优选短半径水平钻井系统.pdf

⋯ 优 选 短 半 径 水 平 钻 井 系 统 W． J T a n k 著 n ／ 一 宋庆 伟译 前 言 Ya t e s油 田位 于 盆地 中央 平 台 的南端 ， T e x a s州 中部 南 9 O英里 处。主 要产 层位 于 1 2 0 0英 尺到 1 7 0 0英 尺深 的三 叠纪 S a n An - d r e s 地 层。储层为平均孔 隙度达 1 8 的大裂 缝的 白云岩 ， 井的最初生产指数接近每 p s i 压 差 日产 5 O桶。 自 1 9 8 6 年 用短 半径水平钻井以来 ， 提高 了该油田的生产能力 ， 尤其是在像页岩夹层的 二次钙质胶结作用的地质结构变化 已不 再产 油的油藏。水平井眼暴露了更多的储层岩石 ， 把气锥进降低到最小程度， 并提供了连通油 田 主要裂缝趋向的机会。 由于短半径水平钻井消 除了钻穿洞穴气顶的f可 题， 因而短半径钻井在 Y a t e s油 田成为经济效 益最高的钻水平 井的 方法 ， 可以用于现有的 1 6 3 0口井。在 1 o 英亩 范围内不限制必要的水平井段长度。 短半径钻井技术 的一般讨论 短半径钻井技术几乎专 门用于在现有直 井 中钻水平井， 以修 井钻机代 替常规钻机打 井。钻一 L l 短半径水平井需要的设备少 ， 且可 以多次重复钻眼 ， 节约成本远远超过中半径水 平井及长半径水平井 ， 尤其在浅油砂层 。 这种钻井系统可在 2 0 ～1 O 0英尺厚度 内 完成 从直井到水平井的转变 ， 且钻开的水平段 长度范围在 1 0 0 ～1 3 0 0 英 尺 对 一口成功的井 孙 书 校 来说， 关键是避免钻开易发生复杂情况的覆盖 层， 短半径水平井提供了这样一个方法 ， 先钻 开该复杂地层， 再用套管将其隔离。一口短半 径水平井比普通中半径水平井暴 露的产层多 5 O 图 1 。 图 1 在 5 0英尺深 的油层 1 0 o 0英尺 长的 水平 井 中， 中半径与短半径水 平井眼油 藏暴露的 比 较 虽然在 4 O年代 已开始研究短半径钻井系 统， 但一直到 7 9 8 0年才开始应用 。 最初 的短半 径水平井都是用旋转钻机钻进 的。 在旋转钻井 系统中， 钻杆以铰链连接通过拐弯的严重狗腿 处 。由于测斜仪在起钻 以后才可能进行测量 ， 当讨论短半径时， 常提出定向控制技术问题 在 8 O年代后期 ， 研制了井下泥浆马达 、 它 能通过弯 曲半径 ， 并用井下导向仪或用最近研 制的随钻测量仪 MWD 进行连续测量 。半径 小于 7 0英尺 ， 为通过这个曲率半径 ， 泥浆马达 维普资讯 2 国弭钻井挠术 第十二卷1 9 9 7年第 s期 铰链连接。 太多数短半径水平井是以滑动方 式钻进的 ， 钻杆井不旋转。 对于 8 0英尺以下的 半径 ， 必须限制钻杆的旋转速度 ， 每钻 5 ～1 o 英尺工具面只能旋转 3 ～5转 。限制速度主要 是对钻柱 ， 而不是对泥浆马达系统 。在半径太 于 8 o英尺时， 按规则仔细确定钻柱 的刚性后 ， 允许钻柱 每分钟 2 0 3 0转 的速度旋转 。目 前 ， 正 复台钻柱进行一些试验 。为增加复合 钻柱的柔软性 ， 复台钻柱是 由金属和玻璃纤维 制成的。 Ya r e s油 田短半径水平 钻井作业情况 Ya t e s 油 田从 1 9 8 6年到 1 9 9 5年底一共打 了 1 0 5口短半径水平井 图 2 。由于天然气过 度开采 ， 造成油气界面下移引起现有井不具备 生产能 力， 1 0 5口井中的 1 6口井都 是在老井 眼中重钻的 。如前所述 ， 在 Ya t e s 油 田钻短半 径水平 井 的目的是在生产能力降低的区域利 用增加裸露的油藏及交叉裂缝 ， 最大限度地提 高完井效率 。 在该油田将气锥进减小到最小程 度是 目前正在进行 生产经营者的主要 目的。 已 经证实 ， 短半径水平井技术对克服常规直井完 井无效的问题， 是个最有效的方法 。 1 9 8 6 1 9 8 71 9 8 81 9 8 9 I 9 9 0 I 9 9 1 1 9 9 2 1 9 9 3 1 州1 9 9 5 图 2 采用泥 浆马达 钻井 系统 钻短半 径水 平井的 总数 在该 油 田迅速增加 1 ．钻机 、 地面设备及全体职员 钻短半径水平井对钻机和地面设备有极 少的要求 ， 这是它与中半径及长半径水平钻井 相 比的优点 一个标准 的车载修井钻机只需做 很少 的改进即可用于短半径水平 井的钻井作 业。该设备具有提升双根立柱的能力， 并且其 最大的大钩负荷为 1 2 0 0 0 0磅。为 了在钻台下 面准备足够 的工作区， 以便在地面测试井下泥 浆马达 ， 建造 了一个移动式工作 台， 可装在井 架内。 平台在合适的地方利用缆绳 自上而下悬 挂 ， 底部由钢架支撑。 经过这样修改 ， 将钻机的 安装时间减少到 2小时， 节约了时间及资金 。 地面设备包括用于供水 的 5 0 0桶体积 的 压裂罐 ， 混合钻井液及储存钻井液 用的两个钢 弛 ， 临时储 存泥浆流体用 的塑 料铺 垫 过的坑 池， 分离钻井流体所用的的高频振动筛 ． 以及 循环泥浆的三缸泥浆泵 ， 一台标准的修井防喷 器组 B O P 及 蓄电池 ， 动力水 龙头及 旋转钻 柱 ， 带有灭火器的 H S安全拖车 ， 用于提供 电 力的丙烷动力发 电机等设备 。 应该注意到在直 井修井钻井作 业中通常 不需要的动力水龙头 在短半径水平钻井作业中得到了应用。 为 了控 制扭矩 ， 在两个方 面对该 动力水龙 头做 了改 进 ， 以便能左旋钻杆矫正泥浆马达工具面而不 造成钻柱松扣 。 Ya t e s油 田短半径 水平井成 功的关键 是 承包商 、 全体职员及技术干部的协同合作 。操 作人员负责泵、 池、 水龙头 、 管子及防喷器和修 井设备 到 目前为止， 这些作业人员已经参与 了 1 0 5口井中的 8 0口井的作业。由于这些作 业人员都具有很 丰富的打井经验 ， 因此 ， 打每 一 口短半径水平井时， 都优先考虑这支作业人 员队伍 。 2 ．准备垂直井段 Ya t e s 油 田大多数 井为 7英 寸套管， 但短 半径钻井作业应用的是 4 、 5 、 7及 8 ％英 寸的套管。利用现有完井设备作准备 ， 在井眼 中打水泥塞， 并在台适的高度分段磨铣套管作 为井眼曲线的初始造斜点。 基于所钻曲率半径 需要的间隙， 大多数套管磨铣是在 1 2 ～2 0英 维普资讯 国外钻井技术 3 酉 图 3 由钻杆 旋转 及频繁 起下 钻引起 的旋 转钻井 系统的 曲线递减设 计图。 该井 的情况有效降 低 丁钻头 的压力 尺之 间变化 。在最近 5 年 内开展了分段磨铣。 Ya t e s油 田在分段磨铣过 程中普 遍使用的机 械钻速为 4 f t ／ h r 。 由于过去使用的是旋转钻井作业， 造斜器 被放在一个封隔器上 ， 或一个套管固定器上， 以便 为钻柱提供一个初始造斜点。 当前流行 的 系统是应用泥浆马达钻 曲率半径及水平井段。 因此 ， 将 1 6 ， 4 1 b m／ g a l H级高抗压强度 的水泥 塞座放 在初始造斜部分 ， 并用钻头钻到适 当的 造斜点 KO P 。 Y a t e s 油 田的修井作业仅 用一昼夜即 可 完成 。 为定向钻进所做的直井准备工作也仅用 3 天 即可完成。 为使短半径水平钻井尽可能有 效 ， 将第二台钻机运送到水平井钻机 的前 面， 做钻垂直井的准备 ， 以便使水平井钻机专用于 钻 水平井段 ， 这种作业方式的最大益处是节约 了由水平井钻机带的附加设备 的租金总额。 3 ．水平钻井系统 就 像 O d o r i s i o和 C u r t i s记 录 的那 样 ， 自 1 9 8 6年到 1 9 9 0年 的大部分 时间 内， 在 Y a t e s 油 田所钻的水平井都是用旋转钻机钻的。 借助 于一个造斜器， 即可钻出非常一致的半径。水 平钻井作业 以铰接钻铤 、 刚性 扶正器及三牙轮 钻头通过弯曲的造斜段 。由于 已钻 的短半径 段 ， 在钻进过程 中不能对水平井段进行测量 。 水平井钻井作业要求从侧 向钻 1 5 ～3 0 英 尺， 然后起钻下入测量工具 。 使用这样一个柔性系 统 ， 使定向变化非常小。 由于频繁的起下钻 ， 平 均进尺仅为 2 8英尺／ 天 。 侧向井眼长度被限制 在 2 5 0英尺 以内， 主要是由于缺少定向控制系 统及钻速低 图 3 。曲率半径 小及频繁起下钻 被认为是主要因素。 改进的短半径钻井系统的最 主要优点是 采 用 丁 井 下 泥 浆 马 达 和 使 用 测 量 工 具 或 MWD具有控制能力的仪器。 在 1 9 9 0年 ， 采用 泥 浆 马 达， 戏 剧性 地 改变 了技 术能 力 在 Y a t e s 油 田使用 了三种不 同的泥浆马达 ， 钻井 系统为 一种非铰链钻井系统和两种铰链式钻 井系统。 I 非铰链钻井体系用非铰链钻井 系统 钻了五口井。 用 3 英寸马达钻 4 英寸井眼； 用 2 英寸马达钻 3 ％英寸的井眼 首先用较 小的马达系统钻开内径为 4 英寸的套管。 这 些马达有一个动力部分 ， 在顶部带有一个弯接 头及下部有一对或一个弯外壳 。 动力部分是高 速低扭矩螺杆 ， 由于其具有很 高的旋转速度 ， 需要使用 P DC钻头。由于马达不是用铰链连 接 的， 为获得小的半径 ， 必须将马达的长度及 直径 降低 到最 小程度 。Ya t e s 油 田的试验证 明 获得的最小半径为 7 o英尺 。 由于马达 的刚 度 ， 定向操作得到 了良好控制 。 但是高速度、 低 扭矩的马达较另外两种马达的机械钻速低， 平 均钻速为 2 0英尺／ 小时。 钻头磨损的程度也高 于 P I N 2 钻头 ， 但是现场岩心室 内试验证 明， 优 化的岩屑结构延长 了钻头寿命 。 主要问题是在 大多数情况下 7 o英尺或较大曲线半径应在油 气界面以上开始造斜 ， 如果可能的话 ， 要尽量 避免出现一些不必要的问题 。 2 铰链钻井系统用铰链马达 系统钻了 四口短半径水平井。 这种马达 的连接使用了一 个单 向弯曲机械装置 ， 类似于一个弯管 接头。 正是有 了这种连接装置 ， 这种马达才能够通过 一 个 4 5英尺半径的造斜段 。铰链马达钻井系 统， 全部使用 3 英寸 的马达 ， 钻的所有井都 是 4 英寸。 这两种铰链系统的造斜率低于第 一 种铰链系统。 这种钻井系统都使用 4 英寸 的三牙轮钻头 ， 该系统 中装配有偏心稳定器来 维普资讯 4 国弭 钻井挠术 第十二 卷1 9 9 7 年 第 5期 确定造斜率 同心稳定器主要用于水平马达 。 在造斜部分及 每一种马达之间用铰链连接两 个短的 4 ／ 5或 7 ／ 8多头马达。 在钻造斜段过程 中， 在第二动力部分顶部使用第三个铰链 以便 把井 中马达 顶部的干扰减到最小叉不影响施 工 。为保证马达的定位稳定性 ， 在每一个铰链 中装有一个缓冲垫以保证铰链的灵活性 ， 以便 获得最大造斜率 。 在用这种系统钻的头两 口井 中， 出现的 问 题 是铰链破裂及岩屑在铰链 背部积累而限制 了铰链活动 。 机械钻速 比非铰链系统的机械钻 速高， 约为 2 5英尺／ 小时 。 对铰链进行修正， 在 铰链上装了防护罩 以阻止钻屑进入铰链。 尽管 铰链 上防护罩破裂造成很多流体进入马达动 力部分 ， 从而使机械钻速大大下降， 但在后两 口井试验中铰链上没有出现类似问题 。 在 Ya t e s油 田使用另外一种铰链马达系 统 钻了 8 4口短半径 水平井。这种 马达是在 1 9 9 0年首次引进到该 油田。在这种系统中的 铰链与已知的其它系统不同 ， 它非常类似一个 3 6 0 。 的球形铰链连接接头。用 3 英寸的三牙 轮钻头钻进 ， 在钻头和井下马达之间以及两个 7 ／ 8的多头低速、 高扭矩 动力装置之间 ， 用这 种球形铰链连接 。 每一个铰链上的缓冲垫和马 达防护罩连为一体 ， 发挥 了更大作用 这种马 达 的最 大优 点是， 如果没 有重 力保持铰链 弯 曲， 3 6 0 。 自由转动装置将牵引马达弯 曲开始造 斜。 该系统理论 上最大造斜半径为 3 9英尺 ， 但 在 Ya t e s 油田实际钻 出了一个 3 2英尺的造斜 半径 。 4 ． Y a t e s 油田水平钻井系统的先进技术 正如 O d o r i s i o和 C u r t i s指出的那样， 应用 新型铰链泥浆马达 ， 其机械钻速远远高于旋转 钻 井系统． 但对 1 O英尺厚的 目的层缺乏定 向 控制 见图 4 。为了改善控制系统， 增加稳定 器半径以获得 井眼规格的封闭间隙。 定向系统 得到 了控制 ， 但牺牲 了机械钻速 ， 其他钻头类 型使用较小的稳定器 ， 包括 P D C及热稳定性 好 的金刚石钻头 TS D。这 样利用低 的机械钻 速 ， 在定向控制方面能得到一些改善。 I l l 2 J I 3 水 0 0 平 忙 4 穆 0 0 英 5 尺 G O }彻 厂 _ 一 图 I 优化 的泥浆 马达 钻井 系统 以双 倍 的机械钻 速使 许多水平 井 眼保 持 在 5英 尺 的垂 直工 作窗 由 ’ 图 5 随着泥浆 马选钻 井系 统的进 一步 垃 展与应 用连续增加的乎均闭合构造 维普资讯 国界 站井挠 求 5 t 8口井 1 l口井 t 1 9日井 2 q口井 2 4口井 图 6 通过 优化钻井系统 及钻 机作业 ， 平均 总成本 降低 了一 半。 总成本包括 直井准备 、 水平井 钻井 、 完井成本及增产 措蘸成本 连续修正稳定器 间隔及应用改性三牙轮 钻头 ， 形成 了新的钻井系统 。该系统的机械钻 速保持在 3 0 ～5 0 英尺／ ， J 、 时 图 4 ， 定向系统 得到了更好的控制。 一些机械钻速在油田的大 裂缝区域高达 1 2 0 英尺／ 小时。新的钻井系统 带来的额外变化就是影响定 向控制及 机械钻 速。 对马达的弯外壳部分加长了 l 2 英寸 ， 延伸 到马达以外， 以控制造斜率 用这种新钻井系 统钻的井具有更平的剖面 ， 真垂深 的偏差小于 5 英尺 图 4 这种改变所带来的未预料的益 处是机械钻速高出 1 倍 ， 达到了 6 0 8 0英尺／ 小时。 这主要由于侧面水平井定向变化产生了 小 的狗腿度及 钻头工作 面更有效接触井底造 成 的 5 ． 泥浆体系 用于短半径钻 井作业的 泥浆体 系主要是 清除岩屑。在 1 9 9 3 年以前 ， 泥浆体 系由 HE C 羟乙基纤维素聚合物 混合在淡水中， 以得到 近 2磅／ 桶的浓度 这种体系具有 良好的塑性 粘度及屈服值， 以将岩屑返出井外 井的生产 能力表 明， 由于几乎所有用 HE C钻的井都需 要酸化以清 除岩屑及聚合物 残渣。因此使 用 HE C配制钻井液这种状况必须改变 。在 1 9 9 3 年 ， 应用一种生物聚合物黄原胶代替 了泥浆中 的 HE C 黄原胶在静 止或非常低的剪切速率 下具 有极好 的高粘度特性 。为了进行定向测 量 ， 必颓临时关掉泥浆泵， 使用 HE C岩屑会下 沉 ，而黄原胶 可以悬浮岩屑直到循环再次开 始 。生物聚合物另外一个优点是低毒， 并在储 层中具有 自然生物降解特性。 自采用黄原胶钻 井液以来 ， 仅有几 口井进行了酸化。 现场人员观察到 ， 虽然黄原胶在岩屑运移 方面比较有效， 但在井下需要较大的紊流才能 将岩 屑带 回地面 将黄原胶聚合物的浓度 由 1 ． 5 磅／ 桶降到 0 ． 7 ～1 ． 1 0 磅／ 桶， 则不需要用 清水循环 即可有教去除岩屑 ， 并在提高马达性 能以后可全面提高机械钻速。 最近瓜胶衍 生聚 合物已经取代了黄原胶 他们有相似之处， 但 又不完全相同 瓜胶衍生聚合物具有低剪切速 率粘度特性 ， 并且实际上也不便宜 。当需要悬 浮较多 的岩 屑时 ， 可在瓜胶 中加入 一 些黄 原 胶 。 6 ． 在造斜段挤人改性的聚合物胺凝斋 唾 正如 O d o r i s i o和 C u r t i s 先前指出的那样 ． 可用以醋酸铬交联的丙烯酸胺聚合物／ 羧酸铬 封隔气顶。 钻过造斜段 以后 ， 起 出钻柱 ， 下八油 管 、 封隔器等组件 。 泵送在地面交联的聚合物， 挤进油藏中{参 透的基岩里。如果遇到裂缝， 将 中性防漏剂添加到聚合物中用以封堵裂缝。 7 2 小时以后形成坚硬的“ 环状” 胶塞。 这种聚合物 几乎对所有油田化学剂都是不渗透的， 同时为 了井的寿命， 也希望它是完整的。添加速凝剂 可将胶凝时伺减 少到 2 4小时， 减少作业 井的 总天数 在凝胶关井期间 没有支付备用经费。 凝胶一旦形成， 钻柱被重新下到井底 凝胶不 具有抗 压强度。因此 妨碍钻井作业 结 果 自 1 9 9 0年引用泥 浆马达 以来 ， 对 以前所 用的钻井系统 ， 有了许多改进 。 自1 9 9 1 年平均 闭合距从 5 5 5英尺增加到 7 8 0英尺 图 5 。 在 1 9 9 3年刨下了两项国际记录 。在一个 3 3 4 井 眼 内， 闭合距为 1 0 4 1英尺 ； 在 4 英寸井眼里 闭合距为 1 2 8 3英尺 在 Ya t e s 油 田， 为达到预 计 目标， 不限制使用小井距 短半径水 平井钻 井系统 。 优化钻井系统不仅增加了闭合距的长度， 而且大大提高 了准确度 ， 下转 第 万 维普资讯 国外钻井技术 2 5 量井深增加 ， 使得屈曲段加长。换算式指出当 井斜角螬加 时， 屈 曲段长度将会缩短 ， 在定性 上 比 L u b i n s k i 的关系式更合理。由于侧向载 荷趋于阻止螺旋屈曲， 所以螺旋屈 曲段 长度 下 降更快 屈 曲段长度变化见图 1 2 。 在小井斟角时 ， 由换算式和 由 L u b i n s k i 模型得到的屈 曲段 长 度变化相差很大 ， 在 1 0 。 井斜时 ， 换算式所 得 结果要低约 2 o 大井斜时屈曲段长度变化 区别更明显 讲 斜大于 6 0 。 时， 换算式屈曲段 长度变化可以忽略， 而由 L u b in s k i 模型预测 值约为垂直井段长度变化的 8 0 。 图 1 3给出了屈 曲引起的弯曲应力。一旦 预 测发生 了螺 旋屈 曲， 换算 式与 L u b i n s k i 模 型结果重合 。 约在 5 o 。 后， 螺旋屈曲受到抑制， 弯曲应力下降 2 0 ％以上。井斜超过 8 0 。 时， 换 算 式得到 的弯 曲应力接近零 ， 而 L u b i n s k i 模 型预计值超过 5 0 0 0 磅／ 英寸 。 结 论 ‘ 一 - 1 垂直井中 旋屈曲可以由L u b in s k i ， “ 和 Wo o d s 建立的简单代数方程精确近似 。由 于重力侧 向分量影响， 此解不适用于斜井或水 平井。 2 斜井 中屈 曲有两种 ， 一是侧 向蛇形屈 曲， 一是螺旋屈曲 轴 向力需超过 P a s ] a y力才 能会发生侧 向屈曲， 必须超过 2 ． 8 倍 P a s l a y力 才发生螺旋屈 曲 3 由屈 曲方程的数值解建立了斜井中屈 曲分析的简单换算式， 确定 了接触力、 屈 曲段 长度变化、 油管弯曲应力和最大曲率 。 4 L u b i n s k i 屈 曲模型认为 ， 井斜增加 ， 则 油管屈曲长度增大。 本文认为不妥。 本文换算 式预测油管屈曲段长度减小 ， 螺旋屈 曲段长度 减幅更大 。 5 换算式预测的屈 曲段长度变化 比 L u _ b i n s k i 模型预测结果小很 多， 减 小的主要原因 在于斜井中侧向力引起的螺旋屈 曲段变小。 译 自S P E 3 6 7 6 1 上接第5 瓦 藏 毒许多情况下平均垂 直高度小于 5 英l跫鹤弛藏。 整个Y a t e s 蘸 r羽 鳙半径水 平钻井欧的 贡 图 6 。 缈论 1 短半径水 持蛄井系统已发展成为可 取代中半径系统， 并其备了生存能力的一项成 熟技术， 尤其适用手强熟的、 发育良好的 P e r ． J mi a n盆地 。 2 Y a t e s 油田带有上覆气顶和密集井网 的薄油层 ， 特别 需要应 用短半径 水平钻 井技 术 。 该技术在该油田生产能力降低的区域提供 了非常有效的完井作业 。 3 采用短半径井下泥浆马达大大增加 了 该钻井系统的可行性 。 不断改进的马达进一步 提高了该钻井系统的性能。 4 泥浆体系改甩生物聚合物提高了携带 岩屑的能力 减少了需要进行的增产措施。 5 聚合镑挤压技术的改进， 成功地隔离 了曲线井段 ， 减少 了作业时 间， 降低了成本 6 由于有效地提高了定向控制技术， 从 而减少了作业时间， 并 降低了应用该项技术所 需要的资金， 良好的协作成为成功的关键 译 自 S P E． Dr i l l i n g＆ C o mp ht mi l } Ma r c h ] 9 9 7 维普资讯