径向钻井工艺技术与应用实例.ppt

径向钻井技术 二OO三年三月 主要内容一 发展现状二 原理简介三 技术概况四 现场应用五 存在问题六 结论 滴水穿石形容持之以恒必有所得 但滴水的确可以穿石 中国古代就已经发现了液滴凭借自有落体运动赋予的质量打击力击穿岩石这一漫长的现象 随着科技的发展 人们给液滴赋予了比自由落体运动大得多的打击能量 使持之以恒才能观察到滴水穿石现象在瞬间便可完成 这就是水射流 一 发展现状 高压水射流技术是上世界70年代初在国外迅速发展起来的一门高新技术 它广泛应用于冶金 航空 机械 石油 化工等国民经济各个领域 并取得了可喜的经济效益 我国从上世纪70年代末开始从事这一领域的研究和应用 20多年来 这一新技术已扩展到我国工业清洗 除锈 切割 采煤和石油钻采工程等领域 同时 在高压水射流理论 应用研究及产品研制中 结合我国国情 逐步发展了具有中国特色的高压水射流设备和具有自主知识产权的核心技术 一 发展现状 一 发展现状国外现状 美国Petrolphysics公司于20世纪70 80年代成功研制的径向水平钻井系统是早期径向钻井技术的代表 目前国外从事径向钻井的公司有美国RadialDrillingService RDS Blast WellEnhancementSerbices WES RADJET公司等 与国内径向钻井技术相比 国外径向钻井技术施工压力高 喷射钻进距离长 喷射压力最高可达15000psi 喷射钻进距离最长可达103m 开窗套管钢级P110 一 发展现状国内现状 国内第一口高压水射流径向钻井锦04 19井 该井是由辽河石油勘探局工程技术研究院于1997年8月在辽河油田完成 径向进尺达到15 86m 在随后的几年里国内相继出现了天津波特奈尔 上海宏睿 安东石油等从事径向钻井的公司 早期径向钻井技术施工压力低 径向钻进进尺距离短 目前国内径向钻井技术施工压力最高达5000psi 喷射钻进距离30 50m 开窗套管钢级低 2011年9月长城钻探井下作业公司引进美国艾迪士RDS RadialDrillingServices 径向钻井技术 艾迪士径向钻井有限公司是一家专门提供径向钻井服务的石油技术服务公司 总部位于美国德州休斯敦石油城 从事专业的径向钻井技术研发 设备制造以及现场作业服务 在全球30多个国家开展了1000余口井的径向钻井服务 到目前为止公司已经于RDS公司合作完成了7口径向钻井 一 发展现状 主要内容一 发展现状二 原理简介三 技术概况四 现场应用五 存在问题六 结论 二 原理简介高压水射流径向钻井抛弃了常规水平并靠钻头旋转机械破岩的方法 采用的是高压水射流破岩成孔技术 这种新工艺技术避免了传统水平井钻井所遇到的钻压施加困难及钻柱旋转带来的一系列复杂情况 大大地提高了水平井眼钻进效率 同时特殊的曲率半径保证了水平井段准确地进人油气储层 极大地提高了水平段钻进成功率和经济效益 二 原理简介径向钻井技术是一种油气田增产及完井技术 主要为低渗透 稠油 老油田和边际油气提供一种经济高效的开采途径 同时也是煤层气高效开发的主要手段之一 尤其适用于低压 低渗 低产层的开发 原理是先用钻头在油层部位的套管上磨铣开孔 然后使用带喷射钻头的软管 借助高压射流的水力破岩作用 在油层中的不同方向上钻出多个井眼的一种工艺技术 二 原理简介和其它工艺的对比1 复合射孔 穿透地层1米左右 2 压裂酸化 可以有效穿透地层 但是只能形成单缝 不能控制裂缝走向 对靠水油层不利 需要的施工液量很大 3 钻水平井 投资大 工期长 污染油层 喷射水平钻井井身结构示意图 喷射水平钻井孔眼分布图 二 原理简介 水力喷射钻进高压泵对无固相钻井液加压 通过连续油管泵送到井下 钻井液经0 5in喷射钻头 高压势能转换成动能 产生高速射流 射流以冲量做功穿透地层 并在射流推动下形成深度超过100m 直径1 3in的水平井眼 二 原理简介 1 喷嘴不进入21mm树脂玻璃管 并且21mm树脂玻璃管底部放有黄铜 该黄铜中部有10mm深孔道 开泵后将泵压固定1Mpa恒定 排量6 71L min 得到拉力 250g 二 原理简介 滴 2 喷嘴进入21mm树脂玻璃管 但不进入黄铜 开泵后将泵压固定1Mpa恒定 排量6 71L min 得到拉力61g 二 原理简介 3 喷嘴进入21mm树脂玻璃管内的黄铜内 开泵后将泵压固定1Mpa恒定 排量6 71L min 得到拉力220g 二 原理简介 二 原理简介 该井施工地层孔隙度0 2 渗透率200md 井底压力15Mpa 原油粘度2mPa s 密度0 72g cm3 进行4层径向钻井 每层4孔 每孔方位90 共16孔 二 原理简介 二 原理简介 二 原理简介 二 原理简介 径向钻井最核心技术 是径向钻进水里参数的合理匹配及其对地层的适应性问题 二 原理简介 由于使用高压软管作喷管且钻进距离较长 软管不能通过后续推力送进 必须依靠前端喷嘴的牵引拖动 径向钻井使用的喷嘴必须有自牵引能力 自牵引喷嘴分为前向钻孔喷嘴和后向推进喷嘴两部分 前后喷嘴利用高速射流钻入地层形成容许喷嘴软管进入的导向孔 后向喷嘴利用高速射流产生向前的牵引力拖动高压软管实现送进 后向喷射还起到扩孔和辅助排屑的作用 二 原理简介 水力参数的匹配必须满足3个条件 喷嘴的牵引力至少能拖动进入水平段的高压软管 前向喷嘴能钻出导向孔 并在给定地层条件下达到一定钻进速度 泵源工作压力不超过限制 喷嘴牵引参数的测算高压软管的内公称直径为1 4 时 单位重量约为3N m 在水里的悬重约为2 3N m 假设管体与孔壁的摩擦系数为0 3 喷嘴的牵引力F可由下式计算 二 原理简介 喷嘴的牵引力F可由下式计算 F q2v2cos 2 q1v1cos 1式中q1 q2是前后向喷嘴流量 v1 v2是前后向喷嘴射流速度 1 2是前后向喷嘴射流倾角 不妨设前向喷嘴的流速系数为1 后向喷嘴的流速系数为0 8 并取v1 245m s 取 1 2 15 给定不同的q1 当F1 Ff时 可得到如下技术结果 二 原理简介 二 原理简介 通过上表可以得出 在给定射流速度V1下的前向流量q1反映了前向喷嘴钻孔水功率 流量越大水功率越高 钻孔速度就越快 适应地层的能力增强 对不同的地层选择何种参数 能得到多快钻速 需要通过地层的水射流可钻性评价试验确认 二 原理简介 主要内容一 发展现状二 原理简介三 技术概况四 现场应用五 存在问题六 结论 1 技术优势 2 作业流程 3 井下工具 4 施工设备 5 施工参数 6 应用条件 三 技术概况 三 技术概况1 技术优势1 在套管上进行局部开窗 与常规开窗侧钻井相比对套管损伤小 2 不需要钻柱与钻头的旋转 减少了井下复杂情况的发生 3 采用无固相喷射液 施工周期短 最大限度的降低油层污染 4 疏通稠油井注汽通道 增加注汽量 5 改善地下井网布局 在生产层中创造一个更大的供油区 增大采油面积 三 技术概况1 技术优势5 改善地下井网布局 在生产层中创造一个更大的供油区 增大采油面积 10mm 普通射孔 1m 孔眼面积约0 8cm2 孔眼面积约5cm2 孔眼容积约80cm3 孔眼容积约53000cm3 水力喷射 100m 13mm 35mm 增加6倍 增加670倍 三 技术概况1 技术优势6 改善地层渗透性 提高孔渗参数 7 取代射孔作业 能够远距离打开油气通道 8 对于出砂严重的井实施径向钻井后进行压裂作业 在孔道中加入填充物 防止砂堵孔道 增加生产周期 9 对于出现不同层位造成水窜的老井 可以采用炮孔挤水泥作业方式进行套管外的封堵 然后采用径向钻井工艺恢复油层开采 三 技术概况2 作业流程 点击动画演示 导斜器管柱组合 开窗管柱组合 喷射钻进管柱组合 三 技术概况3 井下工具 导斜器磨孔钻头及万向节高压软管4 喷头 三 技术概况3 井下工具 三 技术概况3 井下工具 连续油管 高压喷射泵 控制台 注入头 井深 3000m 三 技术概况4 施工设备 三 技术概况5 施工参数1 完成一个径向分支需起下两次连续油管 0 5in 作业 井眼直径1 3in 穿透深度100m 2 设计温度在120 以下 如遇高温地层可更换特殊材质高压软管和钻头 最高可达180 压力15000psi3 最大作业深度3200m 4 无固相钻井液 液体过滤到10um以下 5 地面陀螺定向系统 Gyro 超过3000m使用 6 假设单井5个井眼 作业时间2 4d 三 技术概况6 应用条件1 选井原则和方法应用径向钻井增产 关键是作业层位的选择 通过如下的方法寻找适合的井 a 通过地质和测井资料来确定储层的物性特征 选择最佳层段 b 监测出砂量 评价地层固结程度 选择合适的钻头和钻井液 三 技术概况6 应用条件1 选井原则和方法c 收集试井和地层测试数据 压力不低于原始地层压力的45 d 收集岩石物性 储层厚度和生产数据 选择最合适的井况 e 确定井的类型 直井或斜井 f 进行声波 变密度测井 确保套管和地层有较好的固结以支撑喷射口 g 确定套管强度 设计同一水平面的井孔数 三 技术概况6 应用条件2 适应井况 三 技术概况6 应用条件3 井筒条件 套管没有明显套变 保证导向器通过作业管柱要求洁净无油污 下井前要用通井机通井作业前要求洗井 确保井眼洁净喷射作业时要求留足口袋空间 三 技术概况6 应用条件4 适用地层要求地层为煤层 砂岩 泥页岩等 油水分布清楚 油层2m以上 上下隔层发育良好 出砂不严重 断层清楚 主要内容一 发展现状二 原理简介三 技术概况四 现场应用五 存在问题六 结论 四 现场应用1 井场设备布置图 四 现场应用2 井口装置图 浅井设备安装现场 深井设备安装现场 带注入头 连续油管连接到鹅颈管 利用修井机作业现场 四 现场应用3 作业施工现场 四 现场应用4 增产效果目前已完成1100口径向钻井 以下是部分产油井跟踪 辽河油区 完成7口径向钻井 平均井深1700m 平均单井日增产3 7倍不等 冷37 67 596井12月09日对冷37 67 596井实施径向水平井工艺 共喷射10孔 喷射距离100米 累计1000米 喷射压力8500PSI 该井套管外径177 8mm 壁厚8 05mm 套管钢级N80 最大井斜4 冷37 67 596井自下而上钻遇了新生界第四系平原组 上第三系明化镇组 馆陶组 下第三系东营组 沙河街组砂一 二段 三段 四段地层 油气显示主要富集在砂三段 油藏埋深1446 2017m 岩性为砂砾岩 含砾不等粒砂岩 细砂岩 油层厚度平均5 6m 最大12 2m 储层物性较差 根据测井综合解释 平均孔隙度17 7 渗透率15 5 42 4mD 泥质含量25 1 40 8 四 现场应用 四 现场应用4 增产效果冷37 67 596井喷射数据设计 四 现场应用4 增产效果冷37 67 596井自1998年2月份采油 2000年10月份由于产能低关井停采 有效生产时间399 6天 累计产油1875吨 累计产水245吨 即每天产油4 5吨 2002年4月份补孔注汽作业 7月份开始采油 2004年12月由于水淹关井 有效生产时间316 1天 累计产油853吨 累计产水3481吨 即每天产油2 7吨 2007年5月开井生产 2007年12月由于杆断停止采油 有效生产时间30 9天 累计产油9 6吨 产水4 8吨 即每天产油0 31吨 四 现场应用4 增产效果2010年12月修抽油杆转注 注汽3500方后采油 2011年3月份抽油杆断停采 有效生产时间100 8天 累计产油170吨 累计产水1452吨 即每天产油1 7吨 后低产关井 2012年1月实施径向钻井 2月注汽恢复生产 平均日产油8 9吨 4 6月平均日稳产5 6吨 7 9月平均日稳产2 3吨 截止9月共累计产油849吨 日产量是原来的3 7倍 4 增产效果冷37 67 596喷射完井后 探底1870 0m 原井深1879 5 在 177 8mm套管中沉砂长度9 46m 合成沉砂体积0 4m3 喷射裸眼直径3 5cm 共喷射10孔 每孔100m 即裸眼喷射钻进1000m 合成沉砂体积0 22m3 0 3m3 分析 经过计算发现理论喷射钻进沉砂量大于实际沉砂量 可能原因 1 喷射距离不够 2 裸眼中的砂未完全返出沉于底部 3 由于压力损耗大 到底部时压力减小过大造成喷射半径小未达到理论3 5cm 四 现场应用 四 现场应用4 增产效果国外油区 国外加拿大 完成88口井 08年至今增产3950吨 乌兹别克斯坦 完成92口径向钻井 平均井深2500米 平均单井日增产4 9桶 约0 7吨 美国完成29口井 平均单井日增产16桶 约5吨 四 现场应用4 增产效果 在乌兹别克斯坦施工的92口径向井中 施工后最高日产桶数95桶 最低53桶 施工前后产量涨幅最大为45桶 在美国施工的29口径向钻井增产效果对比 施工后最高日产桶数160桶 最低6桶 10号井最大涨幅150桶 11号井95桶 四 现场应用4 增产效果 主要内容一 发展现状二 原理简介三 技术概况四 现场应用五 存在问题六 结论 由于径向水平段钻进过程无方向控制 仅通过向后喷射的射流推动钻头前进 这就导致了水平径向井眼轨迹存在很大的不确定性 特别是钻薄油层时 水平井眼易脱离储层 水平井眼长度不能达到设计长度 造成这种现象的主要原因是由于连续管下放速度过慢 高压软管自重 向后喷射射流对井眼冲蚀严重 径向水平井眼直径变大 导致钻头向前推力不足 最终无法推动钻头前进 五 存在问题1 工程技术 五 存在问题1 工程技术 3 由于设备功率一定 井下工具抗压能力有限 这就决定了高压软管在地层穿越时的水平度 目前所能做到的最大压力是105Mpa 4 连续管长 液体压力传输管程长 压力损耗大 到喷射钻头压力不足以破岩钻进 高压软管的钢性准直强度也随之下降 五 存在问题1 工程技术 5 开窗能力有限 主要是涉及套管尺寸 钢级 壁厚 套管尺寸决定了导向鞋尺寸 目前施工主要涉及OD4 1 2 到7 套管 开窗钢级涉及P110 TP100H N80 J55等 壁厚小于10mm 6 工具的疲劳寿命有限 井下工具连续管 螺杆马达 万向节 开窗钻头 喷嘴 高压软管 导向鞋 7 完井技术难度较大 不能满足各类油层的开采要求对径向水平井的完井 国外较多采用的电化学射孔柔性缝隙衬管完井方法 这些方法基本能满足各类油藏的开采要求 但技术含量较高 国内尚处于实验室研究阶段 目前国内采用的径向水平井的完井方法有两种 裸眼完井和水力压裂砾石充填完井 五 存在问题1 工程技术 五 存在问题2 地质条件 1 要求施工油层厚度有限 由于无法实现裸眼喷射钻进定向 在喷射钻头携带高压管软喷射钻进的过程中方向趋于软地层 2 喷射钻进的岩性有限 主要涉及砂岩 煤层 泥页岩 碳酸岩 泥质粉砂岩 对于凝灰岩 玄武岩 花岗岩等喷射钻进困难 一般要求孔隙度煤层高于5 油层高于10 适用低孔地层 渗透率煤层高于1mD 油层高于50mD 适用低渗地层 主要内容一 发展现状二 原理简介三 技术概况四 现场应用五 存在问题六 结论 径向钻井技术为低渗透 超低渗透油气田的开采提供了一种经济 快捷地途径 同时该技术还可用于薄油层 成熟 枯竭油气田剩余油气资源的增产 开采 对低产井和老井极其有效 也可取代新井射孔作业 对于注水井 稠油注蒸汽井通道疏通 降低注水 注汽压力 增加注水 注汽量有明显效果 连续油管在径向钻井中的应用极大地提高了径向钻井作业的效率 降低了作业时间和成本 六 结论 六 结论径向钻井技术为低渗透 超低渗透油气田的开采提供了一种经济 快捷地途径 同时该技术还可用于薄油层 成熟 枯竭油气田剩余油气资源的增产 开采 对低产井和老井极其有效 也可取代新井射孔作业 对于注水井 稠油注蒸汽井通道疏通 降低注水 注汽压力 增加注水 注汽量有明显效果 连续油管在径向钻井中的应用极大地提高了径向钻井作业的效率 降低了作业时间和成本 六 结论目前径向钻井技术可在一个储层平面最多可钻出16个径向井眼 井眼直径可达50mm 井眼长度达103m 最大作业深度也达到了3592 5m 实施径向钻井作业后油井增产效果明显 新型高效径向钻井技术的研究 对提高国内低渗透油气井单井产量 提高开采经济效益 降低吨位成本具有重要的意义 六 结论1 注水井的应用注水开发油田中由于一口注水井往往对应多口油井 注水井层吸水能力的大小 纵向上吸水均匀程度及平面上向四周推进均质程度决定了水驱油效率的高低 好的注水效果能够使周围多口油井受效 因此从某种意义上讲 径向钻井在注水井施工具有更为广阔的应用前景 六 结论1 注水井的应用1 注水井层污染解堵 注水井长期注水后 受注水水质或井筒内