稠油熱采水平井固井技術與應用

魏海軍 (長江大學石油工程學院,湖北荊州434023;河南石油勘探局鉆井公司,河南南陽473132)

劉佩煊 (新疆油田分公司勘探公司,新疆克拉瑪依834000)

井樓油區是河南油田主要稠油產能區,現共投入熱采開發區塊7個 (包括井樓零區、一二區、三區、五區、六區、七區、八區),目前井樓零區、五區和七區等3個區塊地質儲量已全部動用。井樓一二區為井樓油田儲量最高的區塊,受地下復雜情況及村莊、河流等地面因素影響,該區儲量動用程度低。2002年以來,應用斜直井技術使該區大部分難動用儲量得到了較好的動用。但該區由于受地面條件的限制,該區仍有61×104t的地質儲量未動用。為提高儲量動用程度,完善注蒸汽開發井網,增加油井熱采產能,利用水平井技術開發淺層稠油,以提高稠油資源的采收率。

1 井樓各區塊油藏地質特征

井樓油區由井樓背斜、高莊南鼻狀構造和前杜樓鼻狀構造構成。含油層系為下第三系核桃園組核三段,儲層砂體主要屬河流三角洲及扇三角洲沉積體系,埋藏淺,膠結松散,物性好,含油飽和度65.0%～75.0%,油層孔隙度29.0%～34.0%,滲透率0.976～3.432μm2。井樓油田地層層序自下而上為下第三系玉皇頂組、大倉房組、核桃園組、廖莊組,上第三系上寺組,第四系平原組。核桃園組核三段是主要含油層系。

由于油層埋藏淺,該區塊地層壓實作用和成巖作用弱且膠結程度差,但油層物性較好。油藏地質特征表現為以下4點:①油層埋藏淺。河南油田稠油油藏埋藏深度95～1113m。埋藏小于700m的油層,其地質儲量占總地質儲量的85%以上。其中,特稠油和超稠油油藏埋藏深度一般都小于400m。②油層厚度薄。單層厚度＜2.0m的油層數占總層數的49.4%;單層厚度2.0～4.0m的油層數占總層數的30.3%;單層厚度＞4.0m的油層數占總層數的20.3%。③絕大部分為特、超稠油。地層原油類型主要為普通稠油、特稠油和超稠油。其中特、超稠油占總儲量的60%以上,絕大部分稠油資源屬于特稠油和超稠油。④油層分布散。河南稠油油區由于區塊多,油層分布非常零散。井樓油田核三段分為8個砂油組,除Ⅰ、Ⅶ和Ⅷ砂層組不含油外,其余均含油。

2 淺層稠油水平井固井難點

1)淺層稠油水平井外加劑選擇比常規直井更加嚴格 因油層埋深淺,巖石疏松,滲透性好,膠結性差,地層溫度低,水泥漿強度發展慢,為防止油氣水竄、確保稠油水平井固井質量,對水泥漿的早期強度發展及失水提出了更高的要求,因此所選水泥漿體系既要抗高溫、防井漏,又要在低溫條件下形成強度快,還要具備低失水、零自由水的特點。

2)套管安全入井困難 淺層水平井垂直段短,井眼不光滑,存在微臺階、巖屑床,局部井眼擴大等多種情況,且井眼曲率高,下套管時,斜井段套管與井壁發生長段面積的多處接觸。井斜越大,摩阻越大。當超過70°時,管柱重量的90%作用于井眼下側,情況更為嚴重。下入到一定井深,套管由于克服摩阻已無自重存在,套管能否通過適當加壓方式順利下至設計井深,是水平井完井技術的關鍵。

3)套管居中問題 在井斜、方位比較大的井段以及水平段,套管在自重作用下易靠近井壁下側,而套管偏心影響著巖屑攜帶及注水泥替凈效果。只有居中度大于67%,注水泥質量才有保證。

4)井眼條件問題 斜井中鉆具受力狀況導致井眼呈橢圓形狀;淺層巖石疏松、鉆井循環造成井徑擴大嚴重且不規則,使井眼橢圓度更加嚴重。孔隙度大、滲透率高、儲層裸露段長,也使井下不穩定成為問題。樓平2井、樓平3井在鉆井過程中均出現不同程度的井眼垮塌現象。在大斜度井段和水平井段,沿著環空下側由于巖屑沉淀堆積易形成巖屑床,巖屑也很難清除干凈。

5)沖洗液的選擇問題 清水具有最好的沖洗效果。在常規固井時,常用清水作為沖洗液,而在水平井固井時,如果全部用清水作為沖洗液及隔離液,當清水到達大斜度及水平井段時,有可能使井壁不穩定,造成垮塌,使井下出現復雜情況。

6)泥漿混油問題 水平井為了保障井壁穩定和減小井壁對鉆具、管柱的摩阻,均在泥漿中加入原油或其他潤滑劑,使固井前井壁和套管壁上粘附有一層油漿、油膜,井壁泥餅和管壁油質的存在嚴重影響了替凈效果和水泥漿膠結強度。

7)沒有井徑數據,水泥量計算困難 由于水平井在測井徑時,容易發生事故,為保證井下正常,該井電測沒測井徑,沒有井徑數據,給固井的水泥量計算帶來一定難度。

3 水平井水泥漿體系設計及工藝措施

1)水泥漿綜合性能設計 大量研究表明,水泥漿對油氣層的污染主要是水泥漿向油氣層失水引起的[1～3]。在水平井中,由于油氣層裸眼段長,水泥漿與油氣層接觸面積大,同時,為防止水泥漿失水后在窄環空間隙內形成橋堵,因此更應嚴格控制水泥漿失水量。另一方面水泥漿的失水量與水泥漿自由水及穩定性有密切關系,一般而言,水泥漿失水越小,其自由水析出量也越少,水泥漿越穩定。因此,在水平井固井中,要求水泥漿API失水小于50m l。

由于水泥漿在候凝期間要發生體積收縮,收縮率要達到5%左右,特別在淺水平井中,由于水泥漿體積收縮,加上水泥漿液柱壓力很低,使得水泥漿液柱壓力低于地層流體壓力,導致地層流體侵入水泥漿中,造成水泥漿與地層膠結出現微間隙,因此水平井固井用水泥漿必須具有一定的膨脹性能,在水泥漿候凝前一定時間內對井筒內的水泥漿起到一定的壓力補償作用,從而減小地層中的油氣水侵入。

水泥漿綜合性能設計如下:①水泥漿失水小于30m l。②45°傾角下自由水為0,這樣可使環空上端的積水帶控制到最小,有利于提高水泥漿封隔質量。③水泥漿沉降穩定性要好,應避免水平段出現分層現象,確保水泥漿上下密度差小于0.06g/cm3。④抗壓強度要求大于14.0MPa。⑤在保證施工安全的條件下,盡可能縮短水泥漿稠化時間,增加水泥漿早期強度。為防止水平段水泥漿凝結時體積收縮、水平段上部形成通道的問題,采用膨脹型水泥漿體系。⑥為保證施工安全,必須進行水泥漿與泥漿、水泥漿與膠液等相容性試驗。

通過以上分析及對外加劑的研究與篩選,最終確定了稠油水平井固井用水泥漿配方如下:①配方1:嘉華G級高抗水泥+35%石英砂+降失水劑JS-1+0.8%分散劑USZ+消泡劑XP-1適量。②配方2:嘉華G級高抗水泥+35%石英砂+降失水劑JS-1+0.8%分散劑USZ+1.3%早強劑+膨脹劑1.0%+消泡劑XP-1適量。稠油水平井固井用水泥漿性能見表1。

現場施工時水泥漿體系采用分段結構,大斜度以上井段采用低失水加砂水泥漿體系 (配方1),大斜度以下井段用采用低失水膨脹加砂水泥漿體系 (配方2)。

2)套管居中度設計 根據各井斜角下的居中度數據可知,70m以下每一根套管加一只雙弓彈性扶正器,居中度最小為72.6%,完全滿足居中度大于67%的要求。但根據地質需要,結合現場實際情況,為保證套管順利下至設計井深,決定樓平3井在200m以下每2根套管加1只雙弓彈性扶正器。

表1 稠油水平井水泥漿性能

3)套管摩阻計算及套管入井措施 下套管時,斜井段套管與井壁發生長段面積的多處接觸,井斜越大,摩阻越大。當超過70°時,管柱重量的90%作用于井眼下側,情況更為嚴重。表2和表3是根據摩阻模型運用計算機程序對樓平2、樓平3井下套管時的摩阻計算。

表2 樓平2下套管的摩阻

表3 樓平3下套管的摩阻

通過表2和表3的摩阻計算數據可以看出,下套管時的摩阻遠遠大于套管柱自重,單靠套管柱重量,套管將不能下入到設計井深。在井樓油區4口淺水平井具體施工中采用了吊卡輔助加重塊加壓方式進行地面加壓,該加壓方式是利用多個廢舊的大尺寸鉆鋌捆綁連接為一體,吊在大鉤上進行下套管作業。該加壓方式較為安全簡單,便于現場操作,該區塊4口淺水平井利用井口加壓裝置成功將套管順利下至設計井深。

4 結 論

1)通過室內對低溫外加劑的評價、篩選,具有早強、低失水、零自由水、防氣竄性能良好的優質水泥漿體系是保證稠油水平井固井的關鍵。

2)通過對入井扶正器的研究及現場實踐,稠油淺水平井因上部地層較軟,采用雙弓彈性扶正器。因入井阻力小而且不易泥包,可保證水平井套管順利入井及良好的套管居中度。

3)對淺層水平井使用套管加壓裝置,在套管頂部給套管加壓,是保證套管順利下入的有效措施。

4)井樓油區淺水平井的固井施工證明該套固井技術措施能夠滿足固井質量要求,為今后的水平井固井施工提供了借鑒。

[1]黃立新,王昌軍,羅春芝.油氣層保護與內外泥餅關系的實驗研究[J].斷塊油氣田,2000,7(6):24～26.

[2]顧軍.保護油氣層水泥漿的研究與實踐[J].石油鉆采工藝,2000,22(6):7～10.

[3]韓志海.松南地區中深部儲層固井污染機理研究 [J].石油鉆探技術,2001,29(5):71～75.