悬空侧钻在哈法亚油田水平井中的应用技术

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  摘要:本文回顾了悬空侧钻技术的理论知识,着重介绍在多分支水平井中的悬空侧钻工艺,侧钻点的选择,侧钻过程的控制,侧钻是否成功的验证方法。通过在伊拉克哈法亚油田XX井现场施工作业,提出悬空侧钻工艺的关键技术,对于中东地区大型碳酸盐储层的重油采用多分支水平井的低成本开发,提速,提效具有重要的借鉴或指导作用。
  关键词:悬空侧钻;侧钻点;多分支水平井;哈法亚油田;重油
  0 引言
  针对伊拉克哈法亚油田地质构造复杂,盐膏岩层发育良好,重油采收率低等特点,多分支水平井在增大油藏的裸露面积,提高采收率,改善油流动态剖面,降低锥进效益,提高重油泄油效果,纵向调整油藏的开采,同时减少无效井段,降低开发成本等诸多优点,因而越受越受到投资方的青睐[1]。同时,哈法亚油田的第一口分支水平井获得日产原油1638m?,与单支水平井初产相比增长了2倍,经济效益显著。但在分支井施工中,悬空侧钻技术起着至关重要的作用,本文就悬空侧钻工艺相关知识做一介绍,结合XX井现场应用,提出悬空侧钻技术要领,对后续悬空侧钻井的高效开发具有一定的现场指导意义。
  1悬空侧钻的理论介绍
  悬空侧钻就是在不打水泥塞的裸眼内进行井眼方向中途改变的侧钻技术,在分支井作业垂直方向上的重力作用来实施。从施工难度上来看,侧钻点处井斜越大越容易,井眼曲率越中悬空侧钻技术普遍应用以保障钻井任务顺利完成。悬空侧钻技术主要依靠侧钻钻具组合在大越有利侧钻。另外,实施悬空侧钻的地层应该具有良好的可钻性及稳定性。同时,为减少分支井连接段的应力集中情况,改善其力学稳定性,降低井壁周围的Von Mises应力,主、分支井眼的夹角应设计为40~60°[2]。
  1.1 悬空侧钻点的选择及侧钻前的准备[3]
  (1)首先要考虑侧钻点附近的井眼状况:井下情况正常,無掉块和坍塌,钻具上提下放摩阻较小。如选定的侧钻点摩阻扭矩较大,侧钻之前要充分活动钻具,循环划眼处理,将钻柱所受的扭矩彻底释放,确保水平段井眼清洁,无挂卡,无遇阻现象后侧钻。
  (2)侧钻点的位置和井斜,
  选择合适的侧钻点是实施悬空侧钻的第一步,也是侧钻成功的先决条件[4]。侧钻点岩性稳定,且可钻性好,地层稳定井段,在选择侧钻点时,应选择井径变化较小的地方,依靠钻具的变形来增大侧向力[5]。同时侧钻点应选择在增斜,稳斜或者反向方位调整井段,并至少保留15m稳斜或增斜段,一定要避免在降斜井段悬空侧钻。侧钻点的方位变化不能与主井眼的方位变化一致。根据哈法亚油田地质特性,哈法亚油田分支井眼裸眼侧钻关键技术,分支初始井段尽量缩短,形成分支井眼上翘、主井眼下垂的轨迹形态,是保证裸眼悬空侧钻分支井段及分支连接井段井壁稳定及主、分支井眼轨迹控制与安全钻进的关键。
  (3)根据侧钻点实际情况和弯螺杆钻具的造斜能力选择合适的造斜工具,以提高侧钻的成功率,侧钻是要将工具面摆放在以微降井斜同时扭方位的位置上,是底部钻具在出新井眼过程中始终与井壁接触,同时,在钻杆能够顺利通过井眼的前提下,采用较大的造斜率进行侧钻更有利于分支段的井壁稳定[6]。
  (4)侧钻钻头应选择侧钻专用的聚晶金刚石SST 型强造斜钻头,易于形成新井眼[7]。
  (5)侧钻施工前与地质导向师充分沟通,了解地质导向是的意图,导向师预测好待钻区20~30m的地层倾角,侧钻成功后及时调整井斜,防止侧钻过程中降斜导致出层。
  (6)选择高性能的定向工具提高井眼质量与钻井速度,如使用Agitator[8]、Thruster 等液力推进器,将钻具的静摩擦转变为动摩擦,以形成近冲击和振动,减少钻具摩擦和缓解钻具托压;同时对侧钻钻具组合BHA进行钻具校核,侧钻前调整钻具至保证本立柱剩余钻具不少于20m,防止接立柱时误操作导致侧钻失败。
  1.2 悬空侧钻过程分析
  无论在什么地方侧钻,保证侧钻成功是首要条件,其次是满足该地区对悬空侧钻成功后微降井斜或者不降井斜的轨迹要求。主支井眼钻进时要预留一定的调整段或者微增井段,尤其是钻进至设计侧钻点附近时,要可以控制轨迹,保留15m的井斜平稳段或增斜段,方位上可以反向操作,侧钻过程如下:
  在分支造斜点前3~5m井段进行划槽作业。划槽作业时,要根据实钻井眼的造斜方向选择合适的工具面,一般使用左150~右150°之间的工具面对下井壁进行划槽作业3~5次。划槽作业过程中要根据井口以上钻具做好钻具标记,确定划槽作业井底的确切位置,保证每次均匀划槽作业的结束点位置精确,统一,以免形成台阶遭到意外的破坏。
  (1)合理控时悬空侧钻前4m,是形成理论上悬空侧钻初始降斜的开始,也称为刻蚀初始阶段,也是造台阶初始阶段,应施加较小钻压[9-10]。这一部分悬空侧钻进尺工具面不需要进行调整,工具面一侧向偏下为主,同时根据地层可钻性来严格选择控时钻进的速度,此时的钻压基本显示为0。
  (2)合理控时悬空侧钻4~6m时,这一阶段新井眼将逐渐形成,已经具备小幅度调整工具面及逐步过渡至增斜分离井眼的能力,是悬空侧钻过程中开始由降斜向稳斜,增斜分离井眼的重要操作点,可根据需要调整工具面,调整范围最好控制住10°/次左右,调整时工具面逐步变化不能过急求快。
  (3)控时悬空侧钻6m后,新井眼与老井眼已经基本分离,完整的夹壁墙逐渐形成。可
  以进一步放开对工具面的控制范围,根据轨迹要求调整工具面,逐步缩短控时钻进。受限于测量仪器的测量盲区,通常在侧钻11~12m 即可根据仪器数据判断井眼变化趋势,确定侧钻成功后,取消控时钻进,正常滑动钻进,进一步加强夹壁墙的厚度。一般在普通的泥岩或者灰岩以及砂岩中,1.5倍井眼尺寸的夹壁墙,而煤层中为3倍井眼尺寸的夹壁墙。此点作为滑动与转动的分界点,侧钻全部结束。
  (4)侧钻结束需要转动钻进新井眼时要精心操作,应以低转速,小钻压均匀钻进,保证新形成的夹壁墙不被破坏。   1.3悬空侧钻是否成功的判别方法
  对于悬空侧钻是否成功的判别一般有一下几种方法:
  (1)承压测试。在悬空侧钻作业过程中,承压测试时比较常用的手段。经过划槽作业后下井壁已可以形成初始的台阶面,在随后实施的3m左右的控时侧钻后,即可上提钻具,用停泵下压的方式进行台阶面的承压实验。静承测试的操作要精细,一定要注意活动钻具时不能转动,以保证工具面的方向和侧钻时相同,下压钻具要轻缓,触碰井底后判断是否明显遇阻,遇阻钻压10~40KN即可,不能用大钻压测试,以免台阶面受到破坏。
  (2)钻进时根据工具面判断。在使用螺杆钻具悬空侧钻时,钻头吃压后工具面正常摆动。侧钻提速后的钻进过程中,如果形成了有效的台阶面将会观察到工具面的变化规律。
  (3)根据返砂量变化判断。悬空侧钻的钻时慢,通过返砂量来判断新井眼的形成比较困难。但是在提速后的侧钻井段中,可对出砂量是否逐渐增多来进行正确识别,从而来判断是否形成新井眼。
  (4)根据轨迹数据来判断。分支水平井的悬空侧钻一般不允许用过长的井段来进行侧钻,因此常规的测量工具在侧钻结束前因为较长的测量盲区将很难提供有效的数据支持。但是近钻头测斜仪器将为悬空侧钻作业提供有力的帮助。
  2 XX井现场施工
  该井是由BH-XX钻井队在伊拉克哈法亚油田承钻的一口四开双分支水平井,该井设计造斜点2400m,侧眼(上眼)设计井深3954.35m,主眼(下眼)设计井深4138.19m,由渤海钻探定向井公司提供轨迹控制技术服务,该井首先钻完侧眼至井深3955m中完。主眼需根据侧眼的实钻轨迹进行悬空侧钻作业来完成。
  2.1XX井设计简介
  哈法亚油田的Mishrif储层分支井采用5 开的井身结构,具体井身结构如图1所示,侧眼井的剖面设计如表1所示。侧眼(上眼)水平段长801m(3155m~3956m),主眼(下眼)水平段长962m(3176m~4138m)。
  2.2 XX井侧钻井眼的剖面设计
  根据侧眼套管数据(3166m.177.8mm)以及甲方要求的主眼着陆的井深,优选侧钻点,其主眼(下眼)剖面设计如表2所示。
  该侧钻点选择有以下几点理由:
  第一,根据侧眼的轨迹数据,选择的侧钻点附近的轨迹是处于增斜增方位井段,侧钻井眼与老井眼逆向,对于悬空侧钻依靠重力产生的降斜施工来说极其有利,侧钻工具面在140L。
  第二,侧钻点处地层岩性稳定,可钻性强,井径规则。查阅该井在侧钻钻进中,3176~3190m,复合钻进平均钻时在10m/h,岩性为灰岩,井径为7.2英寸(四开为6寸井眼),井眼扩大率小,井眼规则。
  2.3 XX井侧钻井眼钻具组合优化
  根據设计造斜率3.26°/30m,选择1.5°单弯且较短的4级无扶正器等壁厚127mm马达,满足理论上的1.5倍的造斜率需求。同时为了配合定向工具面稳定,选用5刀翼Smith PDC(D1513UPX)钻头,该钻头排屑槽深,复合片尺寸小,布齿密度高且保径齿较多,耐磨性能好而机械钻速较低,有利于侧钻。为了增强井底钻具组合的刚性,为下井壁提供更好的向下的侧向力,增加一柱加重钻杆。防止托压现象导致侧钻效果不佳,加入NOV生产的Agitator工具,同时倒装钻具,具体钻具组合如下:
  2.4 XX井侧主眼(下眼)侧钻过程
  悬空侧钻主井眼过程中,按照划槽、造台阶和控时钻进3 个步骤进行[11]。,最后通过承压实验等措施来鉴别侧钻是否成功,具体如下。
  2.4.1 划槽作业(3169~3176m)
  为了最大化的减少侧钻点处的摩阻扭矩,提前为侧钻井眼造型,首先执行拉槽作业,具体步骤如下:
  第一充分循环井眼,上下活动钻具,将工具面调整至侧钻工具面135L,锁定顶驱。
  第二在钻杆上做好标记,防止下放钻具过多破坏新造的台界面。
  第三划槽速度一般在50~60m/h,根据井深及地层可钻性的不同,划槽时间不同,本井划槽2小时。
  第四鉴于套管下深3166m,本井选取划槽井段3169~3176m.
  2.4.2 造台阶,控时侧钻井段(3176~3186m)
  (1)控时侧钻第1m钻时为4h,但在本井侧钻前0.5m时,工具面很不稳定,分析原因是由于1.5°螺杆侧钻工具面与老井眼方向向逆,侧眼造型未形成,但随着控时钻进至3176.5m以后,工具面逐渐稳定。
  (2)第2m控时3.5h,控时钻进1.7m后开始有10~20°反扭角,切记,每次调整反扭角时以10°每次最佳,防止反扭角过大破坏刚造的台阶面。此时泵业也增加20PSI.
  (3)第3m 钻时3.5h,反扭角增大,钻压1吨,第4m时反扭角增大至40°,钻压增加值2吨.
  (4)随后根据动态井斜、方位、反扭角和泵压等参数的变化来逐渐提高钻时。控时钻进至3184m时出现托压现象,托压至4吨,且反扭角达到50°,泵压上升40~50PSI,更进一步说明钻头已经完全进入新井眼。此时开始正常滑动钻进,钻时1m/h,钻进至3186m时,泵压上涨50~80PSI,返砂量明显增多,根据动态井斜方位数据变化(如表3)可以初步确定侧钻成功。
  根据悬空侧钻井眼实测数据做防碰扫描结果如表4所示,可以看出定向前3m尤为重要,处于造台阶阶段,要精细施工,严格控时。
  2.4.3 悬空侧钻成功的识别(3186~3201m)
  虽然从反扭角、钻压、泵压以及岩返出量等参数的变化,但是最可靠的方法是承压实验和后续的测斜数据。本井滑动侧钻至井深3186m后,做承压实验,具体如下:
  第一:上提钻具,将工具面调整至侧钻工具面。   第二:停泵后活动钻具3~5m,活动两遍,消除井壁摩阻。
  第三:缓慢下放钻具,使其缓慢加压至4吨,观察钻压不下降。
  以上实验说明承压成功,钻头已完全进入侧钻新井眼。但是如果此时继续滑动钻进,可能导致井眼狗腿度过大,不利于后续施工作业,为此采用转动钻进。转动钻进时控制钻压不超过3吨,顶驱转速30r/min,防止大钻压高转速破坏侧钻形成的夹壁墙。转动钻进至3201m时测斜,在测深3186m与老眼测斜数据对比如表4所示,滑动钻进至3186m时两井距为0.63m,是该井眼直径的4倍多,此时完全可以转动转进,当钻至3195m时,井距1.62m,完全满足防碰要求,悬空侧钻施工完全成功。
  2.4.4施工效果
  本口井仅用26h悬空侧钻主眼成功,并且一趟钻钻进962m,水平位移1399.3m,创哈法亚多分支水平井多项记录,该井的顺利施工解决了哈法亚油田多分支井悬空侧钻的难题,为更高效开发Mishrif儲层探索了新方式,同时也为公司赢得荣誉。图3及图4所示XX实钻轨迹图。
  3结论与认识
  (1)侧钻点的选择极其重要,决定着侧钻的成功率。要根据实钻轨迹,地层岩性等方面优化侧钻点。
  (2)优化侧钻井眼的轨道设计,为了提高侧钻初始夹壁墙的稳定性,主、分支井眼的夹角应设计为40~60°。
  (3)优化钻具组合,确保悬空侧钻工具面最好在左右140°附近的位置,使侧钻时井底钻具能为下井壁提供一个有效的侧向力,提高侧钻成功率。
  (4)侧钻过程中要严格控时钻进,尤其造台阶阶段,密切关注侧钻过程中的工具面、钻压、反扭角、泵压等参数的变化,并不断的记录侧钻过程中的动态井斜及方位数据。
  (5)侧钻结束要严格执行承压实验,并通过最终的测斜数据来判别侧钻是否成功。
  (6)互相协作的团队精神。侧钻作业需要地质、司钻、定向井工程师相互密切的配合。
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