水平井钻井技术介绍

水平井钻井技术第一章绪论水平井钻井技术是20世纪80年代国际石油界迅速发展并日臻完善的一项综合性配套技术，它包括水平井油藏工程和优化设计技术，水平井井眼轨道控制技术，水平井钻井液与油层保护技术，水平井测井技术和水平井完井技术等一系列重要技术环节，综合了多种学科的一些先进技术成果。由于水平钻井主要是以提高油气产量或提高油气采收率为根本目标，已经投产的水平井绝大多数带来了十分巨大的经济效益，因此水平井技术被誉为石油工业发展过程中的一项重大突破。第一节水平井的分类及特点水平井是最大井斜角保持在90°左右，并在目的层中维持一定长度的水平井段的特殊井。水平钻井技术是常规定向井钻井技术的延伸和发展。目前，水平井已形成3种基本类型，如图1—1所示。(1)长半径水平井(又称小曲率水平井)：其造斜井段的设计造斜率K＜6°／30m，相应的曲率半径R＞286.5m。(2)中半径水平井(又称中曲率水平井)；其造斜井段的设计造斜率K=(6°～20°)／30，相应的曲率半径R=286.5～86m。水平井剖平面示意图(3)短半径水平井(又称大曲率水平井)：其造斜井段的设计造斜率K＝(3°～10°)／m，相应的曲率半径R＝19.1～5.73m。上述3种基本类型水平井的丁艺特点和各自的主要优缺点分别列于表l—l和表1—2。第二节水平井在油气勘探开发中的应用和效益大斜度井、水平井和多井底井技术的应用都有一个共同的目的．这就是降低综合成本和提高油层的开采量。对于同一尺寸的井眼，直井由于出油(气)面积比较小、其几何条件所提供的效率就比较低．而水平井几何条件所提供的效率达到最高，如图1—2和图1—3所示。大斜度井(井斜角大于60°的井)主要适用于层状油藏。多井底井(在一个井眼内钻几口井)主要用于很厚的垂直渗透油层(具有低孔隙率和垂直裂缝的块状石灰岩)或者短半径横向引流类的井。1．天然垂直裂缝在垂直裂缝油藏中，油气完全处在裂缝中，裂缝之间的非生产底层一般为6~60m厚，所以垂直井可能只钻到一个产层．也可能一个产层也钻不到，而水平井可以与产层垂直相交，横向钻穿若干个产层裂缝．这样就比垂直井的开采量要高得多。2．水锥和气锥1)水锥水平井可以在油层的中上部造斜，然后在生产层中钻一定长度的水平井段。水平井不仅减少水锥的可能性如图1—4所示。2)气锥水平井的井眼全部在油砂中有助于避免气锥问题。并可以控制采收率，不致于使气锥的压力梯度过高。水平井成功地减少了水锥、气锥等有害影响。3．低渗透性地层由于固井的影响，石灰岩油藏的孔隙度和渗透率即使在短距离内也可能有相当大的变化。与此相似．砂岩油藏中内部岩层构造倾角的变化也能造成孔隙度和渗透率的变化，这些油藏水平相交可以提高产量。4．薄油层对于薄油层．通过在油层的上下边界之间钻个水平井段可以大大地增加井与油层的接触表面积。对于厚的油层则可以优先选择成本较低的直井完井方法，或者考虑应用多底井的可能性(见图1—5)。5．不规则地层平钻井已经成功地应用产开发不规则油藏。这种含油地层互不关联，孤立存在，地震测量也难以指定其准确位置．所以钻直井或常规定向井很难钻到这类油藏。然而短半径水平井可以从现有直井中接近油藏的位置进行造斜．并且可以避免可能的水锥和气锥问题。6．溶解采矿很多矿藏当今采用溶解采矿法进行开采，水平井可以提高这些矿藏开采的经济效益。7．边际构造、丛式井和加密井水平井可能适用于边际构造，为了在短期内增加总的开采量可以钻从式水平井组(见图1—6)。8．层状油层水平井采油获得的产量增量取决于油层垂直渗透率的值。在垂直与水平渗透率之比值较低的情况下，如水平纹理的油层，大斜度井的效率要远高于水平井的效率。如图1—7。9．重油产层在重油产层中、水平钻井技术具有提高产量的能力。横穿油藏的水平井既可以作为生产井也可以作为注水井。水平井具有如下的优点和应用：(1)开发薄油藏油田，提高单井产量。水平井可较直井和常规定向井大大增加泄油面积，从而提高薄油层中的油产量，使薄油层具有开采价值。(2)开发低渗透油藏，提高采收率。(3)开发重油稠油油藏。水平井除扩大泄油面积外，如进行热采，还有利于热线的均匀推进。(4)开发以垂直裂缝为主的油藏。水平井钻遇垂直裂缝的机遇较直井大得多。(5)开发底水和气顶活跃的油藏。水平井可以减缓水锥、气锥的推进速度，延长油井寿命。(6)利用老井采出残余油。在停产老井中侧钻水平井较钻调整井(加密井)要节约费用。(7)用丛式水平井扩大控制面积，减少丛式井的平台数量。(8)用水平井注水注汽有利于水线汽线的均匀推进。(9)用水平探井可钻穿多层陡峭的产层，往往相当于多口直井的勘探效果。(10)有利于更好地了解目的层的性质。水平井在目的层中的井段较直井长得多，可以更多、更好地收集目的层的各种持性资料。(11)有利于环境保护；一口水平井可以替代一口到几口直井．大量减少钻井过程中的排污量。钻过水平井并取得显著经济效益的油气藏如：(1)薄砂岩油藏。(2)有底水、气顶的砂岩油层。(3)裂缝性或喀斯特洞穴型碳酸盐岩油气藏。(4)有垂直裂缝带的页岩油藏。(5)浅层未胶结砂岩沥青型稠油油藏o(6)浅层岩礁型稠油油藏。(7)储量很少的海上油藏。第三节国外水平井的发展概况和技术现状随着被誉为国际钻井3大新技术的MWD(随钻测量仪)、技术的进步，使每年新钻成的水平井数量成倍增加，1989年这一年钻成的中长半径水平井的总数为257口(参见图1—8)。第二章水平井设计第一节水平井设计中的几个问题水平井的设计思路和基本方法是：目的层油藏地质设计—产量预测一完井方法选择一水平段设计一目的层以上的剖面设计一套管程序设计一井下工具、测量方法选择一水力参数设计与地面设备选择一经济评价。水平井设计是一个“先地下后地面，自下而上．综合考虑，反复寻优”的过程。图2—1是国外某公司给出的水平井设计流程示意图，大体反映了水平井设计过程的基本特征。一、油藏描述和精细地质设计1．对油藏进行综合的精细描述，建立水平井目的层地质模型。(1)目的层砂体预测。通过地震资料建立砂体判别模式，预测砂体分布；开展理论分析，定量确定目的层砂岩分布和孔隙度分布；划分沉积微相，预测砂体的平面分布，通过精细小层对比，分析砂岩的结构和平面变化；应用地层倾角的测井资料，预测砂体的增厚方向和延伸方向等。(2)油层顶部预测。油层顶界误差将给水平井的轨道控制带来困难，大的油顶误差会造成控制方案的改变甚至可能造成失控。有关工作主要是：利用油田的开发资料，研究目的层砂体沉积时的顶面形态，校正和确认目的层及其以上的不同油层顶面构造，确定目的层厚度和油层顶面的深度数据。（３）描述裂缝的发育特征。(4)描述储层内部物性夹层的分布特征。2．以地质模型为依据，应用油藏数值模拟技术，优化设计水平井井位参数1)确定水平井井位布置原则2)确定水平段长度和井眼直径的设计原则从理论上讲，水平段越长，井眼直径越大，水平井的采油指数(PI)就越大，产量就越高。仅对井眼直径的选值，还要综合考虑水平段的完井设计、全井的套管程序以及钻机能力等多种因素才能确定。对水平段长度，应根据砂体模型，泄油半径大小，具体的油藏开发设计要求和钻井成本，钻井和完井的工艺约束等因素综合考虑确定3)确定水平段方向确定水平段方向的基本原则就是如何获得最大的产能。对于靠天然能量开采的油藏，水平段方向最好与天然裂缝方向垂直，尽量多地穿透裂缝；而对注水开发的低渗透砂岩油藏，应综合考虑砂岩形态、天然裂缝方向、人工裂缝方向等因素，并结合油藏工程研究来确定水平段方向，二、水平井完井方法的选择目前的水平井完井可分为如下4种基本方法：(1)裸眼完井。(2)筛孔/割缝衬管完井。(3)筛孔/割缝衬管带管外封隔器完井。(4)衬(套)管注水泥固井射孔完井。此外还有砾石预充填完井、砾石充填完井和其他可进行选择性洗井及增产措施的选择性完井方法。⒈4种完井方法的比较1)裸眼完井法(1)费用低。(2)没有产量损失。(3)使用裸眼封隔器可以进行增产作业。其缺点是：(1)可能造成井眼堵塞．甚至造成部分乃至全部井段报废。(2)生产控制性差。(3)修井作业困难。(4)废弃部分生产段困难。2)筛孔/割缝衬管完井法其优点是：(1)割缝或筛孔可保持油层与井眼间的可靠通道。(2)若割缝或筛孔尺寸适当可部分控制出砂。(3)在松软地层常用绕丝筛管控制出砂。(4)砾石充填筛管可以有效进行砂控。其缺点是：(1)不能控制生产。(2)废弃部分生产段困难。(3)不能进行生产测井。3)筛管/割缝衬管带管外封隔器完井法其优点是：(1)可在石灰岩裂缝地层中实现层段的隔离。(2)可隔绝水层和气层。(3)可达到部分准确的生产测井。(4)可完成部分选择性的增产作业。其缺点是由于管外封隔器同割缝衬管一道在裸眼井中使用，很难预测和保证密封效果。4)衬(套)管注水泥固井射孔完井法其优点是：(1)在任何油层都可以有效地达到封隔作用。(2)在整个生产期间．任何时候都可以达到对原生水和气的封隔。(3)可以进行准确的生产测井。(4)能够完成选择性的增产作业或选择性生产。其缺点是水平井衬(套)管固井和射孔费用高，固井质量也较难保证。2.水平井完井方法的选择原则选择水平井的完井方法时必须考虑以下几点：(1)生产(包括产量、生产模式)。(2)生产测井。(3)生产控制。(4)预期的修井要求。(5)生产井注水、注气量的控制。(6)生产层段的废弃。(7)曲率半径对完井方法的限制。从曲率半径方面而言，短半径水平井一般只能用裸眼或筛孔剧缝衬管的完井方法，而中、长半径水平井则对4种完井方法并无限制。三、水平井靶区参数设计水平井的靶区一般是一个包含水平段井眼轨道的长方体或拟柱体。靶区参数主要包括水平段的井径、方位、长度、水平段井斜角、水平段在油层中的垂向位置以及水平井的靶区形状和尺寸即水平段的允许偏差范围。1．水平段长度设计设计方法是：根据油井产量要求，按照所期望的产量比值(即水平井日产量是邻近直井日产是的几倍)，来求解满足钻井工艺方面的约束条件的最佳水平段长度值。这些约束主要是指包括钻柱摩阻、钻机能力、井眼稳定周期及油层污染状况等因素的限制。⒉水平段井斜角确定确定水平段井斜角的设计值一般应综合考虑地层倾角、地层走向、油层厚度以及具体的勘探或开发要求。我国对石油水平井的水平段井斜角设计值的要求一般是不小于86°。在通常情况下，水平段与油层面平行，其井斜角为式中水平段设计井斜角，(°)；β油层地层倾角，(°)；依井眼方向与地层倾向的关系而定：若沿地层上倾方向，取“+”；若沿地层下倾方向，取“－”。3．水平段的垂向位置的确定油藏性质决定了水平段的设计位置。对于无底水、无气顶的泊藏，水平段宜置于油层中部；对于有底水或气顶存在的油藏，设计原则是水平段应尽量远离油水或气水界面；对于同时存在底水和气顶的油藏，应以尽量减小水锥和气锥速度为原则来确定水平段位置；对于重油油藏，为提高采收率，水平段应在油层下部，以便使密度较大的稠油借助重力流入水平井眼。4．水平井靶体设计水平井的靶体设计实质上就是要确定水平段位置的允许偏差范围，它将受两方面的限制：其一．严格控制允许偏差有利于把井眼轨道控制在最有利的地质储层内；°90aHaHaH其二，对允许偏差限制过严会加大实际钻井中井眼控制的难度，加大钻井成本。因此，在进行靶体设计时应综合考虑所钻油层的地质特性，钻井技术水平和经济成本等因素，在满足钻井目的的前提下，尽量放宽允许偏差，以降低控制难度和钻井成本。靶体的垂向允许偏差即靶体的高度，它与油层厚度及油藏形态有关，必须等于或小于油层厚度。靶体的上下边界应避开气顶和底水的影响，保证把水平段的井眼轨道限定在有利的范围内。一般来说，靶体上下边界对称于水平段的设计位置，但在有特殊要求的情况下并不必须对称．即上、下偏差可以是不等值的。靶体的宽度(即横向允许偏差)一般是其高度(即垂向允许偏差)的几倍(多为5倍)靶体的端面称为靶窗，后端面称为靶底，常见的靶体是以矩形靶窗为端面的长方体，或拟长方体，如图2—2所示。加大靶窗的宽度，有利于降低着陆控制即中靶的难度。有时在地质设计允许的前提下，加大长方靶体两侧的方位允