系统那样牢固,并且不完全符合API标准。
按照目前一些钻机的设计来说,短半径系统所使用的工具在井场维修和处理比较困难,必须对钻机以及井场的其它装置作适当的调整才能工作。
从经济上讲,短曲率半径系统与其它方法比较,由于种种原因很难进行作业。
例如,目前短半径系统的水平段长度只是中半径或长半径系统水平段的10~30%左右。
并且由于机械钻速低,短半径的单位费用是长半径和中半径的10倍。
虽然在同一目的层,完成一口短半径水平井,其总费用可能与长半径系统和中半径系统相当,但是它的水平段长度小得多,因此在采收率方面肯定是不及长半径和中半径水平井。
短半径造斜工具如图7-2所示
④超短半径钻井系统
水平钻井的最新方法是超短半径钻井系统,这一方面是使用高压液体喷射出一段水平的井眼,其变化的曲率半径只有几英寸到一英尺左右。
目前使用该系统所钻的水平段长度还只限于200ft之内。
尽管在硬地层也可以喷射出一个井眼,但很显然,这一系统更适用于松软地层、浅油砾层和沥青砾油层。
而这些松软地层中作业,井眼稳定同样是一个需考虑的主要因素。
7.3水平井的应用
7.3.1天然垂直裂缝
同灰岩一样,与天然垂直裂缝相交错的油藏为水平井提供了理想的应用条件,这一类型的井身剖面可以使产量提高4~20倍。
在垂直裂缝油藏中,油气完全处在裂缝中,裂缝之间的非生产底层一般为6~60m厚,所以垂直井可能只钻到一个产层,也可能一个产层也钻不到,而水平井可以与产层垂直相交横向钻穿若干个产层裂缝,这样就比垂直井的开采量高得多。
7.3.2水锥和气锥
①水锥:
如果产层为水驱动,尤其是当原油粘度比水高得多时,垂直井可能会遇到水锥的问题。
发生这一问题时,会连油带水一同生产。
水平井可以在油层的中上部造斜,然后在生产层中钻一定长度的水平井段。
水平井不仅减少水锥的可能性,而且每单位长度的产油段的压力降比垂直井产油段低,出水、出砂也比垂直井少。
②因为天然气的粘度远低于原油,通常气锥比水锥更为严重。
如果气锥不能控制,则油层必须以注气的方式来维持产量,否则压力必然过早地下降。
水平井的井眼全部在油砂中,所以有助于避免气锥问题,并可以控制采收率,不至于使气锥的压力梯度过高。
水平井成功地减少了水锥、气锥等有害影响。
因此,水平井可以显著提高产量。
7.3.3低渗透性地层
在低参透率油藏,由于生产能力低,提高油气流的方法之一就是对油井进行压裂,但是,更引人注意的解决办法是钻水平井。
一口水平井可以大大增加泄油面积。
7.3.4薄油层
对于薄油层,通过在油层的上下边界之间钻一个水平井段可以大大地增加井与油层的接触表面积。
7.3.5不规则地层
水平钻井已经成功地应用于开发不规则油藏。
这种含油地层互不关联,孤立存在,地震测量也难以指定其准确位置,所以钻直井或常规定向井很难钻到这类油藏。
然而短半径水平井可以从现有直井中接近油藏的位置进行造斜,并且可以避免可能的水锥和气锥问题。
7.3.6重油产层
在重油产层中,水平钻井具有提高产量的能力。
横穿油藏的水平井既可以作为生产井又可以作为注水井。
7.3.7提高采收率
采用水平井同样可以提高原油采收率。
在注蒸汽情况下,直井的低注入量常常呈现很差的热平衡,有部分能量消耗在地面管线、油井及相邻地层的热损失上,而水平井可以提高日注入量,直接加热更大的石油体积,将在很大程度上改善热平衡。
另外,为了有效注入混相段塞(CO2、液化石油气、表面活性剂)必须扩散更长的距离。
在这种情况下水平泄油无疑是一种改善。
7.3.8老井重钻
7.4水平井的剖面设计
水平钻井技术与常规定向钻井技术最为不同的两个特点是使用特别的造斜钻具及特别的剖面设计。
单位井身长度的成本最低时,水平井的长度为最佳长度。
为了达到可能达到的最大长度,必须使扭矩和上提拉力(摩阻)为最小。
7.4.1影响水平井剖面设计的因素
影响水平井剖面设计的因素,归纳起来,有以下几个:
①套管程序
②井眼尺寸
③油层厚度
④油层(地层)特性
⑤租赁限制
⑥完井技术
具体地讲,造斜曲线设计必须考虑到以下问题:
①避开复杂地层造斜;
②曲线末端即造斜结束时的位移最小;
③造斜井段的长度最短;
④有一个调节井段以应付不理想造斜率的情况;
⑤利用造斜井段的构造标记调整最终目标区的深度;
⑥必须允许使用所有必需的完井设备和采油工具。
7.4.2水平井的剖面类型
根据油藏特性的不同,从水平段的几何形状看,水平井剖面类型,可分为以下几类,如图7-3所示。
图7-3中给出了8种水平井剖面的示意图。
①为水平段平缓的剖面。
这是一种最简单、最经济的一种剖面设计,这种剖面的水平井较容易完成。
该剖面应用于各向同性的油藏以及解决气/水锥等问题。
②波浪型井底的水平井。
这种剖面应用于那些被不渗透性障碍隔开的几个单个油藏。
③井底水平段上倾的水平井。
这种水平井应用于解决气锥的问题。
当油气界面下移,进入水平段远端时,这时可以将水平段远端封死,但整个井还能继续生产。
④井底水平段下倾的水平井。
这种水平井应用于解决水锥的问题。
当油水界面上移,进入水平段远端时,这时,可以将水平段远端封死,但整个井还能继续生产。
⑤阶梯状井底水平井。
这种水平井同样应用于被不渗透性障碍分割的几个油层。
这种水平井风险大,轨迹控制很难。
⑥多分支的水平井。
多分支短曲率水平井已得到广泛应用。
多分支中、长曲率水平井的应用正在开始,随着作业费用的降低以及驱油面积的增加,多分支中、长半径水平井的应用将进一步推广。
⑦重力驱油水平井。
这种水平井应用于那些只能用重力驱油开采的油藏。
这种水平井将在热采中得到广泛应用。
⑧复杂水平段剖面的水平井。
这种剖面综合上述几种水平段剖面形式,它应用于那些水平段上油层地质结构变化很大的油藏的开发。
在7.2节中,我们知道,中、长半径的水平井应用最广。
因此,下面主要介绍中、长半径水平井的剖面设计。
具体从几何上讲,水平井剖面最基本、最常用的三种类型,即:
A:
单曲率—斜直段剖面;
B:
变曲率—斜直段剖面;
C:
理想剖面。
下面在7、4、3、7、4、4、7、4、5中分别介绍这三种类型的剖面的设计。
剖面设计基本上是简单的几何计算。
7.4.3单曲率—斜直剖面的设计
单曲率—斜直剖面是最老、应用最为广泛的造斜曲线,这类剖面的特点是,整个曲线由三段组成,造斜由上、下两个造斜率相同的造斜井段完成,中间为斜直的稳斜井段。
这一造斜曲线的设计基础是,以工程计划中计划使用之造斜钻具的最小预计造斜率和最短斜直井段来选择造斜点和计划的造斜曲线末端的位置。
见图7-4。
如果上部造斜井段的实际造斜率超过了预计的(最小)造斜率,可以调整斜直井段的长度来使下部造斜井段钻到目标区。
这样就把钻到目标区的误差限制在下部造斜井段的实际与预计曲率的误差上。
单曲率—斜直剖面设计的最后一项选择是斜直井段的井斜角,最为普遍的选择之一是取45°
,这样,无论造斜井段的曲率是多少,两个造斜井段的深度和位移都是一样的。
提高斜直段的井斜角会降低下部造斜井段的垂直深度,并且斜直段的井斜角越大,达到水平时(曲率终点)的总位移越大。
斜起直段长度对上部和下部造斜段中的实际曲率是很敏感的。
安排斜直段的另一考虑是能够在斜直井段与关键构造标志相交,以便根据观察的地质分层位置调整下部造斜井段的造斜点。
7.4.4变曲率—斜直剖面设计
该剖面也是由两个增斜段,一个斜直段组成。
只是一、二造斜段的造斜率不相等。
该剖面如图7-5所示。
这种设计最适用于以构造位置为目标的水平井。
尤其是最终的构造位置是靠地层的顶层来确定,而这个顶层又处在第二造斜段内,这类水平井采用这种设计是最有用的。
7.4.5理想造斜率剖面设计
理想造斜曲率剖面就是没有斜直井段的弯曲率造斜剖面。
钻这种剖面的水平井,可以使用单斜式的造斜马达,除非由于钻头寿命的限制。
这种设计虽然费用最低,但它要求造斜马达的性能变化范围要小于下部造斜井段允许的变化范围。
这种方法也许是将来采用的或者可以作为在该地区的第三口水平井所使用的设计。
图7-6为理想造斜曲率剖面设计方法间图。
7.5水平井钻具设计
对设计一口水平井来说,在确定了最优的造斜曲率剖面设计之后,下一步要解决的问题是合理的钻具设计。
因为即使是按最小扭矩和阻力设计出了井身剖面,如钻柱设计不当,还是出现复杂的扭矩和阻力。
在大斜度井和水平井里,钻井的主要限制是扭矩和阻力,由于高的扭矩拉力载荷的需要和下钻过程中困难的增加,钻柱的设计显得尤为突出。
7.5.1影响钻柱设计的因素
众所周知,钻柱有如下功能:
传递和支撑轴向载荷;
传递和支撑扭矩载荷;
传递液力。
要充分发挥钻柱的功用,各种影响因素是不能忽视的:
①井身剖面的影响
一般来说,井眼曲率较小的剖面其扭矩和阻力都相对小一些,但是最佳剖面的选择,要综合考虑各种因素。
②钻机功率的影响
设计钻柱时,应考虑钻机的下述因素:
提升载荷;
转盘扭矩;
泵功率。
设计钻柱前,应了解各种钻机的规范,在设计过程中确定所有钻机的标准,可能需要的话,还可以设计附加的或特别的钻机设备的计划。
③水力参数的影响
由于泥浆马达,随钻测量系统和钻头上对水力传递都有一定的要求,因此它们对所需的钻柱组件的尺寸有所影响。
如果由于优选水力参数的原因,需要使用内径大的钻柱组件,那么这些大的、重的钻柱组件一定要保持在井眼的低井斜部分,使扭矩和阻力的增加减至最低限度。
④组成钻柱各部件的限制
在设计过程中,了解可用钻柱组件的条件和各种强度极限是很重要的。
强度的极限受其磨损程度和以前使用条件的影响。
由于管体磨损而钻柱的抗拉能力减少,钻杆接头的磨损使抗扭矩强度有所降低,这些对钻柱的设计都有影响。
对于水平井,因为可能产生很大的弯曲应力,钻柱组件的各种疲劳极限也是关键的,大的弯曲应力可能发生在狗腿较大以及压载足够引起弯曲的地方。
认识和衡量弯曲应力后,为了避免产生损害,应允许对井的设计或对钻柱设计进行一些调整。
由于在钻水平井过程中,钻柱上有一些部件有可能各自接近其极限强度,所以只好选择同尺寸之优质钻柱组件。
用于设计钻柱的安全系数也应该考虑磨损减少和组件强度的减小。
⑤摩擦系数的选择
扭矩和阻力分析中,摩擦系数的选择非常重要。
比较常用的摩擦系数值是0.2~0.4。
但泥浆类型、地层种类和套管下深都影响实际摩擦系数。
所选的值应按最坏条件为基准,才能补偿预料之外情况的发生。
比如不规则井眼、压差卡钻、粘卡和膨胀地层,可按高一级磨擦系数来计算。
7.5.2长曲率半径水平井的钻具设计
以典型的单曲率—斜直段剖面的水平井为例,说明长半径水平井钻具设计。
7.5.2.1第一造斜段的钻具设计
由于造斜率同于常规定向井,因此钻具组合也相同。
7.5.2.2斜直井段的钻具设计
该钻具组合与常规定向井的稳斜组合相同。
7.5.2.3第二造斜段的钻具设计
通常井斜在70°
以下时,既可以用动力钻具增斜,也可以用转盘钻增斜;
而井斜在70°
以后,钻盘增斜比较困难,往往使用井下马达将井斜增至90°
,并进入目标区。
特别是当造斜率要求较大,如3°
/30m,<
BOR>
6°
/30m时,在大井斜段只能马达增斜。
7.5.2.4水平段的钻具设计
在长半径水平井的水平段,组合钻具应该能够把重量和阻力限制在最小程度,同时能够提供充分的强度安全地处理各种井下复杂情况。
水平段钻进方式既可以是马达钻进也可以是转盘钻进。
在水平段以及大斜度井段,钻压的来源是加在斜直段上的钻铤,即采用倒置井底组合的方法(与常规定向井相比)。
下面是几套8-1/2”井眼中,水平井段的钻具组合
①8-1/2”Bit+8-1/2”STB+S·
DC
(2)+8-1/2”STB+6-1/2”DC
(1)+8-1/2”STB+5”HWDP〔n〕
②8-1/2”Bit+8-1/2”STB+6-1/2”Motor+8-1/2”STB+5”HWDP〔n〕
③8-1/2”Bit+8-1/2”STB+6-1/2”KTU+8-1/2”STB+5”HWDP〔n〕
需要指出的是,如果在长半径水平井作业中选择导向马达(DTU),那么只需一套钻具组合就可能完成水平井所有井段的钻进。
7.5.3中半径水平井的钻具设计
由于中半径水平井,其造斜率为8°
~20°
/30m,比长半径造斜段的曲率大,因此,需要对井下马达作一些改进,并设计出造斜段、稳斜段和水平段的钻具组合。
下面仍以单曲率—斜直剖面的水平井为例,讨论各个井段钻具的。
7.5.3.1第一造斜段的钻具组合设计
常规的定向井造斜钻具,即井下马达上加弯接头,最大可能达到6°
/30m左右的造斜率。
如果想继续增大造斜率,只是单纯增加弯接头度数,是行不通的。
因为弯接头度数太大,钻头偏移量太大,难于进行正常作业。
因此,需对马达作一些改进。
这就是许多国外水平井作业公司开发的各种各样的中半径水平钻井系统。
这些改进最基本的一条就是,造斜钻具的弯角下移到马达壳体上,并且针对不同的造斜率要求,采用组合的弯角,即在马达上有两处弯角。
这种中半径水平钻进系统最大造斜率可达25°
/30m。
图7-7:
多种中半径造斜马达
如果第一造斜段在12-1/4”井眼中进行,设计造斜率恐怕不会大于6°
/30m而在9-5/8”井眼中,允许的造斜率可以更大一些。
通常曲率较大,如大于10°
/30m的中半径造斜段,应该在较小的井眼中进行,如8-1/2”或6”,甚至更小的井眼。
下面是几套造斜钻具组合:
12-1/4”Bit+7-3/4”MudMotor2°
BentSub+MWD+5”HWDP〔n〕
预计BOR=4°
/30m
9-5/8”Bit+6-1/2”MudMotor2.5°
8-1/2”Bit+6-1/2”双弯同向马达+MWD+5”HWDP〔n〕
预计BOR≥8°
6-1/2”Bit+4-3/4”双弯同向马达+MWD+5”HWDP〔n〕
7.5.3.2斜直井段的钻具组合设计
斜直井段的采用常规的稳斜钻具组合,或导向钻具组合,要保证稳斜钻具的顺利下入,因此必需有一个合理的第一造斜段的设计。
国外有资料认为,旋转钻进方式的极限曲率是20°
/30m,这种曲率当然只能在小尺寸于(<
5-1/2”)井眼中存在。
7.5.3.3第二造斜段的钻具组合设计
根据造斜率的要求,选择合适的中半径水平钻井系统,并适当调整弯角的度数。
如在8-1/2”井眼中选择6-3/4”的双弯同向马达。
7.5.3.4水平段的钻具组合设计
水平段的钻进既可用动力钻也可用转盘钻方式。
如选择双弯异向马达,则同时能满足稳斜和调整井眼、方位的要求。
7.6水平井轨迹控制技术特点
水平井与常规定向井相比较,有如下特点:
①造斜率大。
中曲率半径水平井达8°
/30m,而短半径水平井的曲率很大。
长半径水平井的造斜率与常规定向井没什么两样。
②大斜度井段和水平井段的存在。
③靶区精度要求高,如设计水平段在一个3m厚的油层内;
并且目的层垂深还存在不确定性,比如以钻遇目的层顶层砂岩来确定目的层的位置。
④钻进和起下钻过程中,扭矩和阻力大。
基于这些特点,这就决定了水平井的轨迹控制需要从钻具组合、轨迹测量、轨迹跟踪和摩阻分析方面加以特别考虑。
由于短半径水平井需要特殊的工具,因此本节着重讨论长半径、中半径水平井的轨迹控制技术特点。
下面分别从造斜段、稳斜段和水平段的轨迹控制几方面展开。
并且以典型的单曲率—斜直剖面为例。
7.6.1第一造斜段的轨迹控制
长半径水平井完全可以采用常规定向井技术进行造斜。
由于中半径水平井的造斜率较大(8°
/30m),因此,常规造斜组合弯接头加泥浆马达不能达到这么高的造斜率。
需要改进泥浆马达。
这就是7.5.3.1中提到的中半径造斜马达。
7.6.2斜直段的轨迹控制
长半径、中半径水平井的斜直段完全采用常规定向井稳斜的技术。
7.6.3第二造斜段的轨迹控制
无论是长半径还是中半径水平井,第二造斜段特别是其下部井段的轨迹控制是最关键的。
这一井段是完成井眼从倾斜到水平的过渡,并要求准确进入目标区。
这部分井段的钻进可能面临两个问题:
①是钻具造斜率的不确定性,钻具的实际造斜率将直接影响是否能在预计垂深进入水平;
②是目的层深度的不确定性。
有些水平井的目的层是靠钻遇它的顶层砂层来确定的。
一旦发现钻遇顶层砂层,再决定增斜至90°
,进入水平段。
解决上述问题,有两条途径可供选择:
①是通过多次起下钻变换钻具组合来实现。
但这样不符合快速钻进的要求;
②是开发新型的钻井系统,它既能满足准确进入目标区的要求,又能保证快速钻进。
新型的钻井系统,其核心部分是马达。
主要原理是:
弯角在马达本身壳体上,减少了钻头偏移,并配合不同尺寸的扶正器。
它既能旋转稳斜钻进,又能定向造斜。
其中一种异向双弯壳体的导向马达(图7-8)能用于长半径水平井的各个井段的钻进。
图7-8:
长半径导向马达
但是,对中曲率半径水平井来说,由于它的造斜率较高(8-20°
/30m),因此,只有较小造斜率(不超过10°
/30m)的导向钻具才能在中半径水平井的造斜井段同时进行定向方式和旋转方式的钻进。
这类导向马达包括带衬套的弯外壳马达(7-9)和同向双弯万向轴外壳马达(图7-10)。
这些马达既能转盘增斜又能造斜。
因此在进入水平段前,允许选择转盘方式或造斜方式,调整造斜井段以准确进入目标区。
7.6.4水平井段的轨迹控制
水平井在进入水平段后,一般来说轨迹控制的主要问题是井斜的上、下起伏,方位基本稳定。
在这个井段,钻具组合可以是常规的稳斜组合,也可以是导向钻具组合。
如果希望不起、下钻还能调整井斜、方位,则选择导向钻具组合。
许多著名的石油公司都已开发出中半径水平井段的导向马达系统(图7-11)。
另外,水平井段还有一个突出问题是克服钻具的扭矩和阻力。
因此选择钻具时,应尽量使钻具的扭矩和阻力最小,并且还能保证正常水平钻具。
通常的做法是,将用于加压的钻铤置于斜直井段,或井斜较小(45°
)的井段,而在钻铤和MWD之间加加重钻杆或承压钻杆。
这一做法也适用于大斜度井段的钻具组合选择。
7.6.5水平井轨迹测量的特点
①在常规定向井的轨迹测量比较,水平井轨迹测量的主要限制是井眼的曲率。
如果曲率太大,应该考虑MWD仪器的弯屈能力。
一般来说现有的MWD测量仪器能满足中曲率半径水平井的测量要求。
②由于MWD仪器测点到钻头有一个距离,这将影响到对井底井斜、方位的判断。
特别是短曲率半径水平井中,显得尤为重要。
目前,一种置于紧靠钻头的传感器正在研制中,它能实时的掌握井底的井斜情况。
③由于水平井段的方位比较稳定,如果钻具的稳斜性能较好,完全可以用单点进行水平段部分的轨迹测量。
这样,既简化了钻具组合,又节省了成本。
7.6.6利用摩阻软件对井下钻具组合进行实时分析
钻柱扭矩/摩阻力计算对水平井是很重要的,它的任务包括:
①设计井身剖面时使扭矩及摩阻力最小;
②确定对钻机能力的需求;
③设计钻柱和下部钻具组合;
④监控井眼摩擦系数以防止井的复杂情况;
⑤选择井底完井工具,并确定能否转动它们;
⑥确定钻柱、套管或软管是否会纵压弯曲;
⑦计算利用定向井下活动钻具所能钻达的最大横向井段长度;
⑧确定在长的水平井段中能否加足够的钻压。
一般来说,常规定向井的钻柱扭矩/摩阻力计算远没有水平井中的重要。
而对水平井来说,无论是钻进过程,起、下钻过程还是进行其它作业,都必须进行扭矩/摩阻力分析,以实时监控各种钻井作业。
7.7水平井实例分析
详细内容见附件Ⅱ:
南海涠11-4-A13水平井钻井技术总结
渤海BZ28-1-N6H水平井钻井技术总结