微小井眼水平伸長影響因素研究

郭瑞昌 李根生 黃中偉 田守嶒 史懷忠

(油氣資源與探測國家重點實驗室(中國石油大學(北京)),北京昌平 102249)

?“863”計劃專欄?

微小井眼水平伸長影響因素研究

郭瑞昌 李根生 黃中偉 田守嶒 史懷忠

(油氣資源與探測國家重點實驗室(中國石油大學(北京)),北京昌平 102249)

微小井眼鉆井技術是近10年提出的一項低成本勘探開發淺層油氣藏的技術。微小井眼鉆井技術與水平井技術結合,在薄油藏、稠油藏、邊際油藏、枯竭油藏等領域具有明顯的優勢。由于工藝技術及裝備水平限制,微小水平井眼水平延伸能力受到多種因素的制約。分析了地面裝備性能、井壁穩定因素、摩阻及產能等因素對微小井眼水平伸長的影響。結果表明,水平段伸長極限隨著鉆井泵額定泵壓、地層破裂壓力及連續油管抗彎剛度的增加而增大,而經濟性產能表明水平段存在最優長度。其中,連續油管與井壁的摩阻對微小井眼水平伸長的限制較大。各影響因素決定的微小井眼最大允許水平伸長值中的最小值即為微小井眼水平段的設計長度。

微小井眼鉆井;水平段長度;連續油管;摩擦阻力;生產能力

微小井眼是指完鉆井眼直徑小于88.9 mm的油氣井。鉆井裝備、電子技術及傳感器技術的發展推動了微小井眼鉆井技術的發展。1994年,美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室(Los Alamos National Laboratory)提出了微小井眼連續油管鉆井的概念[1]。2003年,美國能源部啟動了一項綜合研究資助計劃,預期獲得一種低成本的微小井眼鉆井技術[2]。

微小井眼鉆井鉆機為小型連續油管鉆機或專用鉆機,鉆桿為連續油管,井下鉆井工具以小型化的連續油管井下鉆井工具為主[2]。微小井眼的完鉆直徑比常規井眼小得多,其鉆井設備及相關鉆井工具尺寸也都相應地比常規鉆井裝備小很多。相應地,微小井眼鉆井系統的占地面積及廢液排放量也小得多。因此,微小井眼鉆井技術的裝備及鉆井作業成本也比常規鉆井技術降低了很多。同時,微小井眼鉆井技術還具有環保的優點。

最初,提出微小井眼鉆井技術的意圖是應用于探井及監測井,提供一種低成本獲得地層信息并實施監測的新方法。但基于前述優點,該技術同樣也可以應用于開發井,可在儲層鉆水平微小井眼,提高儲層裸露面積,從而提高油氣井產量和最終采收率。因此,在薄油藏、稠油藏、邊際油藏、枯竭油藏等領域具有明顯的優勢。然而該技術仍處于探索階段,有諸多關鍵技術尚待解決。微小井眼水平段長度的確定即是其中之一。從增大儲層裸露面積角度考慮,期望盡可能增加儲層中微小井眼水平段的長度;但從經濟角度來講,水平段長度也并非越長越好,同時,受地層及鉆井技術水平等多種因素的制約,微小井眼水平段也不可能無限伸長。因此,微小井眼水平延伸能力及水平段長度合理確定,對于微小井眼鉆井工程設計具有重要意義。為此,筆者綜合分析了地層因素、鉆井技術水平及經濟等因素對微小井眼水平段延伸的影響,并提出了水平段長度的確定方法。

1 主要影響因素分析

1.1 地面裝備水平

地面裝備包含地面泵組及管匯,這里主要研究泵組的額定壓力對微小井眼長度的限制。由于鉆井液流動摩阻的作用,循環壓耗會隨著井深的增加而增大,井底實際壓力也會迅速升高。微小井眼尺寸比常規井眼小得多,這個現象更為明顯。循環壓耗的增大必然增加地面泵組的負荷,而地面泵組的泵壓不會無限制地增大,因此,微小井眼井深不會無限制地增加,其在儲層水平段的伸長也會受限。

現有的液態鉆井液都為非牛頓流體,根據其流變性的不同,一般可分為冪律流體、塑性流體及赫巴流體等多種流變模式。但目前尚無統一的、適用于各種流變模式非牛頓流體的流態判別方法和摩阻系數計算方法。筆者選用冪律流變模式計算循環壓耗,連續油管管內或環空的壓耗可用范寧方程計算[3]:

式中,Δp為連續油管或環空壓耗,Pa;f為連續油管內或環空的范寧摩阻系數,無因次;ρ為流體密度,kg/m3; l為連續油管或環空長度,m;v為圓管或環空流體速度,m/s;do和 di(對于環空壓耗,式中 di需替換為環空當量直徑D-do)分別為連續油管的外徑和內徑,m;D為井眼直徑,m。

圖1為不同排量下,不同泵壓對應的微小井眼鉆深。泵壓越大,微小井眼鉆深越深。一般微小井眼的排量較小,在排量1 000 L/min的條件下,微小井眼鉆深可達1 000 m左右。微小井眼鉆井通常以短半徑轉向,其造斜段長度有限,可以忽略。因此,微小井眼鉆深減去垂直段的長度,可得水平段最大長度。

圖1 微小井眼鉆深與泵組額定壓力的關系

1.2 井壁穩定因素

井壁穩定因素在這里主要是指地層破裂壓力[4]。隨著微小井眼井深的增加,循環壓耗增大,井底壓力升高,最終導致井底巖石應力狀態發生變化。巖石內部應力達到其抗拉強度后,就會破裂。此時對應的井底壓力即地層破裂壓力。微小井眼鉆入水平段后,隨著井深的增加,井底壓力持續增加,但水平段垂深不變,其所處地層的破裂壓力卻不會增加。微小井眼水平伸長達到一定程度,井底壓力超過地層破裂壓力后,就會壓漏地層。因此,微小井眼鉆井時的當量鉆井液密度應小于地層破裂壓力對應的當量鉆井液密度。

筆者以φ50.8 mm連續油管鉆φ88.9 mm微小井眼為例,分析了地層破裂壓力對微小井眼延伸能力的影響,結果見圖2。

圖2 微小井眼延伸極限與地層破裂壓力的關系

由圖2可以看出:地層破裂壓力當量鉆井液密度越大,對應的微小井眼延伸極限越大;排量越大,當量循環密度隨著水平伸長增大越快,因此,微小井眼延伸極限也越小。由于微小井眼鉆井產生的巖屑量較小,同時,環空流速較高,因此滿足攜巖要求的排量較小。在地層破裂壓力當量鉆井液密度為1.8 kg/L時,微小井眼伸長可達到700 m以上。微小井眼延伸極限減去目的層埋深即為微小井眼水平延伸極限。

1.3 連續油管與井壁摩阻

隨著微小井眼井深增加,連續油管與井壁的摩阻力會增大,連續油管所受軸向力也會增大,大到一定程度后會導致失穩,產生屈曲變形。而屈曲變形又會導致連續油管與井壁接觸力增大,進而使摩阻及推進連續油管所需的軸向推力增大。因此,摩阻與屈曲變形耦合,隨著微小井眼水平段長度的增加,連續油管發生自鎖,從而無法送進。微小井眼鉆井技術采用的連續油管直徑一般小于76.2 mm,其抗彎剛度小,易失穩。因此,屈曲變形的摩阻是確定微小井眼水平延伸極限長度的重要參數。

隨著軸向力的增大,連續油管通常經歷直線狀態、正弦屈曲狀態和螺旋屈曲狀態3個平衡態。多位學者對于連續油管摩阻力及接觸反力進行了系統研究,并進行了試驗測試[5-11]。

筆者采用文獻[5]的計算模型進行分析,其基本假設為:

1)鉆柱足夠長,端部邊界條件不影響力-螺距關系;

2)忽略鉆柱及鉆井液的動力學效應;

3)連續油管初始狀態為直線狀態,位于井眼下部;

4)井眼模型為剛性、橫截面積恒定的圓筒;

5)連續油管始終處于彈性狀態,并與井壁連續接觸。

正弦屈曲、螺旋屈曲臨界軸向力計算公式分別為:

式中,Fs為連續油管正弦屈曲臨界載荷,N;Fh為連續油管螺旋屈曲臨界載荷,N;EI為連續油管抗彎模量,N·m2;w為連續油管線重,N/m;r為連續油管與井壁間隙,m。

連續油管在直線、正弦屈曲及螺旋屈曲狀態下接觸力的計算公式分別為[5]:

式中,N為連續油管與井壁間的法向接觸力,N;A為正弦屈曲曲線振幅,rad;λ為正弦屈曲曲線波長, m;z為井眼軸線方向坐標,m;F為連續油管軸向力,N。

摩擦力計算公式為:

式中,μ為摩擦因數,無因次。

連續油管垂直段的摩阻力通常很小,對微小井眼的延伸極限影響不大。因此,筆者以φ50.8 mm連續油管、φ88.9 mm井眼為例,計算軸向力與連續油管微小井眼水平段長度的關系,結果見圖3。

圖3 連續油管軸向力與水平段長度的關系

從圖3可以看出:在連續油管處于直線狀態時,其軸向力的增加主要是連續油管自重對應的摩阻;隨著水平段的伸長,軸向力的增大速度緩慢;進入正弦屈曲階段后,連續油管與井壁的接觸力因連續油管的變形而增大,其軸向力增大速度也略有增大;軸向力增大到連續油管發生螺旋屈曲時,連續油管與井壁的接觸力已非常大,導致摩阻力劇烈增加,很快導致軸向力不能傳遞,即自鎖。對于常規鉆頭,鉆進時需要一定的鉆壓,連續油管發生自鎖前,其軸向力傳遞效率已不能滿足鉆井作業需要。但微小井眼鉆井技術可以采用專用射流破巖鉆頭來鉆進,其所需鉆壓很小,可視為零[12-13]。因此,計算中忽略了鉆壓的影響。從圖3還可以看出,φ50.8 mm連續油管在φ88.9 mm的規則井眼中推進,水平段長度可達到260 m。

1.4 產能

產能是微小井眼水平段長度設計的重要影響因素。通常認為,水平段越長,儲層泄油面積越大,產量越大。但由于井眼內流體摩阻等因素限制,在地層壓力恒定的條件下,水平段達到一定長度后,產量不會再增大或增幅很小[14]。對于微小井眼來說,井眼內流體摩阻更不能忽略。因此,片面增加微小井眼水平段長度并不能大幅提高產能,反而會導致經濟效益下降。

筆者考慮微小水平井眼內原油的流動阻力,選擇水平井的微元dx,假定水平井筒內為一維單相穩態不可壓縮流體作等溫流動,建立了微小水平井眼的產能模型(見圖4),則微元dx上流向水平井的徑向流為:

式中,qs(x)為徑向流的單元變化;pw(x)為平井眼長度的壓力分布函數。

根據連續性方程,微元dx上流向水平井的徑向流和水平井中水平流的平衡關系可表示為:

圖4 產能計算液動力模型示意

聯立式(8)和式(9),并根據邊界條件可得:

則微小井眼水平段長度計算公式為:

以井眼直徑為50.8～114.3 mm的微小井眼為例,計算產能與水平段長度的關系,結果見圖5。計算時用到的參數有:油層厚度10 m,水平滲透率2.96μm2,垂直滲透率0.296μm2,生產壓差0.42 MPa,原油黏度0.5 mPa·s,原油密度640.74 kg/m3。

圖5 產量與微小井眼水平段長度的關系

從圖5可以看出,隨著水平段長度的增加,產能也增大,但增幅減小,最后趨于水平。綜合考慮經濟效益與產能兩方面因素,微小井眼水平段并非越長越好,應存在最優長度。以最具代表性的φ88.9 mm微小井眼為例,其最優水平段長度在400～500 m之間。微小井眼尺寸越小,其最優長度也越小。因此,應合理設計水平段長度,以獲得最大收益。

2 水平段長度確定

影響確定微小井眼水平段長度的因素眾多,限于篇幅,筆者只考慮了地面泵組性能、儲層地質特征、連續油管與井壁摩阻、經濟產能等因素。根據各影響因素計算出的水平段最大允許長度,進行比較,取最小值作為微小井眼水平段的設計長度,即:

式中,L1為地質因素決定的最大水平段長度,m;L2為地面泵組性能決定的最大水平段長度,m;L3為摩阻決定的最大水平段長度,m;L4為產能決定的最大水平段長度,m;L5為未考慮因素決定的最大水平段長度,m。

眾多影響因素中,允許微小井眼水平伸長最小的因素通常是關鍵因素。由于微小井眼鉆井技術主要應用于淺層井,現有的地面泵組的性能參數基本可以達到微小井眼鉆井的工藝要求。但地層破裂壓力及連續油管的穩定性對微小井眼水平的伸長限制較大,直接影響鉆井作業的成敗。因此微小井眼鉆井水力參數的設計及連續油管送進工藝的設計仍需要進一步完善,使其允許水平伸長值達到產能決定的水平伸長值,以充分發揮微小井眼鉆井技術的優勢,從而實現油藏最優開發。

3 結 論

1)微小井眼鉆井技術具有占地面積小、成本低、環保的特點,在薄油藏、稠油藏、邊際油藏、枯竭油藏等領域具有明顯的優勢。

2)泵組額定壓力越大,地層安全密度窗口越大,則水平段允許延伸長度越長;在井眼尺寸確定的情況下,增大連續油管抗彎剛度有利于增加水平段長度;水平段長度增加到一定程度,產能增長緩慢,經濟效益降低。因此水平段長度應滿足經濟性要求。

3)微小井眼水平段長度的確定要綜合考慮水力因素、連續油管與井壁摩阻、產能等多方面因素的影響,取各因素允許長度最小值為最終長度。

4)目前,微小井眼鉆井技術仍處于探索階段,其鉆井工藝也在不斷完善中。分析限制微小井眼水平伸長的主要因素是實現微小井眼鉆井技術工業化應用并發揮其優勢的重要保障。

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[審稿 曾義金]

Investigation of Factors Affecting Microhole’s Horizontal Displacement

Guo Ruichang Li Gensheng Huang Zhongwei Tian Shouceng Shi Huaizhong
(State Key L aboratory of Petroleum Resource and Prospecting,China University of Petroleum, Changping,Beijing,102249,China)

Microhole drilling technology,a newly developed technology over the past decade,is a low-cost exploration and development technology which mainly applied to shallow reservoir.Combined with horizontal well technology,microhole drilling technology has obvious advantages in thin,heavy oil,margin and depleted reservoirs.The maximum horizontal extension of microhole well is limited by several factors.The effects of the factors on microhole well horizontal extension were analyzed,including equipment performance,wellbore stability,formation factors,and friction and production capacity.The results showed that microhole horizontal extension increases with rated pump pressure,formation breakdown pressure and bending rigidity of CT.While economical production shows that there is an optimal value in horizontal extension.The friction between CT and wellbore has more impacts compared with others factors.The minimal of maximal horizontal extension determined by above factors is the optimal designed length.

micro-hole drilling;length of the horizontal segment;coiled tubing;friction resistance; productivity

book=2010,ebook=98

TE246

A

1001-0890(2010)02-0005-05

2009-07-21;改回日期:2010-01-18

國家高技術研究發展計劃(“863”計劃)“水力噴射側鉆徑向微小水平井眼技術研究”(編號:2007AA09Z315)和國家重大專項“煤層氣水平井、多分支水平井鉆井、錄井和測井技術”(編號: 2008ZX05000-036-02)資助

郭瑞昌(1982—),男,山東東營人,2005年畢業于中國石油大學(華東)過程裝備與控制工程專業,中國石油大學(北京)油氣井工程專業在讀博士研究生,主要從事微小井眼鉆井技術及徑向水平井技術研究。

聯系方式:(010)89733379,grchupc@yahoo.com.cn