編譯:徐海樂 (勝利油田勝利采油廠)

審校:羅云鳳 (中國石油大學(xué) (華東)石油工程學(xué)院)

井眼清洗最優(yōu)化方法研究

編譯:徐海樂 (勝利油田勝利采油廠)

審校:羅云鳳 (中國石油大學(xué) (華東)石油工程學(xué)院)

在完成一口新井時,井眼清洗是一個關(guān)鍵的步驟。井眼不能夠充分清洗會導(dǎo)致在完井過程中產(chǎn)生大量困難,并增加額外的費用。反之,為確保成功而使井眼過分清洗也會導(dǎo)致額外風(fēng)險并增加某些不必要的費用。本文對北海油藏在英國和挪威大范圍區(qū)域內(nèi)的井眼清洗操作進行了研究,以縮短制定最優(yōu)方法和實施準(zhǔn)則所需要的時間。該研究提出了一種對所有地區(qū)井都普遍適用的井眼清洗操作方法。從2002—2004年間完井的19口淺海井的鉆井報告中分析得出,井眼清洗所花費的時間大致在如下階段:①運行工具;②化學(xué)劑清洗/驅(qū)替;③凹坑清理;④等待設(shè)備;⑤等待天氣好轉(zhuǎn);⑥壓力測試;⑦凹坑是否清洗干凈;⑧安全事宜;⑨等待許可。這些分析結(jié)果可以對井眼清洗時間長的原因進行更好的認識。可以盡量在以下幾方面減少時間:①清洗設(shè)備失效;②過分復(fù)雜的工具串;③過多的工具串造成卡鉆;④鉆井裝置故障;⑤送往海上的工具不完善;⑥由于井眼過濾器被泥漿或巖屑填滿,需要用化學(xué)劑進行重復(fù)的清洗;⑦等待凹坑清理所耽誤的時間;⑧從其他井中學(xué)不到的經(jīng)驗。作業(yè)者對上述和其他一些原因進行了研究和探討,并結(jié)合其他油井良好的實踐經(jīng)驗,制定出一套最優(yōu)化的實施準(zhǔn)則。

井眼清洗 最優(yōu)化方法 標(biāo)準(zhǔn)

10.3969/j.issn.1002-641X.2010.8.003

1 研究背景

泰利斯曼 (Talisman)能源公司是北海區(qū)域在英國部分的最大的油氣運營商之一。在進行這一研究的過程中,泰利斯曼公司對其在英國和挪威的大部分井都進行了作業(yè),包括海上平臺、浮式采油系統(tǒng)和很多海底建設(shè)等。泰利斯曼公司是從其他運營商那獲得的井,這些井有正規(guī)固定的員工,并在一定程度上采用了先前操作經(jīng)營者的一些實踐經(jīng)驗。因此,在這樣的情況下,不同的工作人員和不同的油井就會有不同的“最佳實踐”方法。除此之外,各井審閱的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)也不同,所以該研究的目的就是要將井眼清洗的最優(yōu)方法擴展為一個對所有油井和作業(yè)操作都普遍適用的方法。

1.1 最優(yōu)化準(zhǔn)則的優(yōu)點

◇對所有油井提供統(tǒng)一的方法;

◇不斷收集現(xiàn)場井得到的經(jīng)驗以進行持續(xù)的改進;

◇經(jīng)驗不高的工程師就能操作的自動智能數(shù)據(jù)系統(tǒng);

◇在經(jīng)過連貫一致的最優(yōu)實踐后,井眼清洗的總體時間有所減少;

◇減少時間=減少費用。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)

由于自動智能數(shù)據(jù)系統(tǒng)的不斷改進,泰利斯曼公司聯(lián)合北海其他的運營商共同建立了一個標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫。2002年的報告顯示,在進行井眼清洗的地區(qū),泰利斯曼公司比其他公司要用更長的時間來完成這一任務(wù) (圖1)。結(jié)果帶來的問題是:“如何才能在沒有其他妥協(xié)行為的情況下來減少井眼清洗的時間?”2003年的數(shù)據(jù)顯示,泰利斯曼公司的工作有了很大的進步,從2002年的平均8天減少到2003年的平均3.5天 (圖2)。對于這一更接近于標(biāo)準(zhǔn)方法的改進,沒有明顯的原因。

圖12002標(biāo)準(zhǔn)

當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)可用來辨別大部分地區(qū)的好/壞特性時,它卻不能表明和反映出井的真實特性。這是因為該標(biāo)準(zhǔn)是建立在所花費的總體時間的基礎(chǔ)上的,從清潔管柱上提時間開始一直到把井移交給生產(chǎn)部門時為止。此時,影響時間的不同因素并沒有指明出來,并且不同的井類型、檔案資料及設(shè)計等都沒有考慮進去。

2 泰利斯曼研究

為了適當(dāng)?shù)亓私馇鍧嵕鬯ㄙM的時間,對每日鉆井報告進行了分析,結(jié)果表明,花費的時間可以分為以下幾個部分:

(1)運行工具,當(dāng)設(shè)備運行時,工具串進入和提出井眼所花費的時間,也包括工具在地面的組裝和拆卸時間。

(2)化學(xué)劑清洗/驅(qū)替,循環(huán)化學(xué)劑清洗井眼直到水清潔度達到要求時所用的時間。

(3)等待設(shè)備,設(shè)備原因可能導(dǎo)致的非生產(chǎn)時間,該時間可能由某一特定物品與預(yù)定物品不一致或者是物品運往平臺需要等待一段時間而造成。

(4)等待天氣好轉(zhuǎn),由于天氣原因?qū)е碌姆巧a(chǎn)時間。

(5)壓力測試,實施壓力測試的時間。

(6)非清洗作業(yè),進行井眼非清洗作業(yè)時需要花費的時間。

(7)安全事宜,由于相關(guān)的安全事宜需要花費的時間,包括安全會議等暫停生產(chǎn)的時間。

(8)凹坑清理,耽誤總體作業(yè)進度時進行凹坑清理需要花費的時間。

(9)等待許可,等待許可證認可需要花費的時間 (研究發(fā)現(xiàn)它并不是主要影響因素)。

3 研究結(jié)果

對每日鉆井報告中提供的各組成部分的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析 (圖3、圖4)可知,壓力測試、等待天氣好轉(zhuǎn)、等待許可和設(shè)備等因素是次要影響因素,并沒有對其進行進一步的研究?；ㄙM時間越多的地方則伴隨著更多的細節(jié)。

圖4 所有項目所花的平均時間

3.1 運行工具

運行工具串的時間占所有項目所用總時間的54%,它由實際耗費的旋轉(zhuǎn)鉆桿的時間來確定,無論如何都要進行一定程度的修改。

通過觀察可以得到有關(guān)的扭矩問題,刮泥器、刷子、井眼穩(wěn)定器、過濾器和攪拌器等都會增大所需的扭矩。用結(jié)構(gòu)復(fù)雜的工具串清洗井眼會導(dǎo)致鉆井過程中發(fā)生卡鉆的危險。2口井在16975 ft(1 ft=30.48 cm)和19828 ft深度時不得不放棄清洗,由于扭矩限制工具不能夠穿過去。在這兩種情況中,刮泥器都是在封隔器坐封深度以下的襯筒中運行,這沒有必要并且會導(dǎo)致所需扭矩的增大。

夾在鉆桿上的工具有收集鉆桿和鉆具之間的油基泥漿的能力,由于要清理管子里的泥漿,這就明顯增加了鉆桿起出井眼的時間。

一些工具會發(fā)生損傷,如井眼過濾器和多功能循環(huán)工具都發(fā)生過損壞。鉆井裝置的故障會導(dǎo)致一些時間的延誤 (如升降機被卡住等情況)。

還有一種時間延誤是缺少工具接頭造成的。井眼過濾器是常用設(shè)備。作業(yè)時過濾器的槽是滿的,所以要重復(fù)進行清洗操作。

在部分水力噴射井中,防噴器組通常使用大型捕集器來收集巖屑,其他一些井則使用高黏段塞來捕獲巖屑并通過流體循環(huán)排出井外。

3.2 化學(xué)劑清洗

通常使用化學(xué)劑進行清洗作業(yè)并不會帶來什么問題,然而,由于要在地表進行清洗程度的測量,這樣有可能使測得的結(jié)果不能完全反映井眼實際的清洗情況。在一些井中,井眼過濾器可以回收泥漿和巖屑,而在另一些井中過濾器則是干凈的。

對于水中固相含量為0.2%、0.1%和0.05%的不同井,它們的清洗程度要求也是不同的。

從采用化學(xué)劑進行試驗的井中可以明顯看出,所用清洗的時間減少,據(jù)此可以辨別出最有效的化學(xué)產(chǎn)品。

3.3 凹坑清理

凹坑清理比其他項目所要花的時間更多。一些平臺和移動鉆井隊都設(shè)法在不耽誤作業(yè)時間的情況下來進行凹坑清理,而其他的井隊則需要花費更多的時間。對于不同的井,凹坑的清理都是不同的。

3.4 非清洗作業(yè)

在工具運轉(zhuǎn)之后,以下工況有助于進行清洗作業(yè)時間的標(biāo)準(zhǔn)測量,例如:

◇安裝橋塞;

◇安裝塞子并上提出防噴器組;

◇使用采油樹,在“清洗時間”中期運行防噴器組或安裝油管頭;

◇進行電纜水泥膠結(jié)測井;

◇使用內(nèi)徑規(guī)和打撈籃。

3.5 安全事宜

由于落物召開的安全調(diào)查會使作業(yè)暫停5天。

3.6 節(jié)省時間的主要方面

能夠最大限度節(jié)省時間的方面有:

◇運行工具——節(jié)省時間的最主要方面,簡潔的工具串能夠確保較好的清洗。

◇凹坑清理——如果把它從關(guān)鍵通路中排除,那么就能節(jié)省總時間的11%。

◇化學(xué)劑清洗——改用不同的化學(xué)劑產(chǎn)品可以節(jié)省一些時間。

4 最優(yōu)方法指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)的制定

4.1 井眼清洗的目標(biāo)

對于不同的井,清洗的目標(biāo)也是不同的。但是主要目標(biāo)可定義為以下幾個方面。

4.1.1 工具串清洗

◇為套管或者是襯筒壁做準(zhǔn)備。確定生產(chǎn)封隔器/環(huán)空安全閥封隔器的坐封深度,以保證能提供適合的地區(qū)/地面來進行安裝。

◇襯筒上部安裝的拋光座圈可以使完井尾管或相關(guān)設(shè)備順利通過,如果需要的話,還可以在套管上安裝回接襯筒頂部封隔器。

◇清洗由下套管/襯筒作業(yè)所帶來的固體顆粒和殘余泥漿。

◇利用通井來確保有足夠的清潔度以進行完井作業(yè)。

◇使用最優(yōu)循環(huán)速度將固體顆粒攜帶出井眼,并將其有效移出。

◇及時補償井眼中大量的漏失,否則會阻礙完井或者隨后其他相關(guān)操作的進行。

4.1.2 化學(xué)劑 /段塞 /驅(qū)替清洗

◇將井底殘余固體顆粒清理到限制范圍內(nèi),這有利于完井作業(yè)并能將地層傷害降到最低。

◇清除殘余的螺紋油 (管子外壁涂料)。

◇清洗殘余的泥漿并清洗套管/襯筒,使其表面由油濕轉(zhuǎn)換為水濕。

◇用完井液驅(qū)替泥漿 (或者用中間驅(qū)替液)?！笞袷貒猬F(xiàn)行的排放法規(guī)。

4.2 清洗規(guī)范

對于所有井的清洗要求都規(guī)定地面固體含量要少于0.1%。這是個可變的規(guī)定值,作業(yè)者可以根據(jù)規(guī)定的井眼清潔度的不同而增加或是減少這一規(guī)定值。

規(guī)范同時指出,在有良好指示劑的情況下也不能完全確保對井眼進行成功的清潔。環(huán)空速度的不足、套管運動的缺乏或者是化學(xué)清洗劑的不足都會在井眼中留下巖屑,而地面取樣并不能真實反映出這一情況。

4.3 設(shè)計

對設(shè)計過程也進行了討論,并用一個流程圖來描述這一過程 (圖5)。

4.4 扭矩和摩阻模型

在設(shè)計復(fù)雜井的軌跡方案時,要考慮使用扭矩和摩阻模型 (簡稱拉扭模型)作為限制因素。達到或超過最大扭矩可能導(dǎo)致清洗的異常結(jié)束,并造成時間的極大浪費。管子旋轉(zhuǎn)能夠提高清洗作業(yè)的效果,所以在設(shè)計工具串的時候要盡可能地允許管子在整個作業(yè)過程中能夠旋轉(zhuǎn)。

對于大斜度井,工具串的運行程序中要考慮到鉆桿有發(fā)生螺旋彎曲的風(fēng)險。

當(dāng)套管/襯筒的尺寸發(fā)生變化時,穩(wěn)定器/刮泥器/刷子的自動補償運轉(zhuǎn)將會增加附加的扭矩并導(dǎo)致該操作時間的延長。

套管旋轉(zhuǎn)是十分重要的,尤其是對于斜井來說,它可以幫助巖屑床從套管較低的一邊運動到含有高速液流的管子上端。

表1給出一個關(guān)于建議轉(zhuǎn)速的例子,然而由于扭矩限制的不同,可能會達不到這一速度值。

表1 推薦的轉(zhuǎn)速值

管子的往復(fù)運動會導(dǎo)致震動的增強并可避免由于工具在一個地方持續(xù)旋轉(zhuǎn)所帶來的磨損。

要考慮由于流體從泥漿變?yōu)辂}水后會增大扭矩(潤滑性的降低),并且會限制旋轉(zhuǎn)的效率這一實際情況。

考慮工具連接處的額定扭矩值。

4.5 水力模型

實踐經(jīng)驗顯示,一個清洗流包含一次層流的推動段塞和一次湍流清洗段塞。在清洗油基泥漿時,清洗流在湍流段要優(yōu)先使用油基段塞。要制定一個好的計劃,就要在設(shè)計清洗程序時盡可能地滿足以上條件。

大位移井/水平井需要更大的環(huán)空流速來移動巖屑床。較高的環(huán)空流速將會增加流體的清洗和攜巖能力。

最優(yōu)環(huán)空流速一般定在100～150 ft/min,然而,使用不同的流體以及井的位移不同都會造成該值的變化。

流變學(xué)決定了有效的上升環(huán)空流速。泥漿比水能夠更有效地帶出固體顆粒。在不能使用高速流體的情況下可以使用稠化的流體。

在內(nèi)徑變化時,要達到最優(yōu)環(huán)空流速可以安裝循環(huán)接頭 (如在井下襯管頂部)。

4.6 選擇工具

選擇工具要以滿足清洗要求為根本宗旨,對需要添加的輔助工具進行分析。圖6是一個清洗工具串實例。

圖6 清洗工具串舉例

在保證清潔的基礎(chǔ)上,拉扭模型、水力模型和井眼幾何形狀決定了基本的工具串設(shè)計中循環(huán)工具、刮泥器、攪拌器和發(fā)動機的安裝位置。然后,要對其他需要的工具進行評價,還要考慮到每一工具對扭矩產(chǎn)生的影響是不同的。

保證模型的建立 (拉扭模型、水力模型)。針對這項工作盡量使用最簡單的工具串。

避免使用“夾緊”類的工具,尤其是在使用油基泥漿時。泥漿可能會聚集在工具和鉆桿之間,這樣要花費大量的時間來進行清洗。

4.7 調(diào)整泥漿

在泵送段塞之前要做好泥漿的調(diào)整,使得泥漿經(jīng)濾砂器分離出固體顆粒,提供連續(xù)一致的液流并保持一定的溫度,這樣就可以很好地改善驅(qū)替的效果。

在大位移或水平井眼中,管子的往復(fù)運動和旋轉(zhuǎn)會促進泥漿稠化或沉在套管/篩管低端的固體顆粒的運移。

至少要進行一次“井底到井口的泥漿循環(huán)”以便泥漿調(diào)整。

以最大泵送速度獲得最大環(huán)空流速,當(dāng)工具串受限制時,則用最大轉(zhuǎn)速來獲得。

4.8 化學(xué)段塞

控制段塞的泵速以獲得最優(yōu)的流體流動。對于不同的化學(xué)清洗程度需要不同的層流區(qū)和湍流區(qū)(賣方需要提供最優(yōu)泵速)。

要考慮到化學(xué)劑與伴生流體的相互作用,以保證進行有效的清洗并且避免不配伍情況的發(fā)生。

4.9 驅(qū)替

針對設(shè)計的環(huán)空速度,以最優(yōu)泵速泵送流體直到固相含量小于0.1%。

如果在較高的數(shù)值如0.2%時,固相就基本消除了,那么陸上作業(yè)隊就要停止作業(yè)并回收工具串。如果需要,應(yīng)檢查井眼過濾器以決定是否進行再次清洗。返出的化學(xué)劑段塞同樣也能反映出清洗是否成功 (分界面是否清晰等現(xiàn)象)。

4.10 凹坑清理計劃

凹坑清理會增加清洗作業(yè)的時間,為了減少這一時間,要考慮到以下幾個方面:

對凹坑清理之前進行合理的計劃。初期要考慮到許可證及需要的凹坑入口等方面。

如果由于井眼的清洗耽誤了凹坑清理,可以使用臨時設(shè)備清理凹坑,即移動包、預(yù)先準(zhǔn)備的段塞流、分離混合物的筒等。同時要考慮到實用性和經(jīng)濟性。

使用真空裝置和安裝旋轉(zhuǎn)噴射頭系統(tǒng)可以減少清洗時間并能免去人員進入凹坑。但為適應(yīng)不同的設(shè)備 (凹坑出口)要預(yù)先進行調(diào)整。

為使固體顆粒在凹坑中盡量少的沉淀,可以考慮安裝攪拌裝置。

盡快地計劃備用油基泥漿以避免凹坑清理的拖延。

5 結(jié)論

好的方法是在大量的實例下總結(jié)出來的。然而,不同的井隊獨立進行操作,所得到的經(jīng)驗對其他井隊來說未必受益。

結(jié)合工作人員的經(jīng)驗提出了一個最優(yōu)方法準(zhǔn)則,并形成一個文件。該文件作為井眼清洗操作的一個基本原則,在 Talisman公司所有井中執(zhí)行。該準(zhǔn)則是一個活動文檔,打算將來結(jié)合積累的經(jīng)驗和進步的技術(shù)對其進行更新。

資料來源于美國《SPE/IADC 101967》

2009-04-24)