侧向回接系统：水平分支井钻井与完井技术.pdf

， s 启 ．- I I3 钻 -3 “ e程 4 7 侧向回接系统水平分支井 钻井与完井技术 张和茂张文波译 ’ - ． ． 一 ’ 、 ，．一 新强石油管理局定向井拄术服务公司 精要 7 - V -E g_ 5 7 一 ⋯ 窗 谊 舨 筒 介 】 小 。 C S资源公 司的 P e l i c a n L a k e油 田位于加拿大阿尔伯塔省埃德蒙顿 市以北 3 0 0 k m处．主 力油层 Wa b i s k a w地层薄 为 5 m 、埋藏浅 垂深 4 0 9 m 、砂岩胶结程度差 孔隙度为 2 6 ％ 、渗透率为 3 ． 0 3 g in 。在气驱 方式下，估计可采储 6 0 0～ 1 0 0 0 mP a s的 】 4 。 AP I标准 原 油 1 5 ． 9亿 m ，重力泄油估计采收率为 5％。先期直井提高采收率的方式包括水驱、蒸汽 吞吐、蒸气驱、火烧油层．由于产层 出砂 及地 面基础建设 投资大，这些开采方式都不经济． 1 9 8 8年以来， CS资源公司在 P e l i c a n L a k e地区 3 个不 同的开发期完钻 1 7口水平井． 技术套管下至产层 中造斜段尾段 造斜率为 4 1 0 。 ／ 3 0 m ．水平井段下割缝尾管．在各开 发 期，通过不断的研究与完善，形成 了一套开 采浅层稠 油油藏的经济选径，来达到 以下 目 的 1 提高油层裸露面积 2 提高地质认识水平，优化水平井段，达 到最佳产能 3 从一主水平井眼中钻多个分支水平井； 4大幅度降低钻井周期及成本。 在 P e l i c a n L a k e油 田水平井开采效益很好，并且证实了水平裸露面积越大，产量越高． 这些成功的应用，使分支水平井进一步得到推广。分支水平井使油气层直接裸露出来，大 、 l 年 幕 维普资讯 张和 茁等衡 向 回接 系坑 木甲分支井钻井 与完井技术 犬提高 了采收率 系 统发展 为满足水平分支井作业的需要， S p e r r 一 s u n技术服务公 司、c s资源公 司和 C a r d i u m工 具公 司协作完成 r 该试验 S p e r m 一 S I L O , 与 c s公司对整个工程作 丁方案设计 S p e t r y S I． I I 研 制删 向旧接 系统．并在钻井、测试怍 一止【 J ，提供 { x求服务 C S 资源公 司提供试验 并 C a r d i t n l I 公司设计和制定水。 分支井管-- F 构， } j 0 驶备下八主井眼尾管 该系统 已达到下列技术指标 1 j大幅寰提高油层裸露面秘 2}在钻井、下套 嚣 连接分支井眼时提供施工方案， 3 J减小生产期油层砂堵 4封面井段 保持管 内畅通 1能够再次进入分支井眼 6 J可回收利用的造斜 装置 7 j套 簧内磨 铣作 业 ； 8从主井限定m ] 侧钻 分支井眼 设 计 哪向回接系统由带 活动门构套管开窗 系统、斜向器 尾管悬挂器和下管器等四部分蛆 成 删 问 唧接 系统 使井 眼整 体相连 并保证 在分 支 井眼 完井 后 可再 次进 入 ，这 基 于在 1 7 8 ram的技术套管 内删钻 l 2 】 mm的分支井眼 见 图 】 、 2． 劂弋| 圈 1 套管开 窗 口与定向倒钻钻 具组 古示意 图 固 2 倒向目攮系统安装示童固 一 维普资讯 第4 卷第4 胡[ 9 9 7 年t 2 月 后 ． 由箔 井 工 程 套管开窗系统用油田标准管材制造 。通过在套管开 口，并安装活动门而成。为保证 主 套管串无压力泄漏，套管开亩短节用复合材 料包 裹．该材料可钻性强，估计好套铣 时间可 迅速侧钻进入地层。套管开窗系统装有定 向键， 可定 向井座入辩 向器，以顺 利进入分支井 眼或下部主井眼．在下主套管串时，使用该系统及 斜向器，可从主井眼定向进入分支井眼。 用有线随钻测量工具校对方位，优于用 L T BS系统和斜向器．下主套管串时按规定扭矩 上扣，这样 主套管 串扭曲变形小，各分支井眼窗 口方位偏移小 ．否则，窗 I l 偏移使开窗侧 钻方位偏差大．各分支井可挂尾管或裸 眼完井．裸 眼完井时，相应 的套 管窗 I l 关闭，以防 止地层流砂进入． 在下套管前，可回收式造斜工具有选择的安装在套管窗 口短节处，或下套管后接入 ． 遣斜工具与丢扣扳手向右旋动，推开弹 簧片，挂接尾管．下入主套 管串后，斜向器装在 预 定窗I l 位置，即可用造斜钻具钻复合材料，定 向钻进分支井眼． 尾管悬挂器与分支井尾管机械式 连接 ，这样容 易进入分支井尾管 不受主套管 内径限 制．安装时，尾管悬挂器的旋转头转 动而尾管不 动，活动门锁 紧尾管悬挂器与主套管 串 活动门与尾管悬挂器问隙小，防止流砂进入．在需要进入分支井时，才使用造斜工具． 挂尾管时使用下管器，在套管窗 口短节内定向安置悬挂器．关闭活动门。可从地面设 备判断悬挂器安装情况。悬挂器安装正确后，水力触发锁紧器，关闭活动门．连续开泵 5 冲， 锁 紧器的活动臂推动活动门的滚动套，闭合 活动门．从地面设备上可判断活动门的关 闭情况．活动门全关后 机械锁紧悬挂器，压 力释放 后，下管器与悬挂器脱开。 地面设备是侧 向回接系统的重要组成部分，用于模拟井下工况，进行各种 时效分析， 如工程仿真设计、设备性能说明、井眼轨 迹控制与分析、携岩效果评价和钻柱设计等。 设计与研制时，性能测试非常 重要．要对不同的设 计方案进行测试评估， 保证侧向 回接系统各部件工作可靠 钻 前准备 安装侧向回接系统时，应考虑到下列因素。 1．地质及储层条件 靶体位于 Wa b i s k a w地层中 2 m厚 的连续层段 内．该地层段对 射线敏感 从储层透视 图，应考虑到分 支井与主井l ＆ 相隔距离远，大约 3 0 0 m． 2． 井身剖面设计 表层下入 2 5 m长的导管，水泥返至地面。 l l mm井眼至水平段，用 5 3 ． 5 k m 、 J 一 5 5 的0 2 4 5 ram套管固井． 水泥返至地面． 2 2 ram 的主井限水平段， 用 3 4 k m、 3 - 5 5的≯ l 7 8 ram 割缝尾管固井 3个套管开窗系统设计距井底分别为 l O O m、 4 0 0 m、 7 0 0 m 三眼≯ 1 2 l mm 分支井套管与主井眼套管正交相连，形成 弯曲井 身剖面。分支井设计延伸 7 0 0 m． 】 分支 井裸 眼完井，窗 口安装割缝门，防止流砂进入主井眼。完井 时，需测试工具性 能，且作业 风睑大． 2 、 3 分支井用 l 3 8 k, C m、 9 ram的割缝 油管完井．割缝油管有特殊间隙，采 用锥面 E UE扣连接 见 图 3 3 ． 定向钻进 维普资讯 s 0一 张和蔓等．倒 向 回接 系统 隶平 分支井钻井 与完井技术 设计用 MWD 仪器监 』 定向钻进 在 l丰_抟眼水平并段及分支井钻进时，要 求用 MWD 带 射线 测井， 以确定井鼹穿行在 2 m厚的油层 内 担2 2 ram 的 主井眠水平段，在储层底部 位置安装套管窗 口短节 ，使窗口指向井限高边，窗口在高边方向左侧 6 O 。 范围 内 高边定 向 可减小钻柱对定 向键的损伤，减少窗 口位置岩屑量，降低管柱几何 形 图 3 设计井 身翻面 图 4 ． 仪器鬻 I 量 地 面打桩定向有助于准确确定各套管窗 口的相互位置 由于磁性 干扰 ，定 向侧钻分 支 井时 主井曝窗口附近的 方位误差大 缩短 MWD操管和钻头的距离可大大改苦定 向控制 5 。 钻头 磨铣辩向器锥面和钻分支井造斜段部必须用三牙轮钻头 水平井段用 P D C钻头． P DC 钻头使用寿命长，导 向稳定 6 ． 混浆 使用 无伤害、低失水的生物聚合钫钻井液。用0 9 2 mm 缸套 的泥浆泵，钻 l 2 | mm 分 支 井时， 排量低， 在啦4 5 mm及 1 7 8 mm井眼中， 要求泥浆返速低 ， 携岩效果好 ． 尤其在 1 7 8 mm 套 管水平段，岩屑床容 易形成，会使造斜工 具操作变复杂 可使用布氏粘度计，应用岩屑 沉积规律 ，确定防止岩屑床形成的泥浆流变性 的最低值． 7． 钻柱设计 根据扭矩 与摩阻 汁算，设计塔式钻柱，确定最优分支井段长度．必要时，在井下钻 具 组合 BH A 上端接机械式循环器，太排量顶替，增 强携岩效果 钻进过程 1 ． 井身剖面 C S 公司 B r i n t n e l l l 1 4 - 8 l 一 2 2 W4 M 井于 1 9 9 3年 1月 1 1日开钻。遣 斜井深 ／ 9 0 m ，以 l 0 。 ／ 3 0 m的造斜率钻至水平段．担4 5 ram技术套管下深 5 2 0 m 井眼垂直深度为 4 0 9 m ， 维普资讯 第 4 卷第4朝[ 9 9 7 年 I 2月 后 油 箔 井 工 程 高温水泥浆返至地面。主井眼水平井段长为 7 4 5 m，使用钻头直径为 2 2 2 mm， 1 7 8 mm割 缝尾管下深 1 2 6 5 m 。套管窗 口分别在测深 5 6 4 m、 8 8 2 m 、 1 1 7 4 m的位置 见图 4。 2 。 主并眼套管 约 1 0 0 m 妊的 1 7 8 ram、 8扣割缝尾管， 在 转换头带台肩丝扣联接。距 3 0 0 m 的割缝尾 管 接带斜 向器的套管窗 口，有线导 向仪确定窗 口 方位。而后接入定位短节及中问窗 口．确定 中 间窗 口相对下窗 口的方位后，定位短节锁 紧窗 口。再隔 3 0 0 m 接入定位短节与上窗口．窗 口 定位及锁紧方式与中间窗 口相同． 三个套管窗 口指 向同一 方位，转动套 管， 使窗 口指向设计 方位。 再下入 8 0 m的割缝套管． 陀螺仪复测定位套管窗1 3 位 置。而后接入尾管 悬挂器， 封隔器总成、下管器、 MWD仪 器、定 向接头，继续下至井底，给悬挂器， 封隔器总成 定位时，用 MWD确定尾管方位。实测窗 口在 井眼高边 方向左 4 3 0 ，座紧悬挂器／ N“ 隔器总成 后，将下管器提出井眼。 3 1 分支并 0 1 ∞2 1 1 3 4 1 3 0 5 O O 60 0 7 0 0 9 ∞1 N LE 设计 鲢 1 2 6 9 m 饕钴 [ 2 7 2 m z 设计曲鹱 1 [ S 2 m z g 逋I 5 8 7 m [ 112 4 ra [ 11 2 9 ra 造斜钻具组台为 0 1 2 1 ml r L 牙轮钻头 2 mmP DM 马达 带 1 4 ram的偏心垫块及 1 ． 2 5 。 弯接头 。 下钻至斜向器后 开泵， MWD标定工具方位． 钻 开斜向器及复台材料需约 4 rai n。 由于窗 口在井眼高边方向左 4 3 o ，开始三个单根钻进时，工具面角为高边方向左 9 o o 。增斜 至 9 0 。 后，再降斜进入水平段。钻过造斜段及部分水平段 约 2 5 0 m 后提钻。换入 P D C钻 头 P D M 马达 1 2 弯接头 钻具组合，钻完水平井段。实钻平均造斜率 】 6 ． 7 。 ／ 3 0 m，完 钻 测深 6 5 5 m 。 l 分支井裸 眼完井，套管开窗接 口用 割缝门。提钻出分支井眼 定位短节及锁 紧装置 靠在套管开窗接 口 连续开泵 5冲．即可锁紧活动门。地面仪器同时显示管 串方位及活动 门锁紧情况。 4 。2’ 分支井 上下活动定向工具和定位锚，以确定卸开或锁紧工具的轴 向载荷．提钻至中闻窗 口， 造斜工具高过中间窗 口定向键．再下放锁进中间窗口。下三牙轮钻头 直 P DM 马达钻具组 合．分析认为，不带弯外壳马达钻过 斜向器，比上窗口带弯外壳钻进狗腿度小，钻进 9 m 时， 分支井眼偏离主井眼 O 4 m 。换入 1’ 分支井造斜钻具．造斜率相 当。钻进 2 7 0 m 后，换 入 1 ． 1 5 。 弯外壳马达带 P DC钻头．至测深 7 。 1 m 完钻。 下入 9 ra m 割缝尾管、尾管悬挂器及下管器，从地面设备上判 断下管器 方位及位置 开泵 2 冲，锁 紧器 I 起水力激动．锁紧活动门。由于钻柱泄压，压力不平稳 ，锁 紧器可能 不工作。三次加大泵排量．方才锁 紧活动门 压力上升时，下管器水力卸开。 5 。 3’ 分支井 上提钻具，定 向工具锁进上窗 V l 。转盘钻进 1 5 m后．换入造斜钻具 同上 。导 向钻 维普资讯 5 2 张和茂 等 侧 向回接 系统水平分 支井钻井与 完井技术 进 9 ． 1 m 后，垂深增至 0 , 9 l I n．定 向钻进 2 4 0 m 换 入 l l 1 5 。 弯外壳马达带 P D C钻头 ，钻 完 水平段至删深 7 0 3 m完钻。 下入 9 g u n割缝尾管、尾 管悬挂器总成及下管器。尾管悬挂器挂接 出错．座接在套管 开窗接口．几次开泵，锁 紧器旋 动而地面仪器无显示．转 动管柱，悬挂器座才接到位 ．锁 紧器旋动三次未成功，第 四次方才锁紧活动门。卸开下管器，提出井眼。用地面仪 器检 查． 下管器旋动正常。由于悬挂器组 装出错、活动门开关不 灵，导致最初管 串座接不到位 ．斜 向器取出完好。 该井工期 1 8 ． 1 d，其中 l 】 ． 4 d钻进和固_丰、分支井 眼。共计穿越油层 2 8 0 0 m。 6 ． 完 投产总结 3‘ 分支井完井时，发生井下事故．为此下井底摄像仪．在窗 口位置拍照．影像表明活 动门未完全关闭，原 因在于悬挂器安装时转动、座接不正确。投产时， 9 mm 油管下接电 潜泵，下至井斜 8 2 。 的位置。三年试 产期，实际产量不详。总产油量可观，但含水量较 高． 在各分支井眼注入 了大量的化学示踪 剂 证实各分支井眼产量可观。分析认为， 因直井在 提高采收率时注水驱 导致含水量上升． 技术总 结 该试验井的顺利完钻，解 决了许多设计与施工中的技术难点，包括 1在水平井段下尾管和套管开窗器 2窗 口定 位 3斜向器的组 装与下入 4悬挂器在主井 眼套管中挂接与定位 5回收式下管器 6 J地面仪器监控 活动门转 动与锁紧 7定向键 的耐用程度 8防止≯ l 7 8 ram 和啦4 5 mm套管井眼岩屑床的形成 9MWD 及 射线测井仪通过斜向器． 同其它新仪器刚投入使用一样，施工中 L T B S也存 在许 多问题．上窗口悬挂器座接不到 位，只有改变井 眼几何形状 ，才能弥补仪 器的不足 重打分支井 ．目前，该系统 已将旋 转头及弹性锁紧器装入尾 管悬挂器。这样，座封时不再受井 眼几何 形状限制 有待进一步改进的方面有 1水力作用使管串整体相 连 2 J挂接与定位 时的可靠度 3应急卸开装置 4地面设备显示活动门锁紧状态 5封隔各分支井眼． 下转 第 5 5页 维普资讯 第 锆第4捌J 9 9 7 年 I 2月 J 置油 钻 井 工 程 井眼温度效据 当钻 至 3 5 0 0 m时，由地表打入 4 0℃泥浆，钻遇 1 7 0℃地温时，泥浆返回至地表的温度 约为 7 0℃；当泥浆泵停止运转 7 h后，井底泥浆温度达 2 8 0℃， 8 3 h后高达 4 2 0℃ 这些 数据表明，在高温地热井钻 进过程中，泥浆的循环大大降低 了井底 泥浆温度。 结 论 1 ． 只要适 当玲却钻 井泥浆， 即使地层温度高达 5 0 0℃，也可用常规方法钻进 2 ． 在高温地 热井钻 探过程中，持续利用泥浆冷却系统冷却返回泥浆、顶部驱动系统冷 却井底钻具总成是关键。 3． 详细收集 了井眼温度数据；即使地层温度很高，循环泥浆温度也相对很低 责任编辑孙志 刚 【 上接 第 5 2页 结 论 首次成功应用侧 向回接系统，标 志着钻井技术得到新的突破 在 P e l i c a n L a k e油 田 单 井第一次在 Wa b i s k a w地层穿越 2 8 0 0 m，较前期投产措施更大的暴露 了油层 侧向 回接 系 统可从一主井眼中侧钻、固分支井眼，能在各侧钻窗 口位置下 回收式斜向器，并迅速侧钻 进入地层。这大大降低了钻井周期与成本。 完井 后可再次 进入分支井眼．这样 水平分 支 井不 受固井方式限制，后期可实施修井作业，提高 了对 油藏的控制能力．水平分支井技 术 是水平井技术的一次技术革新．这次成功实践是三家技术公 司共同努力的结果。 发展 前景 随着侧向回接系统的推广 与应用，该系统将 得到进一步的完善与发展．未来发展需完 善的方面包括 1直井眼主套管串设计 2主井眼与分支井眼水力封隔 水泥封隔或使用膨胀式封隔器 3提高单井采收率 4在有限作业平 台，尽可能提高油藏裸露面积 如海洋作业 5侧钻新井眼提高油井产量． 今后，该仪器特不受井限尺寸及完井方式的限制 大量应用侧向回接系统侧钻分支水平 井 ，可有效提高油藏评估水平和管理水平．提 高产量 责任编 辑孙 老刚 维普资讯