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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國石油大學(xué)(北京)),北京昌平 102249)

?“863”計(jì)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國石油大學(xué)(北京)),北京昌平 102249)

微小井眼鉆井技術(shù)是近10年提出的一項(xiàng)低成本勘探開發(fā)淺層油氣藏的技術(shù)。微小井眼鉆井技術(shù)與水平井技術(shù)結(jié)合,在薄油藏、稠油藏、邊際油藏、枯竭油藏等領(lǐng)域具有明顯的優(yōu)勢。由于工藝技術(shù)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(wěn)定因素、摩阻及產(chǎn)能等因素對微小井眼水平伸長的影響。結(jié)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(xù)油管抗彎剛度的增加而增大,而經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)能表明水平段存在最優(yōu)長度。其中,連續(xù)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(shè)計(jì)長度。

微小井眼鉆井;水平段長度;連續(xù)油管;摩擦阻力;生產(chǎn)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(shù)及傳感器技術(shù)的發(fā)展推動了微小井眼鉆井技術(shù)的發(fā)展。1994年,美國洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室(Los Alamos National Laboratory)提出了微小井眼連續(xù)油管鉆井的概念[1]。2003年,美國能源部啟動了一項(xiàng)綜合研究資助計(jì)劃,預(yù)期獲得一種低成本的微小井眼鉆井技術(shù)[2]。

微小井眼鉆井鉆機(jī)為小型連續(xù)油管鉆機(jī)或?qū)Ｓ勉@機(jī),鉆桿為連續(xù)油管,井下鉆井工具以小型化的連續(xù)油管井下鉆井工具為主[2]。微小井眼的完鉆直徑比常規(guī)井眼小得多,其鉆井設(shè)備及相關(guān)鉆井工具尺寸也都相應(yīng)地比常規(guī)鉆井裝備小很多。相應(yīng)地,微小井眼鉆井系統(tǒng)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(shù)的裝備及鉆井作業(yè)成本也比常規(guī)鉆井技術(shù)降低了很多。同時,微小井眼鉆井技術(shù)還具有環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)。

最初,提出微小井眼鉆井技術(shù)的意圖是應(yīng)用于探井及監(jiān)測井,提供一種低成本獲得地層信息并實(shí)施監(jiān)測的新方法。但基于前述優(yōu)點(diǎn),該技術(shù)同樣也可以應(yīng)用于開發(fā)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(chǎn)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(lǐng)域具有明顯的優(yōu)勢。然而該技術(shù)仍處于探索階段,有諸多關(guān)鍵技術(shù)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(jīng)濟(jì)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(shù)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(shè)計(jì)具有重要意義。為此,筆者綜合分析了地層因素、鉆井技術(shù)水平及經(jīng)濟(jì)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(huán)壓耗會隨著井深的增加而增大,井底實(shí)際壓力也會迅速升高。微小井眼尺寸比常規(guī)井眼小得多,這個現(xiàn)象更為明顯。循環(huán)壓耗的增大必然增加地面泵組的負(fù)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(xiàn)有的液態(tài)鉆井液都為非牛頓流體,根據(jù)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(tǒng)一的、適用于各種流變模式非牛頓流體的流態(tài)判別方法和摩阻系數(shù)計(jì)算方法。筆者選用冪律流變模式計(jì)算循環(huán)壓耗,連續(xù)油管管內(nèi)或環(huán)空的壓耗可用范寧方程計(jì)算[3]:

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

圖1為不同排量下,不同泵壓對應(yīng)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(dá)1 000 m左右。微小井眼鉆井通常以短半徑轉(zhuǎn)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(guān)系

1.2 井壁穩(wěn)定因素

井壁穩(wěn)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(huán)壓耗增大,井底壓力升高,最終導(dǎo)致井底巖石應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化。巖石內(nèi)部應(yīng)力達(dá)到其抗拉強(qiáng)度后,就會破裂。此時對應(yīng)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(xù)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(dá)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(dāng)量鉆井液密度應(yīng)小于地層破裂壓力對應(yīng)的當(dāng)量鉆井液密度。

筆者以φ50.8 mm連續(xù)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(jié)果見圖2。

圖2 微小井眼延伸極限與地層破裂壓力的關(guān)系

由圖2可以看出:地層破裂壓力當(dāng)量鉆井液密度越大,對應(yīng)的微小井眼延伸極限越大;排量越大,當(dāng)量循環(huán)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(chǎn)生的巖屑量較小,同時,環(huán)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(dāng)量鉆井液密度為1.8 kg/L時,微小井眼伸長可達(dá)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(xù)油管與井壁摩阻

隨著微小井眼井深增加,連續(xù)油管與井壁的摩阻力會增大,連續(xù)油管所受軸向力也會增大,大到一定程度后會導(dǎo)致失穩(wěn),產(chǎn)生屈曲變形。而屈曲變形又會導(dǎo)致連續(xù)油管與井壁接觸力增大,進(jìn)而使摩阻及推進(jìn)連續(xù)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(xù)油管發(fā)生自鎖,從而無法送進(jìn)。微小井眼鉆井技術(shù)采用的連續(xù)油管直徑一般小于76.2 mm,其抗彎剛度小,易失穩(wěn)。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(shù)。

隨著軸向力的增大,連續(xù)油管通常經(jīng)歷直線狀態(tài)、正弦屈曲狀態(tài)和螺旋屈曲狀態(tài)3個平衡態(tài)。多位學(xué)者對于連續(xù)油管摩阻力及接觸反力進(jìn)行了系統(tǒng)研究,并進(jìn)行了試驗(yàn)測試[5-11]。

筆者采用文獻(xiàn)[5]的計(jì)算模型進(jìn)行分析,其基本假設(shè)為:

1)鉆柱足夠長,端部邊界條件不影響力-螺距關(guān)系;

2)忽略鉆柱及鉆井液的動力學(xué)效應(yīng);

3)連續(xù)油管初始狀態(tài)為直線狀態(tài),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(xù)油管始終處于彈性狀態(tài),并與井壁連續(xù)接觸。

正弦屈曲、螺旋屈曲臨界軸向力計(jì)算公式分別為:

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

連續(xù)油管在直線、正弦屈曲及螺旋屈曲狀態(tài)下接觸力的計(jì)算公式分別為[5]:

式中,N為連續(xù)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(biāo),m;F為連續(xù)油管軸向力,N。

摩擦力計(jì)算公式為:

式中,μ為摩擦因數(shù),無因次。

連續(xù)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(xù)油管、φ88.9 mm井眼為例,計(jì)算軸向力與連續(xù)油管微小井眼水平段長度的關(guān)系,結(jié)果見圖3。

圖3 連續(xù)油管軸向力與水平段長度的關(guān)系

從圖3可以看出:在連續(xù)油管處于直線狀態(tài)時,其軸向力的增加主要是連續(xù)油管自重對應(yīng)的摩阻;隨著水平段的伸長,軸向力的增大速度緩慢;進(jìn)入正弦屈曲階段后,連續(xù)油管與井壁的接觸力因連續(xù)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(xù)油管發(fā)生螺旋屈曲時,連續(xù)油管與井壁的接觸力已非常大,導(dǎo)致摩阻力劇烈增加,很快導(dǎo)致軸向力不能傳遞,即自鎖。對于常規(guī)鉆頭,鉆進(jìn)時需要一定的鉆壓,連續(xù)油管發(fā)生自鎖前,其軸向力傳遞效率已不能滿足鉆井作業(yè)需要。但微小井眼鉆井技術(shù)可以采用專用射流破巖鉆頭來鉆進(jìn),其所需鉆壓很小,可視為零[12-13]。因此,計(jì)算中忽略了鉆壓的影響。從圖3還可以看出,φ50.8 mm連續(xù)油管在φ88.9 mm的規(guī)則井眼中推進(jìn),水平段長度可達(dá)到260 m。

1.4 產(chǎn)能

產(chǎn)能是微小井眼水平段長度設(shè)計(jì)的重要影響因素。通常認(rèn)為,水平段越長,儲層泄油面積越大,產(chǎn)量越大。但由于井眼內(nèi)流體摩阻等因素限制,在地層壓力恒定的條件下,水平段達(dá)到一定長度后,產(chǎn)量不會再增大或增幅很小[14]。對于微小井眼來說,井眼內(nèi)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(chǎn)能,反而會導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)效益下降。

筆者考慮微小水平井眼內(nèi)原油的流動阻力,選擇水平井的微元dx,假定水平井筒內(nèi)為一維單相穩(wěn)態(tài)不可壓縮流體作等溫流動,建立了微小水平井眼的產(chǎn)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(shù)。

根據(jù)連續(xù)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(guān)系可表示為:

圖4 產(chǎn)能計(jì)算液動力模型示意

聯(lián)立式(8)和式(9),并根據(jù)邊界條件可得:

則微小井眼水平段長度計(jì)算公式為:

以井眼直徑為50.8～114.3 mm的微小井眼為例,計(jì)算產(chǎn)能與水平段長度的關(guān)系,結(jié)果見圖5。計(jì)算時用到的參數(shù)有:油層厚度10 m,水平滲透率2.96μm2,垂直滲透率0.296μm2,生產(chǎn)壓差0.42 MPa,原油黏度0.5 mPa·s,原油密度640.74 kg/m3。

圖5 產(chǎn)量與微小井眼水平段長度的關(guān)系

從圖5可以看出,隨著水平段長度的增加,產(chǎn)能也增大,但增幅減小,最后趨于水平。綜合考慮經(jīng)濟(jì)效益與產(chǎn)能兩方面因素,微小井眼水平段并非越長越好,應(yīng)存在最優(yōu)長度。以最具代表性的φ88.9 mm微小井眼為例,其最優(yōu)水平段長度在400～500 m之間。微小井眼尺寸越小,其最優(yōu)長度也越小。因此,應(yīng)合理設(shè)計(jì)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(zhì)特征、連續(xù)油管與井壁摩阻、經(jīng)濟(jì)產(chǎn)能等因素。根據(jù)各影響因素計(jì)算出的水平段最大允許長度,進(jìn)行比較,取最小值作為微小井眼水平段的設(shè)計(jì)長度,即:

式中,L1為地質(zhì)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(chǎn)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(guān)鍵因素。由于微小井眼鉆井技術(shù)主要應(yīng)用于淺層井,現(xiàn)有的地面泵組的性能參數(shù)基本可以達(dá)到微小井眼鉆井的工藝要求。但地層破裂壓力及連續(xù)油管的穩(wěn)定性對微小井眼水平的伸長限制較大,直接影響鉆井作業(yè)的成敗。因此微小井眼鉆井水力參數(shù)的設(shè)計(jì)及連續(xù)油管送進(jìn)工藝的設(shè)計(jì)仍需要進(jìn)一步完善,使其允許水平伸長值達(dá)到產(chǎn)能決定的水平伸長值,以充分發(fā)揮微小井眼鉆井技術(shù)的優(yōu)勢,從而實(shí)現(xiàn)油藏最優(yōu)開發(fā)。

3 結(jié) 論

1)微小井眼鉆井技術(shù)具有占地面積小、成本低、環(huán)保的特點(diǎn),在薄油藏、稠油藏、邊際油藏、枯竭油藏等領(lǐng)域具有明顯的優(yōu)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(xù)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(chǎn)能增長緩慢,經(jīng)濟(jì)效益降低。因此水平段長度應(yīng)滿足經(jīng)濟(jì)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(xù)油管與井壁摩阻、產(chǎn)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(shù)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(shí)現(xiàn)微小井眼鉆井技術(shù)工業(yè)化應(yīng)用并發(fā)揮其優(yōu)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(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(“863”計(jì)劃)“水力噴射側(cè)鉆徑向微小水平井眼技術(shù)研究”(編號:2007AA09Z315)和國家重大專項(xiàng)“煤層氣水平井、多分支水平井鉆井、錄井和測井技術(shù)”(編號: 2008ZX05000-036-02)資助

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

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