蛇形井技术在Champion West油田的应用＊

张卫东吴彬彬李岩

(1.中国石油大学 (华东)石油工程学院;2.华北油田勘探开发研究院; 3.中国石油工程设计有限公司华北分公司)

蛇形井技术在Champion West油田的应用＊

张卫东1吴彬彬2李岩3

(1.中国石油大学 (华东)石油工程学院;2.华北油田勘探开发研究院; 3.中国石油工程设计有限公司华北分公司)

蛇形井技术是壳牌公司于2001年提出的一项复杂的钻井技术。详细叙述了蛇形井技术的由来、优势及其存在的局限性和发展面临的挑战,并结合Champion West油田蛇形井技术的成功应用,介绍了成功实施蛇形井的一些关键过程。最后针对蛇形井技术的特点,说明了蛇形井适用的油藏特征,并根据我国薄层状油藏的开采现状,指出了蛇形井技术在这些油藏的适用性。

蛇形井 薄层状储层 技术应用 Champion West油田

在油价波动起伏的今天,在大部分易采大块油藏已到开发后期的背景下,人们开始关注地质条件更为复杂的储层,其中薄层状油藏就是这一类。之前针对薄层状油藏采用的钻井技术主要有水平井技术、多分支井技术等。但由于Champion West油田复杂的储层构造条件,这些技术都不适用,直到壳牌公司提出了蛇形井技术,才使得该油田的开发步入正轨。

1 蛇形井技术

蛇形井可以定义为[1]:像正弦曲线形状,水平地穿过储层内的页岩和砂岩层 (图1)。蛇形井应满足以下两个条件:

(1)通过一个单井眼能够在一个层状油藏的任一砂岩层有多于三个的排油点。

(2)利用割缝衬管、封隔器和分隔控制阀(ICV)等完井,实现井眼的清洁、含水层的分隔和油井生命周期内 (水突破前)更好的油藏管理。

蛇形井技术是由文莱壳牌石油公司 (BSP)于2001年提出的,第一口蛇形井于2003年在BSP的Iron Duke油田钻成。目前世界上钻成的最长、最具挑战性的蛇形井是位于Champion West油田的CW-31井。

由于Champion West油田储层埋藏在海床以下深达2 mile(1 mile=1.609 km),而且分散成上百个小油藏,钻井开发成本太昂贵。该油田的储层是薄层状的,分层化现象非常明显。对于层状储层的开采,该油田采用的是常规方法。最简单的方法是钻一口垂直井,Champion West油田的第一口井就是垂直井。这种井的采收率很低 (而且需要注入大量的驱替液),很容易引发气锥或水锥现象。相对于垂直井而言,斜井有更好的驱替效率,但仍然需要注入大量的驱替液,因此开发成本很高。在Champion West油田有很多口斜井开发井,但它们在每个砂岩层仍然只能提供一个排油点。多分支井能够增加排油点的数量,但由于该油田复杂的地质构造特征,多分支井不仅在技术上实施困难,经济上也花费巨大。

图1 蛇形井示意图

Champion West油田发现后,由于没有找到合适的开采方法,几乎30年的时间没有进行开发,直到壳牌公司提出了蛇形井技术[2]。蛇形井技术使得井眼像蛇前行一样钻过储层,能够在每个砂岩层段产生多个排油点,实现跟多分支井相似的排油模式,但花费和复杂程度却低于多分支井。

蛇形井能够提供储层更多的排油点,从而增加了排油面积,与至少3～4口短水平井和3～5口常规井的排油效果相当,提高了油田的最终采收率。从单位技术成本、采收率等方面考虑,蛇形井技术比多分支井技术更为可行。

蛇形井技术也存在很大的风险性,特别是当水平部分 (蛇形段)很长 (如超过1000 m)时,会存在下面一些问题[3-4]:

(1)水平井段的趾端采收率很低。油田经验表明,清洗长的水平井眼段非常困难,分布式温度测量 (DTS)数据表明,通常不能对超过1 000 m的水平段成功进行井眼清洗作业,井趾端的流动性会变得很差。

(2)水平井段的跟端很早出现水/气侵入。生产期间,井跟端的压降要大于井趾端,因此井跟端有过早水/气侵入的风险,这会严重影响最终采收率。

(3)钻进过程中意外钻出靶区。在含油砂岩层,常常有很多的地质不确定性。钻进过程中,由于地质、勘探的不确定性造成的意外钻出靶区,可能导致井眼进入邻近的含水层。这会导致提前产水,降低产油量,很可能影响井的最终采收率。

(4)实时解释时,弯转段和不确定的测井数据容易造成地层缺失的风险。

(5)水平段井眼的损伤和过度冲洗等。

2 蛇形井的实施

Champion West油田 (以下简称 CW油田)位于距文莱大约 90 km的海上,在冠主油田(Champion Main Oilfield)北偏西北7 km,铁公爵油田东北 10 km处。储层埋藏深度 2 000～4 000 m,油藏压力范围为20～60 MPa,温度为80～120℃。它是文莱主要的油田之一,约占文莱石油储量的40%。

CW油田由许多分层严重的层状油藏组成,含油的流体不稳定,并有很多狭长的断层带,油带很薄,分格化现象严重,由1000多个垂向分层的小油藏组成。由于储层垂直方向自然堆叠,而且构造倾斜,在开发初期设计师就认为需要一种跟常规井有本质区别的设计。由于层状储层数量众多,从花费和复杂性考虑,多分支井不是一种最佳的选择。也考虑过常规的水平井,但如果要开采所有的主要砂岩层,则需要数量众多的井,这也不是一个最佳的选择。

CW油田储层构造的复杂性需要寻找一种新的钻井方法,能够开采所有的储层。答案就是像蛇前进一样钻过各水平储层段,穿过一层层含油层,并通过智能井将井分成许多独立的区间,每个区间都能实现各自的远程压力、温度测量和流量控制。每个单独的区间由单独的ICV控制,并根据预定生产参数对这些控制阀进行远程控制。

2.1 井眼轨迹和狗腿度控制

由于需要重复钻过同一含油层,而且要避免井眼进入邻近的含水层,因此钻井过程中的井眼轨迹和狗腿度控制非常重要。

CW油田第三阶段开发井的地层压力大部分都是刚刚超过静水压力,因此钻井液的最大密度为1.33 g/cm3或关井套管头压力为0.5 MPa。这些井的套管设计比较简单,将(1 in=25.4 mm)套管鞋以90°倾角置于靶区即可。

由于储层的砂岩层压实良好,不需要防砂设备。因此,事先将一个钻前7 in衬管下入井中,保持一个良好的通道,以方便之后的智能完井。在需要的井段,可以下入空管,结合管外膨胀式封隔器,可以实现层位分隔,方便油藏管理。

为了能够在预定井眼长度内达到计划的井眼弯转,井眼轨迹设计得越平滑越好。套管鞋要安置在一个特殊的方向,从而能够在水平储层段内钻出预定的拐点。拐点位置的确定要使储层构造内排油点数量最大化。轨道的狗腿度要控制在1°/10 m内,避免摩阻扭矩的增加。

当摩阻扭矩值接近于钻杆的最大扭矩承受能力时,意味着拐点的数量达到了最大值。经验表明,井眼长度受限于水平层段的拐点数量。图2表示了CW-31井的井眼轨迹和拐点数量。

图2 CW-31井轨迹平面图及拐点

可以实时评价井眼轨道,并在钻进过程中作出一些修改。地质学家可以根据由钻头上安置的伽马射线测井仪得到的LWD数据,快速作出决策。

2.2 钻井液系统

由于分离井口系统的最大井眼内径为14.495 in,井眼的一开部分由8⅟2in定向钻头钻成,使用1.15°弯外壳钻井液电动机达到定向目的。之后利用偏心扩眼器将定向井眼扩眼至16 in。16 in井眼部分存在的问题不是很多,除了在一些井的浅层出现严重的泥包现象,用稀释和泵入液体的方法来处理这些泥包现象。

2.3 钻硬地层井底钻具组合的选择

钻进时经常会遇到硬地层带。一旦遇到钻速突然下降,就要降低流量以免冲垮硬地层带周围的地层。为了保持钻压,需要降低转速。

一旦钻头完全进入到坚硬地层中,钻压就会上升,这时要保持转速和钻井液的流量。当钻头钻出硬地层带时,钻速将会增加,同时可能会出现其他钻井参数的波动。当允许钻压加大到一定程度时,流量要保持较低的水平,以免冲垮硬地层下的地层。一旦钻头完全钻出硬地层,需要重新调整参数。然而,由于侧向振动和钻速的突然增加,钻出硬地层有时比钻入更为复杂。这些影响可能会造成井眼台阶状,因为钻头可能会悬在这些台阶上,破坏了井眼形状,而钻头的一部分仍然在钻坚硬地层。

通常会通过一到两次的起下钻钻完12⅟4in套管段。选择了七刃长钻头来钻这些延长段。一项将16 mm和13 mm刀刃结合的新技术延长了钻头寿命,减少了起下钻时间。

设备中附加的旋转扩眼器和振动短节极大地减少了振动和横向冲击。

8⅟2in段使用了刃长13 mm的七刃钻头。设计减少了卡钻事故,使一次起下钻完钻的井眼更长,而且更好地保护了钻头。相对于高效钻头,选用了长而平面光滑的钻头。井眼最后井段的钻头选择要考虑的因素:轴向和径向上的低振动;刀片的使用寿命;合理的钻速;一次起下钻钻完该段。

2.4 井眼清洗和扩眼

对于大位移井来说,井眼的清洗工作很重要,蛇形井中尤其如此。在CW油田的蛇形井中,最难清洗的一段是8⅟2in套管段部分。这些层段是用旋转导向系统结合扩眼器完成的,井眼被扩至9 in。CW油田中优先使用的扩眼器是水力驱动的,带有一个方便收回的落球系统。

在将井眼由8⅟2in扩至9 in的同时,要达到下面的目的:设备能够返回;流量增大时,当量循环密度要降低;在不需要达到层间分隔目的的完井作业中,可以使用带有膨胀式封隔器的7 in割缝衬管。

蛇形井采取智能完井的一个最初目的也是为了能够对长水平段进行高效的清洗工作。当开始清洗工作时,将第一个ICV(位于水平井跟端)打开,然后开始清洗这一段。几小时之后,第一段关闭,打开第二个ICV进行第二段的清洗工作,如此进行下去。DTS信号可以保证沿井眼进行合理的清洗。智能完井保证了长达4 000 m的水平段的清洗,从而保证了流体的流动。图3是未来水平井段岩屑排出的一幅想象图。

图3 传送带清洗水平段井眼岩屑概念图[5]

2.5 完井

CW油田第三开发阶段的井都采取了智能完井。典型的智能完井装备有流量控制阀、永久性井下压力/温度测量计 (PDHG)和DTS。之前曾经使用了可以从陆上或现场进行控制的水力式流量控制阀;最近安置的流量控制阀包括一种多方位式阀门,可以实现各分隔区的压力平衡。最早的DTS系统同时包括单向和双向光纤电缆,然而最近的DTS系统使用的是预先安装的光纤。这些光纤是随着完井管柱进入井内的,这样当完井作业完成后,就不需要额外的光纤放入作业。图4是CW油田典型的蛇形井智能完井简图。

图4 CW油田蛇形井智能完井简图

安置智能完井中复杂的仪器要花费很长的时间,有时对于一些很复杂的设计甚至要花上几天的时间。同时需要高精度的摩阻扭矩模型模拟,以保证能够一次性将智能完井装置下入井底。由于需要一次性进行成功的完井作业,需要事先将一段钻前衬管下入井眼内,以确定井眼的通畅;并需要在正式完井作业前进行摩阻模拟。在钻前衬管的下入过程中,将降阻剂加入到完井液中,以使摩阻系数达到可接受的程度。

最初完井时要刺穿用来提供层间隔离的密封环。然而,为了避免刺穿这些密封环时造成油管弯曲,随着完井长度的增加,使用了膨胀式密封设备。这大大减少了完井耗费时间,降低了完井所需的空间要求。

用来监测沿油管温度分布的DTS,在压力测试中或是使用环形气举系统的开井阶段能够确定气举阀泄漏的位置。泄漏点对应的温度分布线会出现偏移,因此可以精确地确定气举阀泄漏的位置。由于最多可以在这些完井中安装13个气举阀,DTS提供的这种信息大大减少了故障排除时间。

3 蛇形井技术成功的关键

从冠西方油田蛇形井的实施来看,成功的关键因素有:

◇利用最新技术进行定向控制与测量;

◇在保持小的狗腿度条件下,按预定轨迹完钻;

◇记录所有钻进参数,在扭矩/阻力等模型中进行模拟;

◇钻某一层段时,保持钻井液密度和组分的恒定;

◇严格按计划、步骤对井眼进行清洗,不能走捷径;

◇使用实时LWD数据,减少由于地质不确定性等因素引起的风险;

◇进行多学科讨论,如钻井、完井、油藏工程等不同技术领域内的交流。

4 蛇形井技术的适用性

当今我国油气资源整装大油田越来越少,剩余油资源的品质越来越差,我国已开发数十年的玉门、大庆、胜利、中原、四川、延长、新疆等老油田中夹层、薄油层、低压低渗透低产储层、难产储层、非均质储层越来越多,钻井施工难度大、速度慢、周期长、成本高、单井产量低,成为制约老油田开发的瓶颈。

目前针对中夹层、薄油层的开发,采用的钻井手段主要有水平井钻井技术、阶梯水平钻井技术、地质导向钻井技术等。阶梯水平井在大庆外围油藏的开采中扮演了重要角色,自2003年以来,在肇州油田先后完成了26口阶梯水平井[6]。西部塔河油田部分低幅圈闭具有油层薄、夹层多、储层纵横向上非均质性严重、底水极易钻进、油藏开发效果差的特点,地质导向技术在其开采中起到了非常大的作用[7]。

对比水平钻井技术、阶梯水平井技术、导向钻井技术等,蛇形井技术可以看作是这些技术的一种综合。由于我国各大油田均存在不同程度的油层非均质性,而且某些油田的储层分层化现象比较严重,对比CW油田,理论上而言蛇形井技术可以应用于我国薄层状油藏的开发。

5 结束语

蛇形井技术在CW油田的成功应用,表明了其在开发薄层状、复杂构造油藏方面的优势。目前我国在水平钻井等单项技术的应用发展快速,但对复杂的蛇形井却缺少研究。我国的科研院所、石油公司应该在发展目前技术的基础上,与壳牌公司进行交流与合作,实现技术的合作、引进,并最终达到自主创新。

[1]Aidiradiman Haji Johan,Kirby Schrader.Combination of snake well design &smart Completions:key enablers for Champion West development[C].the SPE Asia Pacific Oil and Gas Conference and Exhibition, Perth,Australia,18-20 October,2004.

[2]邹平.壳牌推广文莱油田蛇形井成功开发经验[J].国外测井技术,2007,22(4):77.

[3]Obendrauf W,Schrader K,Al-Farsi N.Smartsnake wells in Champion West—expected and unexpected benefits from smart completions[C].SPE Asia Pacific Oil&Gas Conference and Exhibition,Adelaide,Australia.11-13 September,2006.

[4]Bacarreza L,Hornabrook C,Chong Chuan Khoo,et al. The snaking wells in Champion West,offshore Brunei.bestPractices forERD Well Construction[C]. IADC/SPE Asia Pacific Drilling Technology Conference and Exhibition.Jakarta,Indonesia.25-27 August, 2008.

[5]Peter Bakker,etc.Appraisal and development of thin oil rims using the smart field approach,An example from Champion West,Brunei[C].the 2009 SPE Asia Pacific Oil and Gas Conference and Exhibition.Jakarta,Indonesia.4-6 August,2009.

[6]邹野,何俊才,闫玉良.薄层阶梯水平井钻井技术[C].中国石油天然气集团公司水平井技术交流及工作部署会议,2005.

[7]周明才.地质导向钻井破解薄层勘探开发难题[J].国外测井技术.2007,22(6):76-77.

10.3969/j.issn.1002-641X.2010.10.008

2009-01-19)

中国石油华北油田分公司2007年院所合作科技项目“勘探开发前缘技术研究”(编号:HBYT-Y J Y-2008-JS-6)部分内容。