井眼清洗最優(yōu)化方法研究

編譯:徐海樂 (勝利油田勝利采油廠)

審校:羅云鳳 (中國石油大學(xué) (華東)石油工程學(xué)院)

井眼清洗最優(yōu)化方法研究

編譯:徐海樂 (勝利油田勝利采油廠)

審校:羅云鳳 (中國石油大學(xué) (華東)石油工程學(xué)院)

在完成一口新井時(shí),井眼清洗是一個(gè)關(guān)鍵的步驟。井眼不能夠充分清洗會(huì)導(dǎo)致在完井過程中產(chǎn)生大量困難,并增加額外的費(fèi)用。反之,為確保成功而使井眼過分清洗也會(huì)導(dǎo)致額外風(fēng)險(xiǎn)并增加某些不必要的費(fèi)用。本文對(duì)北海油藏在英國和挪威大范圍區(qū)域內(nèi)的井眼清洗操作進(jìn)行了研究,以縮短制定最優(yōu)方法和實(shí)施準(zhǔn)則所需要的時(shí)間。該研究提出了一種對(duì)所有地區(qū)井都普遍適用的井眼清洗操作方法。從2002—2004年間完井的19口淺海井的鉆井報(bào)告中分析得出,井眼清洗所花費(fèi)的時(shí)間大致在如下階段:①運(yùn)行工具;②化學(xué)劑清洗/驅(qū)替;③凹坑清理;④等待設(shè)備;⑤等待天氣好轉(zhuǎn);⑥壓力測(cè)試;⑦凹坑是否清洗干凈;⑧安全事宜;⑨等待許可。這些分析結(jié)果可以對(duì)井眼清洗時(shí)間長(zhǎng)的原因進(jìn)行更好的認(rèn)識(shí)。可以盡量在以下幾方面減少時(shí)間:①清洗設(shè)備失效;②過分復(fù)雜的工具串;③過多的工具串造成卡鉆;④鉆井裝置故障;⑤送往海上的工具不完善;⑥由于井眼過濾器被泥漿或巖屑填滿,需要用化學(xué)劑進(jìn)行重復(fù)的清洗;⑦等待凹坑清理所耽誤的時(shí)間;⑧從其他井中學(xué)不到的經(jīng)驗(yàn)。作業(yè)者對(duì)上述和其他一些原因進(jìn)行了研究和探討,并結(jié)合其他油井良好的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),制定出一套最優(yōu)化的實(shí)施準(zhǔn)則。

井眼清洗 最優(yōu)化方法 標(biāo)準(zhǔn)

10.3969/j.issn.1002-641X.2010.8.003

1 研究背景

泰利斯曼 (Talisman)能源公司是北海區(qū)域在英國部分的最大的油氣運(yùn)營商之一。在進(jìn)行這一研究的過程中,泰利斯曼公司對(duì)其在英國和挪威的大部分井都進(jìn)行了作業(yè),包括海上平臺(tái)、浮式采油系統(tǒng)和很多海底建設(shè)等。泰利斯曼公司是從其他運(yùn)營商那獲得的井,這些井有正規(guī)固定的員工,并在一定程度上采用了先前操作經(jīng)營者的一些實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。因此,在這樣的情況下,不同的工作人員和不同的油井就會(huì)有不同的“最佳實(shí)踐”方法。除此之外,各井審閱的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)也不同,所以該研究的目的就是要將井眼清洗的最優(yōu)方法擴(kuò)展為一個(gè)對(duì)所有油井和作業(yè)操作都普遍適用的方法。

1.1 最優(yōu)化準(zhǔn)則的優(yōu)點(diǎn)

◇對(duì)所有油井提供統(tǒng)一的方法;

◇不斷收集現(xiàn)場(chǎng)井得到的經(jīng)驗(yàn)以進(jìn)行持續(xù)的改進(jìn);

◇經(jīng)驗(yàn)不高的工程師就能操作的自動(dòng)智能數(shù)據(jù)系統(tǒng);

◇在經(jīng)過連貫一致的最優(yōu)實(shí)踐后,井眼清洗的總體時(shí)間有所減少;

◇減少時(shí)間=減少費(fèi)用。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)

由于自動(dòng)智能數(shù)據(jù)系統(tǒng)的不斷改進(jìn),泰利斯曼公司聯(lián)合北海其他的運(yùn)營商共同建立了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫。2002年的報(bào)告顯示,在進(jìn)行井眼清洗的地區(qū),泰利斯曼公司比其他公司要用更長(zhǎng)的時(shí)間來完成這一任務(wù) (圖1)。結(jié)果帶來的問題是:“如何才能在沒有其他妥協(xié)行為的情況下來減少井眼清洗的時(shí)間?”2003年的數(shù)據(jù)顯示,泰利斯曼公司的工作有了很大的進(jìn)步,從2002年的平均8天減少到2003年的平均3.5天 (圖2)。對(duì)于這一更接近于標(biāo)準(zhǔn)方法的改進(jìn),沒有明顯的原因。

圖12002標(biāo)準(zhǔn)

當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)可用來辨別大部分地區(qū)的好/壞特性時(shí),它卻不能表明和反映出井的真實(shí)特性。這是因?yàn)樵摌?biāo)準(zhǔn)是建立在所花費(fèi)的總體時(shí)間的基礎(chǔ)上的,從清潔管柱上提時(shí)間開始一直到把井移交給生產(chǎn)部門時(shí)為止。此時(shí),影響時(shí)間的不同因素并沒有指明出來,并且不同的井類型、檔案資料及設(shè)計(jì)等都沒有考慮進(jìn)去。

2 泰利斯曼研究

為了適當(dāng)?shù)亓私馇鍧嵕鬯ㄙM(fèi)的時(shí)間,對(duì)每日鉆井報(bào)告進(jìn)行了分析,結(jié)果表明,花費(fèi)的時(shí)間可以分為以下幾個(gè)部分:

(1)運(yùn)行工具,當(dāng)設(shè)備運(yùn)行時(shí),工具串進(jìn)入和提出井眼所花費(fèi)的時(shí)間,也包括工具在地面的組裝和拆卸時(shí)間。

(2)化學(xué)劑清洗/驅(qū)替,循環(huán)化學(xué)劑清洗井眼直到水清潔度達(dá)到要求時(shí)所用的時(shí)間。

(3)等待設(shè)備,設(shè)備原因可能導(dǎo)致的非生產(chǎn)時(shí)間,該時(shí)間可能由某一特定物品與預(yù)定物品不一致或者是物品運(yùn)往平臺(tái)需要等待一段時(shí)間而造成。

(4)等待天氣好轉(zhuǎn),由于天氣原因?qū)е碌姆巧a(chǎn)時(shí)間。

(5)壓力測(cè)試,實(shí)施壓力測(cè)試的時(shí)間。

(6)非清洗作業(yè),進(jìn)行井眼非清洗作業(yè)時(shí)需要花費(fèi)的時(shí)間。

(7)安全事宜,由于相關(guān)的安全事宜需要花費(fèi)的時(shí)間,包括安全會(huì)議等暫停生產(chǎn)的時(shí)間。

(8)凹坑清理,耽誤總體作業(yè)進(jìn)度時(shí)進(jìn)行凹坑清理需要花費(fèi)的時(shí)間。

(9)等待許可,等待許可證認(rèn)可需要花費(fèi)的時(shí)間 (研究發(fā)現(xiàn)它并不是主要影響因素)。

3 研究結(jié)果

對(duì)每日鉆井報(bào)告中提供的各組成部分的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析 (圖3、圖4)可知,壓力測(cè)試、等待天氣好轉(zhuǎn)、等待許可和設(shè)備等因素是次要影響因素,并沒有對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的研究。花費(fèi)時(shí)間越多的地方則伴隨著更多的細(xì)節(jié)。

圖4 所有項(xiàng)目所花的平均時(shí)間

3.1 運(yùn)行工具

運(yùn)行工具串的時(shí)間占所有項(xiàng)目所用總時(shí)間的54%,它由實(shí)際耗費(fèi)的旋轉(zhuǎn)鉆桿的時(shí)間來確定,無論如何都要進(jìn)行一定程度的修改。

通過觀察可以得到有關(guān)的扭矩問題,刮泥器、刷子、井眼穩(wěn)定器、過濾器和攪拌器等都會(huì)增大所需的扭矩。用結(jié)構(gòu)復(fù)雜的工具串清洗井眼會(huì)導(dǎo)致鉆井過程中發(fā)生卡鉆的危險(xiǎn)。2口井在16975 ft(1 ft=30.48 cm)和19828 ft深度時(shí)不得不放棄清洗,由于扭矩限制工具不能夠穿過去。在這兩種情況中,刮泥器都是在封隔器坐封深度以下的襯筒中運(yùn)行,這沒有必要并且會(huì)導(dǎo)致所需扭矩的增大。

夾在鉆桿上的工具有收集鉆桿和鉆具之間的油基泥漿的能力,由于要清理管子里的泥漿,這就明顯增加了鉆桿起出井眼的時(shí)間。

一些工具會(huì)發(fā)生損傷,如井眼過濾器和多功能循環(huán)工具都發(fā)生過損壞。鉆井裝置的故障會(huì)導(dǎo)致一些時(shí)間的延誤 (如升降機(jī)被卡住等情況)。

還有一種時(shí)間延誤是缺少工具接頭造成的。井眼過濾器是常用設(shè)備。作業(yè)時(shí)過濾器的槽是滿的,所以要重復(fù)進(jìn)行清洗操作。

在部分水力噴射井中,防噴器組通常使用大型捕集器來收集巖屑,其他一些井則使用高黏段塞來捕獲巖屑并通過流體循環(huán)排出井外。

3.2 化學(xué)劑清洗

通常使用化學(xué)劑進(jìn)行清洗作業(yè)并不會(huì)帶來什么問題,然而,由于要在地表進(jìn)行清洗程度的測(cè)量,這樣有可能使測(cè)得的結(jié)果不能完全反映井眼實(shí)際的清洗情況。在一些井中,井眼過濾器可以回收泥漿和巖屑,而在另一些井中過濾器則是干凈的。

對(duì)于水中固相含量為0.2%、0.1%和0.05%的不同井,它們的清洗程度要求也是不同的。

從采用化學(xué)劑進(jìn)行試驗(yàn)的井中可以明顯看出,所用清洗的時(shí)間減少,據(jù)此可以辨別出最有效的化學(xué)產(chǎn)品。

3.3 凹坑清理

凹坑清理比其他項(xiàng)目所要花的時(shí)間更多。一些平臺(tái)和移動(dòng)鉆井隊(duì)都設(shè)法在不耽誤作業(yè)時(shí)間的情況下來進(jìn)行凹坑清理,而其他的井隊(duì)則需要花費(fèi)更多的時(shí)間。對(duì)于不同的井,凹坑的清理都是不同的。

3.4 非清洗作業(yè)

在工具運(yùn)轉(zhuǎn)之后,以下工況有助于進(jìn)行清洗作業(yè)時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量,例如:

◇安裝橋塞;

◇安裝塞子并上提出防噴器組;

◇使用采油樹,在“清洗時(shí)間”中期運(yùn)行防噴器組或安裝油管頭;

◇進(jìn)行電纜水泥膠結(jié)測(cè)井;

◇使用內(nèi)徑規(guī)和打撈籃。

3.5 安全事宜

由于落物召開的安全調(diào)查會(huì)使作業(yè)暫停5天。

3.6 節(jié)省時(shí)間的主要方面

能夠最大限度節(jié)省時(shí)間的方面有:

◇運(yùn)行工具——節(jié)省時(shí)間的最主要方面,簡(jiǎn)潔的工具串能夠確保較好的清洗。

◇凹坑清理——如果把它從關(guān)鍵通路中排除,那么就能節(jié)省總時(shí)間的11%。

◇化學(xué)劑清洗——改用不同的化學(xué)劑產(chǎn)品可以節(jié)省一些時(shí)間。

4 最優(yōu)方法指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)的制定

4.1 井眼清洗的目標(biāo)

對(duì)于不同的井,清洗的目標(biāo)也是不同的。但是主要目標(biāo)可定義為以下幾個(gè)方面。

4.1.1 工具串清洗

◇為套管或者是襯筒壁做準(zhǔn)備。確定生產(chǎn)封隔器/環(huán)空安全閥封隔器的坐封深度,以保證能提供適合的地區(qū)/地面來進(jìn)行安裝。

◇襯筒上部安裝的拋光座圈可以使完井尾管或相關(guān)設(shè)備順利通過,如果需要的話,還可以在套管上安裝回接襯筒頂部封隔器。

◇清洗由下套管/襯筒作業(yè)所帶來的固體顆粒和殘余泥漿。

◇利用通井來確保有足夠的清潔度以進(jìn)行完井作業(yè)。

◇使用最優(yōu)循環(huán)速度將固體顆粒攜帶出井眼,并將其有效移出。

◇及時(shí)補(bǔ)償井眼中大量的漏失,否則會(huì)阻礙完井或者隨后其他相關(guān)操作的進(jìn)行。

4.1.2 化學(xué)劑 /段塞 /驅(qū)替清洗

◇將井底殘余固體顆粒清理到限制范圍內(nèi),這有利于完井作業(yè)并能將地層傷害降到最低。

◇清除殘余的螺紋油 (管子外壁涂料)。

◇清洗殘余的泥漿并清洗套管/襯筒,使其表面由油濕轉(zhuǎn)換為水濕。

◇用完井液驅(qū)替泥漿 (或者用中間驅(qū)替液)。◇遵守國外現(xiàn)行的排放法規(guī)。

4.2 清洗規(guī)范

對(duì)于所有井的清洗要求都規(guī)定地面固體含量要少于0.1%。這是個(gè)可變的規(guī)定值,作業(yè)者可以根據(jù)規(guī)定的井眼清潔度的不同而增加或是減少這一規(guī)定值。

規(guī)范同時(shí)指出,在有良好指示劑的情況下也不能完全確保對(duì)井眼進(jìn)行成功的清潔。環(huán)空速度的不足、套管運(yùn)動(dòng)的缺乏或者是化學(xué)清洗劑的不足都會(huì)在井眼中留下巖屑,而地面取樣并不能真實(shí)反映出這一情況。

4.3 設(shè)計(jì)

對(duì)設(shè)計(jì)過程也進(jìn)行了討論,并用一個(gè)流程圖來描述這一過程 (圖5)。

4.4 扭矩和摩阻模型

在設(shè)計(jì)復(fù)雜井的軌跡方案時(shí),要考慮使用扭矩和摩阻模型 (簡(jiǎn)稱拉扭模型)作為限制因素。達(dá)到或超過最大扭矩可能導(dǎo)致清洗的異常結(jié)束,并造成時(shí)間的極大浪費(fèi)。管子旋轉(zhuǎn)能夠提高清洗作業(yè)的效果,所以在設(shè)計(jì)工具串的時(shí)候要盡可能地允許管子在整個(gè)作業(yè)過程中能夠旋轉(zhuǎn)。

對(duì)于大斜度井,工具串的運(yùn)行程序中要考慮到鉆桿有發(fā)生螺旋彎曲的風(fēng)險(xiǎn)。

當(dāng)套管/襯筒的尺寸發(fā)生變化時(shí),穩(wěn)定器/刮泥器/刷子的自動(dòng)補(bǔ)償運(yùn)轉(zhuǎn)將會(huì)增加附加的扭矩并導(dǎo)致該操作時(shí)間的延長(zhǎng)。

套管旋轉(zhuǎn)是十分重要的,尤其是對(duì)于斜井來說,它可以幫助巖屑床從套管較低的一邊運(yùn)動(dòng)到含有高速液流的管子上端。

表1給出一個(gè)關(guān)于建議轉(zhuǎn)速的例子,然而由于扭矩限制的不同,可能會(huì)達(dá)不到這一速度值。

表1 推薦的轉(zhuǎn)速值

管子的往復(fù)運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致震動(dòng)的增強(qiáng)并可避免由于工具在一個(gè)地方持續(xù)旋轉(zhuǎn)所帶來的磨損。

要考慮由于流體從泥漿變?yōu)辂}水后會(huì)增大扭矩(潤滑性的降低),并且會(huì)限制旋轉(zhuǎn)的效率這一實(shí)際情況。

考慮工具連接處的額定扭矩值。

4.5 水力模型

實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)顯示,一個(gè)清洗流包含一次層流的推動(dòng)段塞和一次湍流清洗段塞。在清洗油基泥漿時(shí),清洗流在湍流段要優(yōu)先使用油基段塞。要制定一個(gè)好的計(jì)劃,就要在設(shè)計(jì)清洗程序時(shí)盡可能地滿足以上條件。

大位移井/水平井需要更大的環(huán)空流速來移動(dòng)巖屑床。較高的環(huán)空流速將會(huì)增加流體的清洗和攜巖能力。

最優(yōu)環(huán)空流速一般定在100～150 ft/min,然而,使用不同的流體以及井的位移不同都會(huì)造成該值的變化。

流變學(xué)決定了有效的上升環(huán)空流速。泥漿比水能夠更有效地帶出固體顆粒。在不能使用高速流體的情況下可以使用稠化的流體。

在內(nèi)徑變化時(shí),要達(dá)到最優(yōu)環(huán)空流速可以安裝循環(huán)接頭 (如在井下襯管頂部)。

4.6 選擇工具

選擇工具要以滿足清洗要求為根本宗旨,對(duì)需要添加的輔助工具進(jìn)行分析。圖6是一個(gè)清洗工具串實(shí)例。

圖6 清洗工具串舉例

在保證清潔的基礎(chǔ)上,拉扭模型、水力模型和井眼幾何形狀決定了基本的工具串設(shè)計(jì)中循環(huán)工具、刮泥器、攪拌器和發(fā)動(dòng)機(jī)的安裝位置。然后,要對(duì)其他需要的工具進(jìn)行評(píng)價(jià),還要考慮到每一工具對(duì)扭矩產(chǎn)生的影響是不同的。

保證模型的建立 (拉扭模型、水力模型)。針對(duì)這項(xiàng)工作盡量使用最簡(jiǎn)單的工具串。

避免使用“夾緊”類的工具,尤其是在使用油基泥漿時(shí)。泥漿可能會(huì)聚集在工具和鉆桿之間,這樣要花費(fèi)大量的時(shí)間來進(jìn)行清洗。

4.7 調(diào)整泥漿

在泵送段塞之前要做好泥漿的調(diào)整,使得泥漿經(jīng)濾砂器分離出固體顆粒,提供連續(xù)一致的液流并保持一定的溫度,這樣就可以很好地改善驅(qū)替的效果。

在大位移或水平井眼中,管子的往復(fù)運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)會(huì)促進(jìn)泥漿稠化或沉在套管/篩管低端的固體顆粒的運(yùn)移。

至少要進(jìn)行一次“井底到井口的泥漿循環(huán)”以便泥漿調(diào)整。

以最大泵送速度獲得最大環(huán)空流速,當(dāng)工具串受限制時(shí),則用最大轉(zhuǎn)速來獲得。

4.8 化學(xué)段塞

控制段塞的泵速以獲得最優(yōu)的流體流動(dòng)。對(duì)于不同的化學(xué)清洗程度需要不同的層流區(qū)和湍流區(qū)(賣方需要提供最優(yōu)泵速)。

要考慮到化學(xué)劑與伴生流體的相互作用,以保證進(jìn)行有效的清洗并且避免不配伍情況的發(fā)生。

4.9 驅(qū)替

針對(duì)設(shè)計(jì)的環(huán)空速度,以最優(yōu)泵速泵送流體直到固相含量小于0.1%。

如果在較高的數(shù)值如0.2%時(shí),固相就基本消除了,那么陸上作業(yè)隊(duì)就要停止作業(yè)并回收工具串。如果需要,應(yīng)檢查井眼過濾器以決定是否進(jìn)行再次清洗。返出的化學(xué)劑段塞同樣也能反映出清洗是否成功 (分界面是否清晰等現(xiàn)象)。

4.10 凹坑清理計(jì)劃

凹坑清理會(huì)增加清洗作業(yè)的時(shí)間,為了減少這一時(shí)間,要考慮到以下幾個(gè)方面:

對(duì)凹坑清理之前進(jìn)行合理的計(jì)劃。初期要考慮到許可證及需要的凹坑入口等方面。

如果由于井眼的清洗耽誤了凹坑清理,可以使用臨時(shí)設(shè)備清理凹坑,即移動(dòng)包、預(yù)先準(zhǔn)備的段塞流、分離混合物的筒等。同時(shí)要考慮到實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性。

使用真空裝置和安裝旋轉(zhuǎn)噴射頭系統(tǒng)可以減少清洗時(shí)間并能免去人員進(jìn)入凹坑。但為適應(yīng)不同的設(shè)備 (凹坑出口)要預(yù)先進(jìn)行調(diào)整。

為使固體顆粒在凹坑中盡量少的沉淀,可以考慮安裝攪拌裝置。

盡快地計(jì)劃備用油基泥漿以避免凹坑清理的拖延。

5 結(jié)論

好的方法是在大量的實(shí)例下總結(jié)出來的。然而,不同的井隊(duì)獨(dú)立進(jìn)行操作,所得到的經(jīng)驗(yàn)對(duì)其他井隊(duì)來說未必受益。

結(jié)合工作人員的經(jīng)驗(yàn)提出了一個(gè)最優(yōu)方法準(zhǔn)則,并形成一個(gè)文件。該文件作為井眼清洗操作的一個(gè)基本原則,在 Talisman公司所有井中執(zhí)行。該準(zhǔn)則是一個(gè)活動(dòng)文檔,打算將來結(jié)合積累的經(jīng)驗(yàn)和進(jìn)步的技術(shù)對(duì)其進(jìn)行更新。

資料來源于美國《SPE/IADC 101967》

2009-04-24)