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苏丹水平井钻井技术研究

苏丹水平井钻井技术研究

苏丹1/2/4区水平井原设计二开准311mm井眼在1050m左右造斜,钻至1700m左右至着陆点(井斜在80°左右),下技术套管,再水平钻进300~800m完钻。这样的设计存在如下问题:大井眼井段过长,施工后期泵压高,安全隐患较大;设备负荷重,维修时间多;大井眼机械钻速慢,影响钻井周期。针对存在问题,对井身结构进行了优化:①以前设计造斜点有时会在Jimidi泥砂岩交互层,造斜效果差。根据地层实钻资料及邻井资料,将造斜点移至泥岩稳定井段,提高了造斜效果。②技术套管从以前的1700m减少到1300m左右,在井斜60°前下入,减轻设备负荷,缩短了钻井周期,降低了钻井成本。③随着老油区完钻井的增加,防碰问题将越来越严重,但为了尽量避免绕障而带来的施工难度,与地质人员和甲方协商,在满足地质要求的情况下,调整了地质靶点,避开障碍。

在水平段及大斜度井段,传统的钻柱结构已不再适用[2]。采用带欠尺寸扶正器的微增倒装钻具组合,将加重钻杆放置在井斜和全角变化率较小的井段,这样做减小了下部钻具的刚性,有效传递钻压和扭矩;减轻了水平段和接近水平段钻具向下井壁的压力;避免了钻杆台肩吃入地层,摩擦阻力减小,避免了可能产生的卡钻。井斜60°以后,使用加重钻杆代替部分钻铤,简化下部钻具组合并降低了下部钻具刚性,将加重钻杆、震击器等加在30°~60°井段,减轻下部钻具重量,有利于钻具弯曲,减小摩阻,使滑动钻进加压更顺畅。确保井底获得足够的钻压,并减少黏卡的机会。钻具组合为:准127mm钻头+准127mm加重钻杆×2柱+准127mm钻杆×5柱+震击器+准127mm钻杆+准127mm加重钻杆9柱+准127mm钻杆。苏丹老区块内水平井目的层厚度大多在1.5~3m,应用LWD工具,将测得的数据与邻井的电测数据对比,及时进行判断,可以实时指导钻进的方向。同时,采用近钻头测量工具,减少了仪器零长,测量数据更接近井底,减小了预测误差和扭转方位的次数,施工效率更高。下入的LWD测井仪器组合为:Pulser+PSA+SEA+GR+THE+CPR。在着陆层位YabusⅥ之前,Adar和Yabus两层界面的测井曲线值有一明显变化:上部泥岩为低电阻值(1~2Ω•m)和小密度(2.35g/cm3),而下部大段泥岩为高电阻值(10Ω•m)和较大的密度值(2.45g/cm3),保证了准确找到第一个主要标志层。在着陆前15~20m左右时,根据深浅电阻率的相对变化值指导导向钻进,避免了在目标层里进行大的调整,保证了油层钻遇率。

限制苏丹水平井施工进度的主要问题是定向造斜段机械钻速低,平均机械钻速在5m/h左右,严重制约了全井的施工进度。影响施工进度的主要问题集中在两点:一是普通PDC钻头易憋钻,托压现象严重,机械钻速低;二是使用普通PDC钻头造斜时,工具面不易控制,定向效果差。笔者优选了长寿命的专用定向PDC钻头。苏丹石油工业处于起步阶段,能够提供定向PDC钻头的供应商只有SMITH、Varel、川克三家。通过对比分析,优选了Varel公司VRP519GH钻头。该钻头扶正块短,在切削齿后设计了支撑块,不但能保护切削齿,延长钻头使用寿命,增加总进尺,而且能将切削齿吃入深度限定在一个固定的数值,防止钻头扭矩因切削刃吃入量变动而出现剧烈变化,工具面控制更容易。使用证明,VRP519GH钻头明显减少定向时的托压现象,工具面稳定,定向造斜效果好。斜井段平均纯钻时间为74h,平均进尺为838m,平均机械钻速为11.32m/h,提速效果明显。可减少起下钻次数,提高钻进时效,达到优快钻井的目的。直井段和水平段内的钻头采用现场钻井资料选型法优选钻头,该方法简单实用,适合现场钻井技术人员采用。首先对老井钻头使用指标进行统计,依据机械钻速、进尺、钻头寿命、使用井段等条件进行综合评定,去除机械钻速在10m/h以下的钻头,初选出机械钻速高、寿命长、耐磨损的PDC钻头。在3/7区,川克BD506钻头三开水平段机械钻速达15.20m/h;在1/2/4区直井段和水平段,SmithM616LKBPX钻头机械钻速达13.90m/h,均取得了预期效果。

在3/7区水平井施工初期,使用PDC钻头,在井斜超过75°滑动钻进时扭矩变化大,影响LWD仪器传输信号,转盘钻进时井斜下降严重。由于位移、摩阻较大,钻具托压严重,工具面很容易跳动,难以控制。根据对地层情况和钻进情况分析,在3/7区改用牙轮钻头,克服摩阻扭矩大、托压严重等难题,LWD信号比较稳定,稳斜效果好,水平段基本可以保证80%以上的旋转钻进,确保了岩屑的携带。在1/2/4区,通过多口井的试用,发现准311mm井眼使用VAREL公司生产的定向PDC钻头,自造斜点至1900m使用效果较好;三开时使用Smith公司PDC钻头,也没有出现严重托压现象。在钻进方式上,由单一滑动钻进或转动钻进变为滑动与复合交替钻进,尽量多的采用转盘钻进,保持井眼轨迹光滑。通过对钻井参数的合理配置和螺杆钻具的合理选择,如使用高一级角度(+0.25°)的螺杆,可以更快地调整轨迹,也能更多地采用钻盘钻进,整个井段旋转钻进率达到70%,这对于井下安全、提高钻井速度等都会有所帮助。

在3/7区的PP-27H井,使用了美国NOV公司生产的AGITATORTOOL水力震荡器进行加压。使用井段为1320~1619m,钻具组合如下:钻头+螺杆+扶正器+CPR+MWD+TRX+加重钻杆1柱+钻杆5柱+水力震荡器+震击器+钻杆3柱+加重钻杆9柱+钻杆。使用效果见表1。由表1可以看出,使用震荡器后,机械钻速由原来的4.68m/h提高到10.26m/h,增幅达一倍以上。其产生的震动不会对钻头或其他钻具产生破坏,造成的压力脉冲对绝大多数MWD信号没有干扰。实践证明,水力震荡器产生的轴向振动能有效减小钻具与井壁间的摩擦力,减轻滑动钻进时的摩阻托压现象,大幅提高定向造斜速度。在长半径水平井滑动钻进时,对改善工具面的控制和增加机械钻速效果十分显著。

3/7区Palouge油田Aradieba地层(1277~2650m)为很厚的页岩层,主要成分为伊利石和蒙脱石,裂缝发育,掉块严重。1/2/4区Baraka-Ghazal、AbuGabra以及3/7区块Adar地层主要为易水化、易造浆的泥岩与胶结性较差的砂岩互层;600~1900m的Aradieba组是造斜的主要层段,地层是以石英、蒙脱石及高岭石为主的大段泥岩层,易吸水脱落,造成严重掉块和垮塌,经常出现大段划眼和卡钻等情况。各井段的钻井液配方见表2。硅酸盐与KCl配伍性较好,对填补微裂缝、稳固泥岩效果很好。硅酸盐屏蔽物能形成高效渗透膜,降低钻井液中水的活度,诱发页岩中的流体从页岩中渗出到钻井液中,从而达到抑制二开井段页岩水化,改善页岩稳定性的目的。Drilling-in钻井液体系,重点是降摩、防卡。摩阻扭矩对水平井施工具有重要的影响[3]。处理措施是:首先满足地质录井低荧光钻井液的要求,加大固、液态润滑剂(RH2、RH3)用量,保证润滑剂含量大于5%,具有良好的润滑性;其次,加入XC调整流型,控制动塑比大于0.7,保证携砂;第三,在能够稳定井壁情况下,完井时钻井液密度保持在1.18g/cm3即可;第四,充分利用固控设备,及时去除有害固相,保证固相含量尽可能低。通过现场应用,具有强抑制性、强封堵性、流变性易控制的针对性钻井液体系,成功解决了Aradie-ba和AbuGabra地层的井壁稳定问题,造斜段的平均井径扩大率由原来的20%以上降至8%左右,满足了低荧光要求和悬浮携砂能力,有效降低了超长大水平段摩阻,保障了钻井作业的顺利实施。

自2010年1月开始,逐步在苏丹市场推广水平井优快钻井配套技术,近一年多来,共在两个区块20口水平井成功实施,取得理想效果。平均钻井周期从2010年前的44d缩短至23.67d,缩短了46.2%;平均建井周期为36.42d,比设计周期提前5~14d;机械钻速从原先的平均10.81m/h提高到目前的12.41m/h,提高了14.8%;事故和复杂现象由原来的3.7%降至1.8%。

通过实施一系列针对性的措施,全面提升了苏丹水平井钻井及完井质量和速度,占据了海外市场优势,效益显著。钻头优选后,全面提升了钻井速度,减少了井下复杂,为今后自主研发适应苏丹市场的钻头进行了尝试,取得宝贵经验。KCl/硅酸盐钻井液体系、Drilling-in钻井液体系有效保证了各项钻井工序的顺利实施,水平井施工中,在抑制页岩坍塌、稳定井壁、减少托压等方面效果明显。水力震荡器的使用,可以解决长半径水平井摩阻大、造斜慢、加压困难的难题,建议做进一步研究并力争实现自主研发。(本文作者:邱传俊、蔺刚 单位:中原石油勘探局钻井一公司、中原石油勘探局钻井管具处)

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