WILLISTON盆地的欠平衡钻井.pdf

l O 国外钻井技术 第 l 4卷1 9 9 9年笫 4期 为了获得 实 际最 高 的环 空排量 ，必须 模 拟高温高压固井时的水力学情况。采用 D o w d 1 A DE软件 ，可 对排 量 、流体 密度 及 流变性进 行多种 组 合分析 ，以寻找为 在最 短 的时 间内最 好 地完成 驱替 工作而需 要的最 大 排量 。还 必须 用 C e mC AP E软件计 算循 环 以 后及 固井 期 间的温 度 ，以判 断水 泥浆 的缓 凝 时 间 。 在驱替油 基泥浆 时 ，隔离 液 的设计 可 能 更困难一些 。隔离液 必须 能与 泥 浆和水 泥 浆 同时和谐共 处 ，必须 在高温情况下保持稳定 ． 保持较高 的粘度 并 防止共 水过 大 。隔 离液 与 水泥浆 还必 须 与 井 下 的弹 性 体不 发 生反 应 。 D o we l l 的 MUD P US H X E 0 油 水 乳 化 隔 离液 ，能够满 足高 温高 压井 的 这些需 要 ．正 在被成功地使 用中。 1 ． 水泥浆设计 水泥浆设计包 括 加A 添加剂 以达到 需要 的密度 、失水 控制 及流 变性 、调 节凝 固时 间 及胶结强度 。水 泥 浆还 要具有 悬 浮固 体颗粒 的能力 ，如悬 浮重 晶石 的能力 。如 果 不这样 井控就会 失 效 ，并 在 斜 井 的 高边 出现 窜 槽 因为水泥颗 粒会在 低边 沉 淀 ，这样 在井 眼 的 高边会形成连续 的水槽 ，形 成气 体流窜通道 。 在高温高压 井 中 ，水 泥浆 的设 计还 要进 行特别地 考 虑 当温 度 高于 2 3 0 。 F时 ，由于 纯水泥浆的强 度衰退 ，不 加添加 剂 的纯 水泥 石容易失 去强度 ，并且 渗透性 会 增加 。为 了 防止这种情况 ，要用石英 粉 颗 粒一 般在 4 O -- 5 0 e r n 代替 部 分 水 泥 ，一 般 在 水 泥 中 占 2 5 ％。调节其 中的固相成 分 可 以使 水泥 浆的 密度大于 1 7． 5 p p g ，在 高 温高 压井 中常 需要 这么大 密度 的水泥浆 ，为 此可 在水 泥浆 中加 入 赤 铁 矿 粉 。 在 高温 高压井 中使 用 的水泥 浆 ，必须 保 持水泥浆 的性 能稳定 。 由于 井 眼较 深 ，并为 减小 动压 力而采 用低 排 量注A ．这样 都会 使 注水 泥时间很 长 ，再加 上温 度较 高 ，水泥 浆 常会过早 发生稠 化 。在 高温 高压井 中另外 需 要考虑的一点 是衬 管 比较 长 ，衬管 上部 的温 度常 比井 底温度低 5 0 。 F左 右。若 按井 底要求 确定缓凝 时 间，结 果会 使上 部水 泥浆 的稠 化 时 间 过 长 。 在现场 ，分 散剂 、缓凝 剂 和其 它 添 加剂 都是 以粉 末的形 式 与水 泥浆 混合 的。这 些粉 末添加剂有 不少 本 来都是 液体 ，只是 为 了运 输方 便才 把 它们 凝缩 成粉 末 。去 年 ．Do we l l 开始直接 用液 态添 加剂 配制水 泥浆 在 运送 到井 场前 ，可对 它 们成批地 准 备 与试 验。均 质的液体 有利于 改善 对 配方 的控制 ，因为测 定 液体的体积 比粉末更方便 液 态缓凝 剂还 会带 来 其它 的 好处 。例 如 Do we l l 的 缓凝 剂 D1 6 1可 以推 迟水 泥 浆在 流 动时稠化 ，只有在停 泵时水泥浆才开 始凝 固 。 这种性 质 可防 止水泥浆 在较 深 的井 底提 前凝 固 ，保证 只有 在停 泵后 1 0至 1 2小 时 内凝固 因为在 较长 的衬 管 中 需要 较 大 的 安 全 系 数 ， 这一方法 已被 s h e l I 公 司用于北海 的高温高压 井中 。用来稀 释水泥 浆 的液 态分散 剂可 与液 态缓凝剂互 补使 用。 I t e x可以用于控制水泥浆 的流变性及水泥 浆的失水 它可 以防止气 侵并 改善水泥 的抗拉 强度。L a t e x 是一种极细颗粒悬浮在水中的悬浊 液 ，其用量一般占水泥浆体积的 1 3 ％。 2 ． 质 量保证 水泥浆的实 验室 检验 是保 证 固井 工作 顺 利完成 的一个 重要 步 骤 ，但 是只有 在 现场 混 合 过程 中保 持 同样 配方 的前提 下 ，实验 室检 验工作 才是 有效 的 。当添加 剂的 数量 较 小时 不会有 问题 ，当数量较大 时会 出现一些 问题 。 因为要 保证 同一批 号 的大 量库存 会 给水 泥供 应商 增加许多 困难 。 最好的办法是 在井 场 按照 材料 需 要 的数 量准备双 份 的原料 ，当水 泥浆 在混 合 以后 由 于某种原 因而 不能使用 时 ， 例如水质 可能受 到污染 ，可有备 用材 料 结论 在高温 高压 井的建井 过程 中 ，要协 调许 } 下转第 1 3 I 页 1 ， 维普资讯 定 钢 ， 眈L L [ ， W I LLI STON 盆 地 的 欠 平 衡 钻 井 n L 胁 P ‘ 0．--- 1 9 9 0年代早期欠平 衡钻 井 已在 北美 开始 流行 ，1 9 9 1年 泛 加 P ANC A NA DI AN石 油有 限公 司开始 了一个 小规模 的试 验性 计划 评估水平井 钻井 。头三 口井 是 用超平衡 钻 井 方式完成 ，结 果令 人失 望 然 后 进行 了一项 将氨沿钻 杆而 注 人 井下 的欠 平 衡 钻 井计 划。 对 1 2 0多 口在 欠平 衡钻 井 方式下 完成 的 水平 井结果进行分 析 ，得到 以下结论 1 ． 在低压及压力枯 竭 的油藏利 用欠 平衡 钻 井方 法钻水 平井可 以大 大 降低 对地 层 的伤 害和增 加油井的产量 。 2 ． 液体 和固体在环 空 中的积 聚是 造成 压 力波动 的主 要原 因 ，从 而产生 间 断性 的超 压 现 象使 得钻井颗粒侵 人地层 3 ． 可 以 通过 钻 井 过 程 中 M WD的 电 磁 测量 以及调 整钻井 参数 等办法 减 少压力 波 动 。 在加拿大大 约 已有 5 5 0口水平 井 是用 欠 平衡 钻 井 方 式 完 成 的。这 一 技 术 应 用 到 了 W I L LI S TON盆地的 2 5口井 中。在 WI L LI S TO N 的美 国部分 ，用欠平 衡方式 钻进 时 ，用 了寄 生管 柱 P a r a s i t eS t r i n g注气 和 钻 杆 注气两 种方 法 。由于腐 蚀 、结垢 及 I V I WD 工 具 的限制 ，使 用寄生 管柱 注气的方式 比较好 。 伤 害机理 裸 眼水平井 可 以增 加 井眼 与 自然 裂缝 交 会 的机 会 同时可 以增 加井 眼 在薄 油层 中的裸 露段 。但是 水 平井 会遇 到地 层伤 害问题 ，这 在 直 井 钻 井 中 显 得 不 是 那 么 重 要 。 W I LI J l ToNG盆地的地层 伤 害问 题主要 是 由钻井 液 李松 林译 朱德 一校 引起 的。在 这 一地 区，较低 的地层 压力 ， 自 然裂缝 ，润 湿 效应 ，潜 在 的生 物沉 积 ，水 平 井裸 眼完 井方 式 ，这些 综合 在一 起加 剧 了地 层伤 害的可能 性。 1 ． 钻井液 如果 用普 通 的钻 井液钻 井 ，钻 井液会 流 失到小 的 自然 裂缝 中。这样 井 眼附 近 的 L 隙 将会部分 地堵 塞 ，钻 井液脱 水 以后 形成 一层 保护性 的泥饼 ，阻止钻 井液 的进一 步流 失 从 而伤害敏感 地层 。当射 L 的时候 ，井 眼 与未 伤害油藏 的路径 被打 通。在裸 眼 水平井 的完 井 过程 中 ，井 眼在钻井液中暴露 的时 间较 长 ， 当使用不具 有 伤害性 的液 体 的时候 ，保 护 性 泥饼还未形 成 。如 果钻井 是 在超压 条件 下 完 成 ，钻井液 及 其 颗粒 将 会 侵 入 地层 的 深 部 ， 造成敏 感 性地层 伤害 以及减 小井眼 附近 区域 的 L 隙度 。 2 ． 岩屑 在直井钻 井过 程 中 ，岩 屑是 由泥浆 从 井 下携带到地 面 上的 ，岩 屑 的数量 与钻 头 、钻 速及地层 特 性有 关 。在 水 平 井 钻井 过 程 中 ， 岩屑 在到 达地面之 前 必须经过 水平 段 以及直 井段与水平 井段 之间的拐弯地段 。在水平段 ， 岩屑被夹在 钻 柱与地 层之 间 ，因此进一 步被 研细。岩屑 总是积 聚在 井 眼 的低 侧 ，因此 增 加 了环空这 一侧的 固相 ＼液相 比例 以及 泥浆 的牯度。钻 柱通常 是躺 在 井眼 的低 侧 ，使 井 眼环空造成 偏 心。当钻 柱旋 转或 滑 动时 ．它 对岩屑产生 研磨 作用 ，使 岩 屑进 一步变 成细 粉。如果水 平 段 是 在 过 压 钻井 条 件 下 完 成 ， 那么 这些 非常细的 岩 屑就会被带 l自然 裂缝 维普资讯 1 2 国外钻井技术 第 1 4 卷1 9 9 9年第 4 期 和地层 孔隙 中，使地层渗透率大大 降低 。 欠平衡钻 井 ’ 在欠 平衡 钻 井 中，井 眼 与 地之 间 的负压 会大 大减 少 钻井液 渗入 地层 ，以及 防止 细岩 屑进入裂缝 。在减 少地层 伤 害的 同时 也提 高 了钻速 。 1 低 比重钻 井液 最简单的减少井 眼 内压力 的办 法是 使 用 低 比重钻 井液。 清水 、柴油 和 较稀 的原 油 等 都 常常用做钻 井 液。最 轻 的钻 井液 柴油 在1 0，0 0 0 英 尺 深 度 产 生 的 压 力 为 3， 6 4 0 p s l ，在 wI L L I S r ON 附 近 的 MADI S 0lN 地层 压 力一般 在 1 ，8 0 0到 3 ，5 0 0 p s i 。在 这 种地层 仅用单 一的钻 井液保 持井 下欠平 衡是 不 可 能 的 。 2 ． 向钻 杆中注气 在钻井液泵 人钻 杆 以前 ，把 空 气或 氮气 直接注入到 钻井液 中。气体和 钻井 液 穿过井 下马达和钻 头。这种 两相 流将 会使 井 眼 内的 压力减少。这篇 文章将 讨 论沿 钻杆 注气 的优 缺 点 由附加管 向下 注气 附加 管 一 般 是 下 人 套 管 内 的 1 ． O i n到 1 ． 5 i n的连续软管 软管 的尺寸与下人位置要 根 据设 备 的能力 与井下 压力所 需 的含氮 比例 而确定 。 气体 氮气 ，空气 和天然 气 都 曾被用 作 钻井 液 中的气相 。在这些 气体 中空 气 最为便 宜 。利 用空气最 主要 的花 费是 为 了保证 空气连续 供 给的大型 压缩设 备 系统 。典 型 的气体 压力 注 入范 围在 1 2，O O p s l 到 2，O 0 0 p s i 。注入 空 气 的最主 要的缺点 是其 中含有 2 0 ％的 氧气 ，它 对钻杆 与井 下 设 备会 造 成 非 常严 重 的腐 蚀 ， 同时还存在着井 下着 火的危险。 因为注A 的 氮气 是 隋性 气 体 ，不会 产 生 腐蚀 作 用 这 可 以 随 着 液 体 到 达 井 下 ，在 WI L L I S TO N 盆 地 已经 有 了地 面 处 理 设 备。 注A 氯气 的主要 缺点是 费 用较高 以及氮 气的 连续供 给问题 。 计划 为了进行计算机模拟 ，要收集完整和精 确的资料 必须 要 有较精 确 的油 藏信 息 还 要求有 精确 的静液 柱压 力 及其温 度 。但 是 在 设 计的初 始 阶 段 ，这些 资 料 不能 直接 获得 。 可以从邻井 的钻 井资料 获 得 问接 的信 息 从 邻井的岩心样品可 以获得较准 确的地层 流体 、 地层渗透率 及孔 隙度 等 资料 。为 了计 算 气体 的体积 与含 量 ，还 需要 井 眼 的尺寸 参数 。为 了计算机模拟还需要钻 井液的流变 胜和 密度 1 ． 作业前 的模 拟 精确 的 汁算 机模 拟对 于 优化 欠平 衡 钻井 与精 确 预测整个 钻 井过程 中的循 环 井底压 力 都是 非常重要 的 模拟需要分析 以下参数 1 井 眼 尺寸 ，以保 证 有足 够 的两 相 流 速 度使 得井 眼保持清 洁 ； 2 确 定气 液相 的 最佳 比例 以及 气体 和 液体的类 型 ， 保证欠 平 衡钻 井条件 和 最 小 的气 体注入量 ； 3 使井 下马达 发挥 最 大效率 的两相 流 的流量不超过所规定 的最大 流量 ； 4 在 用寄生 管作 业 时 ，优化 地 面设 备 的注氮压力 ； 5 注氮 寄生 管 下人的 深度 以优 化氯 气 的体积 ，这样使 费用减到最 小 ； 6 与气液 比例和排量 有关的井底压力 ， 以保证欠平衡钻 井条件。 现场 监测 氨气 的排 量 注A 氮 气 的排量 由连续 监 测的压力 、温度 和 排 量决定 。井场 计 算机 可 以把这些信息转换为标准立方英尺／ 分。要尽 量减少压力传感 器的测量误差 1 钻 井液的排量与密 度 钻井液流量 仪要 进 行检 查 与标 定 。在 常 规的钻 井作 业 中 ，泥 浆泵 的 冲程计 数 器可 以 通 过监测 泥浆 池的体 积就能 够较 准确地 进行 维普资讯 1 3 标定 。因为 此 时用 的是 气 液两 相 流 ，所 以用 以上方 法进 行检测将会发生重大错误 。 2 ． 环 空井口压力 井 12 1 的回流压力 是 到气 体分 离设 备 的沿 程 摩阻 和通过气 体压 力分 离设 备的 的压力 降 的综合作 用结 果 。用 一种 具有适 当量程 的压 力 传感 器可以减小压力测 量误差 。 3 ．回流 分离设备应该 装 备有 测量 与 记录 液体 与 气体 返回量 的装 置。岩 屑和碳 氢 化合物 应 该 从回流中分 离 出来 。调 整欠 平衡 钻井模 拟 以 准确跟踪井底循环 压力 。 氮气供 给 最好 的选 择是用 氮 气作 为欠 平衡 钻井 中 的注气 气 体 。但 是 wI I l s 1 、 O N 盆 地氨 气 的 大量供给 和运输 是 一个 较大 的 问题 。每 天要 把大 量的氮气从 6 0 0到 7 0 0英里 以 外运 到 井 场是一件 不可 能 的事情 。利用 井场 储存 罐是 一 个 较为经济省时的办 法。 另一 种可选择 的办法 是 利用 氮 气 一薄 膜 生产装置 ，这一 系统 可 以把 空气 中的氮 气 就 地分 离出来 。 现场 作 业 在利用注氮 进行 欠平 衡 钻井 时 ，各 方 必 须与 司钻 密切 联 系与 合作。 对于控 制欠 平 衡 钻 井 ，井底 压力 与排 量 ，动态 的两 相 流模 拟 是非 常必要的 。为 了保持井 下的欠平衡状态 ， 连续 地计 算 和调 整井 底压力 、排 量 、两 相 流 的状态 以及环空 内液体 的速 度是 非常必要的 ． 结 论 1 ． 在水平井 中，用 注氮 的办法 进行 欠平 衡钻 井是提 高低 渗透率 油藏 产量 的一 种经 济 有效 的办 法。 2 ． 不 可能进行 电磁 MwD时 ，利用寄 生 管注 氮是 一个 注氮的好办法 。 3 ． 可 能进行 电磁 MWD 时 ，利用 钻杆 注 氮是一个 最为经济有效的注氮 办法 4 ． 作业前 计划与协调非常重要 。 5 现 场模 拟优化计算 氮气 与液体 的用 量 对于 减少 开 支 ，防止 过平 衡钻 井都 是 非常 重 要 的 6 ． 欠平衡钻井作业 可使用 作业控 制 中心 的办法 以保证有效进行 。 7． 精确的模拟井下压 力对 于欠平 衡 钻井 非常重要。 译 自 J P T． S e p t ． 1 9 9 8 上接 第 1 0页 多相互 矛盾 的 情 况。钻 井 时 既要 注 意井 控 ． 又要 注意泥 浆柱 压力 不 能损害 地层 ，其安 全 界限很窄。为 了成 功 ，设计 时必须 进行 仔 细 分析。高温高压 井 的建 井施 工必须 具 备 素质 较高的技 术 人员 ，完备 的工 艺规程 及 精确 的 地面参数信 息 。为 了安 全钻 井，软件 模 拟与 井 下测 量可以 帮助较精 确地 判断 井下 流体 的 性能。具备 这些 条件 以后 ，就 可以安 全 可靠 地完成对越来 越多 的高温高压井 的建井 工作 。 译 自 Oi l f i e [ d R e v i e w S u mme r 1 9 9 8 维普资讯