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        水平井鉆井技術(shù)在石油開發(fā)中的發(fā)展應(yīng)用

        2022-11-21 00:17:22高文濤中國石油集團(tuán)長城鉆探工程有限公司鉆井一公司長慶項目部遼寧盤錦124010
        化工管理 2022年24期
        關(guān)鍵詞:摩阻水平井鉆井

        高文濤(中國石油集團(tuán)長城鉆探工程有限公司鉆井一公司長慶項目部,遼寧 盤錦 124010)

        0 引言

        作為工業(yè)的血液——石油,依然在世界政治經(jīng)濟(jì)中扮演著極端重要的角色,對其的需求也與日俱增,促使各國將石油開發(fā)的目標(biāo)逐漸轉(zhuǎn)移到開發(fā)難度大的致密型油、發(fā)育較差的儲層中,也因此促使一些新興鉆井技術(shù)發(fā)展起來。水平井鉆井技術(shù)作為其中最具代表性的鉆井技術(shù),已經(jīng)在世界范圍內(nèi)推廣應(yīng)用開來,成為保障能源安全的重要開發(fā)技術(shù)。所以需要對其在石油能源勘探開發(fā)中的實際運用展開相關(guān)研究。本文從水平井鉆井的技術(shù)現(xiàn)狀入手,綜述了該項技術(shù)的優(yōu)勢和發(fā)展現(xiàn)狀,分析了該項技術(shù)實際應(yīng)用中存在的問題,提出了確保該項技術(shù)順利實施的應(yīng)用措施,并對其在世界范圍內(nèi)的應(yīng)用效果進(jìn)行了詳述,為該項技術(shù)的發(fā)展提供較為詳實的內(nèi)容。

        1 水平井鉆井技術(shù)現(xiàn)狀

        1.1 基本概念

        自水平井的理論在石油開發(fā)中出現(xiàn)開始,對其的定義均限制在小于90°的水平傾角范圍內(nèi)的一定長度的井段。而在油層中保持長度超過1 000 m的水平井稱之為長水平段水平井[1]。該項技術(shù)與定向鉆井技術(shù)的發(fā)展基本同步,可以保證鉆頭在儲層中有效鉆進(jìn),提高施工效率。

        1.2 技術(shù)優(yōu)勢

        水平井鉆井技術(shù)具有定向鉆井技術(shù)和直徑鉆井技術(shù)的較多優(yōu)點,并且具備其他技術(shù)不能涉及到的技術(shù)優(yōu)點。一是該項技術(shù)能夠依據(jù)定向鉆井技術(shù),有效控制鉆頭沿著儲層逐層鉆進(jìn),大大提高了鉆遇率,有效增加了泄油面積,最終能夠確保單井產(chǎn)量的提升;二是該項技術(shù)的應(yīng)用過程,也同樣是幫助技術(shù)人員進(jìn)一步認(rèn)識地層的過程,能夠更為全面地了解開發(fā)層段,收集更為詳細(xì)的資料,以便給出更為科學(xué)的開發(fā)方案;三是能夠極大帶動鉆井技術(shù)的集成化科技研發(fā)和應(yīng)用,在叢式水平井、智能化水平井工程模式等方面,推進(jìn)了鉆井工程領(lǐng)域的科技進(jìn)步,使得鉆井工程技術(shù)層面的工藝逐步多樣化、自動化、智能化、集成化和信息化;四是從總體成本上對比,水平井鉆井技術(shù)的成本相比于其他技術(shù)成本具有優(yōu)勢,產(chǎn)生的附帶污染也較低,避免過多的開發(fā)浪費情況發(fā)生。

        1.3 技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

        水平井鉆井技術(shù)最初伴隨定向鉆井技術(shù)應(yīng)用在低滲透性、裂縫發(fā)育、氣頂與底水油藏等地質(zhì)條件的儲層中,取得了理想的效果,其優(yōu)點也逐漸被推廣應(yīng)用,逐漸發(fā)展成為從裂縫性碳酸鹽巖到頁巖,從砂巖到煤層等寬領(lǐng)域的鉆井技術(shù),能夠最大程度開發(fā)已經(jīng)處于開發(fā)末期的儲層、致密型油氣藏等類型,在注采兩端都發(fā)揮著極為重要的作用,能夠?qū)崿F(xiàn)多層開發(fā)、精細(xì)化油藏再認(rèn)識、科學(xué)調(diào)整注采剖面等多重目標(biāo),成為現(xiàn)在能源開發(fā)行業(yè)中不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)之一。

        2 水平井鉆井技術(shù)存在的問題

        2.1 配套設(shè)備限制

        與國際上水平井鉆井技術(shù)的成熟發(fā)展和應(yīng)用相比,我國在部分水平井鉆井方面還存在一些差距,尤其是水平井鉆井相關(guān)技術(shù)配套石油機(jī)械方面。國內(nèi)很多設(shè)備仍然是傳統(tǒng)的設(shè)備類型,維修維護(hù)較為頻繁,設(shè)備穩(wěn)定性不理想,而購買國外的進(jìn)口設(shè)備,不僅價格昂貴,還容易影響國內(nèi)設(shè)備制造商的積極性,從而出現(xiàn)了設(shè)備與技術(shù)發(fā)展匹配的情況。這需要國內(nèi)石油機(jī)械行業(yè)從業(yè)者,加快技術(shù)革新步伐,迎頭趕上,打破設(shè)備卡脖子的瓶頸,推動國內(nèi)水平井鉆井技術(shù)再上新臺階。

        2.2 地質(zhì)條件限制

        影響水平井鉆井質(zhì)量和效率的限制條件,首先是地質(zhì)條件的發(fā)育優(yōu)劣程度。尤其是水平井多用于縱向和平面發(fā)育差異性較大的區(qū)塊,往往跨相發(fā)育的地層影響了效率,一方面需要針對復(fù)雜的地質(zhì)條件進(jìn)行詳細(xì)的識別,另外不同類型的地層鉆進(jìn)速度方案也不同,從而影響了水平井鉆井的速度。針對此類情況,一般采用直徑較大的鉆孔以提升鉆井速度。

        2.3 摩阻扭矩限制

        對水平井鉆井影響較大的另一個限制條件,就是摩阻扭矩對鉆進(jìn)的限制阻礙。尤其是長水平段的水平井鉆井,當(dāng)超過1.2 km的距離后,水平井段的摩阻扭矩已經(jīng)出現(xiàn)影響軌跡前行的跡象。如果水平井鉆井的鉆具體系構(gòu)造極為繁瑣,容易導(dǎo)致鉆具橫臥在水平井井壁的最下端,一旦整個鉆具體系與井壁最下端處沉積的巖石碎屑攪在一起,容易卡住。此外,由于巖屑在鉆進(jìn)軌跡中會一定程度地污染鉆井液,更容易降低鉆進(jìn)所需的潤滑效果。

        2.4 固井條件限制

        水平井鉆井技術(shù)對固井的要求較高,尤其是在斜井段和水平段的高邊區(qū)域按照水袋的形式保障水泥與水平井壁的固井質(zhì)量達(dá)到理想效果,經(jīng)常會需要在鉆進(jìn)過程中,在泥漿內(nèi)混入一定比例的原油液體,以降低摩阻??墒?,當(dāng)水泥凝結(jié)時由此會形成部分縫隙,影響了固井的整體效果和穩(wěn)定性。此外,還有在凝析油氣儲層中鉆進(jìn)時,部分油氣也會摻入泥漿,影響固井質(zhì)量。一旦水泥凝結(jié)后帶有縫隙,在強(qiáng)大的振動下,輕則導(dǎo)致脆性裂紋,重則導(dǎo)致斷裂,嚴(yán)重影響水平井鉆井的質(zhì)量。

        2.5 人力資源限制

        由于水平井鉆井技術(shù)尚屬于較為先進(jìn)的鉆井技術(shù),與理論知識結(jié)合較為緊密,而國內(nèi)當(dāng)前該技術(shù)應(yīng)用方面的人員相關(guān)的培訓(xùn)較少,基本從實踐中摸索和掌握部分重要技術(shù)內(nèi)容,影響了基礎(chǔ)知識和技術(shù)的儲備厚度。而且鉆井隊伍的流動性較強(qiáng),隊伍長期穩(wěn)定性較差,加之部分民營個體承包商為了成本而很少在培訓(xùn)方面投入資金,各類因素導(dǎo)致了在水平井鉆井技術(shù)方面的人力資源較為匱乏。

        2.6 泥漿密度限制

        鉆進(jìn)過程中需要用到大量泥漿,如果泥漿的相對密度與鉆孔工作不匹配,出現(xiàn)過大或者過小的情況,會嚴(yán)重影響鉆孔的效率,過大的相對密度會導(dǎo)致鉆具被膨脹,出現(xiàn)較大摩阻扭矩;而過小則會出現(xiàn)反力損壞鉆柱,故泥漿相對密度問題需要高度重視。

        2.7 過程穩(wěn)定限制

        水平井鉆井過程不同于直井,其經(jīng)常存在彎曲造斜的情況,一旦水平井的井筒彎曲度沒有控制好,就極大考驗鉆柱的剛度和硬度。若是鉆柱質(zhì)量不佳,就容易出現(xiàn)脫離方案軌跡的情況。所以水平井鉆進(jìn)過程中的穩(wěn)定對于整體質(zhì)量極為重要,一旦出現(xiàn)問題,嚴(yán)重影響水平井鉆井的施工效益。

        3 水平井鉆井技術(shù)關(guān)鍵措施

        3.1 精益套管管理

        為了防止石油鉆井過程中的坍塌事故,避免井下壓差過大而導(dǎo)致摩阻引發(fā)鉆進(jìn)故障,需要對下套管工作進(jìn)行精益管理:一是詳細(xì)分析下入機(jī)械的重量總體與極限的具體量級;二是計算出下入后的摩阻損失;三是總體重力損失。通過全過程重力和摩阻的精益管理,簡化頂部驅(qū)動時循環(huán)鉆井液,整合優(yōu)化升級水平井鉆井整體項目。同時,依靠技術(shù)人員的精益管理和控制輔助作業(yè)單元,全力保障該技術(shù)鉆進(jìn)功能的順利實施。

        3.2 精確控制軌跡

        在實施水平井鉆井技術(shù)時,應(yīng)對整體鉆井過程進(jìn)行綜合研判和科學(xué)分析,提高整體項目的品控水準(zhǔn),依托技術(shù)創(chuàng)新手段運用井底預(yù)測技術(shù),精確把控井身軌跡。尤其是直井段的井身軌跡,避免出現(xiàn)偏移,完整保持整體的井身結(jié)構(gòu)控制。此時要采取必要的保障技術(shù)來精確控制井身軌跡。經(jīng)常采用的相關(guān)技術(shù),包括軌跡跟蹤預(yù)測技術(shù)、隨鉆軌跡監(jiān)測和控制技術(shù),以及導(dǎo)向鉆井技術(shù)。

        一是采用軌跡跟蹤預(yù)測技術(shù),在水平井鉆井過程中,運用科學(xué)的施工技術(shù)在保持流程完整的基礎(chǔ)上,維持造斜技術(shù)的鉆井效果,需要采用該項預(yù)測技術(shù)來綜合判斷和預(yù)測實際的井斜質(zhì)量,實時根據(jù)鉆進(jìn)數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)分析和調(diào)整。二是在鉆進(jìn)過程中,尤其是在深度鉆井項目,充分運用隨鉆軌跡監(jiān)測和控制技術(shù),能夠準(zhǔn)確選擇隨鉆監(jiān)測設(shè)備和精確計算方法,按照流程和制度要求,滿足現(xiàn)場與方案的結(jié)合性。目前國內(nèi)采用的是MWD無線隨鉆測量設(shè)備,實時測量井眼的軌跡情況,提高軌跡控制的精確性。三是使用導(dǎo)向鉆井技術(shù)來實現(xiàn)水平井鉆井過程中造斜井段的精確控制,實時結(jié)合井下地質(zhì)參數(shù)變化情況,科學(xué)選擇轉(zhuǎn)盤鉆和定向造斜井結(jié)合部位,實現(xiàn)對井身軌跡的精確調(diào)整和控制,不僅能夠滿足施工要求,還能夠保障水平井鉆井全過程安全可靠。

        3.3 精準(zhǔn)處理剖面

        在水平井鉆井過程中,其剖面長半徑、中半徑和短半徑全系列的科學(xué)計算與統(tǒng)一處理對于水平井整體項目的安全極為重要。要精準(zhǔn)確保剖面半徑的處理水平達(dá)到方案標(biāo)準(zhǔn),通常在水平井設(shè)計階段對半徑維護(hù)就要進(jìn)行詳細(xì)分析。施工階段經(jīng)常使用長半維護(hù)和短半維護(hù),而在過程中更多采用曲殼驅(qū)動法,有效規(guī)避滑動摩阻帶來的各類安全隱患風(fēng)險,結(jié)合無線隨鉆測量的軌跡監(jiān)測和控制技術(shù),有效避免超過極限的拉力問題。

        3.4 精細(xì)清理井眼

        在水平井鉆井技術(shù)實施過程中,按照軌跡類型基本分為水平段和造斜段,在水平段的鉆進(jìn)過程中,規(guī)模較多的水、泥漿混合物、巖屑等雜物會大量產(chǎn)生,需要及時地返排到地面,否則會長期積累影響鉆進(jìn),影響鉆井質(zhì)量,真實導(dǎo)致卡鉆發(fā)生。所以,為了順利保障水平井鉆井的精確實施,需要高度重視巖屑返排工作,特別是在造斜井段的過程中尤為需要注意,謹(jǐn)防沒有排出的巖屑進(jìn)入后續(xù)開采的石油和注入水中,導(dǎo)致油品質(zhì)量和注入水質(zhì)量受到影響。在此過程中,一定要按照相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膱?zhí)行,切不可大意導(dǎo)致問題發(fā)生。

        3.5 精密控制范圍

        水平井鉆井中的井下總體布局規(guī)劃需要在設(shè)計階段,結(jié)合前期資料落實有效的預(yù)判和分析,并在鉆井全流程中實時再分析和再認(rèn)識。這對水平井鉆井的預(yù)前方案合理性提出了極高的要求,并依托于隨鉆監(jiān)測設(shè)備的精確應(yīng)用,能夠?qū)崟r反應(yīng)鉆進(jìn)空間的邊界預(yù)判,以確保施工中鉆孔空間的邊界范圍可控,結(jié)構(gòu)能夠保持完整有效。除了方案和設(shè)備因素外,過程中液位和偏斜質(zhì)量的有效監(jiān)督到位,也是能夠確保隨鉆數(shù)據(jù)信息準(zhǔn)確的保障,由此來精密的控制鉆進(jìn)空間的合理性,規(guī)避返工修整等不必要的后續(xù)工作。

        3.6 精專鉆柱管理

        水平井鉆井工程的全流程安全重要保障之一就是鉆柱的強(qiáng)度管理,在保證其抗壓強(qiáng)度的基礎(chǔ)上,才能滿足造斜結(jié)構(gòu)的精確目標(biāo)和方案要求。所以需要高度專注對鉆柱的強(qiáng)度管理,首先從方案源頭上確保能夠?qū)崿F(xiàn)的管柱水平與管理能力相匹配;二是專注于最大程度減少摩阻扭矩的影響,尤其是對長水平段水平井鉆井,要合理選用對口工具降低摩阻扭矩,也能極大降低水平井鉆井的事故發(fā)生率,確保項目的平穩(wěn)實施。

        3.7 精湛技術(shù)工作

        石油開發(fā)離不開科學(xué)技術(shù)的支持,而水平井鉆井作為技術(shù)綜合性較強(qiáng)的鉆井技術(shù),同樣依賴于技術(shù)的支撐,故需要切實做好相關(guān)技術(shù)的保障措施。一是在鉆進(jìn)傾角和造斜階段時,要科學(xué)計算和分析斜角的量級以合理選擇適當(dāng)?shù)你@具,尤其是在坡度極小的情況下,采用無磁鉆桿等鉆具;二是在水平井鉆井整體施工過程中,構(gòu)造學(xué)和機(jī)械設(shè)備的合理運用與質(zhì)量保證,對實時鉆進(jìn)的監(jiān)測起著重要作用,確保鉆進(jìn)力的合理控制;三是降低摩阻的專用工具質(zhì)量要高,避免過大摩阻扭矩影響水平井鉆井施工。此外,控壓鉆井技術(shù)的運用對確保水平井井下壓力保持平衡狀態(tài)也極為有效[2]。

        4 水平井鉆井技術(shù)國外應(yīng)用效果概況

        1929年美國第一口水平井的問世就獲得了高產(chǎn)[3]。目前在國內(nèi)外的各類油田中均能夠看到水平井鉆井技術(shù)的應(yīng)用,比較集中在致密型、豐度低、物性不佳、裂縫發(fā)育的油藏區(qū)域,以解決直井鉆井不能觸及的油藏范圍,極大地提高石油開發(fā)效率。

        而我國近年來的水平井鉆井方面的技術(shù)實力也發(fā)展較快,大慶油田、長慶油田等各大油田逐年加大了水平井鉆井工程技術(shù)推廣的力度。目前國外每年大約2 000口水平井鉆井施工項目,國內(nèi)是200口左右,并呈現(xiàn)逐年增加的態(tài)勢。得益于水平井的優(yōu)勢,尤其是長水平段水平井鉆井技術(shù),能夠極大提高油藏的泄油面積,有效提高單井產(chǎn)量和采收率,經(jīng)濟(jì)效益較好,能夠鉆進(jìn)貫穿較長的儲層。所以在非常規(guī)油氣藏和老油田增產(chǎn)方面廣泛運用[4]。從當(dāng)前情況看,水平井鉆井技術(shù)在促進(jìn)石油能源產(chǎn)量方面已發(fā)揮出突出的功效,可以極大地促進(jìn)石油產(chǎn)量的提高,遠(yuǎn)景展望看好。

        5 結(jié)語

        雖然水平井鉆井技術(shù)得益于其優(yōu)勢,在國內(nèi)的推廣應(yīng)用較快,但是在配套設(shè)備和相關(guān)技術(shù),以及人力資源方面還需要不斷地提升和完善,確保項目施工質(zhì)量和進(jìn)度,最終完成石油開發(fā)的生產(chǎn)目標(biāo)。在此過程中,除了要及時汲取國外先進(jìn)經(jīng)驗之外,獨立自主的創(chuàng)新發(fā)展更為重要,依靠技術(shù)的不斷發(fā)展,提升我國石油開發(fā)的綜合實力。

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