張衛(wèi)東吳彬彬李巖

(1.中國(guó)石油大學(xué) (華東)石油工程學(xué)院;2.華北油田勘探開(kāi)發(fā)研究院; 3.中國(guó)石油工程設(shè)計(jì)有限公司華北分公司)

蛇形井技術(shù)在Champion West油田的應(yīng)用＊

張衛(wèi)東1吳彬彬2李巖3

(1.中國(guó)石油大學(xué) (華東)石油工程學(xué)院;2.華北油田勘探開(kāi)發(fā)研究院; 3.中國(guó)石油工程設(shè)計(jì)有限公司華北分公司)

蛇形井技術(shù)是殼牌公司于2001年提出的一項(xiàng)復(fù)雜的鉆井技術(shù)。詳細(xì)敘述了蛇形井技術(shù)的由來(lái)、優(yōu)勢(shì)及其存在的局限性和發(fā)展面臨的挑戰(zhàn),并結(jié)合Champion West油田蛇形井技術(shù)的成功應(yīng)用,介紹了成功實(shí)施蛇形井的一些關(guān)鍵過(guò)程。最后針對(duì)蛇形井技術(shù)的特點(diǎn),說(shuō)明了蛇形井適用的油藏特征,并根據(jù)我國(guó)薄層狀油藏的開(kāi)采現(xiàn)狀,指出了蛇形井技術(shù)在這些油藏的適用性。

蛇形井 薄層狀儲(chǔ)層 技術(shù)應(yīng)用 Champion West油田

在油價(jià)波動(dòng)起伏的今天,在大部分易采大塊油藏已到開(kāi)發(fā)后期的背景下,人們開(kāi)始關(guān)注地質(zhì)條件更為復(fù)雜的儲(chǔ)層,其中薄層狀油藏就是這一類(lèi)。之前針對(duì)薄層狀油藏采用的鉆井技術(shù)主要有水平井技術(shù)、多分支井技術(shù)等。但由于Champion West油田復(fù)雜的儲(chǔ)層構(gòu)造條件,這些技術(shù)都不適用,直到殼牌公司提出了蛇形井技術(shù),才使得該油田的開(kāi)發(fā)步入正軌。

1 蛇形井技術(shù)

蛇形井可以定義為[1]:像正弦曲線(xiàn)形狀,水平地穿過(guò)儲(chǔ)層內(nèi)的頁(yè)巖和砂巖層 (圖1)。蛇形井應(yīng)滿(mǎn)足以下兩個(gè)條件:

(1)通過(guò)一個(gè)單井眼能夠在一個(gè)層狀油藏的任一砂巖層有多于三個(gè)的排油點(diǎn)。

(2)利用割縫襯管、封隔器和分隔控制閥(ICV)等完井,實(shí)現(xiàn)井眼的清潔、含水層的分隔和油井生命周期內(nèi) (水突破前)更好的油藏管理。

蛇形井技術(shù)是由文萊殼牌石油公司 (BSP)于2001年提出的,第一口蛇形井于2003年在BSP的Iron Duke油田鉆成。目前世界上鉆成的最長(zhǎng)、最具挑戰(zhàn)性的蛇形井是位于Champion West油田的CW-31井。

由于Champion West油田儲(chǔ)層埋藏在海床以下深達(dá)2 mile(1 mile=1.609 km),而且分散成上百個(gè)小油藏,鉆井開(kāi)發(fā)成本太昂貴。該油田的儲(chǔ)層是薄層狀的,分層化現(xiàn)象非常明顯。對(duì)于層狀儲(chǔ)層的開(kāi)采,該油田采用的是常規(guī)方法。最簡(jiǎn)單的方法是鉆一口垂直井,Champion West油田的第一口井就是垂直井。這種井的采收率很低 (而且需要注入大量的驅(qū)替液),很容易引發(fā)氣錐或水錐現(xiàn)象。相對(duì)于垂直井而言,斜井有更好的驅(qū)替效率,但仍然需要注入大量的驅(qū)替液,因此開(kāi)發(fā)成本很高。在Champion West油田有很多口斜井開(kāi)發(fā)井,但它們?cè)诿總€(gè)砂巖層仍然只能提供一個(gè)排油點(diǎn)。多分支井能夠增加排油點(diǎn)的數(shù)量,但由于該油田復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造特征,多分支井不僅在技術(shù)上實(shí)施困難,經(jīng)濟(jì)上也花費(fèi)巨大。

圖1 蛇形井示意圖

Champion West油田發(fā)現(xiàn)后,由于沒(méi)有找到合適的開(kāi)采方法,幾乎30年的時(shí)間沒(méi)有進(jìn)行開(kāi)發(fā),直到殼牌公司提出了蛇形井技術(shù)[2]。蛇形井技術(shù)使得井眼像蛇前行一樣鉆過(guò)儲(chǔ)層,能夠在每個(gè)砂巖層段產(chǎn)生多個(gè)排油點(diǎn),實(shí)現(xiàn)跟多分支井相似的排油模式,但花費(fèi)和復(fù)雜程度卻低于多分支井。

蛇形井能夠提供儲(chǔ)層更多的排油點(diǎn),從而增加了排油面積,與至少3～4口短水平井和3～5口常規(guī)井的排油效果相當(dāng),提高了油田的最終采收率。從單位技術(shù)成本、采收率等方面考慮,蛇形井技術(shù)比多分支井技術(shù)更為可行。

蛇形井技術(shù)也存在很大的風(fēng)險(xiǎn)性,特別是當(dāng)水平部分 (蛇形段)很長(zhǎng) (如超過(guò)1000 m)時(shí),會(huì)存在下面一些問(wèn)題[3-4]:

(1)水平井段的趾端采收率很低。油田經(jīng)驗(yàn)表明,清洗長(zhǎng)的水平井眼段非常困難,分布式溫度測(cè)量 (DTS)數(shù)據(jù)表明,通常不能對(duì)超過(guò)1 000 m的水平段成功進(jìn)行井眼清洗作業(yè),井趾端的流動(dòng)性會(huì)變得很差。

(2)水平井段的跟端很早出現(xiàn)水/氣侵入。生產(chǎn)期間,井跟端的壓降要大于井趾端,因此井跟端有過(guò)早水/氣侵入的風(fēng)險(xiǎn),這會(huì)嚴(yán)重影響最終采收率。

(3)鉆進(jìn)過(guò)程中意外鉆出靶區(qū)。在含油砂巖層,常常有很多的地質(zhì)不確定性。鉆進(jìn)過(guò)程中,由于地質(zhì)、勘探的不確定性造成的意外鉆出靶區(qū),可能導(dǎo)致井眼進(jìn)入鄰近的含水層。這會(huì)導(dǎo)致提前產(chǎn)水,降低產(chǎn)油量,很可能影響井的最終采收率。

(4)實(shí)時(shí)解釋時(shí),彎轉(zhuǎn)段和不確定的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)容易造成地層缺失的風(fēng)險(xiǎn)。

(5)水平段井眼的損傷和過(guò)度沖洗等。

2 蛇形井的實(shí)施

Champion West油田 (以下簡(jiǎn)稱(chēng) CW油田)位于距文萊大約 90 km的海上,在冠主油田(Champion Main Oilfield)北偏西北7 km,鐵公爵油田東北 10 km處。儲(chǔ)層埋藏深度 2 000～4 000 m,油藏壓力范圍為20～60 MPa,溫度為80～120℃。它是文萊主要的油田之一,約占文萊石油儲(chǔ)量的40%。

CW油田由許多分層嚴(yán)重的層狀油藏組成,含油的流體不穩(wěn)定,并有很多狹長(zhǎng)的斷層帶,油帶很薄,分格化現(xiàn)象嚴(yán)重,由1000多個(gè)垂向分層的小油藏組成。由于儲(chǔ)層垂直方向自然堆疊,而且構(gòu)造傾斜,在開(kāi)發(fā)初期設(shè)計(jì)師就認(rèn)為需要一種跟常規(guī)井有本質(zhì)區(qū)別的設(shè)計(jì)。由于層狀儲(chǔ)層數(shù)量眾多,從花費(fèi)和復(fù)雜性考慮,多分支井不是一種最佳的選擇。也考慮過(guò)常規(guī)的水平井,但如果要開(kāi)采所有的主要砂巖層,則需要數(shù)量眾多的井,這也不是一個(gè)最佳的選擇。

CW油田儲(chǔ)層構(gòu)造的復(fù)雜性需要尋找一種新的鉆井方法,能夠開(kāi)采所有的儲(chǔ)層。答案就是像蛇前進(jìn)一樣鉆過(guò)各水平儲(chǔ)層段,穿過(guò)一層層含油層,并通過(guò)智能井將井分成許多獨(dú)立的區(qū)間,每個(gè)區(qū)間都能實(shí)現(xiàn)各自的遠(yuǎn)程壓力、溫度測(cè)量和流量控制。每個(gè)單獨(dú)的區(qū)間由單獨(dú)的ICV控制,并根據(jù)預(yù)定生產(chǎn)參數(shù)對(duì)這些控制閥進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

2.1 井眼軌跡和狗腿度控制

由于需要重復(fù)鉆過(guò)同一含油層,而且要避免井眼進(jìn)入鄰近的含水層,因此鉆井過(guò)程中的井眼軌跡和狗腿度控制非常重要。

CW油田第三階段開(kāi)發(fā)井的地層壓力大部分都是剛剛超過(guò)靜水壓力,因此鉆井液的最大密度為1.33 g/cm3或關(guān)井套管頭壓力為0.5 MPa。這些井的套管設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單,將(1 in=25.4 mm)套管鞋以90°傾角置于靶區(qū)即可。

由于儲(chǔ)層的砂巖層壓實(shí)良好,不需要防砂設(shè)備。因此,事先將一個(gè)鉆前7 in襯管下入井中,保持一個(gè)良好的通道,以方便之后的智能完井。在需要的井段,可以下入空管,結(jié)合管外膨脹式封隔器,可以實(shí)現(xiàn)層位分隔,方便油藏管理。

為了能夠在預(yù)定井眼長(zhǎng)度內(nèi)達(dá)到計(jì)劃的井眼彎轉(zhuǎn),井眼軌跡設(shè)計(jì)得越平滑越好。套管鞋要安置在一個(gè)特殊的方向,從而能夠在水平儲(chǔ)層段內(nèi)鉆出預(yù)定的拐點(diǎn)。拐點(diǎn)位置的確定要使儲(chǔ)層構(gòu)造內(nèi)排油點(diǎn)數(shù)量最大化。軌道的狗腿度要控制在1°/10 m內(nèi),避免摩阻扭矩的增加。

當(dāng)摩阻扭矩值接近于鉆桿的最大扭矩承受能力時(shí),意味著拐點(diǎn)的數(shù)量達(dá)到了最大值。經(jīng)驗(yàn)表明,井眼長(zhǎng)度受限于水平層段的拐點(diǎn)數(shù)量。圖2表示了CW-31井的井眼軌跡和拐點(diǎn)數(shù)量。

圖2 CW-31井軌跡平面圖及拐點(diǎn)

可以實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)井眼軌道,并在鉆進(jìn)過(guò)程中作出一些修改。地質(zhì)學(xué)家可以根據(jù)由鉆頭上安置的伽馬射線(xiàn)測(cè)井儀得到的LWD數(shù)據(jù),快速作出決策。

2.2 鉆井液系統(tǒng)

由于分離井口系統(tǒng)的最大井眼內(nèi)徑為14.495 in,井眼的一開(kāi)部分由8?2in定向鉆頭鉆成,使用1.15°彎外殼鉆井液電動(dòng)機(jī)達(dá)到定向目的。之后利用偏心擴(kuò)眼器將定向井眼擴(kuò)眼至16 in。16 in井眼部分存在的問(wèn)題不是很多,除了在一些井的淺層出現(xiàn)嚴(yán)重的泥包現(xiàn)象,用稀釋和泵入液體的方法來(lái)處理這些泥包現(xiàn)象。

2.3 鉆硬地層井底鉆具組合的選擇

鉆進(jìn)時(shí)經(jīng)常會(huì)遇到硬地層帶。一旦遇到鉆速突然下降,就要降低流量以免沖垮硬地層帶周?chē)牡貙?。為了保持鉆壓,需要降低轉(zhuǎn)速。

一旦鉆頭完全進(jìn)入到堅(jiān)硬地層中,鉆壓就會(huì)上升,這時(shí)要保持轉(zhuǎn)速和鉆井液的流量。當(dāng)鉆頭鉆出硬地層帶時(shí),鉆速將會(huì)增加,同時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)其他鉆井參數(shù)的波動(dòng)。當(dāng)允許鉆壓加大到一定程度時(shí),流量要保持較低的水平,以免沖垮硬地層下的地層。一旦鉆頭完全鉆出硬地層,需要重新調(diào)整參數(shù)。然而,由于側(cè)向振動(dòng)和鉆速的突然增加,鉆出硬地層有時(shí)比鉆入更為復(fù)雜。這些影響可能會(huì)造成井眼臺(tái)階狀,因?yàn)殂@頭可能會(huì)懸在這些臺(tái)階上,破壞了井眼形狀,而鉆頭的一部分仍然在鉆堅(jiān)硬地層。

通常會(huì)通過(guò)一到兩次的起下鉆鉆完12?4in套管段。選擇了七刃長(zhǎng)鉆頭來(lái)鉆這些延長(zhǎng)段。一項(xiàng)將16 mm和13 mm刀刃結(jié)合的新技術(shù)延長(zhǎng)了鉆頭壽命,減少了起下鉆時(shí)間。

設(shè)備中附加的旋轉(zhuǎn)擴(kuò)眼器和振動(dòng)短節(jié)極大地減少了振動(dòng)和橫向沖擊。

8?2in段使用了刃長(zhǎng)13 mm的七刃鉆頭。設(shè)計(jì)減少了卡鉆事故,使一次起下鉆完鉆的井眼更長(zhǎng),而且更好地保護(hù)了鉆頭。相對(duì)于高效鉆頭,選用了長(zhǎng)而平面光滑的鉆頭。井眼最后井段的鉆頭選擇要考慮的因素:軸向和徑向上的低振動(dòng);刀片的使用壽命;合理的鉆速;一次起下鉆鉆完該段。

2.4 井眼清洗和擴(kuò)眼

對(duì)于大位移井來(lái)說(shuō),井眼的清洗工作很重要,蛇形井中尤其如此。在CW油田的蛇形井中,最難清洗的一段是8?2in套管段部分。這些層段是用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)結(jié)合擴(kuò)眼器完成的,井眼被擴(kuò)至9 in。CW油田中優(yōu)先使用的擴(kuò)眼器是水力驅(qū)動(dòng)的,帶有一個(gè)方便收回的落球系統(tǒng)。

在將井眼由8?2in擴(kuò)至9 in的同時(shí),要達(dá)到下面的目的:設(shè)備能夠返回;流量增大時(shí),當(dāng)量循環(huán)密度要降低;在不需要達(dá)到層間分隔目的的完井作業(yè)中,可以使用帶有膨脹式封隔器的7 in割縫襯管。

蛇形井采取智能完井的一個(gè)最初目的也是為了能夠?qū)﹂L(zhǎng)水平段進(jìn)行高效的清洗工作。當(dāng)開(kāi)始清洗工作時(shí),將第一個(gè)ICV(位于水平井跟端)打開(kāi),然后開(kāi)始清洗這一段。幾小時(shí)之后,第一段關(guān)閉,打開(kāi)第二個(gè)ICV進(jìn)行第二段的清洗工作,如此進(jìn)行下去。DTS信號(hào)可以保證沿井眼進(jìn)行合理的清洗。智能完井保證了長(zhǎng)達(dá)4 000 m的水平段的清洗,從而保證了流體的流動(dòng)。圖3是未來(lái)水平井段巖屑排出的一幅想象圖。

圖3 傳送帶清洗水平段井眼巖屑概念圖[5]

2.5 完井

CW油田第三開(kāi)發(fā)階段的井都采取了智能完井。典型的智能完井裝備有流量控制閥、永久性井下壓力/溫度測(cè)量計(jì) (PDHG)和DTS。之前曾經(jīng)使用了可以從陸上或現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行控制的水力式流量控制閥;最近安置的流量控制閥包括一種多方位式閥門(mén),可以實(shí)現(xiàn)各分隔區(qū)的壓力平衡。最早的DTS系統(tǒng)同時(shí)包括單向和雙向光纖電纜,然而最近的DTS系統(tǒng)使用的是預(yù)先安裝的光纖。這些光纖是隨著完井管柱進(jìn)入井內(nèi)的,這樣當(dāng)完井作業(yè)完成后,就不需要額外的光纖放入作業(yè)。圖4是CW油田典型的蛇形井智能完井簡(jiǎn)圖。

圖4 CW油田蛇形井智能完井簡(jiǎn)圖

安置智能完井中復(fù)雜的儀器要花費(fèi)很長(zhǎng)的時(shí)間,有時(shí)對(duì)于一些很復(fù)雜的設(shè)計(jì)甚至要花上幾天的時(shí)間。同時(shí)需要高精度的摩阻扭矩模型模擬,以保證能夠一次性將智能完井裝置下入井底。由于需要一次性進(jìn)行成功的完井作業(yè),需要事先將一段鉆前襯管下入井眼內(nèi),以確定井眼的通暢;并需要在正式完井作業(yè)前進(jìn)行摩阻模擬。在鉆前襯管的下入過(guò)程中,將降阻劑加入到完井液中,以使摩阻系數(shù)達(dá)到可接受的程度。

最初完井時(shí)要刺穿用來(lái)提供層間隔離的密封環(huán)。然而,為了避免刺穿這些密封環(huán)時(shí)造成油管彎曲,隨著完井長(zhǎng)度的增加,使用了膨脹式密封設(shè)備。這大大減少了完井耗費(fèi)時(shí)間,降低了完井所需的空間要求。

用來(lái)監(jiān)測(cè)沿油管溫度分布的DTS,在壓力測(cè)試中或是使用環(huán)形氣舉系統(tǒng)的開(kāi)井階段能夠確定氣舉閥泄漏的位置。泄漏點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度分布線(xiàn)會(huì)出現(xiàn)偏移,因此可以精確地確定氣舉閥泄漏的位置。由于最多可以在這些完井中安裝13個(gè)氣舉閥,DTS提供的這種信息大大減少了故障排除時(shí)間。

3 蛇形井技術(shù)成功的關(guān)鍵

從冠西方油田蛇形井的實(shí)施來(lái)看,成功的關(guān)鍵因素有:

◇利用最新技術(shù)進(jìn)行定向控制與測(cè)量;

◇在保持小的狗腿度條件下,按預(yù)定軌跡完鉆;

◇記錄所有鉆進(jìn)參數(shù),在扭矩/阻力等模型中進(jìn)行模擬;

◇鉆某一層段時(shí),保持鉆井液密度和組分的恒定;

◇嚴(yán)格按計(jì)劃、步驟對(duì)井眼進(jìn)行清洗,不能走捷徑;

◇使用實(shí)時(shí)LWD數(shù)據(jù),減少由于地質(zhì)不確定性等因素引起的風(fēng)險(xiǎn);

◇進(jìn)行多學(xué)科討論,如鉆井、完井、油藏工程等不同技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的交流。

4 蛇形井技術(shù)的適用性

當(dāng)今我國(guó)油氣資源整裝大油田越來(lái)越少,剩余油資源的品質(zhì)越來(lái)越差,我國(guó)已開(kāi)發(fā)數(shù)十年的玉門(mén)、大慶、勝利、中原、四川、延長(zhǎng)、新疆等老油田中夾層、薄油層、低壓低滲透低產(chǎn)儲(chǔ)層、難產(chǎn)儲(chǔ)層、非均質(zhì)儲(chǔ)層越來(lái)越多,鉆井施工難度大、速度慢、周期長(zhǎng)、成本高、單井產(chǎn)量低,成為制約老油田開(kāi)發(fā)的瓶頸。

目前針對(duì)中夾層、薄油層的開(kāi)發(fā),采用的鉆井手段主要有水平井鉆井技術(shù)、階梯水平鉆井技術(shù)、地質(zhì)導(dǎo)向鉆井技術(shù)等。階梯水平井在大慶外圍油藏的開(kāi)采中扮演了重要角色,自2003年以來(lái),在肇州油田先后完成了26口階梯水平井[6]。西部塔河油田部分低幅圈閉具有油層薄、夾層多、儲(chǔ)層縱橫向上非均質(zhì)性嚴(yán)重、底水極易鉆進(jìn)、油藏開(kāi)發(fā)效果差的特點(diǎn),地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)在其開(kāi)采中起到了非常大的作用[7]。

對(duì)比水平鉆井技術(shù)、階梯水平井技術(shù)、導(dǎo)向鉆井技術(shù)等,蛇形井技術(shù)可以看作是這些技術(shù)的一種綜合。由于我國(guó)各大油田均存在不同程度的油層非均質(zhì)性,而且某些油田的儲(chǔ)層分層化現(xiàn)象比較嚴(yán)重,對(duì)比CW油田,理論上而言蛇形井技術(shù)可以應(yīng)用于我國(guó)薄層狀油藏的開(kāi)發(fā)。

5 結(jié)束語(yǔ)

蛇形井技術(shù)在CW油田的成功應(yīng)用,表明了其在開(kāi)發(fā)薄層狀、復(fù)雜構(gòu)造油藏方面的優(yōu)勢(shì)。目前我國(guó)在水平鉆井等單項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展快速,但對(duì)復(fù)雜的蛇形井卻缺少研究。我國(guó)的科研院所、石油公司應(yīng)該在發(fā)展目前技術(shù)的基礎(chǔ)上,與殼牌公司進(jìn)行交流與合作,實(shí)現(xiàn)技術(shù)的合作、引進(jìn),并最終達(dá)到自主創(chuàng)新。

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10.3969/j.issn.1002-641X.2010.10.008

2009-01-19)

中國(guó)石油華北油田分公司2007年院所合作科技項(xiàng)目“勘探開(kāi)發(fā)前緣技術(shù)研究”(編號(hào):HBYT-Y J Y-2008-JS-6)部分內(nèi)容。