在油井和注水井中再钻短半径水平井和多分支井.doc

在油井和注水井中再钻短半径水平井和多分支井樊顺利 汪海阁 编译 朱德一 审校 引 言在Saudi Aramco的Ghawar油田，Arab-D油层是主要的产油层。该油层属于白云石灰岩地层，净厚度大约250英尺。在油层上部，地层孔隙度和渗透率都很高,且大约5%的速度递减，到油层底部只有几个毫达西。在该油田的某些区域,位于Arad-D油层上面的Arab-C油层,属于含水油层，且为高压油层。这两个油层中间为厚度约100170英尺的硬石膏上覆岩层，以及含油的Arab-D层边缘很薄的一层夹层。该油田的大部分油井都在Arab-D油层完钻，且初始完井都采用裸眼完井,在油层的顶部下入7英寸尾管。在Arab-D油层完井的井，其中位于Arab-D边缘很薄的那层夹层不采油。Arab-D油层压力靠注水来维持。随着持续注水，油层含水量持续增加，直到油井自身不能流动为止，最终剩下油层顶部大约2535英尺范围内的油柱未波及到。采收这些未波及油层的一种方法是在裸眼段下入4 1/2英寸尾管并注水泥,然后射孔。这种方法的缺点是出现水锥。随着在未波及油层采出油量的增多,井周围的水锥上升,导致水产量增大，直到该“未波及油层”在没有采收完之前，油井已变为死井。短半径水平钻井的应用短半径水平钻井技术用于提高Arab-D油层顶部未被波及油柱的采收率，并增加油井和注水井的潜能。对Ghawar油田现有的采油井和注水井采取老井再钻的方法，并且又钻进了短半径水平井和多分枝井。这样同钻进一口新井相比，采用这种老井再钻技术可以大大降低成本。短半径水平井完井技术主要应用于下述四个方面：1.采收上部未被波及的油层Ghawar油田现有的许多产油井由于含水量大而停止了生产，仅在上部剩余大约2535英尺的未被波及的油层。在上部油藏段采用老井再钻和短半径水平井钻井技术证明是开采未波及油层的最经济、有效的方法。2.开发边缘的低产层Ghawar油田的某些区域，在Arab-D油层边缘的夹层内也含油。由于其厚度薄，仅有512英尺厚,在这些夹层中钻井和完井很不经济。但是,在Arad-D油层中的油被完全采完之后，这些油井又可以用于对Arab-D层边缘的夹层进行采油。当然,这样做首先需要抛弃高含水的Arab-D油层段。为开采这些剩余油,需要在Arab-D层边缘的夹层中进行短半径水平井钻井。3.采收不含沥青的油位于Ghawar油田东侧的有些油井是在含有沥青的地方钻进的。这些井在井眼周围充满沥青柱，而不含沥青的区域又远离井眼。为此，需要钻短半径水平井以便开采这些不含沥青的油。4.在低渗透油藏中增加产量和注水量正如上面所提及的，Arab-D油层在其整个油层段孔隙度和渗透率并非均匀分布。上部油层渗透率高，随着井深增加,渗透率递减, 直到在油层底部渗透率达到很低的水平。因此，在Arab-D油层中钻进的直井，其油井产量大部分都来自Arab-D油层上部的高渗透地层。 这样将导致上部高渗透地层中早期的水饱和,而在下部低渗透地层中则采收率很低. 只有采用老井再钻的方法，关闭高渗透地层中的产油段，在低渗透性地层中钻进短半径水平井，才能达到提高低渗透地层采收率的目的。同样，对于注水井，也钻进了单分枝短半径水平井和多分枝短半径水平井，以增加Arab-D下部渗透率较低的地层中的注水量和提高波及效率。井眼剖面设计位于Arab-D油层上部的硬石膏盖层厚度约为90140英尺, 并在其上部覆盖了一层超压、 含水的Arab-C层。为封隔产油的Arab-D油层和含水的Arab-C层，就需要钻水平井。使用长半径水平井和中半径水平井,要求在Arab-D地层上部钻进一个较长的弯曲井段，并下入4 1/2英寸尾管，以便封隔Arab-C层和Arab-D层.之后水平井眼的钻进就需要使用小尺寸3 7/8英寸钻头钻进。由此可知:钻进水平井眼采用短半径方法证明是最为可行的,也是最经济的.采用短半径设计,会使弯曲井段很短，且无需下入衬管，并为水平段提供了一个大直径(5 7/8英寸)的井眼。在现有井眼中Arab-C层以下1030英尺处的硬石膏盖层上进行造斜作业，并在Arab-C层以下至少保证有10英尺的注水泥套管(7英寸)部分,以防止Arab-C层与Arab-D层之间的漫流。井眼造斜之后，穿过硬石膏层钻进短半径造斜井段，直到在靶区达到90度的井斜角，也即在Arab-D层顶部以下510英尺处的位置.根据从造斜点至靶点垂直位移的不同,造斜率在65135/100英尺之间变化。钻完造斜井段之后,进入产油层, 之后穿过油层钻进水平位移 约10001500英尺。依据侧钻井眼是在7套管内还是在4 1/2衬管内, 水平井眼尺寸分别可为5 7/8和3 7/8。短半径水平井的井底钻具组合对于5 7/8和3 7/8的水平井弯曲井段， 分别使用4 3/4和2 7/8的短半径造斜钻具组合。水平井段采用4 3/4和2 7/8的短半径钻具组合钻进。弯曲井段造斜率要求小于20度100英尺时，也使用了分枝井段钻具组合。1.5 7/8井眼的钻具组合典型的造斜钻具组合通常包括5 7/8的三牙钻头(IADC5-1-7)加上4 3/4的铰接造斜马达，其上面再加上铰接MWD。造斜马达有一个固定弯角(通常为3度)和一个近钻头低侧垫组成.选择造斜马达的固定弯角和近钻头低侧垫之间的距离,以使其能够在特定的井眼中产生预期的造斜率。除此之外，马达还有两个活动铰接,允许其弯向井眼的弯曲方向。这意味着马达不仅可以在其自身的弯曲方向自由滑动，同样也可以在垂直井眼内拉直，以便光滑地下入到井眼内。马达上还有一个铰接,与短的无磁钻杆相连接。该无磁钻杆中装有定向探测器。另一个铰接把无磁钻杆与放置MWD脉冲信号发生器的短节相连接。最后第三个铰接又把MWD脉冲信号发生器与钻柱连接起来。裸眼井段使用Hydril、PH-6、2 7/8的P-105油管，而在垂直井段的套管井眼部分通常使用4 3/4的钻铤和3 1/2钻杆。 使用这种钻具组合的最大造斜率可达135度/100英尺。井斜达到或接近90度，造斜马达改为侧向马达。侧向马达通常具有1.25度的固定弯角,但没有任何垫子。除此之外，该马达仅有一个铰接，允许其自由地在大斜度弯曲井段和垂直井段内滑动。在弯曲井段不能旋转管柱，因此分枝井段钻具组合在整个井眼分枝段只沿其自身的一边滑动。每钻进几百英尺，钻具转向反转一次，因此分枝井段在到达最终靶心之前走过的是一条蛇型轨迹。2.3 7/8井眼的钻具组合除了具有一个活动的铰接马达之外，典型的3 7/8造斜钻具组合与5 7/8的造斜钻具组合一样。同样，在钻进3 7/8弯曲井段时使用了Hydril、PH-6、2 7/8的P-10 5油管，不要求使用钻铤。3 7/8分枝井段钻具组合的固定弯角仅有1度。3钻井液钻进第一口短半径水平井时，在Arab-C层和Arab-D层间的硬石膏盖层中,利用氯化钠盐水作为钻井液，尽管使用了不同类型的马达钻进弯曲井段，但还是未能达到设计的造斜率,所有的努力都宣告失败。采用这种马达未能达到预期的造斜率归咎于井眼扩大。盐水泥浆溶解硬石膏,因而导致井径扩大。因此，为使马达组合能够很好地工作，保证井径规则非常关键。为防止硬石膏溶解,开始几口短半径水平井在钻进弯曲井段时使用了油基泥浆.由于油基泥浆的高成本，因而对于其余的短半径水平井在弯曲段和水平井段钻进时成功地使用了相对不算昂贵的、盐水基饱和石膏泥浆。4钻头选用5 7/8和3 7/8(IADC5-1-7和5-3-7)三牙轮钻头钻进弯曲井段和水平井段。由于短半径水平井和多分枝井是在定向方式下钻进的,由于牙轮钻头具有低 扭矩和很好的导向性，优于其它类型的钻头。由于5 7/8井段很短,且马达转速只有200转/分钟，相对较低，因此对5 7/8的牙轮钻头不作特殊要求.该钻头使用“0”型密封,这样由于降低了摩擦产生的热量,从而延长了钻头寿命。为取得钻速和钻头寿命的相对平衡,选用了镶碳化钨切削结构的钻头.这样不仅钻速可以接受，寿命也能够保证。在马达转速高达450转/分钟时，最小钻压达400磅的条件下,在钻进短半径水平井时,3 7/ 8的三牙轮钻头的性能十分突出。同5 7/8钻头类似，3 7/8钻头也使用了“ 0”型密封。除此之外,3 7/8的钻头还具有一个保径的巴掌尖，这样可使其寿命最大。同样,使用碳化钨镶齿钻头很好地保护了这种钻头的牙爪尖和钻头表面堆焊的硬质合金， 这可以有助于倒划眼作业。钻 井 作 业1.单分枝井眼对现有井眼的垂直井段在Arab-C层以下35英尺左右用水泥回堵。 在水泥塞上部下入一个造斜器，使用地面读数的陀螺仪对造斜器定好方向。在7英寸套管或4 1/2衬管上切出2英尺的窗口，使用的工具则是尺寸为6 1/8或3 7/8的、钻进上部井眼的启动式磨铣工具. 使用窗口磨铣工具再钻进5英尺，直到磨鞋彻底脱离套管为止。使用高粘度清洗液及时清除金属碎屑。对窗口进行压力测试，以确保Arab-C层和Arab-D层之间的封隔完好.进行第三次起下钻，使用窗口磨铣工具和钢绳端悬挂磨铣工具对窗口部分扩眼。开窗之后,下入造斜马达，以50度135度/100英尺的造斜率在硬石膏层中钻进弯曲井段,直到进入靶点。每次接单根和通井时都采用粘性清洗液循环清除岩屑，确保井眼清洁。大部分井的弯曲井段都可以成功地钻进，使用的造斜马达组合也能够达到所要求的造斜率，但在其中的一口井中，所使用的造斜马达组合未能达到预期的造斜率。因此使用水泥对这一弯曲井段封填，再钻一个新的弯曲井段。在个别井眼中，造斜马达在弯曲井段钻进时未能达到设计的造斜率数值，这一问题部分地采用下述方法得以解决：从造斜点开始采用比预期数值稍大的造斜率钻进弯曲井段，直到井斜达到75度时为止。之后使用分枝井段钻具组合钻下部井段，这样就大大减少了风险。一旦井眼进入靶区，下入分枝井段钻具组合, 在510英尺的靶区范围内钻进10001500英尺的分枝井眼。只有在弯曲井段的造斜率小于50度/100英尺的情况下，才可以旋转钻井组合。钻进分枝井段时，工具面的方向每钻进300英尺左右反向一次，这样水平井段的轨迹将呈 现出锯齿型。每钻进90英尺，短起下钻划眼直到造斜点处，以保证井眼清洁。发生井漏时，采用清水钻进，保证压井流体始终位于钻杆和套管间的环空中。对井眼时不时地采用粘性清洗液洗井，以携带钻屑至地表。在井底，水平井段采用低PH值的酸性盐清洗，以消除地层伤害。所有钻进的短半径水平井产油井都采用3 1/2的油管完井，7英寸产层封隔器在垂直井段下入。封隔器的尾管延伸15英尺进入窗口,以便有助于油管通过。在某些采用4 1/2尾管完井的井眼中，造斜器可以收回，钻进水泥塞至总井深处，此时产层封隔器下至套管窗口的上部，使尾管位于原始井眼内。这种类型的完井方法允许在水平井段采油期间下入测井工具,以便监测垂直井眼内的油水接触情况。2多分枝水平井所有的多分枝短半径水平井都是在7英寸尾管鞋下面的裸眼井段内侧钻在而成。在套管鞋下的裸眼井段打入5英尺左右的高密度(17磅/加仑)水泥塞。采用常规的造斜钻具组合造斜.上部的弯曲井段和分枝井段钻进时采用同上述相同的方法。采用刚性钻具组合钻进1号造斜点下面的水泥塞直到2号造斜点处,以防止侧钻发生。下部的弯曲井段和分枝井段钻进时采用与钻进上部井段一样的方法。多分枝注水井通过下入带有井底探测工具的油管柱分别进行酸化.下入油管至造斜点1处。使用陀螺把探测工具和窗口定向在一个方向, 之后把油管下入1号造斜点下面约50英尺处,用它对后面下入的油管作导向，使之进入水平井眼上部。带有喷射工具的油管下入总井深处。使用油基泥浆钻进的井眼，油管以一定的速度起出，同时在裸眼井底泵入互溶剂。之后井眼就处于流动状态,直到有清水返出为止。在100英尺的井段间隔内,每英尺泵入40加仑(浓度为15%)的盐酸和10加仑的自分散剂.对上述分枝井眼酸化之后，井眼又处于流动状态，直到清水返出为止。把油管起出至造斜点1处,循环清澈的压井盐水进行压井。下分枝井眼采用同样的方法压井。短半径水平井钻井效率共对37口井进行了老井再钻短半径水平井，表1中给出了23口这样的井眼，用于开采Arab-D油层上部未被波及的油层。这23口井眼都属于单分枝井眼，其中有5口井眼是在4 1/2和7双尾管中侧钻而成. 水平井段的长度分别为3661509英尺不等. 曲率半径分别为 52195英尺。钻进弯曲井段时最大的造斜率为145度/100英尺。由于处于高含水后期，所有这23口井眼在未侧钻之前，都不能自然流动，基本上已属于死井。而在侧钻成短半径水平井之后, 这23口井眼中有21口目前正以0.79.0MBD的速度流动(见表1)。其中井1到井8在钻进时为防止井眼流动，都有漏失发生,有不少水流入到地层中去。有2口井眼是在避开含水量高的Arab-D油层之后,进入Arab-D油层边缘的夹层中钻井并完成的。这2口井都是单分枝井眼，且是在7英寸尾管中进入的。这2口井目前分别以3和3.3MBD 的产量生产。原来在含沥青的地层中完钻而成的三口井，由于重沥青的存在，这些井都不能流动。从这些井的7英寸尾管中侧钻短半径水平井,并延伸至垂直井眼上部的不含沥青的油层中。这三口井目前分别以1.3、6.8和13MBD的产量采油。在Arab-D层低渗透区域中利用短半径水平井技术在原来的四口井眼中侧钻了六口分枝井，用于提高采收率。 井1是原来在Arab-D油层中射孔完井的井眼。 流量监测表明大部分产量都来自Arab-D