套管開窗側(cè)鉆短半徑水平井技術(shù)在老井改造中的應(yīng)用

套管開窗側(cè)鉆短半徑水平井技術(shù)在老井改造中的應(yīng)用

哈薩克斯坦北部的布薩奇油田位于里海東北部布薩奇半島的西北端，哈薩克斯坦曼格斯省的塔古布卡ra湖an地區(qū)。目的層為侏羅系稠油油藏。油藏以透鏡體的方式分布,平均埋深450m左右,主力油層J20B層有效厚度平均6.8m,有底水。油田存在的主要問題是產(chǎn)量低,含水上升快。目前該油田共有42口生產(chǎn)井,其中70%的井產(chǎn)量低于20t/d,且90%的井投產(chǎn)不到200d含水就上升到80%以上。2004-2005年CNPC在此油田分別實施了NB31、NB30兩口套管開窗側(cè)鉆短半徑水平井,其中NB31井是油田完成的第1口側(cè)鉆短半徑水平井。該井于2004年12月8日順利下入套管完井,水平段鉆遇油藏長達(dá)239m,投產(chǎn)時獲得了日產(chǎn)原油234t的穩(wěn)定高產(chǎn)油氣流,其產(chǎn)量是該井側(cè)鉆前產(chǎn)量的11.77倍,成為該油田單井產(chǎn)量最高的生產(chǎn)井。NB30井于2005年5月完成,投產(chǎn)也獲得日產(chǎn)50t的穩(wěn)定油氣流。1井下隨鉆測量工具使用條件哈薩克斯坦北布扎奇油田由于稠油油藏埋藏淺,在井深300m左右存在淺層氣,要求使用較高的鉆井液密度而儲層段地層壓力系數(shù)較低易發(fā)生漏失。進(jìn)行老井套管開窗側(cè)鉆可利用的垂直井段有限,造斜段施工需采用短半徑水平井技術(shù)。該油田目的層為侏羅系砂巖油藏,地層膠結(jié)疏松,完井采油要求水平段井眼需下入完井管柱,因此,其施工工藝、完井工藝具有相當(dāng)?shù)碾y度。除此以外,短半徑水平井對井下隨鉆測量工具的適用條件、工作能力也提出了新的要求。(1)淺層松軟、膠結(jié)疏松地層保證高斜率的技術(shù)手段。北布扎奇油田淺層稠油油藏的巖性膠結(jié)疏松,可鉆性非常好,造斜過程中動力鉆具的工具面角不穩(wěn)定,造斜率會受到影響。根據(jù)國內(nèi)油田鉆淺層稠油水平井的經(jīng)驗,淺部地層造斜率普遍偏低,而井眼條件決定必須采用高造斜率的中短半徑水平井施工,因此施工前必須確立提高側(cè)鉆短半徑水平井造斜段質(zhì)量的有效手段。(2)有線隨鉆測量儀器的順利下入及坐鍵。北布扎奇油田側(cè)鉆短半徑水平井造斜段施工采用有線隨鉆跟蹤監(jiān)測,由于短半徑水平井造斜率高,曲率變化大,常規(guī)的有線隨鉆測斜儀外部構(gòu)件總成剛性大,下入坐鍵困難,儀器桿連接需采用柔性短節(jié),并配合泵沖進(jìn)行坐鍵。(3)大角度螺桿通過套管窗口問題。短半徑水平井造斜使用的大彎角螺桿鉆具下入過程中在通過套管開窗窗口斜向器時會出現(xiàn)相容性問題,造成螺桿鉆具不能順利通過套管窗口。相容性與套管窗口形狀、套管尺寸、螺桿鉆具彎角、斜向器角度等數(shù)據(jù)有關(guān),施工前、中需進(jìn)行相容性分析。(4)完井管柱的安全下入問題。短半徑水平井由于井眼曲率高,直接下入完井管柱會有很大風(fēng)險,采用在完井管柱中加裝柔性接頭以增加管柱的柔性,并配合滾輪引鞋降低管柱下入摩阻。2優(yōu)化設(shè)計2.1地層完井方式方案NB30、NB31井原井眼均采用?177.8mm油層套管固井完井,水泥返至地面。因此開窗側(cè)鉆在?177.8mm套管內(nèi)進(jìn)行,開窗方式優(yōu)選斜向器銑錐磨銑開窗,開窗后采用?149.2mm鉆頭側(cè)鉆水平井眼。根據(jù)原井眼的情況及油藏特征,實施老井套管開窗側(cè)鉆短半徑水平井的完井方式可考慮以下4種方式:?101.6mm固井射孔完井方式;?101.6mm割縫篩管半程固井方式;?114.3mm割縫篩管完井方式;?101.6mm割縫篩管+封隔器完井方式。由于水平井固井射孔完井費用高,且采用短半徑剖面設(shè)計開窗、窗口已經(jīng)到達(dá)油層頂界,避開了上部的淺層氣和水層,故該井完井方式不宜采用固井射孔完井。割縫篩管半程固井方式同樣存在以上問題,且在短半徑小井眼中固井施工風(fēng)險大,固井質(zhì)量難以保證。從后期采油作業(yè)考慮,側(cè)鉆水平井眼完井管柱下入?114.3mm套管更為有利,但側(cè)鉆水平井造斜井段采用短曲率半徑,井眼造斜率高,在?149.2mm彎曲井眼中下?114.3mm管柱風(fēng)險大。綜合分析以上幾種完井方式認(rèn)為選擇“?101.6mm割縫篩管+封隔器完井”最優(yōu)。該完井方式不進(jìn)行固井作業(yè),采用管外封隔器封隔目的層以上井段,施工方便、技術(shù)可行,相比較幾種完井方式,綜合效益高,因此NB31、NB30側(cè)鉆短半徑水平井施工都采用了“?101.6mm割縫管+封隔器”的完井方式。井身結(jié)構(gòu)見圖1。2.2井段優(yōu)化及高斜率實現(xiàn)2.2.1井眼軌跡剖面和井-震對比試驗以NB31井為例,該井上部有淺層氣,設(shè)計開窗側(cè)鉆點應(yīng)選擇在氣層以下,這樣可在下部實施近平衡鉆井,利于保護(hù)油氣層。但相應(yīng)開窗側(cè)鉆點位置與目的層垂深之間的垂距較短只有100m左右,根據(jù)開窗點和目的層深度,側(cè)鉆水平井眼只能采用中短半徑水平井工藝,井眼軌跡剖面選擇采用連續(xù)增斜的單圓弧剖面,即“直—增—平”三段制剖面,以滿足短半徑水平井高造斜率的要求,同時,針對水平井鉆井技術(shù)、設(shè)備及工具能力,地層膠結(jié)情況,完井方式等,造斜段造斜率設(shè)計不宜過高,綜合考慮以上因素,造斜率選擇(24～35)(°)/30m較合適,見圖2。2.2.2窗口造斜率的影響(1)隨鉆測量儀器位置與鉆頭有一定滯后距,必須保證測量儀器突出套管一定距離避免受到套管磁性干擾;(2)不宜直接采用高造斜率的鉆具造斜,否則在后期起下鉆作業(yè)中,會因鉆柱與井眼的拉磨,而與套管上窗口接觸,影響下部各項作業(yè);(3)出窗口的初期造斜率會受到一定程度的影響,可能達(dá)不到設(shè)計要求。因此,井眼軌跡設(shè)計剖面出窗口要設(shè)計留有一定的穩(wěn)斜井段,然后再按設(shè)計造斜率造斜鉆進(jìn)。2.2.3工具面不穩(wěn)定稠油油藏的巖性膠結(jié)疏松,可鉆性好,造成鉆進(jìn)過程中動力鉆具工具面不穩(wěn)定,使造斜率受到影響。為提高該區(qū)側(cè)鉆短半徑水平井造斜段造斜率,對使用的螺桿鉆具進(jìn)行了改進(jìn),包括將鉆具的彎點前移,提高工具彎角,優(yōu)化穩(wěn)定器的位置形狀和尺寸等2.3鉆井被阻時的技術(shù)措施采用計算機模擬的方法進(jìn)行了大角度螺桿鉆具在窗口遇阻的情況進(jìn)行了分析,通過模擬得出遇阻有2種情況。(1)螺桿鉆具的工具面方向與窗口的方向有一定的偏差角度。計算機模擬的窗口形狀基本為一梭子型,在螺桿鉆具的彎角方向與窗口的方向一致時,鉆具可通過窗口;當(dāng)有偏差時,會遇阻。通過分析,采取以下技術(shù)措施解決:(1)研制設(shè)計專門的修窗工具,在開窗后,對窗口進(jìn)行修復(fù),以保證開窗窗口圓滑,做到上提下放無阻卡現(xiàn)象。(2)螺桿鉆具在窗口遇阻時,可采取鉆具轉(zhuǎn)動不同角度下放的方法通過。若仍無法通過則下入陀螺定向找準(zhǔn)高邊,定向使鉆具的彎角與窗口方向一致,保證鉆具的下入。(2)當(dāng)鉆頭已進(jìn)入井眼0.8m左右時,螺桿鉆具的彎點處于斜向器的中部,彎點和上部套管接觸點間的接觸力增至最大,造成鉆具下入遇阻。通過分析,采取以下措施:(1)該情況遇阻主要是鉆具與套管和井壁接觸力的增大造成。在出窗口前10～15m的穩(wěn)斜段,下入特殊設(shè)計的鉆具組合修正井眼,可緩解鉆具進(jìn)入窗口后彎點與上接觸點的遇阻狀況。(2)通過理論計算,彎點與上接觸點形成的最大接觸力為75kN左右。因此,遇阻后,可通過下壓方式通過(鉆具所能提供的最大重量為200kN左右)。2.4導(dǎo)向鉆進(jìn)減摩降阻技術(shù)鉆柱優(yōu)化設(shè)計的核心是在對下部鉆柱組合鉆井特性和造斜規(guī)律有準(zhǔn)確控制能力的前提下如何降低摩阻和扭矩以及如何減少井下鉆柱可能產(chǎn)生的疲勞失效問題。在側(cè)鉆短半徑水平井中,由于存在高曲率井段,使鉆柱與井壁之間的接觸正壓力與摩擦阻力大幅度地增加。在側(cè)鉆短半徑水平井鉆井中,為最大程度地降低摩阻的影響,防止巖屑床的形成,對大部分的水平井段都要求采用導(dǎo)向鉆進(jìn)方式,而導(dǎo)向鉆進(jìn)在鉆柱旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的交變應(yīng)力可能導(dǎo)致鉆柱和井下工具產(chǎn)生疲勞破壞。因此,側(cè)鉆短半徑水平井鉆井如何充分的估算和減少摩阻力是設(shè)計和施工應(yīng)考慮的核心問題之一。NB31、NB30側(cè)鉆短半徑水平井設(shè)計和施工中通過采用工程軟件對入井鉆柱進(jìn)行了摩阻和扭矩計算,計算結(jié)果見圖3、圖4。該套軟件的計算過程為:(1)給定鉆進(jìn)參數(shù),計算分析鉆柱軸向受力狀況,掌握造斜井段小尺寸斜坡鉆桿屈曲狀況,通過改變鉆井方式、調(diào)整鉆井參數(shù)避免鉆柱的自鎖計算水平段鉆進(jìn)時的鉆柱軸向摩阻力和摩擦阻力,合理地選擇鉆具組合和鉆井參數(shù),避免鉆柱扭轉(zhuǎn)破壞,確保了鉆壓的有效傳遞。減摩降阻的措施:(1)造斜井段全部采用柔性鉆桿,降低鉆柱與井眼間的摩阻力;(2)鉆井液保持低固相、低失水,形成薄而韌的優(yōu)質(zhì)濾餅;(3)在鉆井液形成優(yōu)質(zhì)濾餅的基礎(chǔ)上進(jìn)行適度混油并充分乳化,盡可能降低濾餅?zāi)Σ烈驍?shù)。同時解決好井眼凈化問題。要有足夠的泵排量,保持井眼環(huán)空返速及良好的鉆井液性能,以達(dá)到破壞巖屑床和攜巖洗井的要求。3井身部位地層鉆入井鉆具組合:?152.4mm復(fù)式銑錐+?120.6mm鉆鋌+?88.9mm鉆桿。NB31井施工中首先進(jìn)行原井眼解封、起油管、拆除采油井口、安裝鉆井井口的工序,打水泥塞封固井眼下部射孔井段并為斜向器提供支撐。NB31井注水泥漿的平均密度1.80g/cm3,封固井段310～527.6m。下入?152mm鉆頭鉆灰塞至開窗點位置361.0m,下入?152mm通徑規(guī)通徑至開窗點井深。下入?177.8mm刮管器套管刮壁。下鉆過程中適當(dāng)控制鉆具下放速度,下鉆至井深m,大排量清洗井筒,在斜向器預(yù)坐封井段351～361m,上下反復(fù)刮壁。下入?150mm斜向器,陀螺測斜儀定向,投球,開泵憋壓坐封斜向器。正轉(zhuǎn)鉆具倒扣,起出送入工具。下入?152.4mm復(fù)式銑錐開窗,鉆壓5～10kN,轉(zhuǎn)速45r/min。開窗完成后,鉆入地層3m至井深363m。上下旋轉(zhuǎn)修復(fù)窗口,提鉆。4開采眼間距的控制4.1井眼軌跡調(diào)整鉆具組合:?149.2mm鉆頭+?120mm彎螺桿+?88.9mm無磁承壓鉆桿+?88.9mm鉆桿+?120.6mm鉆鋌+?88.9mm鉆桿。按設(shè)計要求先下入穩(wěn)斜鉆具鉆至造斜點井深370m,投測多點后提鉆,下入大角度的螺桿鉆具造斜。要求嚴(yán)格控制下放速度,以防損壞井下工具和儀器;同時,在套管內(nèi)嚴(yán)禁開泵,裸眼段嚴(yán)禁開泵劃眼和懸空處理鉆井液。造斜段采用隨鉆測斜儀跟蹤監(jiān)測井眼軌跡,對軌跡進(jìn)行每米測量;及時對井眼軌跡測量數(shù)據(jù)計算處理,按設(shè)計預(yù)測調(diào)整井眼軌跡。造斜段先后2次依據(jù)設(shè)計對井眼軌跡進(jìn)行必要的調(diào)整,保證井眼軌跡與設(shè)計的吻合性和準(zhǔn)確的入靶。NB31井實鉆鉆至井深473.82m至設(shè)計靶窗A點,井斜90°,造斜段鉆進(jìn)施工完成。造斜段鉆井液采用聚合物鉆井液體系,保證了鉆井液潤滑、攜巖和井眼的穩(wěn)定性。4.2地層間距和運動段長度測量鉆具組合與造斜段相同,NB31井水平段鉆進(jìn)采用小度數(shù)的馬達(dá)導(dǎo)向鉆進(jìn),降低鉆柱的摩阻、有效傳遞鉆壓。水平井段采用MWD跟蹤監(jiān)測,測量的間距控制為5～10m,在80m以后井段鉆進(jìn),測量的間距控制在10m。水平段按設(shè)計要求控制在靶體內(nèi)運行,控制井斜86～90°,穩(wěn)斜鉆進(jìn)長度254.51m;縱向偏移距±2m。在水平段鉆進(jìn)中,砂巖油層鉆時在30m/h,砂巖油層中有少量的泥巖夾層,每段長度在2～4m。鉆至井深728.33m至設(shè)計完鉆井深,實鉆水平段長254.51m。5完井結(jié)構(gòu)及井段結(jié)構(gòu)NB30、NB31井由于采用短半徑水平井鉆井技術(shù),井眼曲率大,完井管串下入較為困難。井淺、直井段管柱可提供的下壓力有限,完井管柱一旦遇阻則很難處理。完井管串采用篩管+盲管+懸掛器+送入鉆具結(jié)構(gòu),在下入過程中管串既不容許轉(zhuǎn)動又不容許循環(huán)洗井為保證順利下入完井管柱完井管柱尺寸不宜過大,根據(jù)計算分析,完井套管和篩管采用?101.6mm平式油管,其接箍外徑120.7mm、管體內(nèi)徑90.1mm、通徑86.94mm。以便在短半徑井眼中能順利下入。完井結(jié)構(gòu)利用3～4個套管外地層封隔器(ECP)對造斜井段地層與水平段油層實現(xiàn)有效封隔。完井管柱加裝柔性接頭以增加管柱的柔性,同時下入滾輪引鞋降低摩阻,降低完井管柱通過大曲率井段的難度。在直井段利用?120mm鉆鋌和?88.9mm鉆桿作為送入鉆具增大套管下入力。完井管柱下入過程中,每下入3～5根灌漿1次,完井管柱完全入井和送入井底后灌滿鉆井液;現(xiàn)場施工中?101.6mm完井管柱均順利下入。6大角度螺桿鉆具與套管開口窗口相互影響的問題(1)哈薩克斯坦北部扎奇油田NB31、NB30井通過應(yīng)用套管開窗側(cè)鉆短半徑水平井的技術(shù),并獲得了