从AKONDO油田水平井钻井谈水平井施工提速提效措施

2022-09-12

1 已钻水平井简述

加蓬AKONDO油田是中国石化国勘公司在海外自行投资, 由油气勘探转为油田开发的典型项目。自2013年投入商业开发以来, 已在WAKO-PAD-1平台施工完成二口定向井、四口水平井。目前已完成施工的AKONDO油田WAKO-H1井、WA-KO-H2井、WAKO-H3井及WAKO-H4井四口水平井均位于加蓬G4-188区块WZ区东断鼻带, SAWZ-3断块构造高部位上, 且全部以UPC段为目的层。四口水平井均为中半径水平井, 最大造斜率均达到8-10°/30m。四口水平井的综合指标见表1。

2 优化井身结构、剖面和施工方案

2.1 优化井身结构

由于该区块水平井纵横比很高, 各开次可用于调整井斜、方位的井段短, 而一开井段为松软散砂堆积层, 极易垮塌, 二开井段存在异常高压并常伴有井漏, 加之丛式井井间距离仅5m, 井间窜漏和防碰绕障问题十分严峻, 因此各开次确定合理的套管下深和完井方式非常重要, 经过二口定向井与四口水平井的施工, 套管程序和施工方案不断得到优化, 井身结构更加科学合理, 设计与实钻情况对比见表2。

2.2 优化剖面和控制井眼轨迹

在总结AKONDO油田前两口定向井施工经验教训的基础上, 水平井的剖面设计和轨迹控制技术得到了进一步优化, 导眼井和水平井的钻进主要采用PDC钻头+Power Drive+LWD+MWD以旋转钻进方式进行, 极大提高了钻井效率。采用旋转导向钻进, 能及时对井眼轨迹进行微调, 保证实钻井眼轨迹光滑, 井下摩阻和扭矩大大降低, 极大提高了钻井的安全性。

3 优化钻头选型、钻具组合、钻井参数及水力参数等钻井施工方案

3.1 优选钻头

综合考虑井型、剖面、岩性特点及可钻性等因素, 确定与地层相匹配的钻头类型。

3.1.1 一开钻头选型

一开浅层段地层主要为松散砂岩和含砾岩层, 为了在定向造斜前保证井眼垂直, 需采取轻压吊打方式。一开使用江钻生产的12-1/4"HJ437镶齿钻头, 配合塔式钻具实施防斜打直快速钻进, 该钻头能获得18m/h以上的高机械钻速, 且起出后新度很高, 是有效提高机械钻速的可行选择。

3.1.2 二开钻头选型

二开井段800m之上存在易崩PDC齿的粗砂岩和含砾岩夹层, 为避免频繁起钻影响作业效率, 在四口井施工中分别尝试使用了Best生产的M1665ss六刀翼13-16mm复合布齿的PDC钻头及Baker Hughes的六刀翼QD506X钻头, 配合Power Drive旋转导向系统和LWD组合旋转钻进, 均一只钻头完成二开施工, 不仅成功穿过了粗砂岩和含砾岩夹层, 且对PDC齿损坏较小, 而且与下部泥页岩地层匹配性很好, 在下部井段钻进时机械钻速在18.26-29.38m/h之间。从起出钻头新度来看, 钻头状况较好, 可继续使用。

3.2 钻具组合

3.2.1 一开井段

一开井段采用塔式钟摆防斜打直钻具组合, 通过调整钻井参数, 采用低钻压、高转速钻进, 及时测斜, 监测井眼轨迹, 一开井段最大井斜均在0.3°以下。

钻具组合如下:12-1/4"Tri-cone bit (HJ437, nozzles:2×28/32+1×25/32) +Bit Sub w/Float Valve+Baffle+8"NMDC×1 joint+8"DC×11 Joints+X/O+6-1/2"DC×6 joint+6-1/2"Drilling jar+5"HWDP×15Joints+5"DP。

3.2.2 二开井段

AKONDO油田主要为大斜度定向井及水平井, 经过四口水平井施工的验证及优选, 摸索出了二开井段实钻效果良好的钻具组合, 在不受意外因素影响时, 均可实现一开次只用一个PDC钻头、一趟钻完成施工。

1、Power Drive旋转导向倒装钻具组合

该组合在导眼井和四口水平井钻进时取得了很好的效果, 建议作为水平井的首选全剖面钻具组合。钻具组合如下:8-1/2"PDC bit+6-3/4"Xceed675 8-3/8"Stabilizers+5-1/8"NM Flex Joint+6-3/4"Eco Scope w/8-1/4"Stabilizers+6-3/4"MWD (Telescope 675 NF) +6-3/4"NM Pony+6-3/4"NMDC+5"HWDP×1jts+6-1/2"Hydraulic Jar+5"HWDP×4jts+5"DP×75jts+5"HWDP×15 jts+5"DP。

其优点为:

(1) 可适时调控井眼轨迹, 实钻井眼轨迹圆滑, 摩阻和扭矩小。

(2) 能有效防止高井斜和高造斜率井段钻具托压, 获得极高的机械钻速。

(3) 能在0-5°/30m范围适时调整造斜率, 调控轨迹效果很好。

(4) 钻具组合兼容性好, 具有全剖面钻进能力, 可实现一趟钻钻套管内水泥塞、直井段和造斜点以后的其它所有井段, 减少起下钻时间, 缩短钻井周期。

(5) 能及时获取井眼轨迹和地层资料, 特别适用于加蓬薄油层小断块水平井寻找目的层, 且能减少通井和测井作业时间, 缩短建井周期。

2、PDM+LWD导向强增钻具组合

在WAKO-H1井因实际钻遇油层提前, 需要短距离内急速增斜, 下入该组合滑动钻进全力增斜, 从1388m钻至1426m, 井斜从78.46°增加到92.27°, 造斜率高达10.9°/30m, 较好的满足了勘探开发的需要, 因此, 在因地层提前而需要获得超高造斜率时, 该钻具可以作为强力增斜手段, 以实现实钻剖面的适时精确调控。钻具组合如下:8-1/2"bit+6-3/4"PDM (A675M4570XP, 1.83Deg) +Float Sub+Eco Scope W/8 1/4"Stabilizer+MWD (Telescope 675 NF) +6-3/4"NMDC+5"HWDP×3 jts+6-1/2"Hydraulic Jar+5"HWDP×3 jts+5'DP×21jts+5"HWDP×30jts.

其优点为:

(1) 造斜率高, 通过调节单弯螺杆的弯曲度数, 能获得高达10°/30m的造斜率。

(2) 地层适应性强, 由于造斜率主要由单弯螺杆度数决定, 即使在松软的砂岩油藏也能获得所要求的造斜率, 能快速实现剖面调控要求。

其缺点为:

(1) 由于强力增斜时采用全力增斜滑动钻进方式, 狗腿度变化大, 钻具摩阻和扭矩大, 钻具负荷大, 不利于防卡。

(2) 在稍微致密的泥岩段钻进时很容易产生托压, 不仅严重制约了机械钻速的提高, 甚至会造成卡钻。

(3) 对泥浆润滑性要求高, 润滑剂等高价值材料消耗较大。

3.3 钻井参数及水力参数

3.3.1 钻压

对于牙轮钻头, 除防斜吊打、定向、扭方位外, 最大的安全钻压为每英寸20KN。对于PDC钻头, 钻压一般在40-80KN。

对12-1/4"及以上井眼

由于上部地层松软, 可钻性好, 加之上部井段防斜打直的需要, 对450m以上井段, 钻压控制在1-3T时, 机械钻速也可达18m/h以上。

对8-1/2"井眼

在420m至800m含砾砂岩中钻进时, 应根据钻时变化和振动筛返砂情况及时调整钻压, 切不可在ROP变慢时盲目加大钻压片面追求短时的高机械钻速, 需严防PDC钻头崩齿而被迫起钻换钻头。在420m至650m井段钻进时, 钻压宜控制在4T以下, 以适当高的转速钻过;在650m至800m井段钻进时钻压宜控制在6T以下。在遭遇严重蹩跳钻时钻压宜降低到3T以下, 转速宜降低到70RPM以下。

3.3.2 转速

对12-1/4"及以上井眼

采用低钻压高转速钻进, 转速控制在80-120RPM.这样既可以满足上部直井段防斜打直的需要, 也可获得较高的机械钻速。

对8-1/2"井眼

结合轨迹控制、地层岩性和扭矩情况, 转速在60-120RPM之间适时调整, 可行时, 转速控制以就高不就低为原则。在420m至800m井段遭遇严重蹩跳钻时转速降低到70RPM以下, 以防PDC钻头崩齿。

3.3.3 泵压

对12-1/4"及以上井眼

由于上部井段地层松软, 可钻性极好, 450m以上逐渐以100-700psi的泵压钻进即可满足快速钻进要求, 过高的泵压反而会降低护壁效果。对450m至1500m的12-1/4"井眼, 泵压可控制在1500-2500psi之间, 随井深加深而逐步增加。

对8-1/2"井眼

牙轮钻头的泵压可达到17MPa以上, PDC钻头的泵压可达到14MPa以上。钻遇漏失层、定向与扭方位时需适当降低泵压。

3.3.4 排量

对12-1/4"及以上井眼

对450m以上井段, 施工时以保护井壁, 避免重复钻进为第一要务。由于450m以上井段为松散的砂岩堆积层, 可钻性很好, 但极易垮塌和冲蚀, 因此在排量的控制上宜遵循从小排量起步开孔, 每柱打完后以高粘坂土浆护壁, 随着井深增加逐渐加大排量, 这样既可以防止松散砂子滑落到新井眼造成重复钻进, 又可以避免因井壁大规模垮塌危及周边井眼的风险。排量调控范围为350-650GPM。

对8-1/2"井眼

由于本区块水平井井深较浅, 垂直段仅400至500m, 在快速钻进时, 大斜度井段和水平段很容易形成岩屑床, 不仅影响机械钻速, 还严重威胁井下安全, 因此在下部井段中宜采用较高的排量钻进, 结合井眼状况、轨迹控制需要和定向工具特点, 在450-600GPM的范围内适时调整排量, 采用适当高的排量钻进, 以保证及时携带出所钻岩屑。

3.3.5 喷嘴优选

对12-1/4"及以上井眼, 宜使用带中心喷嘴的钻头, 按上述排量和泵压安装所需尺寸的不等径喷嘴, 以便及时清洁井底, 改善井底流场, 减少压持效应, 提高机械钻速。

对8-1/2"井眼, 视定向工具的不同进行水力参数计算来确定合理的喷嘴尺寸, 以发挥定向工具的最大效能。

4 泥浆性能控制

良好的泥浆性能是实现安全、快速、优质、低耗钻井的基本保证。

4.1 泥浆体系的优选对

对450m以下井段

采用坂土浆钻表层。为提高综合效率和确保安全, 施工时以保护井壁, 避免重复钻进为重点, 宜自始至终采用100s左右的高粘度泥浆钻进该井段, 并坚持每柱打150s左右的高粘泥浆强化护壁效果, 以防松散砂岩垮塌。

对450m以上井段

采用Kla-Shield低固相泥浆体系, 从几口井的实钻过程看, 该体系具有良好的流变性和携砂效果, 性能稳定, 也具有较强的抑制性, 较好的满足了施工要求。但是其抗污染能力稍差, 特别是当机械钻速过快或过慢时, 泥浆中低密度固含成分会急剧升高, 从而严重影响其流变性能, 因此钻进中要使用好固控设备。

4.2 泥浆抑制性

由于四口水平井主要采用泥浆马达或旋转导向的钻井方式, 所钻井眼较大, 加之所钻井段大部分以泥页岩为主, 地层易水化分散和失稳, 因此为防止井壁垮塌、冲蚀和大肚子, 需进一步强化Kla-Shield泥浆体系的抑制性。

4.3 泥浆润滑性

对大斜度定向井, 泥浆中加入总量约2-3%的液体润滑剂、膨化石墨粉、低萤光磺化沥青等润滑剂可大幅度改善井下钻柱工作条件, 有效降低摩阻和扭矩, 考虑到保护定向工具的要求, 不宜加入塑料小球和玻璃微珠类的球状颗粒润滑剂。

钻进过程中, 当摩阻增加到15T以上或托压严重, 或扭矩增加到9kft-bls时, 可配制少量以液体润滑剂、膨化石墨粉、塑料小球为主的高粘润滑浆 (有塑料小球时不加玻璃微珠) , 接立柱前低排量顶过钻头, 既能获得良好的润滑效果, 也能最大限度的保护定向工具。

4.4 井眼净化

现场固控装置为四级净化系统, 基本能满足对含砂及固相含量控制要求。除做好设备维护保养外, 使用时还需注意如下细节:

(1) 根据排量和返浆情况适时调整振动筛开口高度, 使岩屑及时从振动筛排出, 以防开口高度过高造成岩屑因反复高频震动细化而进入泥浆。

(2) 钻完一个立柱后划眼2-3次, 既能维护新钻井眼, 又能保证井底清洁并使新钻岩屑能及时返出, 减小岩屑二次挤压破碎。

(3) 及时短起下钻清除井壁的岩屑床, 防止岩屑因滞留井底过久造成进一步破碎和水化。

(4) 接立柱时做到晚停泵早开泵, 控制环空岩屑浓度在5%以下。

(5) 起钻前打高粘充分循环干净, 下钻时提前一柱接顶驱划眼到底, 使滞留井底的岩屑尽快上返。

5 采用近平衡压力钻井

5.1 准确预测地层压力

结合工程和地质设计的地层压力数据, 施工中严密监测气测值、溢流、泥浆性能变化、油气显示和返砂情况, 精确确定地层孔隙压力、地层坍塌压力和地层破裂压力, 为适时调整泥浆密度提供依据。

5.2 以合理的泥浆密度进行近平衡压力钻井

经过四口水平井的钻探施工, 结合前期已钻井临井资料, 已能较为准确的确定个开次的泥浆密度, 钻井过程中, 在有效控制地层压力和维持井壁稳定的前提下, 尽可能降低泥浆密度, 以提高机械钻速, 加快钻井速度, 并保护油气层。同时以合理的泥浆密度进行近平衡钻井还能有效防止压差卡钻, 避免复杂情况 (井喷、井塌、井漏等) 等各类井下事故复杂的发生, 为实现安全、优质、高效、快速钻井奠定坚实的基础。

6 结论

(1) 不断优化井身结构, 同时坚持使用旋转导向钻进, 确保井眼轨迹光滑, 降低井下摩阻和扭矩, 提高钻井的安全性。

(2) 优选与实钻地层相匹配的钻头, 提高机械钻速的同时, 减少钻头磨损程度。

(3) 通过优化钻头、钻具组合、钻井参数及水力参数等钻井施工方案, 确保生产高效顺利完成。

(4) 通过对泥浆体系的优选、泥浆抑制性、润滑性及净化方面的分析与控制, 确保井下安全。

(5) 以合理的泥浆密度进行近平衡压力钻井, 以减少井下复杂情况发生。

摘要：随着加蓬AKONDO油田四口水平井的相继完钻, 该区块油藏及地质情况日趋明朗, 为进一步从工程技术上加快该区块水平井施工, 作者结合已钻水平井实钻过程, 从井身结构优选、钻头选型、钻具组合、钻井参数优选、泥浆性能控制及近平衡压力钻井等方面总结出一套适合水平井钻井施工提速提效措施, 对该油田后续水平井及其他区块水平井施工可提供一定的参考作用。

关键词：井身结构优选,钻头选型、钻具组合,钻井参数优选,泥浆性能控制