柳文启 (中国石化集团国际石油勘探开发有限公司,北京 100029)

Sarykumak油田浅层水平井钻井方案优化设计

柳文启 (中国石化集团国际石油勘探开发有限公司,北京 100029)

哈萨克斯坦Sarykumak油田Sary-6断块的油藏埋深普遍较浅(325～375m),给水平井钻井方案设计带来较大困难。而且该区块目前还没有水平井钻井史。结合哈萨克斯坦Sarykumak油田Sary-6断块地质特点,首先对轨道设计、井身结构设计和钻具组合方式分别进行优选,然后进行组合式整体优选,给出了适宜该区块地质特点的钻井方案优化设计建议。

Sarykumak油田;浅层水平井;轨道设计;井身结构设计;钻具组合优化

由于Sarykumak油田油藏埋深较浅,油田至今没有水平井开发历史,没有可以借鉴的钻井施工经验。为了保证该油田的浅层油藏得到有效开发利用,决定对该浅层油藏实施水平井开发方案。笔者通过对水平井的轨道方案设计优化对比和钻具组合的优化设计及模拟计算,对方案进行了优化,为该油田的浅层油藏水平井施工提供一个优选的设计方案。

1 地质概况

1.1 地层特征

Sagizski区块位于哈萨克斯坦共和国Aktobe州,靠近里海盆地的东南部。Sarykumak油田位于Sagizsk区块盐上构造南带,Sary-6断块是该油田开发的重要部分。Sary-6断块钻井资料揭示,钻遇目的层自下而上依次为下、中侏罗统 (J2、J1)与下白垩统 (K1),由于该区剥蚀现象严重,区内的上侏罗统完全被剥蚀掉,并在下白垩统与中侏罗统、中侏罗统与下侏罗统、下侏罗统与上三叠统存在3个不整合面。

1.2 油藏流体性质及温度压力系统

Sarykumak油田油藏埋深浅,根据Sary-6井2层、Sary-601井1层,共三次温度和压力测试资料统计分析,油藏属于正常温度、压力系统,平均静压力梯度1.05MPa/100m,静温梯度为2.97℃/100m。

按此测试的温度、压力梯度分别测算分区块平均油藏中深的温度和压力 (见表1)。

表1 Sary-6油藏平均原始地层压力及温度表

2 技术难点

Sarykumak油田在sary6井区部署8口水平井,其中7口井设计开发的目标层系为J2,通过对该区块藏地质资料分析,同时结合当前水平井的设计技术对该地区Sary-6井区钻井技术难点总结如下:

1)油层埋深较浅,平均在325m左右,由此导致造斜点较浅,直井段钻柱重量较轻,大斜度段和水平段钻压施加困难。

2)地层压实程度低,工具实际造斜率难以确定,由于前期没有已钻水平井,没有可借鉴的经验和可靠的井史资料作为参考。

3)由于垂直空间余量不足,要求造斜率较高,井身质量的不确定性使得钻进过程中随着测深的不断增加,摩阻将会不断增加。

4)由于造斜点较浅,表层套管下深受到约束,从而给水平段进行测井造成困难。

5)由于直井段较短,套管的垂直下入重量小,而位垂比较大,因此套管下入困难,为减少套管下入阻力,要求井身剖面调节性强,能够对垂深造成的误差进行一定的调整,从而是轨迹控制难度进一步加大。

6)水平井靶窗范围较小,要求中靶精度高。

3 水平井井眼轨道设计

3.1 水平井轨道类型选择

由于Sarykumak油田的油藏埋深都比较浅,造斜的垂直空间不足,不适合使用长半径水平井,同时又因为长半径水平井钻井造成靶前的进尺增加,短半径水平井钻井工艺技术还有待进一步完善,对钻井设备和施工队伍都有较高的技术要求,因此设计采用中曲率半径水平井。

水平井井眼轨道优化设计的目的就是降低井眼轨迹控制难度,充分发挥动力钻具和转盘钻具各自的优势以提高机械钻速,为钻出平滑规则的井眼提供保障。水平井常用的轨道为 “直-增-稳”、“直-增-稳-增-平”、“直-增-稳-增-稳-增-平”3种剖面类型[1]。

实际上 “直-增-稳”三段制的轨道只是 “直-增-稳-增-平”五段制轨道的一个简化版。从理论上说单圆弧的设计轨道更适合中曲率-小曲率半径的水平井,而双增五段制轨道更适合中曲率和长曲率半径的水平井[4]。因此如果采用单圆弧轨道设计方案,那么设计造斜率将会比双圆弧的造斜率降低,通过计算得出,使用三段制轨道的设计造斜率可以比双增的五段制轨道的设计造斜率低2～3°/30m,这样就防止了钻具下入过程中产生自锁的危险,同时可以避免为了提高造斜率全力使用动力钻具进行增斜造成井身质量较差等其他复杂情况。此外单圆弧的水平井一般设计的过程中采取的是复合曲率设计方法,就是在小于9°/30m的造斜范围内做微调,其轨迹较为平滑,摩阻、扭矩相对较小,保证钻井施工过程中顺利钻进。

3.2 水平井关键参数设计

1)靶前位移考虑因素。靶前位移、稳斜段长度是轨迹设计计算中优选的一项,需要综合考虑。由于区块油层普遍较浅,垂直空间量较小,且该地区大部分为广阔的平原,井口限制要求并不多,据此建议将靶前位移增加至250～300m,这样使得造斜过程中的主要任务即为以圆滑的井眼曲率增加至设计井斜,较长的靶前位移为后期微调方位留有调整余量,确保顺利进入靶区。

2)第一造斜点。造斜点依据油层垂直井深、水平位移和井眼曲率等参数确定,一般选在岩性比较稳定和可钻性适中的地层。为了在几何参数上做到优化,在表层套管鞋以下20m开始造斜,是为了有效利用垂直空间,为后期工作调整留有一定的余量。

3)造斜率选择。由于Sarykumak油田的Sary-6断块平均油藏埋深在325m,通过优化计算,对于该断块的单圆弧水平井的造斜率可控制为9°/30m,即可满足要求。但是,由于前期该地区没有钻过水平井,建议初期尽量采用略微大于9°/30m的造斜率,借助于随钻测斜数据迅速掌握该地区的实际造斜能力和设计造斜率的偏差,以便后期调整参数,有效控制水平井的井眼轨迹[2]。

4 井身结构设计

根据Sary-6断块Sary-601井、Sary-605井等已钻井资料,对该油田地层岩性及地层压力进行总结分析,Sary-6断块白垩系地层较薄,岩性以泥岩为主,顶部砂岩富集,夹薄层煤和泥灰岩;另根据Sary-6井及Sary-601井的压力测试资料统计分析,油藏属于正常压力系统。因此,方案部署井以二开次井身结构为主,表层套管封固白垩系上部的厚层砂岩和煤层。

表层套管推荐采用∅273.1mm,其主要原因是:首先为了保证大弯角的螺杆钻具顺利通行,其次较大的表套内径为后来采用高造斜率的井段钻进创造条件,起钻的时候留给横向 “钟摆”作用足够的空间,同时为了便于处理井下复杂情况和事故。

1)导管。通过前期钻井资料分析,上部地层松散,易垮塌,因此方案设计导管下至20m,封固松散浅表层,建立井口。

2)表层套管。一开用∅346.00mm钻头钻进,∅273.1mm的表层套管下至80m,封固白垩系及以上不稳定地层,为后期施工创造良好条件。

3)生产套管。二开用∅215.9mm钻头钻达设计井深。根据采油要求,水平段的后半部分采用裸眼滤砂管防砂完井,其余水平段部分采用∅139.7mm套管完井。

5 钻具组合优化

5.1 井钻具组合设计

水平井钻具组合设计的关键是:一方面保证钻具具有足够的强度,另一方面需考虑钻具具有一定的柔性,以满足在大曲率井段中的通行能力,同时保障钻具的造斜能力。

针对于单圆弧三段制轨道有2种钻具组合方案。方案1:215.9mm钻头+(1～1.25°)螺杆165mm+127mm无磁承压钻杆10～20m+127mm斜坡钻杆260m+127mm加重钻杆210m+127mm钻杆。方案2:215.9mm钻头+1.25°螺杆165mm+LWD或MWD+127mm无磁承压钻杆10～20m+ 127mm斜坡钻杆280m+127mm加重钻杆10m+165钻铤100m+127mm钻杆。

施工过程中可根据井下具体情况在钻具组合中加入随钻震击器,备用1.5°SBS165mm。

5.2 钻具组合优化分析

在对2种钻具组合方案进行比较分析之前作出如下2种假设:①钻铤位于造斜段内较小的井段以内(小于6°);②钻铤及以上钻柱没有出现阻卡等情况。

实际操作中看一下把加重钻杆替换成钻铤将会如何。首先钻铤的直径较大,在水平段钻进的过程中除了起到顺利加压的效果还起到一个扶正器的效果,这样加压效果会更好。应用钻铤的时候因为使用长度是加重钻杆的一半,这样以所有钻铤为一个控制体来看,这个控制体的质心下移了一半 (60～90m),加压作用点更接近钻头,加压效果理想;其次,起钻过程中,由于控制体的质心在下移,整体的钻铤这个控制体相当于一个大 “钟摆”,由于使用螺旋钻铤,小斜度段和大斜度段的过渡截面上重力产生的分量就大,由拉力和重力的合力在增大,这样起钻过程中较大的 “钟摆力”就会顺利地将水平段的钻具组合 “抽”出来,“刚柔”结合的钻具组合会大大降低过渡截面处紧靠上井壁的可能性,降低卡钻风险。

此外,结合当前油藏埋深,地层较软,导致井径扩大,从而降低了造斜工具的增斜能力,这就需要施加大于设计钻压数值钻压以保证稳定的造斜率,但是直井段较短,有限长度的钻杆和加重钻杆提供的钻压不够,这就需要更换钻铤来保证给钻头顺利加压。

综合以上分析,使用钻铤代替大部分加重钻杆的方案是比较理想的,同时由于推荐采用螺旋钻铤,其加工好的螺旋槽使得与井壁的接触面积会减少,保证顺利起钻并有利于钻井液携带岩屑,防止岩屑床产生,进而预防卡钻等复杂情况。

5.3 钻具组合受力分析

在水平井设计和施工过程中,预测和降低钻井摩阻和扭矩是其成功与否的关键。较高的井眼曲率会导致钻柱摩擦阻力增大,易发生屈曲变形,从而造成钻具疲劳破坏或井下复杂情况[3]。因此,需要对不同工况条件下的钻柱受力状态进行系统分析,以确保钻井施工安全。对造斜率为9°/30m的Sary-6井区的水平井sary-6-p1井的水平段钻具进行摩阻扭矩分析,以便为该断块后期钻井施工提供参考和指导。水平井段的钻具组合摩阻与侧向力分析如表2所示。

表2 各种工况分析数据表

根据2种不同的钻具组合在单圆弧的水平井轨道中的摩擦阻力和最大侧向力分析结果可以发现,使用钻铤的钻具组合均都小于加重钻杆钻具组合在单圆弧水平井中的摩擦力和最大侧向力。另外,通过软件分析,在其他不同的工况下采用螺旋钻铤的钻具组合都在不同程度上优于采用加重钻杆的钻具组合。

6 结论和建议

1)在地质部门允许的情况向尽量放宽水平井靶体的要求条件,在此情况下推荐采用较大的复合曲率的 “三段制”单圆弧水平井,优化进尺。

2)由于油层过浅,垂直井段较短,建议采用钻铤进行加压,降低加压控制体质心,使之更靠近钻头,提高钻压传递效率,减少起钻过程中的卡钻风险,保证钻井安全。

3)由于油层较浅,建议适当加大靶前位移,以便后期对井眼轨迹进行井斜和方位调整,用 “横向”的余量补充 “纵向”的不足。

4)针对水平井 “携岩”的难题,建议使用外表面带有螺旋凹槽的螺旋钻铤,这样有利于水平井携岩,防止尘沙卡钻。

5)由于在该区块没有水平井的钻井史和经验可以借鉴,建议第一次造斜造斜率略高于设计造斜率,放慢造斜速度,及时把握地区造斜能力以便精确控制后期钻井轨迹。

[1]杨衍云,邱秀坤,闫振来.水平井钻井技术难点与设计优化分析[J].石油钻采工艺,2008,42(3):21-23.

[2]庄宝堂,李黔,邓传光.中短半径水平井弯曲井段套管柱受力分析[J].钻采工艺,2006,29(5):80-81.

[3]伊明,刘晓兰,顾维亮,等.水平井大尺寸完井管柱下入摩阻计算探讨[J].新疆石油科技,2005,15(4):5-9.

[4]高德利,刘希圣,徐秉业.井眼轨迹控制[M].东营:石油大学出版社,1994.

[编辑] 李梦霞

TE243.1

A

1673-1409(2014)20-0048-03

2014-03-12

柳文启(1982-),男,工程师,现主要从事定向井钻井方面的研究工作。