柳文啟 (中國石化集團國際石油勘探開發(fā)有限公司,北京 100029)

Sarykumak油田淺層水平井鉆井方案優(yōu)化設計

柳文啟 (中國石化集團國際石油勘探開發(fā)有限公司,北京 100029)

哈薩克斯坦Sarykumak油田Sary-6斷塊的油藏埋深普遍較淺(325～375m),給水平井鉆井方案設計帶來較大困難。而且該區(qū)塊目前還沒有水平井鉆井史。結合哈薩克斯坦Sarykumak油田Sary-6斷塊地質特點,首先對軌道設計、井身結構設計和鉆具組合方式分別進行優(yōu)選,然后進行組合式整體優(yōu)選,給出了適宜該區(qū)塊地質特點的鉆井方案優(yōu)化設計建議。

Sarykumak油田;淺層水平井;軌道設計;井身結構設計;鉆具組合優(yōu)化

由于Sarykumak油田油藏埋深較淺,油田至今沒有水平井開發(fā)歷史,沒有可以借鑒的鉆井施工經(jīng)驗。為了保證該油田的淺層油藏得到有效開發(fā)利用,決定對該淺層油藏實施水平井開發(fā)方案。筆者通過對水平井的軌道方案設計優(yōu)化對比和鉆具組合的優(yōu)化設計及模擬計算,對方案進行了優(yōu)化,為該油田的淺層油藏水平井施工提供一個優(yōu)選的設計方案。

1 地質概況

1.1 地層特征

Sagizski區(qū)塊位于哈薩克斯坦共和國Aktobe州,靠近里海盆地的東南部。Sarykumak油田位于Sagizsk區(qū)塊鹽上構造南帶,Sary-6斷塊是該油田開發(fā)的重要部分。Sary-6斷塊鉆井資料揭示,鉆遇目的層自下而上依次為下、中侏羅統(tǒng) (J2、J1)與下白堊統(tǒng) (K1),由于該區(qū)剝蝕現(xiàn)象嚴重,區(qū)內的上侏羅統(tǒng)完全被剝蝕掉,并在下白堊統(tǒng)與中侏羅統(tǒng)、中侏羅統(tǒng)與下侏羅統(tǒng)、下侏羅統(tǒng)與上三疊統(tǒng)存在3個不整合面。

1.2 油藏流體性質及溫度壓力系統(tǒng)

Sarykumak油田油藏埋深淺,根據(jù)Sary-6井2層、Sary-601井1層,共三次溫度和壓力測試資料統(tǒng)計分析,油藏屬于正常溫度、壓力系統(tǒng),平均靜壓力梯度1.05MPa/100m,靜溫梯度為2.97℃/100m。

按此測試的溫度、壓力梯度分別測算分區(qū)塊平均油藏中深的溫度和壓力 (見表1)。

表1 Sary-6油藏平均原始地層壓力及溫度表

2 技術難點

Sarykumak油田在sary6井區(qū)部署8口水平井,其中7口井設計開發(fā)的目標層系為J2,通過對該區(qū)塊藏地質資料分析,同時結合當前水平井的設計技術對該地區(qū)Sary-6井區(qū)鉆井技術難點總結如下:

1)油層埋深較淺,平均在325m左右,由此導致造斜點較淺,直井段鉆柱重量較輕,大斜度段和水平段鉆壓施加困難。

2)地層壓實程度低,工具實際造斜率難以確定,由于前期沒有已鉆水平井,沒有可借鑒的經(jīng)驗和可靠的井史資料作為參考。

3)由于垂直空間余量不足,要求造斜率較高,井身質量的不確定性使得鉆進過程中隨著測深的不斷增加,摩阻將會不斷增加。

4)由于造斜點較淺,表層套管下深受到約束,從而給水平段進行測井造成困難。

5)由于直井段較短,套管的垂直下入重量小,而位垂比較大,因此套管下入困難,為減少套管下入阻力,要求井身剖面調節(jié)性強,能夠對垂深造成的誤差進行一定的調整,從而是軌跡控制難度進一步加大。

6)水平井靶窗范圍較小,要求中靶精度高。

3 水平井井眼軌道設計

3.1 水平井軌道類型選擇

由于Sarykumak油田的油藏埋深都比較淺,造斜的垂直空間不足,不適合使用長半徑水平井,同時又因為長半徑水平井鉆井造成靶前的進尺增加,短半徑水平井鉆井工藝技術還有待進一步完善,對鉆井設備和施工隊伍都有較高的技術要求,因此設計采用中曲率半徑水平井。

水平井井眼軌道優(yōu)化設計的目的就是降低井眼軌跡控制難度,充分發(fā)揮動力鉆具和轉盤鉆具各自的優(yōu)勢以提高機械鉆速,為鉆出平滑規(guī)則的井眼提供保障。水平井常用的軌道為 “直-增-穩(wěn)”、“直-增-穩(wěn)-增-平”、“直-增-穩(wěn)-增-穩(wěn)-增-平”3種剖面類型[1]。

實際上 “直-增-穩(wěn)”三段制的軌道只是 “直-增-穩(wěn)-增-平”五段制軌道的一個簡化版。從理論上說單圓弧的設計軌道更適合中曲率-小曲率半徑的水平井,而雙增五段制軌道更適合中曲率和長曲率半徑的水平井[4]。因此如果采用單圓弧軌道設計方案,那么設計造斜率將會比雙圓弧的造斜率降低,通過計算得出,使用三段制軌道的設計造斜率可以比雙增的五段制軌道的設計造斜率低2～3°/30m,這樣就防止了鉆具下入過程中產生自鎖的危險,同時可以避免為了提高造斜率全力使用動力鉆具進行增斜造成井身質量較差等其他復雜情況。此外單圓弧的水平井一般設計的過程中采取的是復合曲率設計方法,就是在小于9°/30m的造斜范圍內做微調,其軌跡較為平滑,摩阻、扭矩相對較小,保證鉆井施工過程中順利鉆進。

3.2 水平井關鍵參數(shù)設計

1)靶前位移考慮因素。靶前位移、穩(wěn)斜段長度是軌跡設計計算中優(yōu)選的一項,需要綜合考慮。由于區(qū)塊油層普遍較淺,垂直空間量較小,且該地區(qū)大部分為廣闊的平原,井口限制要求并不多,據(jù)此建議將靶前位移增加至250～300m,這樣使得造斜過程中的主要任務即為以圓滑的井眼曲率增加至設計井斜,較長的靶前位移為后期微調方位留有調整余量,確保順利進入靶區(qū)。

2)第一造斜點。造斜點依據(jù)油層垂直井深、水平位移和井眼曲率等參數(shù)確定,一般選在巖性比較穩(wěn)定和可鉆性適中的地層。為了在幾何參數(shù)上做到優(yōu)化,在表層套管鞋以下20m開始造斜,是為了有效利用垂直空間,為后期工作調整留有一定的余量。

3)造斜率選擇。由于Sarykumak油田的Sary-6斷塊平均油藏埋深在325m,通過優(yōu)化計算,對于該斷塊的單圓弧水平井的造斜率可控制為9°/30m,即可滿足要求。但是,由于前期該地區(qū)沒有鉆過水平井,建議初期盡量采用略微大于9°/30m的造斜率,借助于隨鉆測斜數(shù)據(jù)迅速掌握該地區(qū)的實際造斜能力和設計造斜率的偏差,以便后期調整參數(shù),有效控制水平井的井眼軌跡[2]。

4 井身結構設計

根據(jù)Sary-6斷塊Sary-601井、Sary-605井等已鉆井資料,對該油田地層巖性及地層壓力進行總結分析,Sary-6斷塊白堊系地層較薄,巖性以泥巖為主,頂部砂巖富集,夾薄層煤和泥灰?guī)r;另根據(jù)Sary-6井及Sary-601井的壓力測試資料統(tǒng)計分析,油藏屬于正常壓力系統(tǒng)。因此,方案部署井以二開次井身結構為主,表層套管封固白堊系上部的厚層砂巖和煤層。

表層套管推薦采用?273.1mm,其主要原因是:首先為了保證大彎角的螺桿鉆具順利通行,其次較大的表套內徑為后來采用高造斜率的井段鉆進創(chuàng)造條件,起鉆的時候留給橫向 “鐘擺”作用足夠的空間,同時為了便于處理井下復雜情況和事故。

1)導管。通過前期鉆井資料分析,上部地層松散,易垮塌,因此方案設計導管下至20m,封固松散淺表層,建立井口。

2)表層套管。一開用?346.00mm鉆頭鉆進,?273.1mm的表層套管下至80m,封固白堊系及以上不穩(wěn)定地層,為后期施工創(chuàng)造良好條件。

3)生產套管。二開用?215.9mm鉆頭鉆達設計井深。根據(jù)采油要求,水平段的后半部分采用裸眼濾砂管防砂完井,其余水平段部分采用?139.7mm套管完井。

5 鉆具組合優(yōu)化

5.1 井鉆具組合設計

水平井鉆具組合設計的關鍵是:一方面保證鉆具具有足夠的強度,另一方面需考慮鉆具具有一定的柔性,以滿足在大曲率井段中的通行能力,同時保障鉆具的造斜能力。

針對于單圓弧三段制軌道有2種鉆具組合方案。方案1:215.9mm鉆頭+(1～1.25°)螺桿165mm+127mm無磁承壓鉆桿10～20m+127mm斜坡鉆桿260m+127mm加重鉆桿210m+127mm鉆桿。方案2:215.9mm鉆頭+1.25°螺桿165mm+LWD或MWD+127mm無磁承壓鉆桿10～20m+ 127mm斜坡鉆桿280m+127mm加重鉆桿10m+165鉆鋌100m+127mm鉆桿。

施工過程中可根據(jù)井下具體情況在鉆具組合中加入隨鉆震擊器,備用1.5°SBS165mm。

5.2 鉆具組合優(yōu)化分析

在對2種鉆具組合方案進行比較分析之前作出如下2種假設:①鉆鋌位于造斜段內較小的井段以內(小于6°);②鉆鋌及以上鉆柱沒有出現(xiàn)阻卡等情況。

實際操作中看一下把加重鉆桿替換成鉆鋌將會如何。首先鉆鋌的直徑較大,在水平段鉆進的過程中除了起到順利加壓的效果還起到一個扶正器的效果,這樣加壓效果會更好。應用鉆鋌的時候因為使用長度是加重鉆桿的一半,這樣以所有鉆鋌為一個控制體來看,這個控制體的質心下移了一半 (60～90m),加壓作用點更接近鉆頭,加壓效果理想;其次,起鉆過程中,由于控制體的質心在下移,整體的鉆鋌這個控制體相當于一個大 “鐘擺”,由于使用螺旋鉆鋌,小斜度段和大斜度段的過渡截面上重力產生的分量就大,由拉力和重力的合力在增大,這樣起鉆過程中較大的 “鐘擺力”就會順利地將水平段的鉆具組合 “抽”出來,“剛柔”結合的鉆具組合會大大降低過渡截面處緊靠上井壁的可能性,降低卡鉆風險。

此外,結合當前油藏埋深,地層較軟,導致井徑擴大,從而降低了造斜工具的增斜能力,這就需要施加大于設計鉆壓數(shù)值鉆壓以保證穩(wěn)定的造斜率,但是直井段較短,有限長度的鉆桿和加重鉆桿提供的鉆壓不夠,這就需要更換鉆鋌來保證給鉆頭順利加壓。

綜合以上分析,使用鉆鋌代替大部分加重鉆桿的方案是比較理想的,同時由于推薦采用螺旋鉆鋌,其加工好的螺旋槽使得與井壁的接觸面積會減少,保證順利起鉆并有利于鉆井液攜帶巖屑,防止巖屑床產生,進而預防卡鉆等復雜情況。

5.3 鉆具組合受力分析

在水平井設計和施工過程中,預測和降低鉆井摩阻和扭矩是其成功與否的關鍵。較高的井眼曲率會導致鉆柱摩擦阻力增大,易發(fā)生屈曲變形,從而造成鉆具疲勞破壞或井下復雜情況[3]。因此,需要對不同工況條件下的鉆柱受力狀態(tài)進行系統(tǒng)分析,以確保鉆井施工安全。對造斜率為9°/30m的Sary-6井區(qū)的水平井sary-6-p1井的水平段鉆具進行摩阻扭矩分析,以便為該斷塊后期鉆井施工提供參考和指導。水平井段的鉆具組合摩阻與側向力分析如表2所示。

表2 各種工況分析數(shù)據(jù)表

根據(jù)2種不同的鉆具組合在單圓弧的水平井軌道中的摩擦阻力和最大側向力分析結果可以發(fā)現(xiàn),使用鉆鋌的鉆具組合均都小于加重鉆桿鉆具組合在單圓弧水平井中的摩擦力和最大側向力。另外,通過軟件分析,在其他不同的工況下采用螺旋鉆鋌的鉆具組合都在不同程度上優(yōu)于采用加重鉆桿的鉆具組合。

6 結論和建議

1)在地質部門允許的情況向盡量放寬水平井靶體的要求條件,在此情況下推薦采用較大的復合曲率的 “三段制”單圓弧水平井,優(yōu)化進尺。

2)由于油層過淺,垂直井段較短,建議采用鉆鋌進行加壓,降低加壓控制體質心,使之更靠近鉆頭,提高鉆壓傳遞效率,減少起鉆過程中的卡鉆風險,保證鉆井安全。

3)由于油層較淺,建議適當加大靶前位移,以便后期對井眼軌跡進行井斜和方位調整,用 “橫向”的余量補充 “縱向”的不足。

4)針對水平井 “攜巖”的難題,建議使用外表面帶有螺旋凹槽的螺旋鉆鋌,這樣有利于水平井攜巖,防止塵沙卡鉆。

5)由于在該區(qū)塊沒有水平井的鉆井史和經(jīng)驗可以借鑒,建議第一次造斜造斜率略高于設計造斜率,放慢造斜速度,及時把握地區(qū)造斜能力以便精確控制后期鉆井軌跡。

[1]楊衍云,邱秀坤,閆振來.水平井鉆井技術難點與設計優(yōu)化分析[J].石油鉆采工藝,2008,42(3):21-23.

[2]莊寶堂,李黔,鄧傳光.中短半徑水平井彎曲井段套管柱受力分析[J].鉆采工藝,2006,29(5):80-81.

[3]伊明,劉曉蘭,顧維亮,等.水平井大尺寸完井管柱下入摩阻計算探討[J].新疆石油科技,2005,15(4):5-9.

[4]高德利,劉希圣,徐秉業(yè).井眼軌跡控制[M].東營:石油大學出版社,1994.

[編輯] 李夢霞

TE243.1

A

1673-1409(2014)20-0048-03

2014-03-12

柳文啟(1982-),男,工程師,現(xiàn)主要從事定向井鉆井方面的研究工作。