蛇形井技術在Champion West油田的應用＊

張衛東吳彬彬李巖

(1.中國石油大學 (華東)石油工程學院;2.華北油田勘探開發研究院; 3.中國石油工程設計有限公司華北分公司)

蛇形井技術在Champion West油田的應用＊

張衛東1吳彬彬2李巖3

(1.中國石油大學 (華東)石油工程學院;2.華北油田勘探開發研究院; 3.中國石油工程設計有限公司華北分公司)

蛇形井技術是殼牌公司于2001年提出的一項復雜的鉆井技術。詳細敘述了蛇形井技術的由來、優勢及其存在的局限性和發展面臨的挑戰,并結合Champion West油田蛇形井技術的成功應用,介紹了成功實施蛇形井的一些關鍵過程。最后針對蛇形井技術的特點,說明了蛇形井適用的油藏特征,并根據我國薄層狀油藏的開采現狀,指出了蛇形井技術在這些油藏的適用性。

蛇形井 薄層狀儲層 技術應用 Champion West油田

在油價波動起伏的今天,在大部分易采大塊油藏已到開發后期的背景下,人們開始關注地質條件更為復雜的儲層,其中薄層狀油藏就是這一類。之前針對薄層狀油藏采用的鉆井技術主要有水平井技術、多分支井技術等。但由于Champion West油田復雜的儲層構造條件,這些技術都不適用,直到殼牌公司提出了蛇形井技術,才使得該油田的開發步入正軌。

1 蛇形井技術

蛇形井可以定義為[1]:像正弦曲線形狀,水平地穿過儲層內的頁巖和砂巖層 (圖1)。蛇形井應滿足以下兩個條件:

(1)通過一個單井眼能夠在一個層狀油藏的任一砂巖層有多于三個的排油點。

(2)利用割縫襯管、封隔器和分隔控制閥(ICV)等完井,實現井眼的清潔、含水層的分隔和油井生命周期內 (水突破前)更好的油藏管理。

蛇形井技術是由文萊殼牌石油公司 (BSP)于2001年提出的,第一口蛇形井于2003年在BSP的Iron Duke油田鉆成。目前世界上鉆成的最長、最具挑戰性的蛇形井是位于Champion West油田的CW-31井。

由于Champion West油田儲層埋藏在海床以下深達2 mile(1 mile=1.609 km),而且分散成上百個小油藏,鉆井開發成本太昂貴。該油田的儲層是薄層狀的,分層化現象非常明顯。對于層狀儲層的開采,該油田采用的是常規方法。最簡單的方法是鉆一口垂直井,Champion West油田的第一口井就是垂直井。這種井的采收率很低 (而且需要注入大量的驅替液),很容易引發氣錐或水錐現象。相對于垂直井而言,斜井有更好的驅替效率,但仍然需要注入大量的驅替液,因此開發成本很高。在Champion West油田有很多口斜井開發井,但它們在每個砂巖層仍然只能提供一個排油點。多分支井能夠增加排油點的數量,但由于該油田復雜的地質構造特征,多分支井不僅在技術上實施困難,經濟上也花費巨大。

圖1 蛇形井示意圖

Champion West油田發現后,由于沒有找到合適的開采方法,幾乎30年的時間沒有進行開發,直到殼牌公司提出了蛇形井技術[2]。蛇形井技術使得井眼像蛇前行一樣鉆過儲層,能夠在每個砂巖層段產生多個排油點,實現跟多分支井相似的排油模式,但花費和復雜程度卻低于多分支井。

蛇形井能夠提供儲層更多的排油點,從而增加了排油面積,與至少3～4口短水平井和3～5口常規井的排油效果相當,提高了油田的最終采收率。從單位技術成本、采收率等方面考慮,蛇形井技術比多分支井技術更為可行。

蛇形井技術也存在很大的風險性,特別是當水平部分 (蛇形段)很長 (如超過1000 m)時,會存在下面一些問題[3-4]:

(1)水平井段的趾端采收率很低。油田經驗表明,清洗長的水平井眼段非常困難,分布式溫度測量 (DTS)數據表明,通常不能對超過1 000 m的水平段成功進行井眼清洗作業,井趾端的流動性會變得很差。

(2)水平井段的跟端很早出現水/氣侵入。生產期間,井跟端的壓降要大于井趾端,因此井跟端有過早水/氣侵入的風險,這會嚴重影響最終采收率。

(3)鉆進過程中意外鉆出靶區。在含油砂巖層,常常有很多的地質不確定性。鉆進過程中,由于地質、勘探的不確定性造成的意外鉆出靶區,可能導致井眼進入鄰近的含水層。這會導致提前產水,降低產油量,很可能影響井的最終采收率。

(4)實時解釋時,彎轉段和不確定的測井數據容易造成地層缺失的風險。

(5)水平段井眼的損傷和過度沖洗等。

2 蛇形井的實施

Champion West油田 (以下簡稱 CW油田)位于距文萊大約 90 km的海上,在冠主油田(Champion Main Oilfield)北偏西北7 km,鐵公爵油田東北 10 km處。儲層埋藏深度 2 000～4 000 m,油藏壓力范圍為20～60 MPa,溫度為80～120℃。它是文萊主要的油田之一,約占文萊石油儲量的40%。

CW油田由許多分層嚴重的層狀油藏組成,含油的流體不穩定,并有很多狹長的斷層帶,油帶很薄,分格化現象嚴重,由1000多個垂向分層的小油藏組成。由于儲層垂直方向自然堆疊,而且構造傾斜,在開發初期設計師就認為需要一種跟常規井有本質區別的設計。由于層狀儲層數量眾多,從花費和復雜性考慮,多分支井不是一種最佳的選擇。也考慮過常規的水平井,但如果要開采所有的主要砂巖層,則需要數量眾多的井,這也不是一個最佳的選擇。

CW油田儲層構造的復雜性需要尋找一種新的鉆井方法,能夠開采所有的儲層。答案就是像蛇前進一樣鉆過各水平儲層段,穿過一層層含油層,并通過智能井將井分成許多獨立的區間,每個區間都能實現各自的遠程壓力、溫度測量和流量控制。每個單獨的區間由單獨的ICV控制,并根據預定生產參數對這些控制閥進行遠程控制。

2.1 井眼軌跡和狗腿度控制

由于需要重復鉆過同一含油層,而且要避免井眼進入鄰近的含水層,因此鉆井過程中的井眼軌跡和狗腿度控制非常重要。

CW油田第三階段開發井的地層壓力大部分都是剛剛超過靜水壓力,因此鉆井液的最大密度為1.33 g/cm3或關井套管頭壓力為0.5 MPa。這些井的套管設計比較簡單,將(1 in=25.4 mm)套管鞋以90°傾角置于靶區即可。

由于儲層的砂巖層壓實良好,不需要防砂設備。因此,事先將一個鉆前7 in襯管下入井中,保持一個良好的通道,以方便之后的智能完井。在需要的井段,可以下入空管,結合管外膨脹式封隔器,可以實現層位分隔,方便油藏管理。

為了能夠在預定井眼長度內達到計劃的井眼彎轉,井眼軌跡設計得越平滑越好。套管鞋要安置在一個特殊的方向,從而能夠在水平儲層段內鉆出預定的拐點。拐點位置的確定要使儲層構造內排油點數量最大化。軌道的狗腿度要控制在1°/10 m內,避免摩阻扭矩的增加。

當摩阻扭矩值接近于鉆桿的最大扭矩承受能力時,意味著拐點的數量達到了最大值。經驗表明,井眼長度受限于水平層段的拐點數量。圖2表示了CW-31井的井眼軌跡和拐點數量。

圖2 CW-31井軌跡平面圖及拐點

可以實時評價井眼軌道,并在鉆進過程中作出一些修改。地質學家可以根據由鉆頭上安置的伽馬射線測井儀得到的LWD數據,快速作出決策。

2.2 鉆井液系統

由于分離井口系統的最大井眼內徑為14.495 in,井眼的一開部分由8?2in定向鉆頭鉆成,使用1.15°彎外殼鉆井液電動機達到定向目的。之后利用偏心擴眼器將定向井眼擴眼至16 in。16 in井眼部分存在的問題不是很多,除了在一些井的淺層出現嚴重的泥包現象,用稀釋和泵入液體的方法來處理這些泥包現象。

2.3 鉆硬地層井底鉆具組合的選擇

鉆進時經常會遇到硬地層帶。一旦遇到鉆速突然下降,就要降低流量以免沖垮硬地層帶周圍的地層。為了保持鉆壓,需要降低轉速。

一旦鉆頭完全進入到堅硬地層中,鉆壓就會上升,這時要保持轉速和鉆井液的流量。當鉆頭鉆出硬地層帶時,鉆速將會增加,同時可能會出現其他鉆井參數的波動。當允許鉆壓加大到一定程度時,流量要保持較低的水平,以免沖垮硬地層下的地層。一旦鉆頭完全鉆出硬地層,需要重新調整參數。然而,由于側向振動和鉆速的突然增加,鉆出硬地層有時比鉆入更為復雜。這些影響可能會造成井眼臺階狀,因為鉆頭可能會懸在這些臺階上,破壞了井眼形狀,而鉆頭的一部分仍然在鉆堅硬地層。

通常會通過一到兩次的起下鉆鉆完12?4in套管段。選擇了七刃長鉆頭來鉆這些延長段。一項將16 mm和13 mm刀刃結合的新技術延長了鉆頭壽命,減少了起下鉆時間。

設備中附加的旋轉擴眼器和振動短節極大地減少了振動和橫向沖擊。

8?2in段使用了刃長13 mm的七刃鉆頭。設計減少了卡鉆事故,使一次起下鉆完鉆的井眼更長,而且更好地保護了鉆頭。相對于高效鉆頭,選用了長而平面光滑的鉆頭。井眼最后井段的鉆頭選擇要考慮的因素:軸向和徑向上的低振動;刀片的使用壽命;合理的鉆速;一次起下鉆鉆完該段。

2.4 井眼清洗和擴眼

對于大位移井來說,井眼的清洗工作很重要,蛇形井中尤其如此。在CW油田的蛇形井中,最難清洗的一段是8?2in套管段部分。這些層段是用旋轉導向系統結合擴眼器完成的,井眼被擴至9 in。CW油田中優先使用的擴眼器是水力驅動的,帶有一個方便收回的落球系統。

在將井眼由8?2in擴至9 in的同時,要達到下面的目的:設備能夠返回;流量增大時,當量循環密度要降低;在不需要達到層間分隔目的的完井作業中,可以使用帶有膨脹式封隔器的7 in割縫襯管。

蛇形井采取智能完井的一個最初目的也是為了能夠對長水平段進行高效的清洗工作。當開始清洗工作時,將第一個ICV(位于水平井跟端)打開,然后開始清洗這一段。幾小時之后,第一段關閉,打開第二個ICV進行第二段的清洗工作,如此進行下去。DTS信號可以保證沿井眼進行合理的清洗。智能完井保證了長達4 000 m的水平段的清洗,從而保證了流體的流動。圖3是未來水平井段巖屑排出的一幅想象圖。

圖3 傳送帶清洗水平段井眼巖屑概念圖[5]

2.5 完井

CW油田第三開發階段的井都采取了智能完井。典型的智能完井裝備有流量控制閥、永久性井下壓力/溫度測量計 (PDHG)和DTS。之前曾經使用了可以從陸上或現場進行控制的水力式流量控制閥;最近安置的流量控制閥包括一種多方位式閥門,可以實現各分隔區的壓力平衡。最早的DTS系統同時包括單向和雙向光纖電纜,然而最近的DTS系統使用的是預先安裝的光纖。這些光纖是隨著完井管柱進入井內的,這樣當完井作業完成后,就不需要額外的光纖放入作業。圖4是CW油田典型的蛇形井智能完井簡圖。

圖4 CW油田蛇形井智能完井簡圖

安置智能完井中復雜的儀器要花費很長的時間,有時對于一些很復雜的設計甚至要花上幾天的時間。同時需要高精度的摩阻扭矩模型模擬,以保證能夠一次性將智能完井裝置下入井底。由于需要一次性進行成功的完井作業,需要事先將一段鉆前襯管下入井眼內,以確定井眼的通暢;并需要在正式完井作業前進行摩阻模擬。在鉆前襯管的下入過程中,將降阻劑加入到完井液中,以使摩阻系數達到可接受的程度。

最初完井時要刺穿用來提供層間隔離的密封環。然而,為了避免刺穿這些密封環時造成油管彎曲,隨著完井長度的增加,使用了膨脹式密封設備。這大大減少了完井耗費時間,降低了完井所需的空間要求。

用來監測沿油管溫度分布的DTS,在壓力測試中或是使用環形氣舉系統的開井階段能夠確定氣舉閥泄漏的位置。泄漏點對應的溫度分布線會出現偏移,因此可以精確地確定氣舉閥泄漏的位置。由于最多可以在這些完井中安裝13個氣舉閥,DTS提供的這種信息大大減少了故障排除時間。

3 蛇形井技術成功的關鍵

從冠西方油田蛇形井的實施來看,成功的關鍵因素有:

◇利用最新技術進行定向控制與測量;

◇在保持小的狗腿度條件下,按預定軌跡完鉆;

◇記錄所有鉆進參數,在扭矩/阻力等模型中進行模擬;

◇鉆某一層段時,保持鉆井液密度和組分的恒定;

◇嚴格按計劃、步驟對井眼進行清洗,不能走捷徑;

◇使用實時LWD數據,減少由于地質不確定性等因素引起的風險;

◇進行多學科討論,如鉆井、完井、油藏工程等不同技術領域內的交流。

4 蛇形井技術的適用性

當今我國油氣資源整裝大油田越來越少,剩余油資源的品質越來越差,我國已開發數十年的玉門、大慶、勝利、中原、四川、延長、新疆等老油田中夾層、薄油層、低壓低滲透低產儲層、難產儲層、非均質儲層越來越多,鉆井施工難度大、速度慢、周期長、成本高、單井產量低,成為制約老油田開發的瓶頸。

目前針對中夾層、薄油層的開發,采用的鉆井手段主要有水平井鉆井技術、階梯水平鉆井技術、地質導向鉆井技術等。階梯水平井在大慶外圍油藏的開采中扮演了重要角色,自2003年以來,在肇州油田先后完成了26口階梯水平井[6]。西部塔河油田部分低幅圈閉具有油層薄、夾層多、儲層縱橫向上非均質性嚴重、底水極易鉆進、油藏開發效果差的特點,地質導向技術在其開采中起到了非常大的作用[7]。

對比水平鉆井技術、階梯水平井技術、導向鉆井技術等,蛇形井技術可以看作是這些技術的一種綜合。由于我國各大油田均存在不同程度的油層非均質性,而且某些油田的儲層分層化現象比較嚴重,對比CW油田,理論上而言蛇形井技術可以應用于我國薄層狀油藏的開發。

5 結束語

蛇形井技術在CW油田的成功應用,表明了其在開發薄層狀、復雜構造油藏方面的優勢。目前我國在水平鉆井等單項技術的應用發展快速,但對復雜的蛇形井卻缺少研究。我國的科研院所、石油公司應該在發展目前技術的基礎上,與殼牌公司進行交流與合作,實現技術的合作、引進,并最終達到自主創新。

[1]Aidiradiman Haji Johan,Kirby Schrader.Combination of snake well design &smart Completions:key enablers for Champion West development[C].the SPE Asia Pacific Oil and Gas Conference and Exhibition, Perth,Australia,18-20 October,2004.

[2]鄒平.殼牌推廣文萊油田蛇形井成功開發經驗[J].國外測井技術,2007,22(4):77.

[3]Obendrauf W,Schrader K,Al-Farsi N.Smartsnake wells in Champion West—expected and unexpected benefits from smart completions[C].SPE Asia Pacific Oil&Gas Conference and Exhibition,Adelaide,Australia.11-13 September,2006.

[4]Bacarreza L,Hornabrook C,Chong Chuan Khoo,et al. The snaking wells in Champion West,offshore Brunei.bestPractices forERD Well Construction[C]. IADC/SPE Asia Pacific Drilling Technology Conference and Exhibition.Jakarta,Indonesia.25-27 August, 2008.

[5]Peter Bakker,etc.Appraisal and development of thin oil rims using the smart field approach,An example from Champion West,Brunei[C].the 2009 SPE Asia Pacific Oil and Gas Conference and Exhibition.Jakarta,Indonesia.4-6 August,2009.

[6]鄒野,何俊才,閆玉良.薄層階梯水平井鉆井技術[C].中國石油天然氣集團公司水平井技術交流及工作部署會議,2005.

[7]周明才.地質導向鉆井破解薄層勘探開發難題[J].國外測井技術.2007,22(6):76-77.

10.3969/j.issn.1002-641X.2010.10.008

2009-01-19)

中國石油華北油田分公司2007年院所合作科技項目“勘探開發前緣技術研究”(編號:HBYT-Y J Y-2008-JS-6)部分內容。