套管开窗侧钻水平井技术研究

51/2″套管开窗侧钻水平井技术研究报告中原石油勘探局钻井一公司二○○五年十月中原油田钻井科技成果材料51/2″套管开窗侧钻水平井技术研究验收材料编写：赵敬奎审核：目录1、前言………………………………………(3)2、研究思路…………………………………(3)3、理论及实验研究……………(3)4、现场应用情况…………………………..(10)5、效益分析及推广前景………………..(11)6、结论与认识7、经费决算报告8、用户意见及效益证明9、附件（实验报告）：钻井配套工具示意图……………….(13)效益证明…………………………….(14)中原油田51/2″套管开窗侧钻水平井技术研究项目研究报告一、前言1.1项目来源与推广意义近几年来，为了提高低产油井、低渗透油田和老油田的采收率，国外用钻井技术施工了一批水平井，我国也钻成不少水平井。水平井通过增加井身与储层的接触面，来改变储层流动条件，并将流动通道由原来的径向流改为平面流，因此降低了液流速度及压差。水平井钻井是提高产量、增加经济效益的重要途径，采用老井侧钻水平井是开采剩余油和特殊油藏更为经济的方法，特别对油层套管腐蚀、破裂、出水、水锥、气锥及稠油低压油层和垂直裂缝发育等油藏使用效果更佳。中原油田是典型的复杂断块油气田，随着油田进入开发后期，很多油井含水率高达95%以上。为挖潜增效，必须对老油田、老区块进行改造，以提高油气采收率，开展套管开窗侧钻水平井研究工作，重点解决以下问题：1）在老开发区由于油藏的非均质性，受注水（或底水）开发的影响，造成部分井（层）水洗不均（或水锥）甚至暴性水淹，严重影响了油水井利用率及采收率。2）对于低渗透油田，因油藏裂缝较发育，油藏储集类型复杂，已开发的低渗透油田整体效益差，开发难度大，采油速度底。3）随着开发时间的增长，油水井井况日趋变差，有的井出砂严重、套损严重、事故井、报废井逐年增多。上述情况的开发区储量动用程度差、剩余油多，不利于油田稳产，且严重影响了开发效果。采用侧钻水平井工艺技术，通过纵向上层位选择，平面上方位控制，开采老区剩余油，有利于提高采收率。采用原生产井开窗侧钻水平井可以达到以下目的：1）有利于缓和或阻止地层压力的衰减；2）对注水作用引起的高含水可以把水控制到最低限度，从而减少用于堵水的费用和地面设施；3）有利于动用水洗不均层油藏的储量，提高开发效果；4）利用原生产井部分套管有利于少投入、多产出。因而开窗侧钻水平井工艺技术研究具有广泛的推广应用前景。1.2.3完成情况针对中原濮城油田东沙二上1油藏存在的问题，平面上剩余油藏分布特征及潜力评价，研究成果在5口开窗侧钻水平井中进行了实验和应用，各项技术指标均达到合同规定的技术指标，取得显著的经济效益。二、理论及实验研究2.1开窗侧钻水平井设计要点2.1.1地质、油藏工程条件套管内侧钻水平井可以提高采收率和经济效益。但是在选择侧钻水平井井位时，必须以下列地质条件为前提，侧钻水平井才能收到更好的效果。1）侧钻水平井是把井眼钻在储油层里用以扩大供油面积，而不是迫使石油远距离流向井眼，因此地质结构必须具有良好渗透性。2）必须在储油层内选择结构疏松但不跨塌，渗透性较高的区域钻水平井眼，这样才有利于开发。3）对于储油层内的自然裂缝，在侧钻水平井中井眼的方向（既水平段方向）与自然裂缝方向形成的角度应该是直角，既对储油层内的垂直裂缝采用侧钻水平井效果最佳。4）侧钻水平井位置既方位应背于或高于出水区（含水层）。5）最为重要的是对孔眼内凹陷的页岩或软地层的易坍塌部分，在完钻后必须下套管封隔，以防坍塌及污染产层，整个侧钻水平井过程中必须保护好油层，减少污染。中原油田实施的5口开窗侧钻水平井主要分布在濮城油田东沙二上1油藏，该油藏位于东濮凹陷中央隆起带的北端，濮城构造的北部。含油面积9.17km2，地质储量1089*104，标定采收率40.59%，可采储量442*104。该油藏从1980年投入全面开发，至今已有25年开发历史，目前已属特高含水期的综合治理阶段。目前油藏存在问题：①注采井网不完善，水驱控制程度降低；②油藏综合含水高，采出程度靠，剩余油分布零散；③层间非均质性强、层间隔层小，小层动用差异大；④油藏综合含水高，生产成本高。东沙二上1地层的沉积体系属于湖泊-三角洲沉积体系，沙二上1砂层组自下而上经历了一个湖进-湖退-湖进的旋回沉积，在其内部又发育了多个次级湖进-湖退沉积旋回，各种沉积微相反复出现。湖退沉积旋回主要发育在6、7、8、9沉积小层，湖进旋回主要发育在11、3、1、等沉积小层。东沙二上1砂层各小层物性参数变化较大，储层平面非均质强。一类层水洗程度高，水淹严重，剩余可采储量少，而二、三类层水洗程度较低，还有一定的剩余油潜力。近几年新井情况表明，东区沙二上1油藏剩余油潜力主要分布在二类层内。剩余油除了分布在断层高部位、注采相对不完善井区和井间干扰形成的死油区外，大多分部在水淹区周围。可利用侧钻水平井来挖潜剩余油藏。2.1.2设计原则2.1.2.1窗口确定原则侧钻水平井开窗，应根据井身剖面确定开窗的位置和方法，其原则如下：1）窗口选择在套管完好，管外水泥固结质量好的井段。2）最好在中硬地层开窗，钻到目的层时地层硬度和胶结情况尽可能保持一致。3）开窗方式的选择，对短、中半径的井应尽量采取截断式开窗，长半径的井采取截断式开窗或导斜器开窗两种方法。4）窗口位置应保证侧钻水平井轨迹的实现。2.1.2.2井身剖面设计原则1）根据地质开发方案，所选择井身剖面能完成侧钻水平井的目的。2）选择井眼曲率、造斜点和最大井斜角等参数时，应有利于钻井和采油作业。3）根据油田构造特征、油气产状、水淹、底水和裂缝分布等情况设计，有利于提高采收率，改善投资效益。4）在达到侧钻水平井目的的前提下，应尽可能选择简单的剖面类型，以减少井眼轨迹控制的难度。5）有利于安全快速钻进，降低成本。2.1.2.3井眼轨迹设计原则1）造斜段应选在比较稳定的地层，避免在岩石破碎带、漏失地层、流砂层或容易坍塌等复杂地层。2）造斜点选在可钻性均匀地层，避开中间硬夹层，且地层倾角变化较小段。3）尽可能地穿透更多的油层，增大出油面积。4）避开老井水淹区，油藏气顶，水锥、底水。2.1.2.4设计内容侧钻水平井设计涉及内容较多，但从地质、油藏工程和钻井工程考虑，主要应满足以下几点。1）高程控制（垂深）水平井的高程控制，是最关键参数，在此控制范围内，必需将水平段或亚水平段保持在油藏内，若水平段钻在盖层或底层中将一无所获。因此垂深的设计，一定要考虑油层中剩余油量、油藏厚度、钻达目的层的深度，其实质仍市是经济效益的问题。2）曲率半径确定曲率半径时应考虑下列问题：A、井口和油层入口之间的水平位移；B、造斜点位置；C、需钻水平段长度；D、完井约束条件。因曲率半径确定后，其造斜点位置和水平位移也就确定了，考虑侧钻水平井属于老井的二次完井，在目前工艺技术条件下，以中半径水平井为宜。3）方位方位的设计目的是应用水平段来充分发挥油层中未动用储量及剩余油藏的作用，以达到侧钻水平井的目的。因此，方位的设计实质上就是考虑钻井轨迹的走向问题。除考虑钻井轨迹应能钻入启动储量区外，还应重点考虑以下问题：A、对于油层裂缝较发育的低渗透油田，应根据裂缝在油藏中发育方向、倾角和切穿的深度以及在开发中所起的作用，其方位的选择应尽量沿垂直裂缝走向设计，以提高水平段的裂缝钻遇率。B、水平段的走向应与沉积相主水道或砂体发育方向垂直或斜交，使水平段获得较高的波及系数。C对于开发区水平段方位设计必须避开目的层或上覆已开发油藏的原水窜通道的水淹区或来水方向。2.2开窗侧钻水平井钻井工艺及完井工艺研究2.2.1开窗方式的选择套管开窗是套管侧钻施工的关键工序，窗口质量的好坏涉及到侧钻成功与否。开窗方式有两种：1）下导斜器开窗；2）截断磨鞋开窗（段铣）。两种开窗方式优缺点：分类方式导斜器开窗截断磨鞋开窗优点1、作业时间短；2、套管切削量小。3、费用低1、下井工具简单；2、下井作业可靠性高；3、受原井套管磨损、腐蚀的影响小。缺点1、导斜器无可钻性，如定位不好无法纠正；2、窗口如造型不好，影响下一步起下钻作业。1、作业时间长；2套管切削量大，容易在钻杆上形成“糖葫芦”而卡钻。在中原油田一般采用下导斜器开窗方式，且满足了下部施工的需要。2.2.2动力钻具选型研究动力钻具在侧钻水平井工艺过程中主要起造斜、钻进，保证侧钻水平井轨迹的作用。侧钻水平井多用单弯或可调整角度的螺杆钻具，因其使用井眼为118mm，大多使用国产5LZ95、9LZ95系列，国内生产厂家较多，主要有大港、北京、维坊、胜利钻采、高峰等。2.2.2.1确定螺杆钻具工作参数1）确定洗井流量洗井流量根据钻进速度、环空上返速度、携带钻屑能力以及循环总压降等确定最优流量范围。依据51/2″套管开窗成功的技术，选用排量在6-8L/S。2）根据流量选择螺杆钻具转子形式如果选择的流量在螺杆钻具额定流量范围内，则选择实心转子螺杆钻具。如果根据选择流量大于螺杆钻具额定最大流量，则选用转子为中空型的螺杆钻具。3）根据拟定流量选择钻头喷嘴螺杆钻具规格及类型选定后，钻头允许压降就已确定，即可根据钻头压降和拟定流量选择钻头喷嘴尺寸。这里需要注意的是，无论何种螺杆钻具，都有总流量的3%-7%通过轴承系统后排至环空，实际上只有93%-97%的钻井液通过钻头水眼，因此钻头水眼尺寸应按拟定流量的93%-97%选择。4）确定钻头转速螺杆钻具流量在额定范围内变化时，钻头转速也发生变化，流量增大，转速增高；反之亦然。实际流量确定后，钻头转速可有下式确定：n实=额额实QnQ*式中n实----实际钻头转速，r/minQ实----实际工作流量，L/sN额----额定转速上限，从螺杆钻具规格表中查得，Q额----额定工作流量，从螺杆钻具规格表中查得由于钻头在井底工作转速等于空转转速一半时，井下动力钻具输出的功率最大。因此选择合适的钻压，促使井下动力钻具处于最佳工作状态是提高钻井速度的基础，同时也是保证侧钻水平井轨迹圆滑的条件。单弯螺杆的度数由曲率半径来确定，必须满足工程的要求。小井眼动力钻具定向螺杆可先用范围比较大，有0.5°、0.75°、1°、1.25°、1.5°、1.75°等几种，因为小井眼动力钻具较短，造斜效果一般都比较高，中半径曲率水平井多使用1.5°-1.75°单弯，他的造斜率一般在3.5°-6°/10米，螺杆钻具的弯角使钻头产生偏距，双驱复合钻进时钻具所受的约束更大，交变的动应力使钻具易发生疲劳断裂，也易使螺杆钻具的薄弱环节产生先期损坏，弯角越大，钻头偏距也越大，所受的交变力和扭矩越高。因此1.75°单弯不适宜进行长井段复合钻进。2.2.3钻头优选小井眼水平井因其裸眼井段短，钻具摩擦力较大，井斜大，动力钻具反扭角较大，定向井段一般采用牙轮钻头，工具面易掌握，定向效果较好，但是应选择加强保径部位的钻头。而且选用高转速的牙轮钻头可以提高机械钻速。2.2.4钻井液技术水平井的成功与否钻井液很关键，使用钻井液要考虑携带地层岩屑能力强、润滑性能好及成本低等因素。2.2.4.1.侧钻水平井对钻井液的难点钻井液工作难点，主要解决易漏、易卡、润滑、携砂、防塌方面的问题。(1).小井眼钻井钻具与井眼的间隙隙小，循环时环空压耗较常规井大幅升高，钻井泵压较高，排量小，钻屑在井内反复滚动，被研细，增大了测定摩阻，易发生井下粘卡复杂情况，钻井液流变性能应满足钻井携砂要求。(2).在进入亏空漏层前应加入一定量的堵漏材料进行防漏，造成固控设备无法正常使用，大量钻屑有害固相进入钻井液，增加钻井液处理难度，影响钻井液的润滑性能。(3).钻具在井眼里上下活动时产生的压力激动大使钻井液的当量密度随之增加，都使得小井眼施工中的井漏发生几率要比常规井眼大的多；井漏发生后由于考虑到井眼间隙小和螺杆井下工具的安全，粗颗粒的堵漏材料无法加入，堵漏效果受到影响。2.2.4.2小井眼钻井对钻井液技术要求：(1).具有良好的流变性能，能满足大斜度井段及水平段携砂清洁井眼的需要。(2).钻井液性能优质稳定，滤失量小，泥饼薄韧、致密、光滑，具有