胜利油田水平井完井工艺技术研究与应用

胜利油田水平井完井工艺技术研究与应用

20世纪20年代，国外开始了对提高气田采收率的尝试。20世纪70年代，水平井钻技术取得了很大进展，尤其是80年代，主导井技术发展，导致了当前水平井开采的技术革命和石油工业的巨大变革。20世纪20年代，世界上20多个高产油田形成了大规模的勘探规模。国内从“八五”期间开始研究应用水平井技术,胜利油田于1990年完钻了第1口科学试验水平井——埕科1井,该井的成功投产,标志着胜利油田水平井技术从室内研究阶段步入了现场试验阶段。经过“八五”、“九五”的研究、试验和推广应用,水平井技术不断提高,它已成为新油田开发、老油田挖潜、提高采收率的重要技术。一、水平井完井技术胜利油田水平井的发展可划分为2个阶段:第1阶段(1991~1994年)为科技攻关试验阶段,承担了“八五”国家科技攻关课题《砂砾岩稠油油藏水平井钻采技术研究》,该阶段胜利油田的水平井技术还处于探索发展阶段,应用范围主要在乐安油田稠油砂砾岩油藏。水平井类型为中、长半径水平井。每年完钻水平井5~8口,年产油(5~8)×104t。对于完井技术来讲,该阶段完井方式主要采用固井射孔完井,也进行了1口井的割缝衬管完井试验——草20-平2井。第2阶段(1995年~目前)为大规模推广应用阶段,应用类型以中、短半径水平井为主,利用水平井开发的油藏类型,从单一的砂砾岩稠油油藏扩大到非稠油的边底水断块油藏、裂缝性油藏、整装高含水油藏、地层不整合油藏和低渗透油藏等,从老油田挖潜转向新区产能建设和老区调整共同发展。并相继完成了水平探井、丛式水平井、超深水平井、海油陆采水平井、阶梯式水平井、双连通式水平井等不同类型的水平井,在水平井开发技术的基础上又在>139.7mm套管内进行了短半径侧钻水平井、大位移水平井、分支水平井的研究,并成功地应用于现场。由于水平井已经应用到多种油藏类型,单一的固井射孔完井无法满足要求,因此,经过研究和试验,形成了1套适合多种油藏类型的水平井完井技术,主要包括:固井射孔完井技术、筛管完井技术、带管外封隔器的筛管完井技术、分级注水泥筛管完井技术等。胜利油田的水平井数每年以30~50口的速度增加,2000年计划实施50口,实际完钻54口,平均单井日产液37.3t,平均单井日产油18.5t。2001年胜利油田已实施水平井52口,并在资金和政策上重点支持。目前已成为国内水平井技术发展最快、应用规模最大的油区。截至2001年底,共完钻各类水平井214口,取得了良好的开发效果。二、水平井井处理技术1.油藏水平井保护技术目前国内外常用的水平井的完井方式有5种:裸眼完井、钻孔/割缝衬管完井、带管外封隔器的钻孔/割缝衬管完井、固井射孔完井和砾石充填防砂完井。在确定完井方式时主要考虑以下方面的因素:地质构造、储层性质、储层厚度、钻井目的、水平井的类型、钻井工艺及能力、测井方法和能力、人工举升方法和能力、井下作业方法和能力、油层污染及解除方法、增产措施、经济综合评价等等。胜利油田地质条件复杂,油藏类型多样,又经过30多年的开发,许多区块油水关系更为复杂。因此,要保护好油气藏,提高水平井的产能,提高区块采收率,必须根据油气藏条件和工艺状况优化选择完井方式。针对不同油藏类型其主要完井方式为:(1)天然裂缝性油藏,储层以碳酸盐岩或灰岩为主,岩性致密。对于这类油藏以裸眼完井为主。(2)沙河街组的砂岩油藏,由于砂体胶结程度好,不易出砂,以预钻孔筛管和割缝筛管完井为主。(3)馆陶组砂岩油藏,砂体胶结疏松,易出砂,必须进行先期防砂,可采用固井射孔后滤砂管防砂完井。(4)稠油砂砾岩油藏,由于该类油藏原油性质比较稠,须注蒸汽热采,因此,一般采用固井射孔完井。(5)在注水开发后期,油藏水淹严重,油水关系复杂,为防止目的层与非产层(水层)互窜,则要采用套管外膨胀式封隔器完井或造斜段局部注水泥完井。同时,为了解决原有钻井完井与采油脱接的状况,开展了采油工艺对钻井完井的适应性研究,在完成油藏地质设计后,进行钻井工程设计前先进行完井工程、采油工程和油层保护技术设计,从完井、采油和油层保护的角度提出对钻井工程的要求,如:防砂方式、采油方式、下泵深度、采液速度、后期作业等对井眼轨迹的设计提出要求,在设计造斜点、曲率半径及井身结构时,既要考虑到钻井的要求,又要考虑到完井管柱及后期井下工具的下入、泵挂深度等,从而保证了水平井的实施效果。对各类油藏,钻井过程中都会造成一定程度的油层污染,因此无论采用何种完井方式,都要重视油层保护及进行污染解除措施的实施,以提高水平井的产能。2.水平井井处理技术(1)射孔完井技术固井射孔完井是目前国内最为广泛和最主要使用的1种完井方式。包括套管固井射孔完井和尾管固井射孔完井。套管射孔完井有利于避开夹层水、底水、气顶,可实施水平段分段射孔、试油、注采和进行选择性增产措施。目前胜利油田热采水平井以及先期防砂的水平井多采用此类完井方法,一般全井采用>177.8mm套管,热采水平井采用提拉预应力固井,水泥返至井口。尾管固井射孔完井有利于提高固井质量和保护油气层,在钻水平段过程中采用与油气层相配伍的钻井液,采用近平衡钻井或欠平衡钻井技术,最大限度地降低对油层的污染,保持油井产能。另外,这种技术可以降低钻井和完井成本,提高经济效益。目前,采用此类完井方法的水平井占多数,多采用>244.5mm套管挂接>139.7mm尾管完井。在水平井固井射孔完井工艺中,固井质量是至关重要的因素。为提高固井质量主要采取了以下措施:使用添加剂改善水泥浆性能,采用耐高温水泥浆、低密度水泥浆,分级注水泥,紊流或塞流顶替,采用套管外封隔器,活动套管柱,加装套管扶正器提高居中度,采用尾管固井等。一般水平井推荐采用负压射孔,对于地层疏松、胶结差的油藏采用近平衡压力射孔,高压地层和地层压力情况不明的情况下采用正压射孔。水平井射孔传送方式采用油管传送射孔枪,液压引爆。可以实现油管内憋压射孔,也可以在射孔枪上部接一筛管,全井憋压射孔,射孔后可不动管柱测压或生产。水平井射孔按布孔方式分为定向和不定向2种。胜利油田的疏松砂岩油藏均选用定向射孔方式,一般采用180°下相位4排布孔;对岩性较致密的油藏选用不定向射孔技术,采用全相位螺旋布孔。水平井射孔大多选用大孔径深穿透射孔弹,如89枪、89弹,102枪、89型增强弹或102枪、102弹,孔径10~12mm,孔密16~22孔/m。要保证最佳的射孔效果,就要研究和筛选适合油气层及流体特性的优质射孔液。射孔液性能应满足与油层岩石和流体配伍,防止射孔过程中和射孔后对油层的进一步伤害,同时又能满足射孔施工工艺要求,并且成本低,配制方便。目前常用的射孔液是无固相水基射孔液,基液选用处理过的本地区油田污水或卤水,加入粘土稳定剂、破乳剂、防腐剂等添加剂,地层漏失严重的还要加入屏蔽暂堵剂。(2)地层井的井底内井钻孔/割缝衬管完井适用于:天然裂缝性碳酸盐岩或硬质砂岩储层;单一厚储层或不要求层段分隔的储层;井壁不稳定,有可能发生井眼坍塌的储层;岩性较为疏松的中、粗砂粒储层。衬管完井的益处在于能提供足够的流通面积,储层不受水泥浆的污染,可防止井眼坍塌,成本相对较低。国外水平井应用割缝衬管完井非常普遍,它既起到裸眼完井的作用,又防止了裸眼井壁坍塌堵塞井筒的作用,同时在一定程度上起到防砂的作用。衬管完井的技术关键是如何有效地解除钻井过程中的油层污染,解除钻井滤饼对地层油流通道及衬管的堵塞。目前最常用的方法是通过替浆和酸洗,彻底清洗裸眼井壁,然后再补充完井保护液。近年来在火成岩油藏水平井开发中,应用了钻孔衬管完井技术。商741-平1井、商741-平2井目的层均为商741块S3下火成岩油藏,岩性为致密的细—粗晶辉绿岩,属火山侵入岩,顶面埋深3350~3360m,储层裂缝较发育。2口井的完井套管程序均为:一开下>339.7mm表层套管,下深400m。二开下入>244.5mm的技术套管,下至3110m,水泥固井。三开下入>177.8mm技术套管至火成岩顶界以下3~4m,悬挂在>244.5mm的技术套管内,水泥固井。目的层(水平段)采用欠平衡钻井工艺,最大限度地保护油层,完钻后在>177.8mm技术套管内悬挂>127mm套管及钻孔筛管完井,投产后产量较高,效果明显。(3)管外封隔器的地层效果带管外封隔器的钻孔/割缝衬管完井技术是将管外封隔器技术与钻孔/割缝衬管完井及井眼清洗技术结合在一起。该技术可用于造斜段需要卡封水层或气层,而对于水平段油层非均质严重或水平段穿越多个层系的,可利用套管外封隔器进行多层卡封,实现合采或分采。对于这类油藏,开发出了带多级套管外封隔器的钻孔/割缝衬管完井及井眼清洗技术,实现1次管柱完成卡封水层或气层、替浆、酸洗等作业。胜利油田纯70-平1井、正6-平1等井采用这种工艺完井。纯70-平1井目的层为S4上,储层孔隙度16%,渗透率17.2×10-3μm2,粒度中值0.07mm,泥质含量7.8%,属中孔低渗储层。原始地层压力25.1MPa,压力系数0.97,为常压系统,目前地层压力19.6MPa。纯70-平1井为二靶点水平井,A靶垂深为2547m,B靶垂深为2627m,水平段长500.1m。由于AB靶点垂深相差80m,油层非均质严重,并且在技术套管以下目的层以上有1个高压水层,因此设计了用多级套管外封隔器卡封水层,水平段采用>139.7mm钻孔筛管完井,同时在水平段用套管外封隔器进行分段的完井。该井实施后效果较好,初期日产油35m3,是相邻直井初产的4倍,为低渗、非均质油藏的水平井开发作出了典范。(4)井身井权式井内危险性钻井工艺分段注水泥衬管完井技术是将造斜段部分注水泥固井技术、管外封隔器技术与衬管完井及井眼清洗技术结合在一起。该工艺的施工过程为:先将完井管柱下入到设计位置,用洗井液及酸液驱替井筒内的钻井液和处理裸眼井壁,解除钻井时产生的油层污染,坐放悬挂器使尾管固定,释放液压释放工具。然后,加液压使封隔器膨胀,再加液压打开压差式注水泥阀,将水泥浆顶替到造斜段环形空间,封堵水层。(5)各种特殊的钻孔技术多功能侧钻水平井完井管柱和配套工具套管内侧钻短半径水平井是在套管侧钻技术和水平井技术基础上发展起来的一项综合技术。主要应用于以下几个方面:油田开发后期井网调整;复杂断块油藏屋脊式构造和厚油层顶部剩余油挖潜;稠油、特稠油和高凝油油藏改善开发效果;修复报废井、疑难大修井。由于胜利油田地质条件复杂、油藏类型多样,不同油藏类型对完井技术的要求也不同,特别是许多区块都是多层系油藏,油层及夹层薄,大多数油层已经高含水甚至完全水淹,要保证目的层正常生产,必须卡封水层,加之>139.7mm套管内短半径侧钻水平井的井眼尺寸小、造斜率高、曲率半径短,难以实施常规的注水泥固井射孔完井工艺。经过几年的持续攻关和完善,研制成功了多功能侧钻水平井完井工艺管柱(该完井管柱已获国家实用新型专利,专利号为:ZL97249885.0),起下1次管柱,能够实现井眼冲洗、油层解堵、准确封隔油气水层和有效防砂的多种功能,设计新颖、施工可靠、适用性强。配套工具主要包括小井眼管外封隔器、尾管悬挂系统、液压释放工具、管内膨胀工具、小井眼洗井阀、柔性接头等完井工具和多层金属网、金属毡2种新型滤砂管。目前已经形成了1套完整的适合不同油藏类型、不同井眼状况的>139.7mm套管内短半径侧钻水平井完井和采油工艺技术,截至2000年底,已完钻侧钻水平井18口,产能平均达到相邻直井的3倍以上,取得了明显的经济效益。种完井方式现场应用效果分支水平井完井作业的最大技术难度在于对主干井眼与各支井眼交汇处的处理,因此使得分支井眼密封、层间分隔、井眼重进、套管(衬管)悬挂、完井措施及完井工具设备等方面都存在着一系列的难题。经过几年的科研攻关和室内试验,目前已研制出适合第Ⅲ类和第Ⅳ类完井方式的多种完井技术和配套工具,并在桩1-支平1、梁46-支平1井上进行了现场应用,2口分支水平井其主井眼直径均为244.5mm技术套管,分支井眼为>139.7mm油层套管,均采用第Ⅳ类完井方式进行完井。其中桩1-支平1井的2个分支均进行了全井固井,射孔后管内防砂完井;而梁46-支平1井的2个分支均进行了造斜段局部注水泥固井,水平段采用割缝衬管完井。最后对分支井眼和主井眼的重合段进行了套铣,并打捞出可取式斜向器和地锚。由于在下分支悬挂器上设计了定向装置,因此可以通过下入相配套的斜向器实现对上分支井眼的再钻进。底、底海油陆采井胜利油田于2000年完成了1口大位移井水平井——埕北21-平1井。该井为1口可行性试验井,目的是进一步提高大位移水平井的钻采水平,提高埕北21块采收率,探索海油陆采的开发方法。该井目的层为埕北21块构造高部位东营组,垂深2625m,设计总深度4800m,水平位移3167m。埕北21-平1井采用地质导向钻井新技术,完井时采用套管漂浮等多种技术组合,确保套管顺利下入到井底,固井及射孔1次成功。井身固井固井单井蒸汽驱重力辅助泄油是利用水平井开采稠油油藏的一项新技术。胜利油田草南SWSD-平1井是国内第1口单井蒸汽驱重力辅助泄油水平井,即在同一口井中下入2种管柱(一采一注),达到蒸汽驱泄和采油的目的。该井完钻井深1500m,垂深812.52m,水平段长642.72m,总水平位移823.78m。采用>273mm及>244.5mm组合套管作为技术套管下至油层上部,固井,水泥返至井口;采用>177.8mm油层套管悬挂在技术套管下部,固井,水泥返至悬挂器处;射孔后下入Y441-208热采丢手封隔器、>139.7mm割缝衬管、Y341热采封隔器进行防砂和分段;生产时注汽管柱(带有热敏封隔器)下到井底,对底部油藏进行注汽,采油管柱(有杆泵>70mm×635.13m)下在直井段进行生产,实现后半部分水平段注汽驱油,前半部分水平段重力辅助泄油连续生产的目的。三、水平井结构完井方式单一1.水平井的完井方式单一,完井方式与油藏适应性不强。国外射孔完井、裸眼完井、衬管完井、管外封隔器完井、砾石充填完井并行。胜利油田由于受工艺和其它技术方面的影响,在实际操作中往往偏重于工艺的熟练程度,而对完井方式与油藏适应性考虑不够,绝大多数还是采用固井射孔完井,固井射孔完井占总完井数的90%以上。单一的完井方式不利于复杂油气藏提高产能和采收率,由于油层压力下降,全井固井完井容易造成油层污染,且施工费用高,施工周期长。2.在固井完井方式中,目前只能采用全井固井或尾管固井,而不能进行1次管柱分(层)段多级固井,且固井质量难以保证。3.水平井的地层流入动态、产能预测、生产系统优化设计有待于进一步研究和完善。同时还存在着射孔井段与产能的优化不好,往往井眼穿过多少油层就射开多少油层,造成浪费和后期无法实施增产措施的后果。4.水平井的防砂方式单一,目前国内多采用射孔后管内悬挂滤砂管防砂,而国外多采用水平井裸眼砾石充填或管内砾石充填防砂,后者防砂效果好,工作寿命长。四、水平井技术发展方向随着科学技术的不断进步,水平井完井技术也在不断提高,正朝着降低成本、缩短施工周期、保护油层、提高采收率的方向发展,在这方面有许多工作要做,必须在应用中进行技术完善,完善后再进一步扩大应用,使水平井技术成为国内老油田开发后期提高采收率的重要措施。1.裸眼完井技术水平井完井方式的科学选择是水平井完井技术的基础和关键,应更加重视完井方式的优选,从完井方式对油藏的适应性和经济因素等方面综合考虑,最大限度地提高油井的完善程度,保护油气层,降低完井成本,充分发挥水平井的优势,提高油层采收率。裸眼完井主要用于碳酸盐岩油藏及胶结致密的砂岩油藏等硬地层,国外水平井有相当大一部分采用裸眼完井。胜利油田的火成岩油藏、致密砂岩油藏甚至包括低渗油藏都适合进行裸眼完井。该技术的关键是如何有效地防止和解除钻井过程中造成的油层污染。通过欠平衡钻井技术的应用和完井时有效的油井保护措施,相信水平井裸眼完井技术一定会得到较好的推广应用。同时由于衬管完井比固井射孔完井具有保护油气层、工艺简单、成本低廉等优点,而胜利油田适合衬管完井的油藏类型较多,因此随着技术的不断发展,衬管完井、带套管外封隔器的衬管完井技术将会得到重视和普遍应用。内管多级注水泥尾管完井工艺技术能够根据不同油藏类型及油藏条件,优化完井方案及施工工艺,采用不同的完井方案及完井管柱组合,达到保护油气藏、降低完井费用、提高产能及采收率的目的。因此内管多级注水泥尾管完井工艺技术将会在水平井的分(层)段固井、造斜段固井等复杂油气藏的开发中发挥重要的作用。2.水泥生产企业面临的难题目前,水平井的固井质量还不稳定,存在第二界面胶结质量差,窜槽、水侵、套管贴边等缺陷。水平井的固井质量问题已引起生产和研究部门的高度重视,成立了联合技术攻关小组,进行研究和改进水泥浆的配方及有效的添加剂、深入研究水泥的流动特性和施工工艺、科学有效地安装扶正器等一系列攻关。同时,也在不断研究新的固井方法和工艺,如利用可膨胀式隔缝管代替套管,注水泥后再膨胀隔缝管,既提高了固井质量,又增大了井眼尺寸。3.水平井施工组织据资料显示,