低渗油藏钻完井新技术--张绍槐

2018/1/13,低渗油藏钻完井新技术,The Advanced Technology of Drilling & Completion in the Low Permeability Reservoir,张绍槐 Zhang Shao-huai,2018/1/13,Content,1. Challenge & Opportunity2. Architecture Well & Integrated Techniques LH/ML5.6(MRC), RST/GST, enlarge hole diameter while drilling. Recommended well type. Expanding diameter & isolate sections Intelligent completion 3. Conclusion,2018/1/13,1.挑战与机遇,我国已探明未动用储量中，低渗部分约50%。近年探明储量中，特低-低渗油气储量达65%左右，其采收率却很低（10%20%）。我国进入低渗透开发时代，2008年低渗油产量0.71亿吨（占37.6%）气320亿方（42.1%）。2004年第三次油气资源评价，低渗远景资源量537亿吨（油，49%），24万亿方（气，42.8%）。全球3个1012桶（1428亿吨）可采储量已用1个，正开采1个，还剩1个，油气资源紧张。全世界都希望最终采收率大幅度地提高；国际石油界提出：把地下油气“吃干榨净”；目标是翻番、翻两翻40%70%。,2018/1/13,我国油气需求量日益增长，进口油已接近（超过）自产油。我国有几十万口油井，平均单井日产油只2吨而世界为20吨 (美国为7.5吨）。中石油有12万多口井，平均日产01年为4.5t，02年4.3t，03年4.5t，04年4.1t，05年3.2t，06年3.1t，07 年3.7t，08年2.5t。单井日产逐年下降。我国有3000多台（延长1200台）钻机，而09年1月北美（1930）南美（381）中东（274）欧洲（93）非洲（58）亚太（238）总共2974台，到09年6月相应减为1020、343、247、77、64、236总共只有1987台。,1.挑战与机遇,2018/1/13,1.挑战与机遇,全世界年钻5万口井，我国中石油就约年钻1万5千口井。我国单井单机效率太低。CNPC要求钻井队年进尺3万米（十一、五）4万米(十二、五）；（加6万米，美5万多米）我国存在三低问题；面临提高油气产能、单井产量、单机效率与采收率所需新技术和少井高产的挑战。,2018/1/13,1.挑战与机遇,有些中低渗以上油气藏，由于非均质性严重，到中后期其低渗部分储量往往基本上未参与流动，故其所占剩余储量比例不断增大。例如：五百梯气田经15年开发，中渗以上储量采出程度50%，而低渗储量采出程度4%，现有剩余储量中，低渗储量达66%，需用有效开发低渗储量的新技术及其配套措施继续开发。下面介绍Slb.(内刊油田新技术 2008年夏刊）的分析：,2018/1/13,1.挑战与机遇,2018/1/13,Hydraulic fracturing:Think Global Bat Act Local,这是SPE 2009年水力压裂技术研讨会的主题:水力压裂从全球着眼但从地区做起全球非常规油气资源、致密砂岩气、盆地中央地带气等，可采储量10倍于长规天然气。这资源量是巨大的，但需依靠水力压裂；沙特是富油国，但对低渗油气藏仍很重视，下个10年将致力于K=0.52md特低渗致密砂岩的开发，增加100Tcf天然气储量,用LH-ML(MRC)井和水力压裂；ConocoPhillips北美作业部认为，北美80%的Tight Gas或非常规资源井的产量依靠水力压裂，将来提高到95%；该会认为：开发低渗要依靠水力压裂，这是方向。,1.挑战与机遇,2018/1/13,图2 复杂结构井及有关技术集成Fig.2 The architecture well and its integrated techniques,2.复杂结构井及其集成技术Architecture well & its integrated technology,2018/1/13,这是世界性难题，也是我国面临的新课题。它的主要内容是：导向技术类型及旋转导向钻井系统的先进性：.,图3 导向技术类型及其对比图Fig.3 The type & its compare of steering technology,2.1主分井眼穿越油层斜度大(乃至水平井段)长度大、直径大的钻进技术 High angle, long ERW, Large diameter well,2018/1/13,旋转导向钻井的钻柱及旋转导向工具等在井壁上滚动，滚动摩擦阻力小，能随钻实时完成造斜、增斜、稳斜、降斜，且摩阻小、扭矩小、钻速高、钻头进尺多、时效高、成本低、井身平滑井轨易控。极限井深可达15km，是钻长穿越、大直径复杂结构井的新式武器。,2.1主分井眼穿越油层斜度大(乃至水平井段)长度大、直径大的钻进技术 High angle, long ERW, Large diameter well,2018/1/13,国内外现状 国际上，到90年代初期多家公司开始形成商业化技术。 Schlumberger 的PowerDrive(PD)， Baker Hughes 的AutoTrak， Halliburton 的JeoPilot形成了现场应用技术 。 国内自研的有调制式旋转导向闭环钻井系统(modulate rotary steering system,MRSS)等，已攻关多年，正做工程样机并已进入工程样机的地面和井下试验阶段 。,2018/1/13,MRSS的系统组成、原理和结构见图4、5、6。,图4 MRSS的系统组成Fig.4 The composition of the modulate rotary steering system(MRSS),2018/1/13,图5 闭环钻井原理Fig.5 The principle of closed-loop drilling,2018/1/13,图6 MRST工具结构图Fig.6 The construction of the modulate rotary steering tool(MRST),2018/1/13,2018/1/13,胜利油田营12-225井井深1100m造斜3度/30m,2018/1/13,GRT、LWD、PWD、SWD等已成功应用: 国内已研制成功CGDS1近钻头地质导向钻井系统，在冀东、辽河等应用15口井 ;研制旋转导向与地质导向集成的旋转地质导向闭环系统； 在深部井段边钻边扩所需功率大，因此把顶驱与泵水力(螺杆)及转盘(旋转导向钻井工具)三组动力复合使用。,2018/1/13,在大于7套管鞋以下用61/8钻头钻主分井段，并扩眼至7以上，井径越大越好。 Slb.在长水平段和硬地层水平井为解决高摩阻高扭矩高振动问题，把PowerDriveX与高强度大功率VorteX系统专用直马达联用，由PD控制井轨，利用马达的高转速（200rpm以上）和转盘的低转速（20-50rpm)及钻柱传递的钻压实现快速钻进。钻具结构为： 钻柱+MWD+Vortex马达+扩大器/扶正器 +过滤接头+PowerDriveX+钻头,2018/1/13,还可加用LWD、 PWD等地质导向工具（过滤接头用以过滤马达剥离掉的橡胶和泥浆中的杂物）。 Baker-Hughes 公司也有类似思路，出台了AutoTrake Xtreme系统。Xtreme 是一种大扭矩螺杆钻具。下部钻具结构为： MWD/LWD/CoPilot+Xtreme+AutoTrak+BIT CoPilot 是诊断测试短节，可随钻测钻压、转数、扭矩、弯矩等，可了解井下发生了什么。各大公司都在发展完善RST/ GST和把两者结合起来，满足LH/ML5-6（MRC）及高难度钻完井要求。,2018/1/13,在深井段钻进时除能随钻控制井身方位和井斜角度实现一趟钻造斜、增斜、稳斜、降斜外，还可实现一趟钻边钻边扩获得光滑井眼和实时信息，同时还可避免先钻小眼再扩眼的传统方法可能出现“扩出新眼”的意外情况；用这种新的钻柱组合和动力组合，能够大大提高钻速和时效，既保证质量又降低成本。,2018/1/13,将来更先进的是基于电子钻柱的智能钻井，同时使用地面供电的超级旋转地质导向钻井系统，它还能提供宽频的闭环信息通道，传输速率可达1200万bps,转输参数可达40个。,2.1主分井眼穿越油层斜度大(乃至水平井段)长度大、直径大的钻进技术 High angle, long ERW, Large diameter well,2018/1/13,智能钻井基本理论-运用黑箱理论与方法随钻实时采集、处理、决策、执行和控制闭环连续反馈、随钻智能化解决诸多不确定性难题。,岩性、储层、井轨、工况不确定性，非数值化,黑 箱,信息输入,信息输出,连续反馈,井下采集,井下执行,分析处理 决策与指令,连续反馈,下传 ID,下传,上传,ID,ID,无线MWD跟不上快速发展的随钻测控技术传输参数少、传输速率低、下传MWD不完善、钻井液性能受限。,智能钻井基本理论,2018/1/13,对接式电子钻柱 由钻杆本体和对接式电接头组成，在钻杆本体与电接头中植入多芯的铜导线，多芯电导线在钻柱中连续贯通，它既可以从地面向井下传送强电电力又可建立双向双工闭环信息通道。,2018/1/13,在7技术套管鞋以下，传统方法是 先钻后扩。先进方法是在主眼和分支井眼“边钻边扩”；在主井眼中下入51/2（以上）膨胀管，在分支井下入41/2（以上）膨胀管（可以是实体管或割缝管），使用可靠的主分相贯结构(图7、8)。在膨胀管柱（相当于完井管柱）中预置膨胀封隔器（串接多个）。完井后，在主-分井眼中可安置较大尺寸的智能分采或合采生产管柱及相应作业装置。,2018/1/13,图7 ML5 主分相贯结构示意图Fig.7 The schematic view of cross-construction between mother-bore and lateral-hole in ML-5,2018/1/13,对于六级分支，中石油设计了2种分叉密封工具结构，如图8。,1）对称式分叉结构 （2）不对称（偏侧分支）分叉结构图8 六级分支井主分相贯结构示意图Fig.8 The schematic view of cross-construction between mother-bore and lateral-hole in ML-6,2018/1/13,图9 智能ML/MRC井分采/合采管柱及其组件示意图Fig.9 The separate-producing/combine-producing tube-string and its components in the intelligent ML/MRC well,2018/1/13,图10多层储集层的多分支井方案图 Fig.10 The schematic view of the multilateral well for multi-reservoir,2018/1/13,表1 建议的LH/ML5,6(MRC)井分层段封隔和分段作业的钻完井方案Table 1.The recommended drilling and completion programs for separating seal and separating operate in LH/ML5,6(MRC)well,2.2 井型方案设计 Recommended well type,2018/1/13,在国内长水平井段分段压裂酸化尚处于试验摸索阶段，而ML5、6井还没有起步，尚无MRC井。借鉴国际经验当前需要从完井工程开始就科学地有针对性地研究“如何分段压裂，怎样分段封隔以及裂缝数目、缝长、缝网格式、裂缝间距等的优化设计”。还涉及布井方案、井轨路径、完井方法、增产改造施工方法等。在长井段中分段封隔的新方法是用膨胀封隔器，特别是遇油气膨胀封隔器和金属膨胀封隔器。不论用哪种方法，都必须将拟酸化压裂各小段有效地分隔开来(图11)，这最好在完井作业中由钻井队来完成。所以，钻完井新技术要研究分段封隔并为分段酸化压裂增产作业创造条件。,2018/1/13,图11 LH-ML5,6井分段封隔多级压裂示意图Fig.11 The schematic view of the reservoirs separated-seal and multi-stage fracturing in LH & ML5,6 well,2018/1/13,2018/1/13,l1,l2 分支井与主眼的距离(据油藏特性而定),2018/1/13,图11 LH-ML5,6井分段封隔多级压裂示意图Fig.11 The schematic view of the reservoirs separated-seal and multi-stage fracturing in LH & ML5,6 well,2018/1/13,要想压出好而多的裂缝，需要提供高压大排量，压开第一条裂缝后还有剩余能量转向压开第二条或更多分叉裂缝，这不仅要大马力的压裂设备还要使用直径大的管柱，因此完井管柱的直径要大，这是要扩径和用膨胀管的原因 。在精细油藏描述和卡准封隔器位置后，在完井（生产）管柱中串接安装好膨胀封隔器。（注意使用随钻测井、地质导向、旋转导向、闭环钻井系统以能随钻校准钻前设计的剖面和井轨路径）。国际上为满足分段封隔的需要，研制了多种膨胀封隔器。最先进的是遇油气膨胀封隔器(图12)。,2018/1/13,图12 遇油气膨胀封隔器Fig.12 The fluid( oil & gas ) reactive expanding elastomer casing annulus packer,2018/1/13,与水力膨胀管系统联合使用的层间金属-金属膨胀封隔器（ The hydraulic expanding tube system-metal to metal-zonal isolated barrier, HETS-MTM-ZIB）(图13)，适用于HPHT和易腐蚀橡胶的环境，它可回收。已在北海用于1万psi的水力压裂作业。,2018/1/13,图13 金属膨胀封隔器Fig.13 The hydraulic expanding tube system-metal to metal-zonal isolated barrier,2018/1/13,这种封隔器原理新颖。利用渗透扩散机理，油慢慢进入封隔器特制胶筒分子间隙中逐渐膨胀，紧贴到井壁后仍继续吸油膨胀，增加胶筒与井壁接触应力，以承受层间密封压差(70MPa以上)。寿命可达几十年。其特点，一是结构简单，不需要也没有卡瓦锚定、坐封、解封等复杂结构；二是操作方便，坐封、解封不需要投球、憋压、旋转、上提下放管柱。三是用途广泛，适用于裸眼和衬（筛）管完井，不需要下生产套（尾）管、注水泥、射孔，只要与筛管或滑套、井下开关等预置组合，下入裸眼中即可进行分层段开采、注水、压裂、酸化、测试与找堵水。套管（注水泥、射孔）完井也能应用并可与膨胀管联用。因此，该封隔器研制成功和广泛应用是完井工程革命性的举措。将它用于LH-ML5、6级和MRC井具有特殊功能。这指原来做不到的事现在有了它而可以做到，解决了分段封隔的难题等。,2018/1/13,图14 科威特Mauddud井分段封隔分级压裂图Fig.14 The separated-seal and multi-stage fracturing of Mauddud well in the Kuwait,2.3分段封隔 Separate seal form to sections,2018/1/13,发展很快 自1997年世界第一套智能井系统（SCRAMS）在北海使用以来，全球已有500套在用，可在地面进行生产信息的实时采集、分析和实时控制。沙特阿美公司的Haradh111智能油田，在2007年已有32口 MRC井穿越长193Km，计划未来5年（2008-2012）有望实现5倍增长，全面实现智能油田远大目标，值得我们借鉴。 我们可根据油藏储量、开采速度、开采年限及经济效益等因素，设计智能LH/ML(MRC)油井。,2018/1/13,主要组件： 借鉴沙特等经验，智能井完井装置，应根据具体井的井身结构，在相应层次管柱的具体轴向位置和选定的工具直径进行设计安装，其主要组件是： （1）主井眼为7套管或膨胀管或衬管，用悬挂器在上一层95/8技术套管内； （2）主井眼用4 以上油管； （3）51/2井下安全阀（SCSSV）； （4）单点压力、温度和流量传感器； （5）滑套式开关（SSD，滑动旁孔）；,2018/1/13,（6）分支井的完井管柱为751/2（套管或膨胀管）； （7）地面可控的层间控制阀（ICV）又称井下油嘴、多位流量控制阀（TRFC）具10（11）个位置； （8）流体无法通过的同轴轴向封隔器、可回收式液压封隔器或遇油气膨胀封隔器或可膨胀金属封隔器或异径砾石充填封隔器等； （9）光纤网络及数据采集系统（SCADA）和远程控制系统； （10）电潜泵等举升装置。 为保证质量，根据各井具体设计，完井装置各组件除单独测试检查外，还要进行整体组装后的功能试验。功能试验至少要有4个试验层次；即一到井场时、在钻台上、坐封隔器前、钻机（大钩）卸载之前。,2018/1/13,预置安装 在主分井眼完井时就预置永久安装在井下的压力、温度、流量、位移、时间、含水率等传感器及井下多站信息、通讯系统（控制网络系统）；还可选择在地面遥控井下电潜泵及主-分井段中的智能连接与拼合系统（junction & splitter）、井下滑套、层间控制阀、井下安全阀等。,2018/1/13,效果明显 智能井技术与数字油田的建设相互依存，互相促进，目的是把EOR（IOR）提高到70%以上。“可视化油藏”、“数字油田”是把技术、工作流程和人力资源三者紧密结合的全油田资产管理的概念。通过所有智能油井进行控制联合开采提高产量，Shell已可使EOR提高10%-15%