蘇丹水平井鉆井技術(shù)研究論文
蘇丹1/2/4區(qū)水平井原設(shè)計(jì)二開準(zhǔn)311mm井眼在1050m左右造斜，鉆至1700m左右至著陸點(diǎn)(井斜在80°左右)，下技術(shù)套管，再水平鉆進(jìn)300～800m完鉆。這樣的設(shè)計(jì)存在如下問題：大井眼井段過長，施工后期泵壓高，安全隱患較大；設(shè)備負(fù)荷重，維修時(shí)間多；大井眼機(jī)械鉆速慢，影響鉆井周期。針對(duì)存在問題，對(duì)井身結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化：①以前設(shè)計(jì)造斜點(diǎn)有時(shí)會(huì)在Jimidi泥砂巖交互層，造斜效果差。根據(jù)地層實(shí)鉆資料及鄰井資料，將造斜點(diǎn)移至泥巖穩(wěn)定井段，提高了造斜效果。②技術(shù)套管從以前的1700m減少到1300m左右，在井斜60°前下入，減輕設(shè)備負(fù)荷，縮短了鉆井周期，降低了鉆井成本。③隨著老油區(qū)完鉆井的增加，防碰問題將越來越嚴(yán)重，但為了盡量避免繞障而帶來的施工難度，與地質(zhì)人員和甲方協(xié)商，在滿足地質(zhì)要求的情況下，調(diào)整了地質(zhì)靶點(diǎn)，避開障礙。
在水平段及大斜度井段，傳統(tǒng)的鉆柱結(jié)構(gòu)已不再適用[2]。采用帶欠尺寸扶正器的微增倒裝鉆具組合，將加重鉆桿放置在井斜和全角變化率較小的井段，這樣做減小了下部鉆具的剛性，有效傳遞鉆壓和扭矩；減輕了水平段和接近水平段鉆具向下井壁的壓力；避免了鉆桿臺(tái)肩吃入地層，摩擦阻力減小，避免了可能產(chǎn)生的卡鉆。井斜60°以后，使用加重鉆桿代替部分鉆鋌，簡化下部鉆具組合并降低了下部鉆具剛性，將加重鉆桿、震擊器等加在30°～60°井段，減輕下部鉆具重量，有利于鉆具彎曲，減小摩阻，使滑動(dòng)鉆進(jìn)加壓更順暢。確保井底獲得足夠的鉆壓，并減少黏卡的機(jī)會(huì)。鉆具組合為：準(zhǔn)127mm鉆頭＋準(zhǔn)127mm加重鉆桿×2柱+準(zhǔn)127mm鉆桿×5柱+震擊器+準(zhǔn)127mm鉆桿+準(zhǔn)127mm加重鉆桿9柱+準(zhǔn)127mm鉆桿。蘇丹老區(qū)塊內(nèi)水平井目的層厚度大多在1.5～3m，應(yīng)用LWD工具，將測得的數(shù)據(jù)與鄰井的電測數(shù)據(jù)對(duì)比，及時(shí)進(jìn)行判斷，可以實(shí)時(shí)指導(dǎo)鉆進(jìn)的方向。同時(shí)，采用近鉆頭測量工具，減少了儀器零長，測量數(shù)據(jù)更接近井底，減小了預(yù)測誤差和扭轉(zhuǎn)方位的次數(shù)，施工效率更高。下入的LWD測井儀器組合為：Pulser+PSA+SEA+GR+THE+CPR。在著陸層位YabusⅥ之前，Adar和Yabus兩層界面的測井曲線值有一明顯變化：上部泥巖為低電阻值(1～2Ωm)和小密度(2.35g/cm3)，而下部大段泥巖為高電阻值(10Ωm)和較大的`密度值(2.45g/cm3)，保證了準(zhǔn)確找到第一個(gè)主要標(biāo)志層。在著陸前15～20m左右時(shí)，根據(jù)深淺電阻率的相對(duì)變化值指導(dǎo)導(dǎo)向鉆進(jìn)，避免了在目標(biāo)層里進(jìn)行大的調(diào)整，保證了油層鉆遇率。
限制蘇丹水平井施工進(jìn)度的主要問題是定向造斜段機(jī)械鉆速低，平均機(jī)械鉆速在5m/h左右，嚴(yán)重制約了全井的施工進(jìn)度。影響施工進(jìn)度的主要問題集中在兩點(diǎn)：一是普通PDC鉆頭易憋鉆，托壓現(xiàn)象嚴(yán)重，機(jī)械鉆速低；二是使用普通PDC鉆頭造斜時(shí)，工具面不易控制，定向效果差。筆者優(yōu)選了長壽命的專用定向PDC鉆頭。蘇丹石油工業(yè)處于起步階段，能夠提供定向PDC鉆頭的供應(yīng)商只有SMITH、Varel、川克三家。通過對(duì)比分析，優(yōu)選了Varel公司VRP519GH鉆頭。該鉆頭扶正塊短，在切削齒后設(shè)計(jì)了支撐塊，不但能保護(hù)切削齒，延長鉆頭使用壽命，增加總進(jìn)尺，而且能將切削齒吃入深度限定在一個(gè)固定的數(shù)值，防止鉆頭扭矩因切削刃吃入量變動(dòng)而出現(xiàn)劇烈變化，工具面控制更容易。使用證明，VRP519GH鉆頭明顯減少定向時(shí)的托壓現(xiàn)象，工具面穩(wěn)定，定向造斜效果好。斜井段平均純鉆時(shí)間為74h，平均進(jìn)尺為838m，平均機(jī)械鉆速為11.32m/h，提速效果明顯。可減少起下鉆次數(shù)，提高鉆進(jìn)時(shí)效，達(dá)到優(yōu)快鉆井的目的。直井段和水平段內(nèi)的鉆頭采用現(xiàn)場鉆井資料選型法優(yōu)選鉆頭，該方法簡單實(shí)用，適合現(xiàn)場鉆井技術(shù)人員采用。首先對(duì)老井鉆頭使用指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，依據(jù)機(jī)械鉆速、進(jìn)尺、鉆頭壽命、使用井段等條件進(jìn)行綜合評(píng)定，去除機(jī)械鉆速在10m/h以下的鉆頭，初選出機(jī)械鉆速高、壽命長、耐磨損的PDC鉆頭。在3/7區(qū)，川克BD506鉆頭三開水平段機(jī)械鉆速達(dá)15.20m/h；在1/2/4區(qū)直井段和水平段，SmithM616LKBPX鉆頭機(jī)械鉆速達(dá)13.90m/h，均取得了預(yù)期效果。
在3/7區(qū)水平井施工初期，使用PDC鉆頭，在井斜超過75°滑動(dòng)鉆進(jìn)時(shí)扭矩變化大，影響LWD儀器傳輸信號(hào)，轉(zhuǎn)盤鉆進(jìn)時(shí)井斜下降嚴(yán)重。由于位移、摩阻較大，鉆具托壓嚴(yán)重，工具面很容易跳動(dòng)，難以控制。根據(jù)對(duì)地層情況和鉆進(jìn)情況分析，在3/7區(qū)改用牙輪鉆頭，克服摩阻扭矩大、托壓嚴(yán)重等難題，LWD信號(hào)比較穩(wěn)定，穩(wěn)斜效果好，水平段基本可以保證80%以上的旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，確保了巖屑的攜帶。在1/2/4區(qū)，通過多口井的試用，發(fā)現(xiàn)準(zhǔn)311mm井眼使用VAREL公司生產(chǎn)的定向PDC鉆頭，自造斜點(diǎn)至1900m使用效果較好；三開時(shí)使用Smith公司PDC鉆頭，也沒有出現(xiàn)嚴(yán)重托壓現(xiàn)象。在鉆進(jìn)方式上，由單一滑動(dòng)鉆進(jìn)或轉(zhuǎn)動(dòng)鉆進(jìn)變?yōu)榛瑒?dòng)與復(fù)合交替鉆進(jìn)，盡量多的采用轉(zhuǎn)盤鉆進(jìn)，保持井眼軌跡光滑。通過對(duì)鉆井參數(shù)的合理配置和螺桿鉆具的合理選擇，如使用高一級(jí)角度(+0.25°)的螺桿，可以更快地調(diào)整軌跡，也能更多地采用鉆盤鉆進(jìn)，整個(gè)井段旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)率達(dá)到70%，這對(duì)于井下安全、提高鉆井速度等都會(huì)有所幫助。
在3/7區(qū)的PP-27H井，使用了美國NOV公司生產(chǎn)的AGITATORTOOL水力震蕩器進(jìn)行加壓。使用井段為1320～1619m，鉆具組合如下：鉆頭+螺桿+扶正器+CPR+MWD+TRX+加重鉆桿1柱+鉆桿5柱+水力震蕩器+震擊器+鉆桿3柱+加重鉆桿9柱+鉆桿。使用效果見表1。由表1可以看出，使用震蕩器后，機(jī)械鉆速由原來的4.68m/h提高到10.26m/h，增幅達(dá)一倍以上。其產(chǎn)生的震動(dòng)不會(huì)對(duì)鉆頭或其他鉆具產(chǎn)生破壞，造成的壓力脈沖對(duì)絕大多數(shù)MWD信號(hào)沒有干擾。實(shí)踐證明，水力震蕩器產(chǎn)生的軸向振動(dòng)能有效減小鉆具與井壁間的摩擦力，減輕滑動(dòng)鉆進(jìn)時(shí)的摩阻托壓現(xiàn)象，大幅提高定向造斜速度。在長半徑水平井滑動(dòng)鉆進(jìn)時(shí)，對(duì)改善工具面的控制和增加機(jī)械鉆速效果十分顯著。
3/7區(qū)Palouge油田Aradieba地層(1277～2650m)為很厚的頁巖層，主要成分為伊利石和蒙脫石，裂縫發(fā)育，掉塊嚴(yán)重。1/2/4區(qū)Baraka-Ghazal、AbuGabra以及3/7區(qū)塊Adar地層主要為易水化、易造漿的泥巖與膠結(jié)性較差的砂巖互層；600～1900m的Aradieba組是造斜的主要層段，地層是以石英、蒙脫石及高嶺石為主的大段泥巖層，易吸水脫落，造成嚴(yán)重掉塊和垮塌，經(jīng)常出現(xiàn)大段劃眼和卡鉆等情況。各井段的鉆井液配方見表2。硅酸鹽與KCl配伍性較好，對(duì)填補(bǔ)微裂縫、穩(wěn)固泥巖效果很好。硅酸鹽屏蔽物能形成高效滲透膜，降低鉆井液中水的活度，誘發(fā)頁巖中的流體從頁巖中滲出到鉆井液中，從而達(dá)到抑制二開井段頁巖水化，改善頁巖穩(wěn)定性的目的。Drilling-in鉆井液體系，重點(diǎn)是降摩、防卡。摩阻扭矩對(duì)水平井施工具有重要的影響[3]。處理措施是：首先滿足地質(zhì)錄井低熒光鉆井液的要求，加大固、液態(tài)潤滑劑(RH2、RH3)用量，保證潤滑劑含量大于5%，具有良好的潤滑性；其次，加入XC調(diào)整流型，控制動(dòng)塑比大于0.7，保證攜砂；第三，在能夠穩(wěn)定井壁情況下，完井時(shí)鉆井液密度保持在1.18g/cm3即可；第四，充分利用固控設(shè)備，及時(shí)去除有害固相，保證固相含量盡可能低。通過現(xiàn)場應(yīng)用，具有強(qiáng)抑制性、強(qiáng)封堵性、流變性易控制的針對(duì)性鉆井液體系，成功解決了Aradie-ba和AbuGabra地層的井壁穩(wěn)定問題，造斜段的平均井徑擴(kuò)大率由原來的20%以上降至8%左右，滿足了低熒光要求和懸浮攜砂能力，有效降低了超長大水平段摩阻，保障了鉆井作業(yè)的順利實(shí)施。
自2010年1月開始，逐步在蘇丹市場推廣水平井優(yōu)快鉆井配套技術(shù)，近一年多來，共在兩個(gè)區(qū)塊20口水平井成功實(shí)施，取得理想效果。平均鉆井周期從2010年前的44d縮短至23.67d，縮短了46.2%；平均建井周期為36.42d，比設(shè)計(jì)周期提前5～14d；機(jī)械鉆速從原先的平均10.81m/h提高到目前的12.41m/h，提高了14.8%；事故和復(fù)雜現(xiàn)象由原來的3.7%降至1.8%。
通過實(shí)施一系列針對(duì)性的措施，全面提升了蘇丹水平井鉆井及完井質(zhì)量和速度，占據(jù)了海外市場優(yōu)勢(shì)，效益顯著。鉆頭優(yōu)選后，全面提升了鉆井速度，減少了井下復(fù)雜，為今后自主研發(fā)適應(yīng)蘇丹市場的鉆頭進(jìn)行了嘗試，取得寶貴經(jīng)驗(yàn)。KCl/硅酸鹽鉆井液體系、Drilling-in鉆井液體系有效保證了各項(xiàng)鉆井工序的順利實(shí)施，水平井施工中，在抑制頁巖坍塌、穩(wěn)定井壁、減少托壓等方面效果明顯。水力震蕩器的使用，可以解決長半徑水平井摩阻大、造斜慢、加壓困難的難題，建議做進(jìn)一步研究并力爭實(shí)現(xiàn)自主研發(fā)。
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