水平裸眼井段中牵引机和降阻剂的联合使用创造了连续油管进深的新记录——沙特阿拉伯的一个油田实例分析

编译:郭彪 (中国石油大学 (北京)教育部重点实验室·提高采收率研究中心)

审校:纪常杰 (大庆油田工程有限公司)

水平裸眼井段中牵引机和降阻剂的联合使用创造了连续油管进深的新记录
——沙特阿拉伯的一个油田实例分析

编译:郭彪 (中国石油大学 (北京)教育部重点实验室·提高采收率研究中心)

审校:纪常杰 (大庆油田工程有限公司)

要提高地层能量以更好地驱动油气,可通过钻水平井及采取增产措施来实现,同时也可通过不断地改善注入能力和使注入液均匀分布来达到。但矿场已证明采用钻杆 (DP)来增加钻进的长度是无效的且花费较高;而使用连续油管 (CT)效果却很好,然而,要达到目的深度其难度较大。在沙特阿拉伯,联合使用牵引机和降阻剂,使CT到达目的深度,同时增产液到达整个水平注入井段。CT在水平裸眼段长9 448 ft,刷新了沙特Aramco公司作业记录。较DP而言,该工艺使用牵引机和降阻剂来实现CT增产是一个新颖的、更成功、更节约成本且更安全的工艺;该技术不仅适用于增产作业,也可用于其他作业,无需使用昂贵的钻机;牵引机能提供高达10 000 lb的推力,这样可避免发生锁住。

连续油管 降阻剂 牵引机总深度 基质酸化 裂缝 增产

1 引言

Khurias是沙特阿拉伯的一个大型油气田,为了提高注入水的分布效率和维持油藏的压力,目前正采用钻进到水平段的水力喷嘴 (PWI)的方式来开发。按计划这些井将通过酸化来清洗钻井后留下的岩屑以提高注入性能。其水平裸眼段长度为5 000～9 000 ft(1 ft=30.48 cm)。若要用DP来实现增产,此时注入速度达不到要求;要使用CT达到裸眼段总深度 (TD)难度也较大。

目前有很多文章评价了基质酸化的增产效果,但这些大多是在沙特阿拉伯的碳酸盐岩储层。虽然CT是最好的技术,但要达到TD还存在一些困难。

酸化的优点如下:

如果井眼周围的储层受到伤害,地层的注入能力就会降低。为了防止井涌,其注入压力须高于地层压力,这样要采用过平衡钻井的方式。但是这会污染储层,在井眼中留下岩屑而伤害产层。

确定油井存在的问题以及熟悉产层的特征 (可从岩心分析资料及电测井曲线得到)是成功实现酸化的必要条件。

如果储层受到污染,这时需要实施基质酸化,即向储层中泵入后续的酸液及其他流体段塞以清洁地层。该过程中可形成酸蚀孔洞而使井眼周围渗透率急剧增大 (大大超过储层的原始渗透率)。

2 设计和计划

2.1 井的特征

通常,为实现地面单点最大的注入能力,油田上采用水平井。评价的这口井完钻到水平裸眼段的PWI到 TD为16 258 ft,与油藏接触位置的in裸眼段长9 448 ft。储层为非均质石灰岩,其裂缝和基质渗透率大约为100 mD (1 mD=10-3μm2)。

2.2 充填作业

设计一个合理的酸化施工作业计划,需考虑两个因素:沿着裸眼水平段工作液均衡分布;成本。

处理液的注入有三种工艺。

2.2.1 挤入压井法

其优点是成本低、易于操作、风险低。然而,另一方面,由于没有较好的转向能力,处理液会沿着阻力最低的层段运移,导致处理液在地层中不均匀分布。挤入压井法也是效率最低的一种技术,因而酸化作业可能无效,且注入量较小。

2.2.2 使用钻机DP

在控制流体分布方面,较挤入压井法而言,钻机是最有效的方式。但它有如下的缺点:

◇作业时间长,钻井成本高;

◇风险高;

◇因DP基本上是放在500 ft的井段,这样不能完全控制流体的分布;

◇与CT比较,其增注的效果可能更低,在Khurias油田,有7口井是用钻机DP来增注,平均注入速率为34 kbbl/d(1 bbl=0.159 m),这比采用CT方法增注的效果差 (图1)。

图1 CT与DP增产效果对比图

2.2.3 使用CT

用CT增注有如下优点:

◇完全控制裸眼井段的流体分配;

◇成本不高,与挤入压井法相比,它只是因增加了连续油管作业机 (CTU)而多了部分费用。

CT在到达目的深度前,下入井眼 (RIH)过程中会遇到一些问题。要得到一份正确的增产作业施工计划,设计者应考虑所有可能存在的问题,同时找到合适的方法来解决。在酸化处理时遇到的主要问题:

(1)输送管卡住

当CT中的静水压力比井筒压力高时,会挤压CT到井壁,而沿着井壁的部分周线会吸入一些地层压力,这样输送管就卡住了 (图2)。在 Khurias油田,地层压力很低,大约为1 900～200 psig(1 psi=6.895 kPa),很易发生CT卡住,需要仔细考虑CT的每一步作业。可在RIH过程中泵入氮气以减小CT中的静水压力且使得通过CT的输送管较小,这样可避免这类问题的发生。

图2 输送管卡钻示意图

(2)CT在井内螺旋弯曲及锁住

这是水平裸眼井中CT最严重的问题。影响CT运移的一个最主要的因素是接触摩擦。当水平地压CT时,CT被挤压,而与井壁接触。在连续施压的过程中,CT最终成为螺旋形,且把轴向载荷完全传递给井眼 (图3)。在接触点,CT的运移只是进一步挤压管柱,而不会传递部分外力到CT的末端。减小接触摩擦可增加CT延伸的长度,但不会到达目的深度。使用连接在CT井下工具组合(BHA)上的一个牵引机可使CT到达 TD(图4)。

图3 CT的螺旋形弯曲

图4 采用牵引机的数值模拟结果

2.3 CT管柱的选择

从前面的分析中可以看出,由于CT可实现较高的注入速率,这样最好的充填作业须使用CT。然而CT在裸眼井水平段的可达性有限。数值模拟显示,即使使用降阻剂和牵引机,2 in的CT也不能到达 TD,故所选的CT管柱应为

2.4 牵引机

如图5所示,水力牵引机由连接在两轴总成之间的控制总成 (CA)组成。用中心流动通道 (由CT提供)和牵引机位置处的环形空间之间的压差来给牵引机提供动力而控制它。CA的进口阀是通过压力来开/关,实际是通过预设的压差值来实现,一般的压差值为700～1 000 psi。进口的开/关阀带有一个读数显示器,这样仅当交变压力循环 (允许牵引机在运行时停止)时打开。按照CA的顺序,夹持器/联轴筒总成在联轴上同时向相反方向运动,例如,它们或者向轴的工具接头方向或向着CA的方向运动。

图5 牵引机结构示意图

液压阀密封在CA中,CA的每一端连着一个液压缸而形成夹持元件 (夹持器)。只要液压缸允许,向井底运动时,大部分液压缸的底座可延伸远至井底。当液缸的冲程到达一端时,夹持器沿径向向外扩张而抓住地层。一旦夹持器牢牢嵌入地层时,液压缸改变方向而推动CA和CT沿井眼向下而运动一段冲程的位移。当液压缸到达冲程的末端时,上部的夹持器沿径向打开而嵌入地层。这样与其对应的液压缸推动CA和CT向井眼向下运动一段冲程的位移。当液压缸冲程处于上端时,重复前面的动作。一旦达到 TD,向蛇形管柱中投入一个最佳大小的球使液压牵引机与循环的流体介质隔离。

2.5 降阻剂

使用的降阻剂是一种高分子共聚物:2-氨基,2-甲基-丙醇 (AMPS),是基于水基酸化液配制而成。当在循环井后RIH的过程中,泵入大量的氮气。这种白色不透明的液体与阴离子及非离子表面活性剂是配伍的。泵入降阻剂后具有如下好处:

◇减小CT与套管间的摩擦阻力,CT与地层之间的摩阻降低为原值的80%左右;

◇支撑CT的质量而防止CT变小 (图6);

◇由于较低的地面施工压力,使得水力功率更小,这样允许注入速率更高。

2.6 施工过程

一些酸化专家进行了大量的矿场及室内实验,最终得到了达到TD的最佳方案。施工中共泵入5

800 bbl的处理液。其设计和施工的基本过程如下:

◇安装CTU,进行CT接头的牵引试验,测试注入端压力直至80 000 lb(1 lb=0.454 kg);

◇组装BHA与CT牵引机,连接管柱,在CT的BHA上进行功能测试;

◇以0.25 bbl/min的注入速率,约每1 000 ft注入水时,CT的RIH平均速度为40 ft/min;

◇在1 000 ft井段的套管上进行牵引试验,以确保从井中起出的重力应小于喷射泵的最大牵引能力;

◇到达衬管鞋后,开始泵入降阻剂,其用量为每1 500 ft的井段20 bbl;

◇将CT固定在14 872 ft的位置 (锁住点),在此位置进行牵引试验,其牵引力达到29 000 lb;

◇为得到更多的牵引试验结果,向上拉动CT离开锁住点100 ft;想继续向上拉动没有成功;

◇当井口压力达到2 200 psig时启动牵引机,此后以2.2 bbl/min的速率泵入;

◇CT通过锁住点,继续延伸到达 TD 16 190 ft,其中水平段长度为9 448 ft;

◇在TD处进行牵引试验,其重力为30 000 lb;

◇释放一0.25 in的着陆球来打开牵引机上部的流通路径,这样可以隔开牵引机;

◇当从井中起出时,开始泵入处理液。

3 效果

3.1 牵引机及降阻剂的特性

在RIH时,降阻剂有助于维持CT的质量。第一批降阻剂将CT的质量从10 000 lb增加到11 500 lb。在14 872 ft的位置 (锁住点)牵引机启动,产生大约10 000 lb的推力 (图6)。该力能使CT通过锁住点而到达 TD。

图6 质量与深度关系

3.2 对比

这口井使用了降阻剂、牵引机及最佳的施工设计,使得CT能100%覆盖整个层段,而其他2口井的覆盖率分别为56%和78%(图7)。

图7 设计深度与最大进深对比

4 结论

这是一次最成功且有挑战性的施工作业,由此得到如下的启示:

◇在沙特阿拉伯国家石油公司历史上,这次施工刷新了裸眼井段CT长度的记录;

◇较DP而言,使用牵引机和降阻剂来实现CT增产是一个新颖的、更成功的、更节约成本且更安全的工艺;

◇该技术不仅适用于增产作业,也可用于其他作业,这样可无需使用昂贵的钻机;

◇所得到的油井资料 (完井报告、井斜评价、摩擦系数)很重要,可以用来预测裸眼井段的状况;

◇要得到一份较好的施工方案,数值模拟和相邻井的资料是必不可少的;

◇必须在地面及RIH过程中进行牵引测试,以确保将来的正常施工作业;

◇牵引机能提供高达10 000 lb的推力,这样可避免任何锁住现象;

◇在CT和地层之间,正确设计降阻剂用量和每个处理层段,可大大降低摩阻;

◇用氮气来循环可减小输送管卡住发生的几率,也可增加浮力;

◇为了避免发生CT锁住,可不必在裸眼井段进行牵引试验;

◇一旦锁住,回拉使CT受疲劳应力最小,而要通过该锁住点,可给CT施加更大的重力;

◇重力与深度的关系曲线可实时显示牵引机与降阻剂的效率。

10.3969/j.issn.1002-641X.2010.01.011

资料来源于美国《SPE 117062》

2008-11-23)