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加拿大致密气藏长水平段工厂化钻完井技术

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加拿大 致密 气藏长 水平 工厂 化钻完井 技术
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第 36 卷 第 2 期2014 年 3 月石 油 钻 采 工 艺 36 22014文章编号: 1000 – 7393( 2014) 02 – 0007 – 05    1. 中国石油海外勘探开发公司,北京 102235;2. 中国石油勘探开发研究院廊坊分院,河北廊坊 065007 )引用格式: 辛俊和,吴广义,张华北 . 加拿大致密气藏长水平段工厂化钻完井技术 [J]. 石油钻采工艺, 2014, 36( 2): 加拿大白桦地项目是中石油与壳牌合作开发的非常规致密气项目,该地区致密气的开发以长水平段的水平井为主,平均水平段长度为 2 200 m,最长水平段长度达到 3 600 m。采用工厂化钻完井技术施工,即批量钻井、批量压裂等新型钻完井作业模式,并配以高效实用的常规导向或高新的旋转导向钻井技术、高效 头和油基钻井液,不仅提高了作业效率,降低了作业成本,也更加便于施工和管理,特别适用于非常规油气资源的开发作业。关键词:加拿大;非常规油气;致密气藏;水平井;长水平段;工厂化钻完井中图分类号: 文献标识码:in . il 02235, 2. 65007, isoninis by an 200m a of soorDCis 辛俊和, 1956 年生。1982 年毕业于西南石油学院,现从事钻完井技术研究及科研管理,教授级高级工程师。电话: 010通讯作者 : 吴广义,电话:010致密气在砂岩和碳酸盐岩中均有发现,通常指孔隙度低 (小 于 10%)、渗透率低 (小 于 0.1 含气饱和度低(小于 60%)含水饱和度高(大于 40%)、天然气在其中流动速度较为缓慢的砂岩层中的天然气。尽管致密砂岩气在盆地是连续分布,但是各处产能不尽相同,通常所有含油气盆地深部均有致密砂岩分布,但是每个盆地致密砂岩气资源的规模、分布和资源质量相差很大,其中仅很少一部分是现有技术下可经济采出的。全球致密气资源丰富,分布范围十分广泛,其中加拿大是致密气开发较为成功的国家之一,其致密气主要储集在西部地区阿尔伯达盆地深盆区,故称深盆气,分布面积达 6 400 质储量大约为 012 艾尔姆沃斯、霍得利两大致密气田的可采储量就达到了( 6 490~6 780)×108 拿大致密气经长期室内实验室分析、现场压裂试验实施以及不同井距生产井开采试验等,突破了商业性开采关,近年来工厂化钻完井技术的发展与应用石油钻采工艺 2014 年 3 月(第 36 卷 )第 2 期8进一步降低了作业成本,产量快速增长并获得显著经济效益[1目前从致密气开发的关键技术可知,水平井钻井、完井和压裂技术占据重要角色,但相关技术的公开发表资料大多来自于 文献,缺少研究区域的基础资料,较难对比分析以借鉴应用于国内类似气田。笔者针对中石油与壳牌合作开发的非常规致密气项目关键技术进行深入剖析,以期为国内致密气高效开发工程应用提供参考。1 白桦地地质构造特征白桦地地区位于密西西比期的 堑南部以及晚白垩 - 早第三纪形成的 皱和逆冲带东北部。主要目的层下三叠系 从精细构造解释成图和地震属性分析中仅能识别出一些轻微发育的褶皱和小断层,已经接近了地震分辨率所能达到的极限( 5~10 m),因此推断与其上覆和下伏地层相比, 几乎未受构造运动作用的影响。成像测井和岩心分析结果表明, 10~30 填缝,方向为垂直、水平( 或同走向 60° 共轭角分布,也可观察到少部分连通裂缝。上 深水相地层比浅水相地层胶结程度更高,每隔 2~5 0~30 的胶结层,在岩心和测井资料上的特征非常明显,沿着西南方向水体逐渐变深,沉积物颗粒越来越细,胶结层出现的频率也越来越高,这导致了单井产量的下降。白桦地地区上 含气粉砂岩的发育厚度为 135 m 到 200 m,尽管可被视作一个连续的储集单元,但其可以划分为 7 个期次的舌形体,自下而上以 A、 B、 C、 D、 E 和 F 来命名(图 1)。这些舌形体代表了海平面缓慢上升的整个历史时期,沿着W 方向地层厚度越来越大,舌形体的形成时期也越来越晚,整个前积层序最终为 的海侵凝缩段所覆盖。目前,该地区的油气产量主要来自于 上段,如图 2,其资源上产潜力非常乐观。图 1 上 储集单元舌形体的区域剖面图图 2 白桦地油气产层分布现状2 白桦地工厂化作业模式加拿大白桦地储层为非常规致密气,具有低孔、低渗、天然裂缝不发育等特点,是中石油与壳牌在加拿大首次合作开发的项目。加拿大白桦地共有241 个区块,总面积约 628 划分为 5 个含气区( 约 82%区块勘探开发 它为浅部层系。 白桦地非常规致密气藏采用整体搬迁式钻机进行工厂化丛式水平井钻井施工,即丛式水平井批量钻井( 其流程是先用车载小钻机钻表层井眼并固井,然后将车载小钻机移到同井场的下一口井进行同样的操作,直到完成同井场上各井的一开钻井作业,随后用大钻机依次完成各井的造斜段和水平段作业,接着下生产套管并固井。这种整体式搬迁钻机和无泥浆池、无环境污染的平台式钻井方式对有效利用钻机、缩短整体建井周期和提高钻井速度起到重要作用。2013 年加拿大白桦地地区共有钻机 5 台( 井公司 3 台、 5 各 1台)。这些钻机均为电驱动自动化钻机,配备了顶驱、井口自动化设备、一体化司钻控制室等自动化设备。采用步进式钻机底座,在井间搬迁时井架底座不拆分,通过安装在钻机底座 4 个角上的液压大脚实现井间快速移动,从一个井口移动到另一个井口一般只需 1~2 h。同时,搬迁仅限于井架和底座部分,动力系统和循环系统固定不变,电力线、水管线和高低压管线集中在一个可联接多用盒内,且与钻井各部分相联,根据井间距离可增加或减少,以使钻机正常运行,振动筛则直接悬挂在底座上,随步作业。9辛俊和等:加拿大致密气藏长水平段工厂化钻完井技术3 厂化钻完井技术需求储层致密的特点要求开发过程中各个环节的低成本和高效性,通过水平井“体积”压裂后能获得较高产量并最终达到预期的采收率来获得经济效益,因此要求水平井井身结构优化贯穿有利层位、钻井液体系优化降低风险和储层污染、钻头钻具组合优选提高钻速并降低成、井身结构优化满足分段完井工艺需求、多级压裂改造优化扩大单井井控区域并充分沟通提高最终采收率,由于钻井和压裂完井工作量大,又需要满足低成本和批量化作业的需求[ 5白桦地油区地势平坦,有利于大规模工厂化丛式井的施工。在钻完井方案上,项目充分利用气藏富集气区域进行全方位的钻井设计并利用压裂技术产生人工裂缝网络,使之相互串通增加泄气面积以提高产量;采用了平台式钻井和压裂施工方法来减少非生产作业时间,提高钻完井时效,降低成本,工厂化作业因此应运而生。在工厂化施工作业中,平台建设和井位数量决定作业成本高低,一般一个平台可以钻12~24 口井,钻完井施工按照工厂内自动化程序一样进行程序施工,每一道作业程序时间和施工进度得到有效控制。在生产处理中也便于生产气的集中输送和管理,从而降低操作费用,起到降本增效结果。眼轨迹及井身结构白桦地区块油藏埋藏一般为 2 250~2 700 m,通常该地区的设计井深为 4 700~5 200 m,产套管 Ø139.7 了更好地探索产气条件,试验长水平段水平井开发油气层。工厂化丛式水平井钻井施工的难题之一就是磁干扰和井眼碰撞的问题。为了避免这些问题的发生,水平井井距设计为 5 m,每个平台钻 12~16 口井不等,丛式水平井的井眼轨迹设计为:直—增—稳—增—水平。图 3 为平台 11眼轨迹平面设计图。图 3 平台 11面设计图白桦地地区的水平井井身结构为 2 层,降低了钻完井成本,即 层套管通常下至 560 m 左右, Ø139.7 产套管下至井底。该地区水平井的平均测量井深为 5 000 m,平均垂直井深为 2 500 m ,平均水平段长度为 2 200 m,其 中 1的一口井,实际井深 6 250 m,完井水平段长度达到 3 600 m,为美洲地区水平段最长的井,创北美历史记录,且首次应用气密封扣套管转换接头(从 Ø177.8 管转换到 Ø139.7 具组合在白桦地地区,应用个性化的高效 头和和高效实用的常规导向钻井技术,配以油基钻井液钻造斜段和水平段,通常钻一口水平井只需起下钻 3 次, 2 000 多米的水平段一般只用 1 只钻头,其中 美洲地区单只钻头单井进尺最长的井( 3 522 m),钻头应用情况参见表 1。该井采用了斯伦贝谢最先进的 Ø200 转导向工具具组合为:头 + 旋转导向 工具 + 非磁性整体翼式稳定器 + 随钻测量工具 + 脉冲接头 + 非磁性整体翼式稳定器 + 非磁性钻铤 + 非磁性钻铤 + 浮箍 + 浮箍 + 钻杆 + 随钻震击器 + 钻杆。表 1 钻头应用情况钻头尺寸厂家 型号m· h–1200 332 2 728 6 250 3 522 表 2。表 2 钻具组合井段/m 钻具组合617~1 811头 + 钻井马达 + 短非磁性钻铤 + 短非磁性钻铤 + 双公接头 + 随钻测量送入工具 + 随钻测量发射接头 + 挠性非磁性钻铤 + 挠性非磁性钻铤 + 挠性非磁性钻铤 + 转换接头 + 加重钻杆 + 随钻震击器 + 短接箍 + 加重钻杆 + 钻杆1 811~2 338头 + 钻井马达 + 短非磁性钻铤 + 短非磁性钻铤 + 双公接头 + 随钻测量送入工具 + 随钻测量发射接头 + 挠性非磁性钻铤 + 挠性非磁性钻铤 + 挠性非磁性钻铤 + 转换接头 + 加重钻杆 + 随钻震击器 + 短接箍 + 加重钻杆 + 钻杆2 338~4 751头 + 钻井马达 + 短非磁性钻铤 + 短非磁性钻铤 + 双公接头 + 随钻测量送入工具 + 随钻测量发射接头 + 挠性非磁性钻铤 + 挠性非磁性钻铤 + 挠性非磁性钻铤 + 转换接头 + 钻杆 +加重钻杆 + 钻杆第 1 段钻具的主要特征是采用了 头,主要目的是持续钻进,在 617 m 下入套管完井后,继续下入,并钻穿水泥鞋,尽可能地持续钻进,进而提高机械钻速。在钻至 1 811 m 后,进入 层,石油钻采工艺 2014 年 3 月(第 36 卷 )第 2 期10头换为 由原来 g/入 g/趟钻进期间 层有着非常明显的降斜趋势。在钻进了 527 m 后,即钻入 和目的层部,为了下入水平段钻具组合,进行起钻,头为 动力马达为威德福的 井液为 g/完整个水平段。井液体系钻进主井筒的配料方案分为 2 部分:絮凝水钻井液和油包水钻井液。盐水 / 絮凝水钻井液:在盐水 / 絮凝水钻进过程中,起下钻时钻井液的配比需要达到过平衡。钻井液可以配比到当量循环密度:钻进( 50 kg/ +抽汲边界( 50 kg/钻井液密度会根据同一平台已钻井的实际情况进行调整。在钻进任何酸性地层之前,采用清除剂去除硫化物。为了保持较小的 过加石灰维持絮凝水的 >钻进 层时,确保盐水 / 絮凝水钻井液完全饱和 190 000 ),并观察与记录上返到振动筛上的盐样,同时应活动钻杆,防止发生卡钻,防止盐层发生井壁坍塌。油包水钻井液:在钻进过程中,钻井液密度尽可能的低,除非发生下列情况:出现 壁失稳或持续钻进中气体增加。在油包水钻井液钻进过程中,确保起下钻期间整个井眼用压井液循环,确保过平衡和防止发生气体外溢问题。在钻进任何酸性地层之前,在目前的钻井液体系中加入石灰组分。在钻进任何酸性地层之前,油包水钻井液体系中的石灰含量应维持在大于 15 kg/时现场应储有足够的 除剂( 00)。井工艺完井过程中,由于套管与井壁产生的摩擦引起下入阻力,随着斜井段不断延伸,摩阻也会显著增加,限制水平井套管下入,该问题是长水平段水平井完井过程中面临的主要难题[8]。白桦地地区水平井垂深 2 500 m 左右,前期井层统计结果表明,水平段长 3 600 m 井初期日产比 1 800 m 长水平井高约 2 500 了进一步满足开发需求,该区域水平井水平段长进一步增加,而同时为保证下入安全、快速,从而需要进一步优化完井工艺,保证完井管柱安全下入。完井管柱采用 Ø177.8 Ø139.7 管组合,在下入过程中利用套管自重增加来抵消水平段摩阻,同时从常规、常规掏空、全掏空和使用漂浮接箍几种工艺中优选[9],在管柱下入 1 300~2 500 装漂浮接箍 , 再按常规方法灌钻井液下入剩余套管,对 3 600 m 长水平井计算数据和实际测定数据对比(图 4),可见在达到测深 5 000 m 左右时大钩载荷才出现降低趋势,组合套管和漂浮接箍工具的使用保证了套管下井的安全、快速。图 4 裂工艺白桦地地区采用限流射孔 + 复合桥塞的压裂工艺,通常同一井场 4~6 口井同时交替实现射孔、下桥塞和压裂过程,通过优化生产组织模式,连续不断地向地层泵注压裂液和支撑剂,以加快施工速度、缩短投产周期、降低开采成本。通过各工序的无缝衔接缩短周期,通过规模化的连续作业实现效益。单个井场的施工井数越多,压裂液量、砂量越大,批量化压裂的优势就越明显。这些优势包括:基础设施共享(蓄水池、供水系统等)、减少设备动用、提高设备利用率、缩短压裂准备时间、降低物资采购和供应链成本、压裂液回收重复利用等[10对于同一口井,其多段、多裂缝“体积式”改造模 式为:打压打开固井端部滑套,低排量前置注入6~8 裂施工第 1 段,施工结束后电缆泵送桥塞和射孔工具管串, Ø177.8 管内下入速度控制在约 45 m/ 过 Ø177.8 Ø139.7 管转换器后提升至 90 m/右,桥塞坐封并完成射孔后起出电缆工具,前置酸液后压裂施工,重复上述作业至压裂完全部井段,连续油管携带磨铣工具下井磨铣贯穿整个水平段,起出磨铣工具后返排至井口无显示或见气,换装井口等压裂装置并下入生产管柱,安装采气树。白桦地区致密气压裂段间距 100~150 m,每段分 4~6 簇,每簇 4 孔,每段滑溜水压裂液在 700~1 000 段加入支撑剂 150~200 t,从准备实施到全部压裂完毕并下入生产管柱,同一井场 4~6 口全部压裂完至投产的作业周期 在 18~25 d,实现了快速、安全和高效压裂完井投产。11辛俊和等:加拿大致密气藏长水平段工厂化钻完井技术4 结论( 1)加拿大致密气埋藏深,相对于部分浅层非常规资源,其经济开发难度更大,研究区块针对储层特点确定关键钻完井工程技术,优化井眼轨迹与井身结构、优选钻具组合与钻完井液体系、配套完井和压裂改造工艺,并通过“井工厂”作业模式降低了建井周期和投资成本,从而保证了该气田的高效开发。( 2)通过采用先进的钻井工艺、可靠的工具、优质的水泥浆体系并结合先进的钻井管理方法,研究区块已成功试验 3 500 m 左右长水平段单钻头完钻,该技术进一步降低了钻井费用,为更长水平段水平井应用提供保障。( 3)速钻桥塞 + 限流射孔多裂缝压裂完井工艺可靠性高,配套的完井方式满足长井段固井尾管安全入井,对比裸眼封隔器 + 滑套的方式能够获得更多裂缝,并且能够满足 3 000 m 以上长井段水平井多级压裂的工艺需求,形成的缝网体系有效沟通泄气面积,提高单井产能,是致密气有效动用的关键技术。( 4)国内致密气业务今年来逐渐起步,学习并利用国外成熟的技术经验,对快速发展致密油气业务具有重要意义,加拿大合作区块钻完井工程关键技术的应用为国内类似气田提供借鉴。参考文献:[1]  邱中建,邓松涛 . 中国非常规天然气的战略地位[ J]2012, 32( 1): 12]  邱中建,赵文智,胡素云,等 . 我国天然气资源潜力及其在未来低碳经济发展中的重要地位[J] . 中国工程科学,2011, 13( 6): 813]  009 [R]. 2009.[4]  杨涛,张国生,梁坤,等 . 全球致密气勘探开发进展及中国发展趋势预测[ J]. 中国工程科学, 2011, 14( 6): 645]  姜瑞忠,王平,卫喜辉,等 . 国外致密气藏钻完井技术现状与启示[J]. 特种油气藏, 2012, 19( 2): 6[6]  崔思华,班凡生,袁光杰,等 . 页岩气钻完井技术现状及难点分析[J]. 天然气工业, 2011, 31( 4): 727]  雷群,王红岩,赵群,等 . 国内外非常规油气资源勘探开发现状及建议[J]. 天然气工业, 2008, 28( 12): 78]  宋秀英,赵庆,姚军,等 . 大位移井下套管技术[ J]. 钻采工艺, 2000, 23( 4): 159]  刘勤志,张国田,王娜,等 . 钻井下套管工艺的发展研究 [J]. 机械制造, 2013, 51( 1): 5910]  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