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北美致密油钻井技术现状及对我国的启示
北美致密油钻井技术现状及对我国的启示
2015年02月07日
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北美致密油钻井技术现状启示
文|郭晓霞
中国石油集团经济技术研究院
水平井钻井及多级压裂技术广泛应用促使北美形成致密油、页岩气比翼齐飞的局面,油气产量双双突飞猛进。
然而,在美国天然气价格持续低迷的影响下,越来越多的公司发现干气业务已难以维系公司盈利的需求。
与此同时,2008年以后,国际油价持续走高,页岩气开发技术在致密油开发中的应用也取得了成功。
作业公司发现,从事致密油甚至湿气生产能够获得更高的收益。
鉴于此,越来越多的北美作业公司开始削减页岩气业务,将更多的资金和精力投入富含液态烃的致密区带。
与页岩气相似,致密油钻井几乎也经历了尝试、探索、学习、改进、成熟、推广的过程,同样是由于技术的进步,使钻井工作量不断增长、钻井效率不断提升、致密油产量获得突破。
1 北美致密油钻井概况
1.1 北美主要致密油盆地及钻完井方式
北美是致密油开发较早的地区,随着技术的进步,美国和加拿大的致密油产量获得了巨大的突破。
在美国,致密油主要分布在3个产区:
威林斯顿盆地的Bakken地层,年产2364万t,其占总产量的比例最高,约占美国致密油总产量的36.4%。
得克萨斯州南部的EagleFord区带是产量增长最快的产区,2011年年产1422万t,仅用3年时间就使产量增至总产量的21.9%。
另外就是FortWorth盆地Barnett页岩和落基山脉周边Niobrara页岩,属于逐步被开发的产区。
加拿大的致密油主要分布在Duvernay区块、Muskwa地区、Montney区块艾伯塔延伸带和Cardium产区。
Duvernay页岩区是致密油的热点产区,液体资源丰富,面积约16.214万km2,储层深度范围为2500~4000m,自西向东由深变浅。
Cardium是致密页岩新区,储层埋深2000m左右。
水平井是开发北美致密油开发采用的主要技术,根据不同的地质条件和埋藏特征,在不同地区采取了不同的钻井设计、工具、工艺及方法。
比如Bakken地层连续性好。
上下段为页岩,中段为砂岩、灰岩互层。
页岩砂岩均含油,有机质含量高。
中段粉砂质白云岩或白云化粉砂岩,为水平井开发主要目的层,储层埋深一般位于2500~3200m之间。
Bakken地层的分布跨美国和加拿大,美国Bakken地层埋藏较深,油层厚度大,而加拿大Bakken地层埋藏浅,油层厚度变小Bakken顶部页岩段厚度小,上部Lodgepol地层易产水。
虽然在美国及加拿大Bakken都采用水平井+多段压裂的开发方式,但在钻完井方式上仍稍有不同。
美国Bakken钻的水平段长度较长一般都在3000m左右,采用的完井方式包括裸眼完井和套管固井完井;加拿大Bakken的水平段相对较短,一般在1000m左右,采用的完井方式包括套管固井和裸眼完井。
加拿大Bakken还采用了双分支水平井进行开发,这种方式也被引入Cardium的开发中。
EagleFord区带的主要产层为与页岩互层的灰岩,埋深较大(3000~3900m),渗透率与Bakken相比较差(小于0.01mD),孔隙度2%~12%,属于高压储层,压力系数1.0~1.5,天然裂缝发育。
一般采用中长水平井段进行开发,水平段长度为1000~1500m,并采用套管完井方式。
1.2 北美致密油钻井技术发展历程
致密油的开发模式很大程度上借鉴了页岩气的成功经验。
因此,与页岩气开发类似,致密油的钻井也经历了从直井到水平井的过程。
以Bakken为例,上世纪80年代之前,还主要是以钻直井为主,产量不高。
80年代中期开始尝试钻水平井,水平段一般长800~1000m,使用预开孔尾管或割缝尾管完井,产量略有起色。
90年代末,开始通过钻双分支水平井的方式进行开发,并把2个水平段布设到不同的层段中,产量有所提升,但不明显。
2007年开始,在Bakken开始采用长水平段水平井+多级压裂的开发方式,水平段长度一般达到3000m,单井日产量突飞猛进(图1)。
图1 Bakken致密油产量曲线
1.3 北美致密油钻井工作量
近两年来,致密油钻井工作量不断攀升,带动美国油井工作量出现显著增长,使美国新开钻的井由过去的以气井为主逐渐转变为以油井为主(图2)。
油井钻井数由2008年的2.17万口迅速增长至2013年底的3.16万口,气井钻井数却由2008年的2.93万口迅速跌至2013年底的0.92万口,达到2000年以来的最低水平。
美国钻井数量增加最快的地区为得克萨斯东南部的1区,即EagleFord区带,2010年,在EagleFord全年的钻井数还不过1000余口,到了2012年全年钻井数已经达到3802口,而北达科塔州的Bakken,钻井数量也迅速增加,这些都是美国致密油的主力产区。
在加拿大,致密油的钻井活动也明显增加。
加拿大的致密油区主要分布在西加拿大盆地和东部的阿巴拉契亚山脉地区,其中横跨Manitoba、Saskatchewan、Alberta三省的西加拿大盆地从2005年开始致密油生产,随着技术的成熟、产量效益开始显现,从2010年开始,该地区的钻探活动明显增加,到2011年,在该盆地新开钻的用于钻致密油的水平井已经超过3500口。
1.4 动用钻机情况
除了气价低迷因素之外,致密油产量的提升也是钻机由气转油的重要推手。
2013年初,在美国从事干气钻探的钻机所占比例已由过去的80%降至约20%,而从事与石油生产有关钻探活动的钻机数所占比例则由20%增加到80%。
截至2013年底,美国陆上用于钻油井的钻机已经达到1372台,而气井钻机减至389台,与5年前形成逆转(图3)。
图2 2000—2013年美国钻井数量变化情况
图3 2010—2013年美国陆上在用钻机情况
致密油的效果显现,大量钻机涌入富油的EagleFord、WillistonBakken等盆地。
在2011年的2月,在EagleFord作业的钻机还仅有134台,其中用于钻气井的占大多数,为86台,用于钻油井的仅有47台。
到了2013年9月,在该盆地作业的钻机数已经达到232台,其中油井钻机198台、气井钻机33台,在Williston盆地几乎全部为油井钻机。
2 北美致密油钻井的关键技术与发展趋势
美国致密油水平井开发中,广泛采用工厂化作业模式,其核心就是利用定制钻机进行丛式水平井的批量钻井,这些定制钻机为快速移动式电驱动钻机,便于实现钻机在井间的快速移动。
在美国页岩气钻井中,应用最多的井筒技术依然是高效实用的主体技术,前沿技术的应用近年来逐渐增加。
主体技术主要包括:
优质牙轮钻头和优质PDC钻头、优质钻井液(水平井段主要是油基钻井液)、MWD、导向泥浆马达、常规地质导向等。
前沿技术主要包括:
近钻头地质导向、旋转导向钻井、自动控压钻井等。
既能钻直井段,又能钻增斜井段和水平井段的高造斜率旋转导向钻井系统,使越来越多的水平井实现二开“一趟钻”完钻。
与此同时,技术服务公司针对不同地区的页岩地层开发了一些个性化技术,比如个性化的钻头和个性化钻井液(可替代油基钻井液的强抑制水基钻井液)等。
2.1 工厂化钻井
致密油储层的连续性为实施可重复性的工厂化钻井方式提供了契机。
在北美的致密油产区,工厂化钻井有效提高了作业效率,减少了钻井周期。
工厂化钻井是在同一井场集中布置多口井,利用一系列先进工艺、工具和装备,结合精益管理方法和远程监控,实施批量作业,实现降低作业成本提高生产效率的高效作业方式,它通过高移动性钻机、优化的井下工具组合、优化的井场作业、流水线式建井程序的集成,实现了远程控制、多方协调作业,并具有系统的优化方法。
美国大陆资源公司在Bakken一个4口井的井场实施这种作业流程,各井依次进行了一开(表层井段)、二开(中间井段)和三开(水平井段),钻机共移动9次,每次移动只需大约2h,平均单井节省钻完井费用10%。
工厂化钻井更加强调油公司、钻井承包商和技术服务公司等参与各方的密切协作,国际大石油公司大都制定作业规范或指导手册来引导区块作业。
2.2 井眼轨迹控制技术
2.2.1 定向工具 在北美致密油水平井钻井中,控制井眼轨迹应用最多的主体技术仍是常规导向钻井(常规导向泥浆马达和带近钻头地质导向仪的导向泥浆马达),近几年常规旋转导向钻井系统的应用呈增长趋势(图4),尤其是高造斜率旋转导向钻井系统应用效果十分显著。
斯伦贝谢和贝克休斯公司分别于2011年和2012年推出的最大造斜率为17°/30m和15°/30m的高造斜率旋转导向系统,可用于钻直井段、造斜段和水平段,缩短了造斜段长度和靶前距,以更短的半径实现水平井的二开“一趟钻”完钻,从而减少起下钻作业,提高钻井效率,缩短钻井周期,简化井身结构,降低钻井的综合成本。
同时,通过更早进入储层,增大油藏接触面积,提高采收率。
比如,2012年初,在美国EagleFord页岩一口设计造斜率为8°/30m三维水平井中,应用贝克休斯公司高造斜率旋转导向系统和定制PDC钻头一次下井钻进3217.8m,完成了直井段、造斜井段和水平井段的钻进,实现了二开“一趟钻”完钻,共用时5.95d,平均机械钻速27.43m/h,比邻井缩短2.5d,节省钻井费用大约8万美元。
图4 国际定向钻井市场构成
可以预见,未来在全球的非常规油气开发中,旋转导向钻井的应用规模还将持续增长。
利用旋转导向钻井系统、高效钻头和高效钻井液等前沿技术实现水平井二开“一趟钻”完钻,将成为水平井钻井提速降本的新趋势和新利器,在水平井钻井的提效降本方面发挥重要作用。
2.2.2 远程控制定向钻井技术 钻井自动化、智能化是钻井发展的大趋势,而远程控制可以减少现场人员,同时协调多学科团队力量将井眼轨迹更好地控制在目的层之中。
壳牌公司是远程钻井控制技术的先驱,2008年开始开发定位于页岩钻井的实时钻井优化系统。
2011年,在对位于休斯顿的一个RTOC的基础设备进行升级改造后,壳牌公司的第一个DART(通过钻井自动化和远程操作技术中心)开始运行。
DART的作用是将定向钻井工程师、地质导向工程师和随钻工程师汇集到远程作业中心,进行远程钻井指挥,可同时进行3口井的随钻和定向操作,以及同时进行4口井的地质导向操作。
目前,DART中心已经应用在美国的页岩油气钻井中,并获得了很好的效果。
2012年6月,DART中心开始指挥EagleFord的定向井钻井。
钻井效果也逐步获得改善,平均钻井周期降低50%,其中一口井创下每300m仅用0.44d的最快水平段钻速记录,2口井水平段超过2133m(图5),井眼质量也得到大幅改善。
图5 钻井周期对比
随着工厂化钻井技术的大规模应用,工程地质相结合的钻井远程控制、协调中心将向着资源配置最优化、成本效率最大化的目标进军。
2.3 双分支水平井钻井技术
双分支水平井是致密油开发中采用的一种井型,在Bakken应用最为广泛。
实践表明,在致密油藏中钻双分支长水平井能获得更高产能。
通过对比Bakken地区121口双分支水平井和121口单分支水平井投产1年的生产数据,可以发现产量大幅提高。
双分支水平井减小了井场面积和基建成本,在接触同样面积油藏的条件下,双分支井的成本为258万美元,而钻两口单分支水平井的成本是396万美元,因此内部收益率几乎提高了1倍。
2.4 钻机
美国开采的致密油主要是致密页岩油,因此,钻井面对的目的层主要是页岩层,如Bakken、EagleFord都是典型的页岩盆地。
页岩钻井从直井发展到大斜度井再到长水平段水平井,钻机也适应这样的改进。
为使钻机更能适应致密油开
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