委內瑞拉奧里諾克胡寧區塊叢式三維水平井安全鉆井技術

陳　雷　楊國彬　張　瑋　吳　萌

委內瑞拉奧里諾克胡寧區塊叢式三維水平井安全鉆井技術

陳雷楊國彬張瑋吳萌

中國石油集團鉆井工程技術研究院

陳雷等.委內瑞拉奧里諾克胡寧區塊叢式三維水平井安全鉆井技術. 天然氣工業,2016, 36(8): 100-106.

委內瑞拉奧里諾克胡寧區塊儲層埋藏淺,地層疏松,叢式三維大位移水平井具有位移大(1 300 m以上),水垂比高(3.1～4.5),井眼曲率大(7°/30 m ～10°/30 m)的特點,鉆井作業面臨井眼軌跡控制難、摩阻扭矩大、井壁穩定性差以及尾管下入困難等技術難點.為此,通過對平臺內不同偏移距下的三維井摩阻扭矩分析、井眼軌跡優化設計、極限井深模擬計算以及鉆井液體系與配方優選,有效解決了因垂深淺、水平段長引起的鉆具摩阻扭矩大與托壓問題,以及弱固結性疏松砂巖儲層井壁失穩和儲層保護等技術難題;采用漂浮下套管并配合井口加壓的復合技術來解決套管下入設計深度問題.該研究成果在胡寧區塊現場應用7口水平井,其中E3-23井完鉆垂深僅375.3 m,而斜深為1 984.1 m,水平位移達1 688.4 m,水垂比達到4.5,成為目前已鉆完井中水垂比最大的三維水平井.該項技術可為國內淺層油氣田高效開發提供借鑒.

委內瑞拉 奧里諾克 淺層疏松砂巖 叢式三維水平井 大位移 井眼軌跡控制 井壁失穩 水垂比 儲層保護

委內瑞拉奧里諾克胡寧區塊,儲層埋藏淺(290～430 m)、地層疏松、膠結性差,具有高孔隙度、高滲透率的特點.針對委內瑞拉石油能源礦產部要求開發方案采用叢式井平臺設計的要求及淺層三維水平井的難點問題,系統地開展了井眼軌道優化設計、井眼軌跡控制、鉆井液等方面的叢式水平井鉆井技術研究,保證現場安全作業,滿足提高采收率及當地環保需要,為淺層大位移三維水平井鉆井開發提供技術支持.

1　淺層叢式三維水平井鉆井技術難點

由于提高采收率及當地環保需要,開發方案要求采用叢式井平臺設計(圖1),單井井型均為三維水平井,垂深400 m左右,水平段長1 000 m,井深1 800～2 000 m,水垂比在3.1以上,最大達到4.5,鉆井施工難度大、作業風險高,工程上存在以下技術難點.

圖1　叢式三維水平井設計模擬圖

1.1井眼軌跡控制難度大

上部地層松軟、下部為弱膠結性砂巖儲層,定向井段造斜能力低,大剛度鉆具與高造斜率之間的矛盾以及疏松地層中鉆井參數對軌跡的影響大等因素,都給井眼軌跡控制帶來很大挑戰;對一口實鉆水平井,從造斜點到目的層入靶點的設計垂深增量和水平位移增量是一定的,如果實鉆軌跡點的位置和矢量方向偏離設計軌道,勢必改變待鉆井眼的垂深增量和位移增量的關系,也直接影響到待鉆井眼軌跡的中靶精度,而由于胡寧區塊目的層垂深的限制,增加了上部軌跡控制的難度[1-6].

1.2摩阻扭矩大

設計45 m造斜點,直井段短,鉆柱懸重輕,井眼曲率大,鉆柱彎曲變形后產生較大的摩擦阻力,鉆具傳遞鉆壓困難.隨著井深和水平位移的增加,摩阻不斷增大,也給水平段后期鉆進和套管下入帶來了極大的困難.在鉆進過程中將加重鉆桿和鉆鋌始終安置于直井段和初始造斜井段以實現鉆具懸重的合理配置,需頻繁倒換鉆具,此外,水平段鉆井后期鉆具摩阻扭矩大(E3-21井鉆至1 430 m以后鉆具摩阻扭矩介于75～89 kN),需要通過復合鉆進甚至盲打等措施盡可能鉆達設計井深.為達到設計的井斜和方位,上部造斜段狗腿度大,一般要在鉆深470 m附近,狗腿度應介于8°/30 m～9°/30 m.這就會造成鉆柱及完井管柱彈性形變量過大,管柱產生的摩阻增加[7-10].

1.3井壁穩定及井眼清潔

胡寧區塊地層膠結疏松,井壁穩定性差,上部泥巖易縮徑,中下部砂巖井段易坍塌造成砂卡等井下復雜;地層可鉆性好鉆速快,泥漿泵排量大易沖刷井壁,鉆壓也跟不上,定向鉆進需要控制鉆進速度,大量巖屑容易在全角變化率的地方堆積.此外,由于鉆井液黏切高,濾失量大,在滿足攜砂需要的同時易形成較厚的泥餅,增大了井眼清潔的難度[11].

1.4儲層保護

區塊在施工過程中存在氣侵現象,同時考慮井壁穩定等因素,鉆井液密度相對偏高,現場使用三種不同粒徑的超細碳酸鈣作為屏蔽暫堵劑,鉆井液中的固相和液相會部分侵入地層,不利于儲層保護[11-13].

2　叢式水平井軌跡控制與防碰技術

2.1井眼軌跡精確控制技術

原開發方案設計二開后在表層套管鞋下開始造斜,KOP(造斜點)設計在165 m左右,經過技術研究,為保證給下部造斜和扭方位提供足夠空間,提前至表層造斜,KOP設在45.7 m(150 ft)處,一開?406.4 mm表層井段井斜角達到13°左右;?311.2 mm井眼的中間段定為主要的增斜-穩斜-增斜井段,穩斜段井斜角設計為68°左右,中間段基本是二維定向作業,輕度扭方位并增斜至88°進入水平窗口B點(儲層里),下入?244.5 mm套管;三維扭方位主要在三開?215.9 mm井眼前部進行,然后再鉆出1 000 m直水平段.

通過研究和優化設計,確定井眼軌跡結構設計為直井段→增斜段→穩斜段→增扭段1→增扭段2→扭方位段→直水平段[5-6,8].井眼軌跡見圖2.

圖2　實鉆三維井眼軌跡圖

1) 直井段控制.由于造斜點上提至45 m處,直井段較短,且地層松軟,地層傾角小,在直井段鉆井施工中,如果只靠鉆柱自身懸重,一般加不上鉆壓,且井斜難以控制,主要采用鐘擺鉆具進行控制.

2)增斜井段控制.從造斜點開始至450 m井深處為增斜井段,要求井斜達到約70°,造斜率保持在平均6°/30m.在此井段增斜鉆至約155 m完成一開鉆進,下表層套管固井后繼續二開增斜鉆進.

3)穩斜井段控制.此段井斜要求不大于70°,全角變化率不大于1.5°/30 m,垂深約在著陸點以上20 m,著陸點處井斜約85°,三開繼續造斜至90°.

4)增斜扭方位井段.此段包括兩個部分,二開增斜鉆進至著陸點下技術套管固井,這部分井斜控制在87°左右,微調方位3°～5°,第二部分為三開增斜段,此部分需將井斜增至90°.

5)扭方位井段.此井段微調井斜,全力增方位至設計水平段方位,全角變化率控制在4°/30 m.

6)直水平段.維持方位不變,依據隨鉆電阻率+ 伽馬電測曲線調整井斜,保持全角變化率在3°/30 m以下,確保儲層鉆遇率.水平井段要保證在儲層中鉆進,必須減少測斜盲區,使用短鉆鋌代替無磁抗壓縮鉆桿,配合使用多點測斜儀,準確掌握井眼軌跡的變化趨勢.與現場地質錄井相結合,及時掌握錄井方面的數據,了解地層厚度、走向、傾角、巖性以及蓋層等相關情況.水平段主要選擇1.5°和1.25°兩種不同型號的馬達.

為了保證儲層段砂巖鉆遇率,水平段鉆井采用了地質導向探測系統,在實際鉆遇地層與設計地質分層不相符的情況下,利用地質導向工具實時調整井眼軌跡,采用上翹、下探、大幅變向進行地層巖性追蹤,躲避泥巖,實現了砂巖鉆遇率達100%.井眼軌跡設計參數見表1.

表1　井眼軌跡設計主要參數表

2.2防碰技術

受地面條件和委內瑞拉環保要求限制,該區均采用水平井(定向井)叢式井鉆井技術,平臺鉆井數量多,防碰繞障問題非常嚴重,高效開發井又需要一定的靶前位移,許多井往往從一個平臺打到另一個平臺附近或下面,即要考慮與本平臺鄰井的防碰,又要考慮與相鄰平臺井的防碰;水平井既有直井段的防碰問題,又有造斜段和水平段的防碰問題.在整個防碰設計過程中,研究設計井眼與周圍鄰井的位置關系,確定防碰方案最為關鍵.

圖3為叢式井地面平臺設計,井口間距10 m,加密后井口間距5 m,排間距60 m;平臺布井井數介于14～28口,井距300 m, 加密后井距150 m.

繞障設計的具體做法:先根據三維空間透視圖和防碰掃描圖確定設計井眼可能與鄰井相碰的井段,然后假設該井段周圍有一點,當新的設計井眼通過該點時,該點周圍可想象的空間范圍內與鄰近相碰的概率小于允許值;最后設計一條包括該點的水平井軌道.

現場的防碰措施主要包括以下幾個方面:

圖3　叢式井平臺井場布置圖

1)加強測量儀器系統誤差的校正工作,測量儀器需經過有資質的計量檢定機構進行精度校驗.

2)掌握正鉆井和已完鉆井較為真實的軌道情況.

3)選擇能夠隨時監測磁場強度(地磁傾角)的測量方式,實現隨鉆數據監測.

4)在現場施工過程中,及時計算、掃描相鄰井的相對關系,當距離接近5 m時采取措施避開.

5)在上部防碰井段使用牙輪鉆頭+導向馬達+ MWD結構,并控制機械鉆速.

6)在防碰井段必須堅持鉆臺和震動篩的坐崗觀察措施,發現異常立即停鉆分析,且必須首先考慮防碰問題.

7)鉆井工程設計增加在防碰井段錄井要求.

3　下套管技術

由于該區塊三維水平井水平位移大(1 300 m以上),水垂比高(3.1～4.5),井眼曲率大(7°/30 m～10°/30 m),彎曲變形后會產生較大的摩擦阻力,增加了大剛度套管柱的下入難度,此外,垂深淺,完井管柱與井壁間隙小,水平段井壁穩定性差等不利條件,也給下套管作業帶來了極大風險.

針對水垂比高的三維水平井套管負荷小,下入過程中摩阻大的問題,胡寧區塊的淺層三維長水平段井主要采用井口加壓,配合漂浮下套管的復合技術來解決套管下入問題.

現場采用的是利用頂驅自重進行井口加壓,下套管時現場加工"頂驅加壓接頭",可實現套管下放過程中隨時加壓,已在現場推廣應用,這種井口加壓方式簡單實用,操作方便.頂驅加壓接頭的加工可以現場就地取材,利用廢舊鉆桿母接頭端截取0.6 m的長度,下部焊上直徑為250 mm、厚度10 mm的鋼板(圖4).

使用漂浮下套管技術,首先需要對空氣段長度進行優選.計算不同空氣段長度下的下入載荷,優選出對管柱下入最為有利的空氣段長度,選取下入載荷最大時的空氣段長度作為最終所選用的空氣段長度.在空氣段長度優選結果的基礎上,計算不同摩阻系數下的漂浮下入載荷,漂浮下套管過程中,隨著套管下入深度的增加,套管在直井段時,主要受套管自重的影響,井口載荷增大.當漂浮套管段由于套管柱內部封閉空氣,受鉆井液浮力作用時,摩阻降低,井口載荷隨之增大,當漂浮套管段全部進入水平段時,井口載荷達到最大.此后,隨著管柱的進一步下入,漂浮接箍上部套管柱由于灌注鉆井液,造斜段的摩阻增大,因此井口載荷增加趨勢變緩或略有減小[14-16].具體技術措施為:

1)在完井管柱端部采用滾動引鞋來降低管柱下入的摩擦力,引導管柱下入,同時在管柱的中部加裝滾輪扶正器,以減小管壁與井壁間的摩擦力.

2)對于管柱本身負荷小的情況,可在尾管頂部單根內放入合適尺寸的鉆鋌用以加重管柱,當尾管接近水平裸眼井段時,為確保尾管下至設計井深,可在尾管送入工具上部再加鉆鋌和加重鉆桿.

3)對于井壁穩定性差、井壁易坍塌的井段,在管柱下入前必須使用專用的通井工具通井.

4)必要時可采取井口頂驅加壓的方式幫助管柱下到設計井深.

圖4　現場井口加壓操作裝置照片

4　鉆井液技術

通過對該地區使用的鉆井液情況分析各井段鉆井液配方及性能基本能滿足本區塊安全鉆井需要,但是二開地層造漿嚴重,固控設備使用效率低,鉆完各開次都需清罐、重新配置鉆井液,增加了成本,而且鉆井液遇稠油會膠結增稠,形成穩定的高黏度水包油乳狀液,因此需對鉆井液方案進行優化設計.

4.1鉆井液設計需著重考慮的因素

1)穩定井壁:二開大段泥巖造漿嚴重,井眼易縮徑,三開井段地層弱膠結,疏松砂巖易坍塌造成砂卡,也易發生壓差卡鉆,鉆井液需具有良好的抑制造漿及封堵護壁防塌能力.

2)提高潤滑性和攜巖性:長水平段井眼鉆具摩阻扭矩大,井眼清潔困難,易形成巖屑床,鉆井液應具有良好的潤滑性和攜巖能力[11,13].

3)儲層保護:高孔高滲儲層易發生固相損害,稠油遇鉆井液后形成的膠結物易堵塞篩管,因此鉆井液與稠油應具有良好的相容性,對儲層大孔喉能形成有效封堵[12].

4)降本增效:鉆完各開次清罐和重新配制鉆井液,浪費時間,增加鉆井液和廢液處理成本,優化鉆井液配方,強化固控,實現二、三開鉆井液共用和鉆井液重復利用.

4.2鉆井液方案設計

全井采用了水基鉆井液體系,優化配方設計,滿足全井段疏松地層井壁穩定、長水平段井眼清潔和儲層保護等問題.

4.2.1表層段

采用膨潤土鉆井液體系.

主要處理劑和配方:H2O+0.3%～0.5%Na2CO3+5%～8%膨潤土+0.1%～0.5%CMC等聚合物處理劑.

維護處理方法與要求:

1)膨潤土漿預水化16 h以上,然后加入各種處理劑.

2)使鉆井液具有良好造壁性與攜巖性,保證井底鉆屑能被充分帶出,防止卡鉆,并具有一定的防滲漏功能.

4.2.2中間段

采用無土相強抑制聚合物鉆井液體系.

主要處理劑和配方:H2O+7%～10%醋酸鉀+ 0.5%～1.5%CMC+2%～3%改性淀粉+0.2%～0.3%黃原膠+0.5%～1.5%殺菌劑+0.3%～0.5%大分子包被絮凝劑+碳酸鈣加重

維護處理方法與要求:

1)為抑制地層造漿,鉆井液應足量加入醋酸鉀(維持K+濃度大于等于30 000 mg/L).

2)為及時有效的清除鉆井液中的劣質固相,應在充分使用四級固控設備的同時,向鉆井液中持續加入大分子聚丙烯酰胺類包被絮凝劑.

3)用碳酸鈣做加重劑,為將二開鉆井液轉化為三開鉆井液創造條件.

4.2.3水平段

采用無土相黏彈性聚合物鉆井液體系.

主要處理劑和配方:H2O+5%～7%醋酸鉀+ 0.5%～1.5%CMC+2%～3%改性淀粉+0.2%～0.3%黃原膠+0.5%～1.0%PAC+0.5%～1.5%殺菌劑+ 1%～2%流型調節劑(根據需要)+8%～12%柴油或礦物油+0.5%～1.5%乳化劑+合理級配碳酸鈣

維護處理方法與要求:

1)為防止巖屑床形成,應確保鉆井液動塑比大于等于1,及時添加流型調節劑材料,提高鉆井液攜巖能力.

2)以封堵大孔喉(60～100 μm)為重點,優化選擇20～30 μm、40～45 μm、70～75 μm三種粒徑的CaCO3級配,考慮160 μm大孔喉的存在,可添加少量115～120 μm粒徑的CaCO3.

3)形成具有高效封堵作用的高質量含CaCO3泥餅,既有利于疏松砂巖水平段的井壁穩定,同時還可有效防止鉆井液深入儲層.

4)為減少鉆井液與稠油相容性差造成的儲層傷害,應優化鉆井液配方,向鉆井液中加入約10%的柴油及適量乳化劑,溶解、乳化混入鉆井液中的稠油,提高鉆井液與稠油的相容性,同時還可提高鉆井液的潤滑性和護壁防塌能力.

5　現場應用效果

委內瑞拉胡寧區塊淺層叢式三維水平井鉆井利用上述安全鉆井技術,成功完成了7口三維大位移長水平段鉆井,其中E3-23井完鉆井深1 984.1 m,垂深375.3 m,水平位移1 688.4 m,水垂比達到4.5,成為目前已鉆完井中水垂比最大的三維水平井(表2).

6　結論與認識

1)井眼軌跡優化和控制技術的應用,實現了淺層疏松砂巖地層高造斜率和長水平段井眼軌跡控制.

2)通過對防碰問題的研究,制定了防碰技術措施,現場嚴格施工,密切監視,有效地解決了井網之間的碰撞問題.

表2　現場應用井統計表

3)"頂驅加壓接頭"的制作和使用,簡單方便,有效解決了套管下入時井口加壓的現場實際問題;同時漂浮下套管技術與措施也為淺層大位移水平井套管下入提供了技術保障.

4)在原鉆井液體系基礎上進行了配方與處理劑優化,提出了各井段鉆井液維護處理方法和要求,最大限度地解決了井壁坍塌和井眼清潔問題,更好地保護了儲層,為疏松砂巖長水平段安全鉆進提供了技術保證.

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(修改回稿日期 2016-06-23 編 輯 凌 忠)

Drilling safety technologies for 3D cluster horizontal wells of Junin Block in Orinoco, Venezuela

Chen Lei, Yang Guobin, Zhang Wei, Wu Meng
(CNPC Drilling Research Institute, Beijing 102206, China)

NATUR. GAS IND. VOLUME 36, ISSUE 8, pp.100-106, 8/25/2016. (ISSN 1000-0976; In Chinese)

The reservoirs of Junin Block in Orinoco, Venezuela, are shallow and unconsolidated. 3D extended-reach cluster horizontal wells are characterized with large displacement (over 1300 m), high horizontal displacement to vertical depth ratio (HD/VD=3.1-4.5) and high borehole curvature (7°/30m-10°/30m). Therefore, drilling operations in this block are technically challenged with difficult well trajectory control, large drag and torque, poor wellbore stability and difficult liner casing running. Solutions were figured out to the problems of high drag and torque and backing pressure of drilling tools caused by shallow vertical depth and long horizontal intervals and the wellbore stability and reservoir protection of weak-consolidation unconsolidated sandstone reservoirs were guaranteed by taking a series of measures , including 3D well drag and torque analysis at different offsets, well trajectory optimization design, ultimate well depth simulation and calculation, and drilling fluid system and formula optimization. The combined technology of floating casing running and wellhead pressurization was used to run the casing down to the design depth. The research results were successfully applied in 7 horizontal wells in the Junin Block. Among all the drilled wells, Well E3-23 is the 3D horizontal well with the maximum HD/VD is 4.5, and its total vertical depth (TVD) is only 375.3 m, measured depth (MD) 1 984.1 m and horizontal displacement 1 688.4 m. This technology provides a reference for the efficient development of domestic shallow oil and gas fields.

Venezuela; Orinoco; Shallow unconsolidated sandstone; 3D cluster horizontal well; Extended reach; Well trajectory control; Wellbore instability; HD/VD; Reservoir protection

10.3787/j.issn.1000-0976.2016.08.014

中國石油天然氣集團公司重大科研項目"海外復雜油氣藏安全高效鉆井技術集成與應用"課題4"委內瑞拉胡寧4淺層大位移叢式三維水平井鉆完井技術"(編號: 2011D-4504).

陳雷,1964年生,高級工程師;主要從事鉆井完井技術方面的研究工作.地址:(102206)北京市昌平區沙河鎮西沙屯橋西中石油創新基地A34地塊A521室.ORCID:0000-0003-0356-3856.電話:(010)80162166.E-mail:chenleidri@cnpc.com.cn

楊國彬,1971年生,高級工程師;長期從事鉆完井技術研究和海外鉆完井技術支持等工作.地址:(102206)北京市昌平區沙河鎮西沙屯橋西中石油創新基地A34地塊A511室.電話:(010)80162140.ORCID:0000-0002-3560-2998.E-mail:yangguobindri@ cnpc.com.cn