国外水平井钻井技术的成本与效益

1、国外水平井钻井技术的成本与效益国舛冰平弊锚髯投陶威零与效益编者:水平井最早钻于1927年,但是直到1980年才得以大规模应用.早期的水平井只限于短半径井(250英尺长).1985年利用井下马达钻成第一口中半径水平井.从此水平井被广泛应用.目前,中半径井仍是最常见的水平井钻井技术.美国的水平井多用在低渗透,天然裂缝性和碳酸盐岩油藏.加拿大,阿拉斯加和墨西哥湾的水平井多用于开发致密低渗透油藏.世界除美国以外其他地区的水平井也主要用于致密油藏开发.水平井可以开发薄层,裂缝性油藏,水气锥进,注水油藏,稠油油藏和气藏,并可与热力采;由二氧化碳驱等三采技术结合.作者在这篇文章中从成本利润角度介绍了水平井在

2、北美油田的应用.1,前言水平井最早的钻井时间可追溯到1927年.二次世界大战后喷嘴射孔出现.石油行业主要应用套管钻井和目标层射孔技术.由于射孔技术油田取得成功.因此水平井技术很长时间没有被人们重视.20世纪70年代末80年代初.原油价格上涨到35美元/桶.高油价引发了人们再次关注水平井钻井技术.水平井能够提高油井产能,减少水气锥进连通天然裂缝.从而改善油井的最终经济效益.80年代初.法国公司EIfAquitaine将水平井概念引入石油行业.利用水平井开发一个碳酸盐岩稠油油藏.油藏位于意大利亚得里亚海上RospoMare油田.与此同时.一些美国公司也开始钻水平井来缓解新墨西哥州AboReef油藏

3、中的水气锥进.并连通俄克拉何马州.堪萨斯州和得克萨斯州裂缝碳酸盐岩油藏中的天然裂缝.法国ElFAquaitain公司的水平井技术与美国公司差别很大.前者钻井技术16l20o6年第5期刘新安飞编译是指井身剖面很长(几千英尺)的长半径水平钻井(曲率半径1000英尺.图1).它还采用井下马达旋转钻头钻井.长半径水平钻井技术目前仍适于海上油田开发.美国早期集中研究了曲率半径约3O英尺的短半径水平井.采用稳定器万向节头和挠性接箍进行钻井.使用一个蘑菇状的螺旋接箍接口.螺旋接箍接口允许钻杆短距离内很灵活地从垂直状转为水平状.完井采用裸眼完井或割缝衬管完井.井身长1O0300英尺.然而短半径水平钻井的最大缺

4、点是可选择的完井方法不多.钻井成本也较高.20世纪80年代中期钻一口30英尺长的短半径水平井需200(33000美元/英尺.为降低钻井成本并获得较长的井身剖面.又研究了中半径水平钻井技术.第一口中半径水平井钻于1985年.曲率半径3006英尺.用井下马达钻成.中半径水平井是目前应用最为广泛的水平井钻井技术.它可以采用多种完井方式和人工举升选择.井身一般长10005O英尺.鉴于短半径水平井随时间增长而不断改进.钻井成本大幅度下降.该技术对美国和中国一些地区的低产井具有很大吸引力.美国一些小规模的石油公司(产量低于10桶/天的枯竭井)仍采用低成本的短半径水平井来提高油井产量.2最新进展在过去几年里

5、已经取得很多项技术进步.包括随钻测井(LWD)随钻测量(MWD)和地质导向工具.这些技术可以实现多分支井的钻井与完井挠性油管钻井欠平衡钻井及旋转导向装置钻直井眼.完井时在低渗透地层使用水泥对水平井增产:在高渗透地层用砾石充填对长半径水平井完井.多分支井的钻井技术不断发展.多分支井形状多样.因此可以采用不同完井方式隔离和控制分支产量(图2).2002年.多分支井被广泛用于开发稠油油藏(割缝衬管完井)和碳酸盐岩油藏(裸眼完井).加拿大,委内瑞拉的稠油油藏和中东的碳酸盐岩油藏都大规模应用了多分支井技术.欠平衡钻井是水平井另外一个发展方向.欠平衡钻井可使地层损害降到最低.尤其适用于低渗透地层.该技术在

6、LL在垂直和水平平面L/图2分支井各种井身结构加拿大应用十分广泛.由于枯竭气藏的现有压力明显低于静水压力.因此除低渗透油藏外.欠平衡钻井对枯竭气藏也具有重要意义.如果使用了液态钻井液.泥浆将大量漏失.使油井产量下降直至丧失商业开采价值.欠平衡钻井可在枯竭气藏内钻水平井和完井.水平井产量一般是直井的25倍.如果经济注气量已定.那么水平井生产所需压力仅为直井经济产油压力的1/21/3.所需压力小会极大地提高枯竭气藏的可采储量.得克萨斯州俄克拉荷马州和加拿大的枯竭气藏都采用了水平井钻井技术.通常一口重返井井的成本低于一口地面新钻井的成本.采用挠性管钻井可减小重入井的钻井成本.这一点对于高成本的阿拉斯

7、加地区有重要意义.钻直水平井眼技术取得了重大进展.它是进行稳定砾石充填完井.清除堆积在水平井剖面凹点腐蚀酸的必要条件.腐蚀酸严重缩短了海上深水油田高产井筛管的使用寿命.导向旋转装置可用于水平钻井.该装置尤其适用于深海油藏以获取较直的钻井井眼.北美地区的水平井多采用裸眼完井或割缝衬管完井.在低渗透层对水平井采取增产措施十分必要.可用液压(水力压裂或酸压裂)使裸眼水平井增产.美国陆上油田的一些低渗透层.如西得克萨斯Devonian层(12.000英尺深.孔隙度0.05rod)加利福尼亚Belridge糨径糨径径驵胖懒样觯砷0m曲油田Diatomite层及阿拉斯加Kuparek油田.这些油田在水平井

8、注水泥完井后采用压裂措施增产.裸眼砾石充填水平井完井技术(尤其针对高渗透疏松深海油藏)也获得很大进步.该技术在墨西哥湾应用广泛.j:0虹j益水平井的主要优势:(1)水平井的采油量和储量均大于直井.桶发现成本和作业成本低于直井.在美国油田开发中.直井作业成本为7美元9美元/桶时.水平井成本仅为3美元4美元/桶.(2)很多水平井方案中的开发成本(油井储量除油井成本)仅为34美元/桶.比探明动用储量的购买成本少了25%50%.(3)总产量相等时.水平井钻井数小于直井.降低了对地面油管和井位等因素的要求.水平井技术的主要缺点:(1)钻井成本大于直井.美国一口地面新钻水平井成本是一口直井的1.52.5倍

9、.一口重返井的水平井成本约是一口直井的O.41.3倍.(2)一口水平井只能在某一期间开采一个产层.如果油藏多层.尤其当垂直深度或渗透率变动大时.一口水平井很难开采所有产层储量.(3)水平井在美国的商业成功率为65%(钻在一个特殊区块既定产层上的成功率更大).这意味着.2/3水平井取得商业成功.存在一定的项目早期风险.4避翻用水平井已被应用在各类油田,如薄层,天然裂缝性油藏水气锥进油藏低渗透性油藏,气藏,稠油油藏水驱油藏和三次采;fa-5替油藏.表1列出了水平井在dr,美地区的一些油田名称和油藏特征.趋势表明.水平井多用于水驱油藏气藏和天然裂缝性油藏.美国境内的水平井多钻在碳酸盐岩油藏.北海,加

10、拿大,中东,印度和亚洲少数国家也在碳酸盐岩地层钻了水平井.美国水平钻井数最多地区是低渗透,天然裂缝性油藏的奥斯汀白垩统和得克萨斯Buda层,目的是为了连通天然裂缝.其他国家多采用水平井开发致密油藏.如墨西哥海上油田美国加利福尼亚,加拿大,南美,北海,俄罗斯,中国,尼日利亚,马来西亚和印尼,主要目的减少水气锥进.图3示出了美国钻水平井数最多的地层(从一个主垂直井段钻多个分支也被视作水平井).2002年12月.美国已钻17.267口水平井.图2表明得克萨斯州奥斯汀白垩纪有7,428口水平井,约占整个美国的45%.北达科他州红河层的水平钻井数排名第二.加利福尼亚州的大多数水平井钻在Tulare砂岩油

11、藏.41稠油油藏加拿大一些地区通过小井距的长水平井开采稠油油藏,如萨斯喀彻温省Senlac,Cactuslake和阿尔伯特PeIicanlake区,水平井的井段长30006000英尺.由于油层浅砂岩均质,水平钻井速度快且成本低.一口在1500英尺深处完井,长20003000英尺的水平井成本约27535万加元(185235万美元).主要采用割缝衬管完井,缝隙设计标准是尽量避免砂粒进入井眼.一般来说.经济地开发稠油油藏的难度很大,薄油层(25米)使直井产能很低.当油藏有底水层时,液体会先流到底水层,从而增大开采难度.PeIicanLake(1315.API)有近23亿桶的稠油原始地质储量,预计45

12、0口水平井可采出5%.平均单井累计产油为25万桶,钻井成本约23万美元.水平井成本仅1美元/桶.表1水平井在北美的应用情况BkkenShaleND103015129<1(得克萨斯州奥斯汀白垩纪)2570312<1AustinChalk.TXBkenShaleND1030159Mermation.TX.OKNiobraraWY<10<01PrudhoeBay.Alaska10O2002220O加利福尼亚埃尔克丘油田1500(原)23880(ElkHills.CA)275(现)阿尔肯福尼亚州斯马科弗油层20402502800(Smackove

13、rFormation.AR)BentonSoundBIk.GulfofMexico20343737达西墨西哥湾西达拉斯区块253080O(WestDeltaBlock.GulfofMexico)得克萨斯州耶茨油田YatesField.TX503035101OEmpireADoUnit.IxlVl(Reef)9086025加利福尼亚洛斯特溪油气田(硅藻土)60O120O356500001(LostHil1.Diatomite.CA)CodelSafester'le.CO10358221西得克萨斯州布赖恩G一得文耐油田(BryantGDevonianField.West40d004Texa

14、s)加利福尼亚中途日落油田40O2816达西MidwaySunsetField.CA加利福尼亚多斯一夸德拉斯油田130152达正DesCuadressField.CA加拿大康蒂斯上部曼韦RR1824250520OCountessUpperManvileRRCanada加拿大卡克特斯湖北麦克莱恩403033>5达西CactusLskeNorthIvlcleren.Canada加拿大温特油田WinterField.Canada10O306达西EdamWest.SperkySandstone.Canada6510O34110达西加利福尼亚犹伦内油田040015206Yowlon&quo

15、t;neField.CA得克萨斯州圣安德烈亚斯油田30101SanAndress,TX得克萨斯州新霍普浅层单元18122NewHopeShallowUnit.TX加拿大韦本油田WeybornField.Csnsda20326001500TulereSand.CA(热采)1035353达西加拿大威明顿油田60WilmingtonField,CA(热采加注水)加拿大冷湖油田354010565ColdLske.Canada(热采)加拿大北塔朗翼油田9033dTalngleflegsNorthField.Canada(热采犹他州阿尼斯油田5711025AnethField.Utah(混相驱)美得州森当

16、斯洛特油田13452050SundownSlaughterUnit,TX(注CO2)加拿大雷恩博凯格河G湖油田354010565RainbowKegRiverGPoo1.Canada加拿大彭比纳恩斯库13O33010301.510PembinaNiskuField.Canada西Devonian(LhuronShale)1550201304肯塔基大桑得罗油田25020.045(BigSandyField.Kentucky)得克萨斯州迦太基油田5551535CarthageField.TX墨西哥湾GulfofMexico40336达西墨曲岢湾西三角洲区块543030750(WestDelta54

17、GulfofMexico)2006年第5期I1在一次采油率低.地层有大量井筒的条件下,可考虑采用水平井注水.一个采用三个井对的先导性试验已获得商业成功.当水平井注水采收率仅提高1个百分点.也将多产出2亿桶原油,唯一的问题就是需要很大量的注入水.4.2低渗透油藏以美国北达科州MissionCanyon层为例.MissionCanyon层属密西西比年代的薄石灰岩油藏.埋深9,700英尺,产层厚1030英尺,孑L隙度5.7%12.9%.采用直井采油,钻水平井的目的是提高单井产量和储量,降低桶作业成本.N.D.McKenzi县的Poe油田已经钻了4口水平井.油藏渗透率0.209md.油田初期用直井开发

18、但是产层薄使产量很少.一口直井的钻井和完井约65万美元.产量从2040桶/日减少到10桶/日.因此无法实现经济性采油当油价低于2O美元/桶时更是如此.在Poe油田进行直井不稳定试井,评估油藏压力和渗透率根据油藏厚度预计初始静态压力为4,400psi.10年里直井采油速度是103O桶/日.压力恢复试井表明.目前油藏压力约为3600psi.计划钻一口长250O3000英尺的水平井.造斜半径600英尺在垂直段安放喷射泵.预计井底流动压力保持在600psi.水平井产量稳定在601O0桶/日单井评估储量为2540万储罐简数(STI3).由于已钻直井驱替了一定原油.估计钻重返井的储量低于新钻水平井.分别在

19、Poe油田钻几口重返井的水平井和从地面新钻水平表2水平钻井实例井.一口从老井重钻的水平井成本约67万美元,而一口新钻水平井约12O万美元.预计储量开发成本是33.50美元/桶,经济投资期23年.附近一口水处理井的作业成本是4美元/桶.也就是说,即使油价下降为10美元/桶,水平井也有一定的经济效益.4.3边缘油井一些小规模的石油公司采用水平井提高边缘井产量.边缘井的日产量一般低于10桶.许多边缘井采用短半径水平井,目的是降低钻井成本.以美国俄克拉荷马州Tulsa县的一个油田为例.一家小公司从AMOCO公司购买了短半径钻井工具,把水平井钻在Tucker砂岩层.Tucker砂岩层埋深1300英尺,渗

20、透率400rod孑L隙度28%,产层厚30英尺.底水层厚50英尺.一口直井产油速度是4桶/日日产水50桶/日.主要的作业成本是泵抽油成本.通过附近一口水井处理原油的产出水.从地面新钻了3口水平井一口短半径水平井(约400800英尺长)的钻井成本约12万美元.在半径长7O英尺的分支水平段内采用裸眼完井.一口水平井日产油约1014桶.各井产水量互不相同.日产水0280桶.假如税前利润是15美元,油井投资期小于2.5年,水平井月直井的每月作业成本均为1.000美元.因此,一口直井的作业成本是8.30美元/桶,而一口水平井的作业成本仅为3.33美元/桶.4.4存在水锥的碳酸盐岩油藏美国伊利诺斯州马里恩县已经利用18I2006年第5期水平井开采日内瓦裂缝白云石层,该层是志留纪礁构造的一部分.根据地震图发现了海德公园下的油田.受环境限制,需要从公园外钻水平井进入公园下方地层.日内瓦白云石地层有两个主力油层,上部的低渗透层(渗透率约1Omd)和下部的高渗透多孑L裂缝B层(渗透率约3000rod)."B层存在一个良好的含水层.层和13层的孑L隙度和油柱厚度分别是125%和2o%20英尺和25英尺.它