隴東X平臺(tái)頁巖油水平井減摩降阻配套技術(shù)研究與應(yīng)用

李曉明,倪華峰,蘇興華,詹 勝,許祥見

(1.中國石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司 長慶鉆井總公司,陜西 西安 710018;2.中國石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司 長慶井下技術(shù)作業(yè)公司,陜西 西安 710018)

引 言

隴東頁巖油儲(chǔ)層埋深在1 900 m左右,因?yàn)榈孛矖l件特殊,井場(chǎng)平臺(tái)、道路和原油集輸管網(wǎng)建設(shè)費(fèi)用大,并且水力壓裂技術(shù)要求高。采用大平臺(tái)工廠化開發(fā)方式可以統(tǒng)籌資源、一體化共享運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)鉆井、壓裂的流水化作業(yè),實(shí)現(xiàn)頁巖油的高效開發(fā)[1-4]。隨著大偏移距水平井鉆井技術(shù)的進(jìn)步和長水平井多段水力壓裂技術(shù)的日趨成熟,隴東頁巖油大平臺(tái)工廠化開發(fā)已經(jīng)成為主要開發(fā)方式。但隨著平臺(tái)布井?dāng)?shù)量增多,水平井偏移距已經(jīng)從初期的300 m左右增大到1 000 m左右,水平段最大長度超過2 000 m,且大偏移距水平井?dāng)?shù)量越來越多。前期主要采取了軌道優(yōu)化、鉆具組合優(yōu)化和鉆井液優(yōu)化技術(shù),但在大偏移距水平井水平段鉆進(jìn)過程中存在托壓嚴(yán)重,井壁失穩(wěn)時(shí)有發(fā)生,鉆井周期偏長[5-6]。以隴東X平臺(tái)頁巖油水平井施工為例,重點(diǎn)研究了基于軌道優(yōu)化的鉆具組合優(yōu)選、鉆柱扭擺滑動(dòng)鉆進(jìn);在鉆井液體系優(yōu)化的基礎(chǔ)上,應(yīng)用鉆井液信息技術(shù)智能分析系統(tǒng)的實(shí)時(shí)鉆井液性能快速調(diào)整輔助決策,形成隴東大偏移距頁巖油水平井特色減摩降阻配套技術(shù)。

1 隴東 X平臺(tái)大偏移距水平井施工難點(diǎn)

1.1 施工難度分析

X平臺(tái)采用“工廠化”叢式井布局,共25口水平井,最大偏移距1 179.5 m,最大靶前距1 150.99 m,井身結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為僅有表層和生產(chǎn)套管的二開完井,其中施工難度大的大偏移距水平井6口,具體參數(shù)見表1。

表1 X平臺(tái)大偏移距水平井參數(shù)Tab.1 Parameters of large offset horizontal wells on platform X

表1中,偏移距為井口到水平段的垂直距離;偏移比為偏移距與垂直靶前距比值;偏垂比為偏移距與有效垂深的比值;位垂比為最大位移與有效垂深的比值;糾偏難度系數(shù)定義為反映大井斜角長井段穩(wěn)斜扭方位施工中軌跡控制難度的參數(shù)[7],其與穩(wěn)斜扭方位段長度和最大井斜角相關(guān)。其中的有效垂深是指靶點(diǎn)垂深與表層深度的差值,最大位移為靶前距與水平段長度之和。

上述參數(shù)中,偏移比越大,則摩阻越大;偏垂比越大,則相應(yīng)的施工量和施工難度越大。通常,偏垂比大于0.3的井稱為大偏移距水平井,位垂比越接近1則摩阻越大。糾偏難度系數(shù)主要反映了大井斜角長井段穩(wěn)斜扭方位施工中軌跡控制難度,糾偏難度系數(shù)大,則需要根據(jù)實(shí)際剖面設(shè)計(jì),對(duì)井底鉆具組合、施工工藝和施工參數(shù)進(jìn)一步優(yōu)化才能實(shí)現(xiàn)良好的軌跡控制,為水平井著陸創(chuàng)造條件。

1.2 大偏移距水平井摩阻主要影響因素分析

在X平臺(tái)大偏移距頁巖油水平井施工中,因?yàn)榫斫Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為二開完井,存在超長裸眼段,施工時(shí)間長,井壁穩(wěn)定要求高;從造斜到著陸段需要增斜扭方位“消偏”鉆進(jìn),軌跡控制難度大,而水平段鉆進(jìn)中的鉆柱摩阻偏大,嚴(yán)重影響鉆井施工;并且旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)模式下,嚴(yán)重交變應(yīng)力還容易導(dǎo)致鉆具發(fā)生疲勞破壞[8]。

圖1為X平臺(tái)X-3井實(shí)測(cè)摩阻隨水平段長度的變化,在水平段1 100 m時(shí)上提下放摩阻均已達(dá)到50 t,水平段大于1 000 m后,摩阻變化趨于平緩。

圖1 水平段長度對(duì)摩阻的影響Fig.1 Effect of horizontal section length on drag

大平臺(tái)布井?dāng)?shù)量多,大偏移距不可避免,且大偏移距對(duì)于摩阻有重要影響。圖2為水平段為1 000 m時(shí)不同偏移距對(duì)摩阻的影響理論計(jì)算結(jié)果。

圖2 偏移距對(duì)摩阻的影響Fig.2 Effect of offset on drag

從圖2看出,隨偏移距增大,起鉆摩阻增加較多,相應(yīng)的下鉆摩阻也隨偏移距增大而增加,但增加幅度較小。同時(shí)理論計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)也表明,大偏移距水平井摩阻來源可以分為兩部分：受偏移距影響較大的“消偏”井段摩阻和與水平段長度相關(guān)的水平段摩阻。

從摩阻分析看,起鉆對(duì)造斜段井壁穩(wěn)定有明顯的影響,尤其是在“消偏”井段。在水平段頁巖油儲(chǔ)層鉆進(jìn)中,還需要提高鉆井液抑制性防止井壁垮塌。大偏移距水平井對(duì)鉆井液性能要求高,要求鉆井液具有良好的抑制性和潤滑性。

總體上,大偏移距頁巖油水平井井身結(jié)構(gòu)特殊且施工難度大,在“消偏”鉆井過程中需要增斜扭方位,控制軌跡難度大,且鉆井周期長,在軌跡優(yōu)化、鉆具組合優(yōu)化的基礎(chǔ)上,要求鉆井液具有良好的適應(yīng)性。

2 減摩降阻關(guān)鍵技術(shù)

2.1 井眼軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)與軌跡控制

大偏移距水平井井眼軌道設(shè)計(jì)時(shí),彎曲井段狗腿度對(duì)摩阻影響較大。應(yīng)用Landmark和國產(chǎn)鉆井設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行起下鉆摩阻分析表明,沿用“直—增—雙穩(wěn)—增(扭)—平”五段制或“直—增—雙穩(wěn)—穩(wěn)(扭)—增(扭)—平”6段制剖面設(shè)計(jì),對(duì)于大偏移距水平井,摩阻較大。從控制彎曲井段狗腿度,對(duì)井身剖面作進(jìn)一步優(yōu)化,確定了大偏移距“直—增—雙穩(wěn)—穩(wěn)(扭)—增(扭)—增—平”7段制剖面(圖3)設(shè)計(jì)模式。進(jìn)一步計(jì)算分析表明,采用“七段制”井身剖面,大偏移距水平井摩擦系數(shù)可降至0.2左右,降摩減阻效果明顯。

圖3 “七段制”井身剖面Fig.3 Profile of "7 sections" wellbore

通過軟件分析計(jì)算,控制造斜井段全角變化率小于6.5°/30 m,扭方位和增斜段全角變化率小于5°/30 m,穩(wěn)斜段和水平段全角變化率小于3°/30 m,摩阻較小,并在工程實(shí)踐中得到證實(shí),能滿足目前工藝下的軌跡控制技術(shù)要求。進(jìn)一步研究表明,對(duì)于偏移距偏大的井,也可采用在穩(wěn)斜扭方位段之后增加穩(wěn)斜段的 “八段制”剖面,增加“消偏”段的富余量,防止因?yàn)椤跋毙纬绍壽E拐點(diǎn)導(dǎo)致摩阻增加,提高方位調(diào)整的靈活性。

理論計(jì)算結(jié)合監(jiān)測(cè)結(jié)果分析表明,在滑動(dòng)、復(fù)合鉆井模式交替鉆進(jìn)時(shí),會(huì)形成微臺(tái)階,增大摩阻[9]。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆進(jìn)時(shí)軌跡平滑,摩阻扭矩更小[10-11],在增斜扭方位井段使用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆進(jìn)較為有利。

2.2 隴東X平臺(tái)頁巖油水平井鉆井液技術(shù)

鉆井液體系對(duì)于井壁穩(wěn)定、降摩阻和提高鉆井時(shí)效具有重要影響,要求鉆井液具有良好的抑制性和潤滑性,是大偏移距水平井鉆井成敗的關(guān)鍵。

出于成本控制和技術(shù)可行原因,隴東頁巖油水平井鉆井中通常選用高性能聚合物水基鉆井液[12]。綜合前期的工程應(yīng)用研究,在成熟體系的基礎(chǔ)上,采用正交試驗(yàn)分析方法進(jìn)一步優(yōu)化了X平臺(tái)大偏移距水平井各井段的無機(jī)/有機(jī)鹽高性能聚合物鉆井液體系配方。在直井段和斜井段采用0.2%K-PAM+0.15%PAM+0.1%～0.2%XCD+0.5%PAC-LV+3%KCl+1%潤滑劑,其特點(diǎn)是低黏度、高切力,重點(diǎn)解決鉆井液攜砂能力,同時(shí)兼顧防塌和降摩阻;在井斜40°到水平段著陸前,轉(zhuǎn)化為0.2%K-PAM+0.2%XCD+0.5%PAC-LV+0.3%BLA-HV+1%ZDS+3%KCl+3%～4%HCOOK+1.5%潤滑劑,根據(jù)井下情況,可加入一定量預(yù)水化白土漿,進(jìn)一步提高鉆井液攜砂性能;在水平段采用0.05%K-PAM+0.15%XCD+0.5%PAC-LV+0.3%BLA-HV+1%ZDS+3%～4%KCl+3%～5%HCOOK+2.5%潤滑劑+WT2加重劑,重點(diǎn)是降摩阻,強(qiáng)化攜砂。

在實(shí)際的現(xiàn)場(chǎng)施工中,除增加鉆井液性能監(jiān)測(cè)外,還應(yīng)用了長慶鉆井總公司研發(fā)的基于油田大數(shù)據(jù)的鉆井液信息技術(shù)智能分析系統(tǒng)進(jìn)行輔助決策。應(yīng)用該系統(tǒng)的“井下事故復(fù)雜GIS分析”模塊功能,通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析對(duì)“巖屑床”、“井壁垮塌”、“粘附卡鉆”、“井漏”、“沉砂”、“井涌”、“井漏”等事故復(fù)雜情況預(yù)警;通過對(duì)鄰井及同區(qū)塊類似的事故復(fù)雜情況的GIS多維分析和對(duì)比分析,快速給出鉆井液處理具體措施和其他工程應(yīng)對(duì)措施。鉆井液信息技術(shù)智能分析系統(tǒng)的應(yīng)用,對(duì)于及時(shí)識(shí)別和消除井下事故復(fù)雜隱患,保障安全施工起到了重要的作用。

2.3 優(yōu)選鉆具組合

前期研究和工程實(shí)踐表明,采用普通加重鉆桿與倒劃眼扶正器、巖屑床清理器等特殊工具組合能夠有效清潔井眼,減摩降阻。在造斜段,選用柔性斜坡鉆桿減小與井壁摩擦;在小井斜段,采用倒裝鉆具方式安裝加重鉆桿以預(yù)防阻卡;在水平段采用無磁承壓鉆桿或加重鉆桿,減少穩(wěn)定器和鉆鋌的使用,減小鉆具重量和與井壁接觸面積來降低摩阻,同時(shí)加裝振蕩器解決托壓和降低摩阻[11]。

通過井底鉆具組合力學(xué)特性分析計(jì)算,確定了X平臺(tái)大偏移距水平井的優(yōu)化井底鉆具組合如下：斜井段Φ215.9 mmPDC(0.35 m)+Φ177.8 mmPDM(1.50,7.01 m)+回壓閥(0.47 m)+MWD(0.88 m)+無磁抗壓鉆桿(9.27 m)+Φ127 mmDP(3柱)+水力振蕩器(2.2 m)+Φ127 mmDP,水平井段Φ215.9 mmPDC(0.35 m)+Φ177.8 mmPDM(1.250,7.01 m)+回壓閥(0.47 m)+球扶(1.0 m)+MWD(0.88 m)+無磁抗壓鉆桿(9.27 m)+Φ127 mmHWDP(3柱)+Φ127 mmDP。

實(shí)際施工中,在斜井段鉆進(jìn)中采取鉆柱扭擺滑動(dòng)鉆進(jìn)。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)摩阻、扭矩,反演摩擦系數(shù),通過摩阻、扭矩計(jì)算判斷鉆柱是否進(jìn)入臨界屈曲狀態(tài),必要時(shí)實(shí)時(shí)調(diào)整鉆具組合和鉆井液性能

2.4 漂浮下套管優(yōu)化技術(shù)

漂浮下套管可降低摩阻,選用合理的漂浮接箍安裝位置可有效降低下套管摩阻[13-14]。在X平臺(tái)大偏移距水平井下套管施工中,通過不同長度漂浮段套管的上提、下放摩阻的反演計(jì)算,獲得下套管過程中的大鉤載荷 (圖4),由此確定合理的漂浮段套管長度。

圖4 不同漂浮套管長度下的大鉤載荷Fig.4 Hook load under different floating pipe length while casing running

3 現(xiàn)場(chǎng)施工

在X平臺(tái)大偏移距頁巖油水平井施工中,X-1井偏移距最大、糾偏難度系數(shù)大。而同平臺(tái)的X-4井,偏移距為344.2 m、偏移比0.64、偏垂比0.2、糾偏難度系數(shù)2.14,施工難度較小。

在X-1井施工中,從軌道設(shè)計(jì)、鉆井液性能改善等方面系統(tǒng)應(yīng)用了上述減摩降阻關(guān)鍵技術(shù)。對(duì)比分析施工難度最大的X-1和采用常規(guī)施工且施工難度一般的X-4井二開后上提下放摩阻監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(圖5),X-1井減摩降阻效果明顯,鉆完井過程施工順利,未發(fā)生卡鉆、鉆進(jìn)托壓、套管下放遇阻等現(xiàn)象。

圖5 減摩降阻效果對(duì)比Fig.5 Drag reduction effect when drill string runing in and pulling out

同時(shí),在該平臺(tái)鉆井施工中,應(yīng)用鉆井液信息技術(shù)智能分析系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控施工狀況,按照預(yù)警提示與建議措施,多次及時(shí)調(diào)整鉆井液性能,避免了潛在的井下事故復(fù)雜,保證了鉆井時(shí)效。

4 結(jié)論與建議

(1)大偏移距頁巖油水平井施工中,在滿足當(dāng)前軌跡控制技術(shù)前提下重點(diǎn)優(yōu)化增斜扭方位井段,采用“七段制”井身剖面降摩阻效果較好。

(2)優(yōu)化確定了隴東頁巖油大偏移距水平井造斜段、大井斜段和水平井段的無機(jī)/有機(jī)鹽高性能聚合物鉆井液體系配方,適應(yīng)性良好。

(3)鉆井液信息技術(shù)智能分析系統(tǒng)能在事故復(fù)雜預(yù)警和快速調(diào)整鉆井液性能方面發(fā)揮積極作用。