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        油田水平鉆井技術(shù)研究

        2021-12-30 13:56:32馮鉛玖延長油田股份有限公司志丹采油廠陜西延安717500
        化工管理 2021年35期
        關(guān)鍵詞:墊片水平井鉆頭

        馮鉛玖(延長油田股份有限公司志丹采油廠,陜西 延安 717500)

        1 水平鉆井技術(shù)概況

        成功的水平井該如何定義分為兩種,短期內(nèi)達(dá)成的目標(biāo)及長期達(dá)成的目標(biāo):

        短期內(nèi)達(dá)成的目標(biāo)包含以下:(1)鉆進(jìn)期間無工安意外、噴井、井塌、卡鉆及順利完井;(2)工程進(jìn)度符合預(yù)期甚至超前;(3)工程款符合預(yù)算甚至低于預(yù)算;(4)碳?xì)浠衔锂a(chǎn)量符合預(yù)期,且無突發(fā)出水情況。

        長期達(dá)成的目標(biāo)包含以下:(1)油田的總產(chǎn)能能維持或提升;(2)延緩水侵;(3)降低單位產(chǎn)量的開發(fā)成本;(4)增加采收率。

        水平井的井程預(yù)期與實(shí)際上可能有發(fā)生的差異,實(shí)際上的地層可能受到斷層影響造成油氣層錯動及偏移,因此油氣儲集層可能會被區(qū)分成數(shù)個彼此隔絕區(qū)塊,理想上可依據(jù)水平井串連起來,而探勘階段因距離及缺乏實(shí)際數(shù)據(jù),較難清楚區(qū)分出斷層的位置及隔絕的情形。因此,鉆井過程可依據(jù)MWD及LWD實(shí)時修正井程并追蹤油氣儲藏區(qū),用以最佳化井程以增加接觸目標(biāo)區(qū)的面積,根據(jù)地層條件可能需要3口直井才能生產(chǎn),而水平井則有機(jī)會鉆1口即可取代。

        一般情況鉆鍵、MWD、LWD及鉆頭組合方式如圖1所示,鉆頭銜接定向旋轉(zhuǎn)工具,而其后的MWD及LWD工具依據(jù)泥漿或鉆桿將量測到的數(shù)據(jù)傳送到地表接收設(shè)備上,再由工程師或系統(tǒng)發(fā)送指令給定向旋轉(zhuǎn)工具,借以控制井程的方向。

        圖1 旋轉(zhuǎn)工具導(dǎo)向工具

        2 地質(zhì)導(dǎo)向

        先期井程的決定主要根據(jù)地質(zhì)資料而定,而地質(zhì)資料對應(yīng)到的實(shí)際狀況可能不只一種情況。地層中的情況可用圓柱體代表定向旋轉(zhuǎn)工具且橘色為目標(biāo)層,交會時會因角度不同而呈現(xiàn)不同的影響,而實(shí)時判斷定向旋轉(zhuǎn)工具的偏移角度則可采用系統(tǒng)自動判斷,但地層過于復(fù)雜或是目標(biāo)層分岔,自動追蹤無法準(zhǔn)確判斷,就可能往非預(yù)期方向前進(jìn),此時則需要借重工程師的專業(yè)判斷[1]。

        3 定向旋轉(zhuǎn)工具功能

        不同的鉆頭尺寸所搭配的MWD與LWD也會有所差異,因不同階段需要獲取的地層信息也有所差異。接續(xù)鉆進(jìn)8又1/2吋的井孔,搭配的LWD設(shè)備會更多元化,主要為因應(yīng)后續(xù)目標(biāo)層接觸區(qū)的資料搜集、完井位置及后續(xù)可能的液裂工程的考量。LWD設(shè)備有MicroScope 、EcoScope及 SonicScope,以下簡述各設(shè)備的功能及適用范圍。

        MicroScope主要功能有提供鉆頭電阻率、電阻率成像、側(cè)向電阻率及方向性,可提供高分辨率電阻率成像,及用來做結(jié)構(gòu)分析、裂縫識別和分析、薄層識別和評估、提高地層導(dǎo)向水平井鉆遇率和決定套管/取巖心位置。

        EcoScope主要功能有井徑電測、巖性剖面、方位密度、中子孔隙度、感應(yīng)電阻率和方向性,可用來做綜合地層評估、最佳化鉆井井程及監(jiān)控環(huán)孔壓力,在部分功能會與其他LWD設(shè)備重復(fù),但因分辨率有差異或收集資料方式有差異,Ecoscope是采用PNG脈沖中子發(fā)射器,而一般重復(fù)的功能可用來做再次確認(rèn)。

        SonicScope隨鉆聲波主要功能是縱橫波速率比(Vp/Vs)、普松比、橫波時間和縱波時間,可用來計(jì)算巖石力學(xué)、氣層辨識、孔隙壓力分析、孔隙率計(jì)算和地層標(biāo)定,特點(diǎn)是可儲存所有聲波數(shù)據(jù),對后續(xù)地層分析會有明顯的幫助。

        Underreaming-while-drilling(UWD)隨鉆擴(kuò)井在中東碳酸鹽層也成功與Rotary steerable system(RSS)定向旋轉(zhuǎn)裝置結(jié)合,擴(kuò)井工具能提供清除被泥漿污損的泥壁,降低膚表因子(Skin),進(jìn)而達(dá)到增產(chǎn)的效果,而此工具也成為水平井可搭配的選項(xiàng)之一。

        4 水平鉆井合約要點(diǎn)

        4.1 設(shè)備運(yùn)輸

        合約中須注明租賃時間為設(shè)備離開至歸回基地,或是以港口為準(zhǔn),以乙方來說,離井場越近租賃時間越短越有利,而如果有需要中途過夜的情況,乙方需要提供場地,因此貨運(yùn)時程,建議可直達(dá)井場,避免臨時需要提供暫放區(qū)或是衍生的費(fèi)用。

        4.2 人員協(xié)助

        人員協(xié)助部分主要分兩種情況,主要的支出為固定每人日薪,在各階段都需要MWD/LWD工程師及定向鉆井工程師,以避免后續(xù)銜接水平鉆進(jìn)時有問題;另外一種情況是人員每隔固定時間需要做交替,而交替的部分會額外衍生費(fèi)用。

        4.3 操作費(fèi)用

        設(shè)備定位時間至搬遷的時間為主,但如果有其他工具,如電測工具,此時可爭取暫停收費(fèi),另外有進(jìn)尺費(fèi)用,每鉆進(jìn)深度(測深)的費(fèi)用及入井次數(shù)所衍生的保養(yǎng)費(fèi),此部分較為復(fù)雜包含時間、鉆進(jìn)深度及使用次數(shù),故此部分費(fèi)用變量較大,需視實(shí)際井況保留彈性空間。

        4.4 檢測費(fèi)用

        租賃設(shè)備如需做額外的檢驗(yàn)工作,需要自行負(fù)擔(dān)檢驗(yàn)費(fèi)用,此部分較為單純。

        4.5 追加費(fèi)用

        (1)操作環(huán)境條件(高壓、高溫)超乎預(yù)期設(shè)定的追加費(fèi)用。

        (2)泥漿固相含量較大(如大于15%)或含砂量較大(如大于1%)。

        (3)泥漿中的氯離子含量(如大于4萬mg/L),或是硫酸根含量(如大于1%)導(dǎo)致管材腐蝕。

        (4)地震強(qiáng)度、震動次數(shù)(如遇地層變動或是周圍有震動)或是其他天災(zāi)等超過契約的規(guī)定,造成的設(shè)備損害。以上情況如有探勘井或其他資料做地層預(yù)測及對比,會較容易預(yù)測,而地震部分仍屬于無法預(yù)測的天災(zāi),建議保留彈性空間[2]。

        5 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)新技術(shù)

        5.1 推位機(jī)制方式

        推位機(jī)制方式,主要使用外部數(shù)個墊片并同時以泥漿閥控制墊片,使部分的墊片壓在井壁上,藉此產(chǎn)生側(cè)向壓力,導(dǎo)致鉆頭在相反的一側(cè)產(chǎn)生壓力而導(dǎo)致方向改變,其實(shí)際位移顯示于設(shè)定位移關(guān)系圖。綠色線段為使用電測所得的實(shí)際位移,棕色線段為藉MWD設(shè)備所設(shè)定的位移,而使用電測量測所得的位移遠(yuǎn)比MWD設(shè)備設(shè)定的波幅為大,此種情況容易對于井程的平滑度過于樂觀。

        5.2 點(diǎn)位機(jī)制方式

        點(diǎn)位機(jī)制方式,主要經(jīng)由彎曲部分管串,使鉆頭的方向相對于工具的其余部分發(fā)生變化,并需要依據(jù)不旋轉(zhuǎn)的螺桿以產(chǎn)生偏轉(zhuǎn),此法多用于調(diào)整大范圍的角度如地層走勢,其實(shí)際位移顯示于設(shè)定位移關(guān)系中。紅色線段為采用電測所得的實(shí)際位移,綠色線段為以MWD設(shè)備所設(shè)定的位移,而點(diǎn)位式也有類似于推位式的情況存在。

        某新型態(tài)的導(dǎo)向工具“連續(xù)比例轉(zhuǎn)向法”,類似推位方式,但將墊片改置于經(jīng)過減速后的轉(zhuǎn)軸上,并個別采用獨(dú)立的水力控制系統(tǒng)控制墊片,以達(dá)到更精確控制的目的;其主要特點(diǎn)為可減少導(dǎo)向產(chǎn)生的急彎(Dog leg)與平均轉(zhuǎn)向角度的幅度,亦為RSS設(shè)備優(yōu)化的目標(biāo),其實(shí)際位移與設(shè)定位移關(guān)系。

        在急彎、平均扭力與平均轉(zhuǎn)向角在3種旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向設(shè)計(jì)下的差異,在優(yōu)化井程的功能下,可減少卡鉆問題,因水平區(qū)段會受到目標(biāo)地層巖性所影響,而目標(biāo)地層難以修改,但井2墊鉆管串主要為因應(yīng)頁巖油氣而開發(fā)的技術(shù),在此技術(shù)也看到與前述Baker hughes的連續(xù)比例轉(zhuǎn)向法相似之處,其設(shè)計(jì)概念為經(jīng)由減速轉(zhuǎn)軸、固態(tài)感應(yīng)器及獨(dú)立電控泥漿閥,以精確控制井程,達(dá)到井間的防碰撞設(shè)計(jì)。相較于連續(xù)比例轉(zhuǎn)向法都具有減速轉(zhuǎn)軸及獨(dú)立控制閥,差異為泥漿在連續(xù)比例轉(zhuǎn)向法置換成水;固體感應(yīng)器為提升定位裝置,對于不需要防碰撞或是井口數(shù)量較少的情況,作為選配或是省略應(yīng)該是節(jié)省成本的做法,其中墊鉆管串的墊片本身不旋轉(zhuǎn),而是靠泥漿閥控制定位(凸出)與井壁產(chǎn)生壓力,進(jìn)而達(dá)到轉(zhuǎn)向的效果,而泥漿閥為依賴電力與泥漿壓力,并搭配齒輪箱及位置感應(yīng)器控制墊片位置,所需的泥漿壓差約3.45~4.16 MPa、而電力采用低馬力的馬達(dá)[3]。

        墊鉆管串的主要設(shè)計(jì)方向?yàn)楹唵?、可靠,同時減少必要的清潔及維修頻率,4個墊片組的控制系統(tǒng)都是獨(dú)立的,兩兩成對并朝向不同方向,在調(diào)整方向時可以使用1個或以上的墊片達(dá)成。墊鉆管串的降低轉(zhuǎn)速功能,對LWD電測也會有正向的幫助,降低轉(zhuǎn)速主要對LWD的量測可以減少震幅與背景值,對判斷上可以更為精確,避免誤判。

        6 結(jié)語

        如地層對比表顯示的目標(biāo)上方有頁巖層,其質(zhì)地偏脆且吸水后強(qiáng)度會快速降低,造成破碎的現(xiàn)象,因此設(shè)計(jì)上會以直井或低角度定向井穿過該頁巖層,再進(jìn)行增角作業(yè)。因此區(qū)分成兩種方案,其一為直井部分穿過頁巖層后,接續(xù)到相對緊實(shí)的砂巖層進(jìn)行快速增角,到達(dá)目標(biāo)層的砂巖頂部,再轉(zhuǎn)成水平鉆井,其風(fēng)險(xiǎn)為如果目標(biāo)地層提早出現(xiàn)則可能會錯過,或是高增角率造成工程難度提升或無法采用較大的套管完井;另一種方案為以低角度定向角穿過頁巖層,提前挑戰(zhàn)危險(xiǎn)性較高的頁巖層,但也相對降低錯過目標(biāo)層及降低第2起斜點(diǎn)的增角率方式。

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