小井眼侧钻关键技术_冯文荣

小井眼侧钻关键技术

冯文荣,张德荣

(西南石油大学,四川成都610500)

摘 要:应用小井眼高效侧钻工具和工艺配套技术,可以实现小井眼高效侧钻目标,提高小井眼侧钻技术水平,提高钻井速度,降低石油资源的开发成本。

关键词:高效侧钻;套管开窗工具;水力加压器;可扩眼钻头;井壁稳定;轨迹控制

中图分类号:TE246 文献标识码:B 文章编号:1004 5716(2008)11 0082 03

小井眼侧钻井技术已由单纯的关停井复产,逐步发展成为油藏挖潜、提高油气采收率的重要手段。为了实现优质、高效、低成本小井眼侧钻井工程,就应有良好的轨迹设计、施工参数设计、泥浆性能参数设计及相应的钻具结构设计,即配套的工具和工艺技术。小井眼侧钻技术包括:窗口形成技术、井壁稳定控制技术、轨迹优化控制技术、扩眼快速钻进技术、钻井液技术和完井技术。

小井眼高效侧钻应解决好:窗口形成技术 可靠的高效开窗工具;井壁稳定控制技术 井眼应力场的分析计算和钻井液体系;轨迹优化控制技术 设计手段的先进性和钻具结构;扩眼快速钻进技术 扩眼钻头的性能和钻压准确施加。

1 侧钻井井壁稳定的分析与控制

小井眼侧钻井大都是在老区块上施工,地层注水开发,造成地层岩石易于流动,缩径速度及蠕变加剧,侧钻出来的新井眼井壁不易稳定,井径缩小、井斜增大,套管居中困难,环空间隙小,是侧钻井事故率极高、周期增长和造成固井质量差的根本原因。主要有扩径、预留缩径空间和抑制缩径两种解决方法。

前者主要是开发和使用可扩眼工具,后者是根据侧钻井地质条件和现有的测井资料、水力压裂资料,建立井眼应力场力学模型,通过数值模拟计算,弄清侧钻井段地层三向应力的大小,确定井壁岩石的破裂压力、地层的坍塌压力、孔隙压力和缩径程度以及岩石力学特性,从而确定泥浆体系性能参数和快速钻进的技术措施。

井壁稳定包括钻井过程中的井壁坍塌(缩径)和地层破裂(压裂)两种类型,前者是由于岩石的剪切破坏或塑性流动导致的,后者是由于岩石的拉伸破裂产生的;通过定量研究确定地层不坍塌(不缩径)、不压漏的钻井液密度范围,为钻井井身结构设计和合理确定钻井液密度提供依据。

影响井壁稳定的因素主要有地应力、井壁的应力分布、地层岩石的力学性质、井斜角、方位角、井壁岩石的渗透性和孔隙度,地层倾角和钻井液性能等。

1.1 地应力

地应力是指地下环境中某一岩层深度处的应力状态,可用垂直主应力 z、最大水平地应力 H、最小水平地应力 h表示,地应力一般是不均匀的。垂直主地应力由上覆地层应力确定,水平地应力由两部分组成:(1)由上覆地层压力引起,它是岩石泊松比的函数;(2)由地质构造应力确定,与岩石的泊松比无关,并在两个方向一般是不相等的。

1.2 井壁应力状态

井眼未形成前,地下环境应力处于相对稳定状态,在钻井井眼形成过程中,井筒壁面应力状态发生变化。

地层破裂是由井壁上的应力状态决定的。裂缝形成的条件是:

E -S t

式中: E 有效切向应力,M Pa;

S t 岩层抗张强度,M Pa。

井壁岩石中垂直裂缝的产生是由于有效切向应力 E从压缩变为拉伸并超过岩层的抗张强度所造成,满足 E -S t时的井内液柱压力P i称为地层破裂压力P F。从力学角度说,地层破裂是由井内钻井液密度过大使井壁岩石所受的周向应力超过岩石的拉伸强度而造成的,井壁坍塌是由于井内液柱压力太低,使得井壁周围岩石所受应力超过岩石本身的强度而产生剪切破坏造成的,发生井眼坍塌时的临界钻井液液柱压力称为井壁坍塌压力P c。

1.3 井眼液柱压力(钻井液密度)安全取值范围

钻井过程中,钻井液携带和悬浮岩屑,冷却润滑钻头钻具,同时钻井液液柱压力起支撑井壁的作用。

不同深度处地层的P p、P F、P c不同,要防止钻井过

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程中发生井喷、井漏和井塌,井眼液柱压力P i应满足: P F>P i>P p且P F>P i>P c

1.4 油田注水开发对侧钻井井眼稳定性的影响

(1)油田注水后引起地应力场的变化。油田注水后,地应力增大,引起受效区块原地应力场的变化,从而导致井眼井壁岩石的应力分量的改变,因此P i也要随之调整。

(2)注水引起岩石层面间、断层面上的摩擦系数和原始剪力降低。注水后,产生断层或层间岩石的相对滑动,可能出现井眼的弯曲变形或错位。地层倾角愈大,这种变形程度愈严重。

(3)注水会增强泥页岩层的塑性流动,加剧蠕变和膨胀。注水后,泥页岩吸水膨胀,内应力增大,蠕变加剧,泥岩段井眼会出现缩径甚至垮塌。

因此,钻侧钻井时,应尽量缩短钻井周期,深入认识井眼应力场的改变,定量掌握注水开发后加速井眼失稳的程度,以便降低事故率、实现高效侧钻。

2 小井眼侧钻井轨迹优化与控制

目前,国外的定向井、水平井、侧钻井轨迹设计采用同一软件,给定侧钻井井深,设计侧钻点至靶点之间的侧钻井轨迹,系三维轨迹设计。曲线井段的曲率为常数,即曲线井眼为空间斜平面内的一段圆弧,考虑起点井斜角和方位角的影响。国内三维轨迹设计采用柱面法,将一个三维空间问题分解成柱面和水平投影面两个平面问题求解,不能保证曲线井段的井眼曲率为常数,特别是侧钻井,许多油田均未考虑起点井斜角和方位角的影响,使井眼轨迹控制难度加大,中靶率低。而采用空间约束条件下的多目标(2个靶点以上)轨迹设计方法,基于三牙轮钻头、PDC钻头、单牙轮钻头与水力加压器相结合的钻具结构,进行小井眼约束条件下的钻柱静力学和运动学分析计算,可确定最优轨迹控制的钻具结构及钻进参数。

2.1 三维小井眼侧钻井设计

采用两个空间圆弧中间加一条空间直线的组合剖面,不仅可以满足设计靶点三维坐标的要求,而且可以限制入靶点的井斜角和方位角,也可作侧钻水平井和待钻井眼轨迹设计。在给定上段井眼曲率后,程序自动上下搜索计算下段圆弧的最小曲率,这种算法保证了在输入数据基本合理条件下能够设计出合理的轨迹剖面,避免了因第二段曲线井段的曲率过小造成设计失败的问题。若计算出的最小曲率使得两段空间圆弧间的稳斜段长度为0,则设计出的剖面为连续两个空间圆弧的曲线井段,这是小井眼侧钻定向井、水平井钻井实践中经常采用的一种剖面形式。2.2 施工监测分析

(1)测斜计算:用最小曲率法计算每一个测点的三维坐标、每一测段的井斜变化率、方位变化率、井眼曲率,当前井底至靶点的靶心距、靶方位。如果是水平井,还应判断实钻轨迹是否位于靶区范围之内。

(2)轨迹预测分析:预测井内正在使用的钻具组合能否中靶,或井内钻具组合何时起钻并更换何种类型的钻具组合。

(3)待钻轨迹设计:给定垂深、井斜角计算井眼曲率;给定靶点三维坐标计算井眼曲率、井斜变化率、方位变化率;给定靶点三维坐标、入靶点的井斜角、方位角计算两段空间圆弧的曲率及稳斜段长度。

(4)扭方位计算:根据给定的扭位方式计算工具面角及扭方位井段长度。

(5)中靶分析:根据靶点给出的形状,分析实钻轨迹与靶平面相交的位置,计算交点处的各个井身参数,并判断是否中靶。

3 小井眼侧钻井成套工具配套技术

3.1 新型套管开窗工具

套管开窗侧钻是利用老井的油层套管在油层上部某处开窗、侧钻、定向造斜作业完成小尺寸井眼。目前的套管定向开窗工具有地锚式和悬挂坐封式套管开窗工具两大类,需要2~5次起下钻完成定向坐封并实现开窗。地锚式套管开窗工具需要注水泥塞等待侯凝再开窗,其周期较悬挂坐封式套管开窗长,成本高。而新型YDY平(弧)面导向悬挂坐封式套管开窗工具,实现一次性起下钻,完成定向、坐封和开窗、修窗,且开窗钻头尽可能不伤导向器,分叉角达到2.5 ~4 ,全液压驱动,能创造较好的经济效益。

该工具主要由开窗钻头、导向器、坐封器三大部分组成,使用支承结构将导向器与切削钻头分开,切削过程中不伤导向器,有较大的分叉角,实现快速分叉;通过埋藏在导向器背部的紫铜管与开窗钻头实现对接,将液力传递至坐封器中心孔,迫使三级液缸联动提供坐封压力。

该工具的特点:全液压驱动,双卡瓦坐封,三缸联动加压,坐封力达30~45t,能承受较大的轴向载荷和周向载荷,在剧烈振动下钻进切削,套管不会松动,确保整个施工过程中导向器稳定可靠;硬对硬设计理念突破机械设计的传统观念,在切削过程中,尽可能不伤导向器,保证较大的分叉角;开窗钻头的轮廓与布齿规律设计弥补了现有铣锥钻头的簿弱环节,有较好的切削覆盖率,能适应开窗过程的断续切削工况,同时增强抗冲击能力,实现整个开窗过程的快速切削;齿面结构优化设计

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