多分支井技術發展綜述

苑珊珊 劉啟國 熊景明

(1.西南石油大學油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室;2.川慶鉆探國際工程公司)

多分支井技術發展綜述

苑珊珊1劉啟國1熊景明2

(1.西南石油大學油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室;2.川慶鉆探國際工程公司)

多分支井技術是通過增大油氣藏的泄油面積來提高油氣井產量的一項鉆井完井新技術,是21世紀鉆井領域的重大技術之一。介紹了多分支井的類型、應用適宜條件以及鉆井方法和國際 TAML分級,指出了多分支井的技術關鍵。采用多分支井技術能夠提高單井產量、降低成本、提高油田的最終采收率及油田開發的綜合經濟效益。通過分析國內外多分支井技術的發展現狀,可以看出國內多分支井應用技術與世界先進水平相比仍然存在較大差距,但是具有廣闊的發展前景,是一項科技創新工程。

多分支井 鉆井工程 完井

1 引言

多分支井是指在1口主井眼的底部鉆出2口或多口進入油氣藏的分支井眼。主井眼可以是直井、定向斜井,也可以是水平井,分支井眼可以是定向斜井、水平井或波浪式分支井眼,可以在1個主井筒內開采多個油氣層,實現1井多靶和立體開采。多分支井既可從老井也可從新井再鉆幾個分支井筒或者再鉆水平井,所以原井再鉆已不再是老井的側鉆技術,在利用已有井眼增加目標靶位、擴大開發范圍的同時,還可充分利用油田已有管網、道路、井場、設施等,具有很高的經濟效益[1]。

多分支井技術對于油藏開發而言,有助于制定合理的開發方案,以較低的成本有效開發多產層的油藏;從鉆井角度看,各分支享有共同的井口及上部井段,因而可以大大降低鉆井成本,減少土地占用及有利于環境保護。多分支井技術除了降低總成本外,還能提高生產速度和最終采收率,改善油氣藏泄油方式和增加儲量,發展前景十分廣闊。

2 國內外多分支井技術現狀

多分支井的概念起源于20世紀30年代,而世界上首先開展多分支井技術研究的是20世紀50年代初期的蘇聯。第一批多分支井開始于前蘇聯的俄羅斯和烏克蘭地區,第二批多分支井于1968年開鉆于蘇聯的東西伯利亞地區。20世紀多分支井技術在俄羅斯、北海油田及北美得到廣泛應用,并逐步推廣到中東、南美、歐洲與亞洲[2]。

世界上第1口 TAML5級多分支井是Shell公司1998年在巴西近海Voador油田從半潛鉆井平臺上鉆的1口反向雙分支井,是1口注水井;1998年Shell公司在加利弗尼亞1口陸上井成功地安裝了1個6級完井的主分井筒連接部件,該井是Shell公司計劃在2001年開發高溫高壓油氣田使用TAML6級完井多分支井的技術準備[3,4]。至1998年全球約有1 000多口分支井,其中約一半是Shell公司鉆的,在中東、北美和歐洲北海應用較多。雖然在國外現場應用多分支井技術已經較為普遍,但是多分支井技術仍不十分完善,國外各大公司仍然把多分支井技術作為前沿課題進行攻關。

目前,我國的新疆、遼河、勝利、南海、四川等油田都先后鉆成了多分支井。南海西部公司1998年9月用修井機和老井側鉆技術鉆成了國內海洋第1口多底井[5],2個井筒用電潛泵合采,產量是斜井單井產量的3倍。新疆油田在1999年鉆了1口雙分支井。遼河油田2000年4月鉆成海14-20三分支井,是國內第1口自行設計、自行施工、具有自主知識產權的側鉆三分支井,完井技術等級為4級。2000年9月勝利油田在其先進的水平井技術的基礎上,自行設計和施工完成了該油田第1口雙分支水平井,完井技術等級為4級。2000年以來,魚骨狀分支井在國內的應用增長較快[6],2005年4月,大港油田成功地鉆成我國陸上油田第一口魚骨型水平多分支井J H2,填補了我國陸上油田魚骨型水平多分支井的空白。

3 多分支井的類型及適宜條件

目前所鉆的多分支井主要有兩種:①以某種類型分支井為完井目的的新鉆井;②從現有井中側鉆多分支井[7]。目前世界各國所鉆的多分支井主要有:反向雙分支井、疊加式雙或三水平分支井等10種類型。反向雙分支井,一個分支井眼下傾,另一個井眼上傾,并且井眼方向相反;疊加雙分支井,用于開采兩個不同產層或在一個低滲透阻擋層之上和之下采油;同層多分支井,在一個產層中從一個主井眼鉆數個分支井眼;多側向分支井,從處于一個水平面的一個水平井眼鉆數個分支井眼;帚狀多分支井,從一個水平井眼數個處于同一垂直面的多分支井。多分支井可以更多地暴露儲層和增加產量,在單一的儲層采用分支井能提高儲層的泄油效率。

多分支井主要應用于老井側鉆,以及開發因水錐等原因造成的死油區。這類分支井井眼較短,大部分是尾管和裸眼完井,一般為砂巖油藏。多分支井技術對于開發多個小塊狀或透鏡體油氣層、薄油氣層以及低壓低滲和高黏度稠油藏具有特別重要的意義,使許多在經濟開采限以下的儲量得以開發。

目前多分支井主要應用在下列油藏中:

◇小區塊或隔離區塊油層;

◇閣樓油的聚集區,石油儲存在油層中現有最高射孔位置之上,這時可直接在閣樓油的存儲位置流出點鉆分支井;

◇透鏡狀油藏,油層為條帶排列的透鏡體袋狀油藏,這種情況鉆多分支井能穿過多個透鏡體;

◇高定向滲透油藏;

◇垂直重疊的單個油層,油層在垂向上分隔;

◇需要優化壓力控制和波及效率高的油藏;

◇滲透率不同需要水驅的油藏;

◇有多組天然裂縫的油藏,假如油層有兩套天然裂縫,原水平井僅交叉其中一組,這時新的分支井橫穿另一組可更有效地開采油層;

◇未來開采的附加帶油藏;

◇在平衡的、產能不均勻的不同產層。

隨著多分支井技術的不斷完善及井下工具的不斷開發,多分支井幾乎可以用于開發所有的油氣藏。

4 多分支井的優越性

從國內外應用情況看,多分支井技術可以應用于石油天然氣資源,地熱、煤層氣資源和地下水等地下資源的開采?，F在較為普遍地應用于石油天然氣領域,它可以應用于多種油氣藏的經濟開采,能夠有效地開采稠油油藏、邊際油藏或中后期油藏、天然裂縫和致密油藏、斷塊油藏等。

實踐證明,多分支井可以提高單井產量、實現少井高產,有利于提高最終采收率,提高油氣井的效率。其優越性主要體現在:

◇增大井眼與油藏的接觸面積,提高泄油效率;

◇改善油藏動態流動剖面,降低錐進效應,提高重力泄油效果;

◇提高油氣層縱向動用程度;

◇提高裂縫油氣藏裂縫鉆遇率;

◇減少了設備搬遷、下套管和鉆井液費用;

◇大大減少無效井段,可增加油藏內所鉆的有效進尺與總鉆井進尺的比率,從而降低了鉆井總進尺數,降低了鉆井成本;

◇由于地面井口或海上井槽的減少,降低了相應的地面工程、油井管理費用和平臺的建造費用;

◇降低油井管理、環境保護等費用,提高經濟效益。

總之,多分支井技術可以較大幅度地降低油氣開發成本,充分挖掘油田生產能力,提高油氣開發的綜合經濟效益,是國內外大力開發和應用的一項低成本、高收益的鉆井新技術。因此,可認為多分支井開采技術將是油田開發的主要工藝技術之一,具有非常廣闊的應用前景。

5 多分支井的鉆井、完井技術

多分支井鉆井技術是在單一井眼里鉆出若干個支井,并且回到單個主井筒的鉆井新技術。隨著鉆井技術的發展,多分支井鉆井技術也在不斷地改進和創新。膨脹管定位多分支井鉆井技術、智能多分支井鉆井技術、魚骨型水平多分支井鉆井技術是近幾年涌現出的新技術。井下電視技術在多分支井完井中得到應用。在鉆井完井方法上,主要包括以下幾個部分。

5.1 鉆井技術

5.1.1 磨銑套管或開窗側鉆

這種方法對老油田的后期開發特別有效。一般采用兩種方法實現側鉆:磨銑一段套管打水泥塞,然后通過磨銑段定向造斜;下入造斜器,磨銑套管開窗,側鉆水平井。

5.1.2 徑向分支井方法

徑向分支井系統是一種集側鉆、完井于一體的多用途系統。利用它在主井眼和分支井眼鉆出后安裝回接完井管柱。

5.1.3 裸眼側鉆分支井

此方法一般是在新鉆的分支井上實施,在主井眼中下入技術套管并固井后,利用造斜和穩斜鉆具組合沿設計方向鉆第一翼分支井,然后在該水平段的某點井眼低邊側鉆第二翼分支井[8]。

5.1.4 膨脹管定位側鉆

膨脹管定位是我國的創新技術,它解決了用卡瓦定位所帶來的技術難題。膨脹管在井下形成了支井的永久定位,實現了對斜向器的可靠定位[9]。

5.1.5 智能分支井

由數家公司開發的集成鉆井系統 (IDS)和集成操作系統 (IDO)獲得成功,是鉆井及操作智能化的體現。智能井技術主要體現在:鉆井時,在油藏平面上安置傳感器和控制閥,達到一井多用,同采同注;可以通過地面遙控實現單井多層、多分支選擇性生產和注入,實時優化各層的流動,隨意封隔水氣層,防止串流;進行實時連續監測、采集和處理,并實時反饋井下數據、實時優化生產,最終達到優化油藏經營和生產管理、提高采收率的目的。

5.2 完井技術

1997年,世界主要石油公司和專業服務公司的分支井技術專家共同交流經驗,指定一個多分支井的分類體系,即 TAML(Technology Advancement Multi Laterals)分級。TAML是按多分支井的3個特性即連通性 (Connectivity)、隔離性(Isolation)、可達性 (Accessibility)來評價其技術和分級的。將多分支井完井方法分為 1～6S級[10],即:

(1)一級完井:主井眼和分支井眼都是裸眼,完井作業不對不同產層進行分隔,也不對層間壓差進行任何處理;

(2)二級完井:主井眼下套管并注水泥完井,分支井裸眼完井或只放篩管而不注水泥;

(3)三級完井:主井眼和分支井眼都下套管,主井眼注水泥而分支井眼不注水泥;

(4)四級完井:主井眼和分支井眼都在連結處下套管并注水泥;

(5)五級完井:具有三級和四級分支井連接技術的特點,還增加了可在分支井襯管和主套管連接處提供壓力密封的完井裝置,主井眼全部下套管且連接處是水力隔離;

(6)六級完井:連接處壓力整體性連接部壓力與井筒壓力一致,是一個整體性壓力,可通過下套管取得,而不依靠井下完井工具。

(7)6S級 (即六級完井的次級)完井:使用井下分流器或者地下井口裝置,基本上是1個地下雙套管頭井口,把一個大直徑主井眼分成2個等徑小尺寸的分支井筒。

6 多分支井的技術關鍵

多分支井的技術關鍵主要集中在分支井眼與主井眼的分支接口處,其技術水平主要體現在接口支撐、接口密封及支井重入三個方面。接口支撐是指各分支井眼的完井管柱都要和主井眼的套管相連接,其連接處要具有機械上的整體性,以解決井壁穩定和儲層出砂等問題。接口密封是指將各分支井眼不同壓力系統的油氣流分隔開,解決分采問題。支井重入是指各分支井都要與主井眼貫通,實現從主井眼向任一分支井眼重入,滿足采油和修井作業的要求。具體內容有:

(1)根據地質、油藏條件和擬用的采油方式,選擇TAML分級標準的某級并確定井身結構類型,設計主、分井筒井眼的結構及相應的完井方法,分支井的選擇取決于產層特征、開發目的、開采條件、產層厚度及巖性,以及產層上部是否存在需要的密閉層。分支井的井身剖面、分支長度和分支數目等取決于產層的非均質性、地層厚度、巖性、巖石硬度的分布、地層剖面穩定的程度等。選擇與設計分支井時應考慮工藝技術水平及多分支井采油、增產措施和修井等技術水平。

(2)多分支井完井工具及工藝技術研究。

(3)使用先進的多分支井開窗技術及軌跡控制技術。

(4)研制密封的、可封隔的、耐高溫的連接部件,研究窗口密封技術,研制井下專用工具和管件,研究完井測控安裝技術。

(5)研究多分支井能夠維護井壁穩定、保護油氣層及低摩擦阻力、強抑制、高攜屑能力、凈化井眼效果好的鉆完井技術。

(6)研究多分支井的固井、完井、采油、增產、修井等配套技術及專用軟、硬件的開發工作。

多分支井是用鉆井手段提高產量和采收率的新興技術,其技術難度較大,尤其是完井技術。因此,必須在跟蹤國外技術的同時,加大研究力度,要有所創新,盡快開發和完善該項技術。

7 結論與認識

(1)采用多分支井技術能夠提高單井產量、實現少井高產,有利于提高油田的最終采收率及油田開發的綜合經濟效益。

(2)多分支井是一項包括鉆井、完井、采油等多項工序的新技術體系,實施中必須統一規劃,配套進行。多分支井的技術難度很大,尤其是多分支井完井,可靠的井下系統工具是完井成功的關鍵。

(3)多分支井的未來發展方向是智能化、簡單化,6級分支井系統與智能完井技術相結合,將是油田綜合效益最大化的有力技術手段。

(4)綜合分析國內外多分支井技術發展狀況,可以看出國內多分支井應用規模及配套技術等與世界先進水平相比存在較大差距。因此,應盡快開展多分支井鉆井完井綜合配套工具的試驗研究,以促使我國盡早趕上國外多分支井技術水平。

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10.3969/j.issn.1002-641X.2010.12.013

2010-05-11)