小井眼钻井技术在海洋钻井中的应用分析.docx
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小井眼钻井技术在海洋钻井中的应用分析
小井眼技术在海洋平台中的应用分析
张用德
中石油海洋工程有限公司研究中心,北京100176
摘要:
关键词
作者简介:
张用德:
1973年出生,山东东平,工程师。
1997年毕业于大庆石油学院采油工程专业,2007年获中国石油大学(北京)硕士学位,现在中石油海洋工程有限公司研究中心,主要从事海上油气田钻井平台研究设计工作。
概要上世纪二十年代,美国最早开始利用小井眼钻井技术。
但直到五十年代才开始更进一步地研究和应用。
国内70年代在吉林、新疆、大庆打了800多口小井眼。
但小井眼技术在沉默了一段时间后,于80年代后期(大致是1987年)又掀起热潮。
近10余年,随着油气生产费用的提高,以及石油工程领域不断向边远地区扩展和钻井工艺技术水平的提高,钻小井眼井开采油气的优越性更加明显,使得小井眼钻井技术成了继水评井钻井技术之后的又一研究热点。
截至目前,世界上已钻成小井眼井上万口,最大垂直井深超过6000m。
小井服钻井具有诸多的优点,目前,在国内外该技术已应用于水平井、深井钻井中,如侧钻小井眼多分支水平井等,国外已开始用连续管钻小井眼。
目前小井眼钻井技术比较发达的国家有:
美国的Amoco公司、BakerHughes公司、Nabors工业公司、英国的BP公司等。
近年来,国外公司为了配合小井眼钻井,开发和研制了一系列适合小井眼钻井的配套设备,主要集中在钻头及马达、固井、井控、取心、小井眼水平钻井等方面。
研究发展的小井眼先进技术归纳起来有:
带有顶部驱动的小井眼钻机;井下动力钻具;采用井控专家系统控制和预防井喷;采用连续取心钻机进行小井眼取心作业;采用高强度固定齿的新型钻头。
目前,小井眼钻井技术已比较成熟,工具设备配套齐全,已有可用于76.2mm(3in)井眼的钻井工具,以及多种连续取心钻机和混合型钻机。
挪威还准备向北海南部深层的高温、高压气藏发展小井眼钻井。
近年来,国内各油田也开始重视和研究小井眼钻井技术小尺寸PDC,TSD及金刚石钻头已在我国大部分油田推广应用。
随着我国小井眼钻井井数的增多.小井眼早期井涌预警、检测技术也越来越受到重视。
在钻井液和完井液技术上,国内各油田根据各自地层特征进行了专项研究,其体系配方基本能够达到安全钻进和保护油气层的目的。
国内不少学者在小井眼水力学方面也做了很多工作,但大多数是对国外模式的修正。
大庆油田完成的287口井,在其平均井深比全部开发井的平均井深多129.4m的情况下,平均机械钻速基本持平,平均钻机月速却提高了7.17,获得的效益非常明显。
胜利油田小井眼套管开窗定向侧钻技术已步入了大规模的应用阶段。
新疆油田和大港油田在深层(>4000m)成功地钻成了部分小井眼井。
1.小井眼钻井技术的发展现状
1.1小井眼发展的原因及前景
打小井眼出于以下三方面的原因:
1.国际油价下跌油价下跌迫使各油公司要寻找一种更廉价的勘探开发方法,小井眼便是其重要途径。
小井眼节约钻井费用30%一40%。
a.钻前费用,即井场及钻机搬迁费用,约占节约总费用的30%左右。
随着井深加大,其比重下降。
这说明小井眼要用轻便钻机。
b.泥浆、套管、水泥及注水泥费用,约占节约总费用的30%以上。
随着井深加大,其比重上升。
2.环境保护的压力小井眼较常规井眼井径缩小一半,钻井液用量及排放钻屑量减少75%,井场占地减少75%,施工机具用量也大幅度下降,对环保有利。
3.减少边远和地面交通困难地区勘探的风险据统计,世界范围内探井成功率只有13%,干井占到87%。
打探井用小井眼除因减少占地及设备、材料用量而降低费用风险外,更重要的是这些地区地震工作开展也十分困难,在少量地震工作量前提下,早期打一些连续取心的探井,就可以及早搞清地下情况,以便及早决策。
由于以上原因,有人把小井眼钻井技术提高到石油工业又一次技术革命的高度,从小井眼钻井技术日益完善的角度看,小井眼的使用范围十分广阔,不仅用于探井,也可用于开发井;不仅用于直井,也可用于定向井、水平井;不仅用于打新井,也可用于老井加深及侧钻;不仅用于浅井,也可用于深井;不仅用于油井,也可用于气井。
但小井眼不适用于高产井,也不适用于加深井段可能较长的探井。
2.小井眼的应用
1.小井眼技术应用于边远地区的勘探
在一些风险较大、边远的勘探区域,利用小井眼钻井是一种非常有效和经济的方法。
在这些地区,仅仅将小井眼井作为勘探井,而不考虑它今后的生产能力。
在客观条件十分恶劣的地区,用小井眼井来进行勘探可大大减少在高风险、高成本作业情况下的资金投入。
采用小井眼钻井,可减少泥浆、套管、水泥、水、柴油等材料消耗,产生的钻屑也很少,同时可减少钻井作业人员和后勤保障人员.例如,如果井眼尺寸减少50%,泥浆消耗和钻屑将减少75%,井场面积将减少75%,总的费用也可降低40%~60%。
2.小井眼技术应用于低成本的开发井
在老油气田,利用常规的开发技术只能开采出大约40%的原始地质储量,宏观上有20%的储量未被波及,微观上还有20%的未被波及,另外20%是残余油储量。
如果有一半的微观及宏观未波及储量可利用经济的手段开采的话,在老油区利用加密井是开发宏观及微观未波及储量的普通方法。
对一口新井来说,钻井和完井的费用是很高的。
现在小井眼钻井技术为降低钻井和完井费用提供了一个手段,同时,小井眼也将为以低成本来开发微观未波及油气区提供了机会。
3.小井眼技术应用于老井再钻
利用小井眼钻井技术在老开发井内继续向深部钻探,去发现老油层下面的新油藏;也可以进行水平井钻井去开发一些过去认为没有开发价值的油藏。
4.小井眼技术应用于开发多底井
多底井包括二个或二个以上的横向泄油井眼,多底井的类型主要包括:
双反向水平井、双叠加水平井、双反向一叠加水平井和Y型水平井。
此外还有一种新的多底井,就是先钻一个水平段穿过目的层,然后.利用连续油管从水平井的井段,再钻几个侧向的分枝井眼穿入油藏多底井有许多优点,首先它是在一个垂直井眼钻多个泄油井眼,因此,可减少钻井和完井费用。
此外由于只有一个垂直井眼,也可将场地费、修建道路费用和净化费降到最低.另外,只需要少量的生产装置,这一点对海上更有实际利益。
因为海上平台只给出几个固定的井巢,最重要的是,由于增加了与产油层的接触面积很可能会产生较高的开采速率。
小井眼水平井钻井系统
①小井眼水平井钻井系统SlimDril公司已研制出一套低成本小井眼水平钻井系统,包括:
(a)钻头。
带有保径齿和天然金刚石基体的侧钻用钻头,用于直井初始造斜,造斜完毕使用天然金刚石或热稳定聚晶金刚石(TSD)基体的HT-1钻头钻水平井,钻速为20~30ft/h;(b)容积式液压马达。
一种专门用于小井眼水平井的高性能马达,输出功率是常规小井眼马达的2倍,可提高使用寿命和机械钻速;(c)钻柱。
由于该钻井系统采用高速马达(400~800r/min)配合TSD钻头,可以使用光钻杆,而不必使用昂贵的抗压钻杆;此外还包括定向/循环接头、地面记录陀螺、导向或随钻工具,蒙乃尔钻挺、旁通接头。
②小井眼定向钻井导向工具。
可用于钻小井眼水平井的定向钻井导向系统包括导向马达、MWD和稳定器,利用该系统可在造斜段和直井段不需要起下钻的情况下控制钻头轨迹。
该系统有两种类型来进行导向钻进,一是定向组合,二是转盘。
在定向钻井情况下,钻柱不旋转,钻头通过井下马达来驱动。
现在主要使用的导向系统是带有弯外壳的螺杆钻具和带稳定器的马达。
(13)小井眼完井技术采用油管代替套管完井,在国外小井眼井中占有很大的比重(美国约为2/3),其完井方式有小井眼单管完井、小井眼双管完井、小井眼三管完井。
Stekoll石油公司采用的小井眼完井系统,Halliburton气举井单筒完井系统选择89.6mm油管,允许口产油79m3,或口产气14.15X100000m3。
根据小井眼单管完井技术要求,Baker石油工具公司研制了一种由三个主要产品组成的综合无接头完井系统,包括:
①生产桥塞。
可用电缆坐入的一种可回收式桥塞,代替具有传统锁定和接头的回收桥塞,在井内提高了灵活性;②可回收小井眼跨越式封隔系统。
能够跨越和隔离套管内生产或注水井段91.4m以上,并保持足够大的内径以允许过油管膨胀工具、枪等通过。
该系统由挠性管或电缆下入,适合于长、短生产井段进行选择性或永久性层位封隔,可通过工具孔灵活地下入过油管膨胀工具,从跨越式封隔系统以下的层位开采;③可消失式桥塞。
作为尾管的一部分并且仅用在初期完井阶段的可消失式桥塞省去了井内电缆的起下,也可在欠平衡井内完井作业中使用。
(14)小井眼固井技术提高小井眼固井质量的方法有4种,一是从水泥浆的设计上考虑,把固井施工中井漏的可能性减到最小;二是使用偏心钻头钻井,钻出比钻头名义尺寸更大的井眼,增加水泥环厚度;三是在完井后精心施工,使井眼畅通无阻,调整好泥浆性能,把大肚子井眼中的沉砂清理干净,防止憋泵;四是使用先进的工具,目前小井眼注水泥工具有:
①浮动工具;②锁销式泵入工具;③多级注水泥工具;④篮式和封隔式(填料式)水泥鞋。
(15)小井眼井下测量仪器
①小井眼测井工具。
以Schlumberger油田服务公司为代表开发的小井眼测井工具包括电阻率测量、核测量和声波测量小井眼测井工具。
电阻率测量工具包括双侧向测井工具((MDLT)、小井眼微电阻率探头(SRMS)和感应电阻串工具(IRT)。
MDLT工具可提供深的和浅的侧向测井曲线,SRMS探头可测量微电阻率,工RT工具可提供感应电阻率曲线、16in短~正常曲线和自然电位(SP)。
小井眼核测量工具包括地层伽马-伽马工具(RGT)、基岩密度工具((HLDT)和储层饱和度工具(RST)。
PGT和HLDT工具可测量补偿体积密度、密度补偿值和井径。
RST工具可穿过油管或套管进行地层评价。
声波测量的小井眼工具包括声波测井工具(SLT)和两个检波器组合。
②小井眼测试工具。
Schlumberger油田服务公司开发的小井眼测试工具包括地层压力测量、地层流体采样和中途测试。
该工具的外径为3in,可用于4~8in井中的有线地层测试。
该公司开发的21/2in机械式小井眼测试系统(MSTS)可用于3~41/2in的裸眼或套管井中进行中途测试,通过膨胀跨隔式封隔器可以在一次起下作业时进行多个层位的测试。
③小井眼MWD工具。
英国Geolink有限公司开发的Ø73mmUltra-Life随钻测量系统可安装在带有接头的钻杆或连续油管上,用于小井眼重入钻井中的测井作业。
该系统与外径较小的定向钻井装置匹配,在侧钻作业时,不必切割和起出套管与衬管,无论是使用带有接头的钻杆还是使用连续油管进行侧钻作业,采用这种新型随钻测量系统均可节省40%的钻井费用。
该系统采用模块化结构和传感器,耗电少,采用专利螺纹结构,工具长度短,可在现场维修,便于对井底动力钻具进行灵活设计,能满足短半径钻井及小井眼常规钻井的技术要求。
UnionPacificResources和Anadrill/Schlumberger开发的可回收带伽玛的小井眼MWD系统可在内径2.19in、外径31/2in的钻杆中运行,适用43/4~121/4in井眼中,并可在连续油管中应用。
Anadrill公司开发了SlimlMWD,利用泥浆正脉冲遥测技术将信息实时传输到地面。
Sperry-Sun开发了一套三轴MWD振动传感器以监测对BHA的井下振动和判断井下钻柱的动态。
三轴加速度仪可测量横向、轴向和纵向振动,同时可用于测量钻头旋转、跳动等,然后进行一些校正以改善钻井效率和钻头寿命,从而减少BHA的机械失效。
法国的一家公司CeoservicesSA开发了一套新的E.M.MWD系统,它是利用电磁波来传输信号。
该工具包括二个部分:
上部被称之为发射体短节,大约长11.5ft;下部是承载钻挺或工具载体,长度大约为19.7ft,用来承载MWD(被称之为运载工具)的活动部件,并具有无
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- 小井眼 钻井 技术 海洋 中的 应用 分析