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水平井井身剖面设计

 

水平井设计

水平井设计

所谓水平井,是指最大井斜角一般不小于86且在产层内横向钻进的特殊形式的油气井。

水平井技术是80年代钻井、完井技术的重大成就之一。

水平井不仅可以应用于开发低渗透率裂缝性油气藏,进行二次完井开发成熟油田或枯竭油藏,解决或缓解底水或气顶油藏的锥进问题,开发薄油层。

进行蒸气驱油开发重油油藏和提高聚合物驱油采收率等,而且可应用于勘探开发常规油气田,显著地增加产量,大幅度地提高勘探开发的综合经济效益。

水平井设计涉及的范围很广,主要包括油藏工程、地质构造、井身结构、井身剖面、钻具组合、钻井参数、钻井液、完井液、固井与完井、测井和钻井成本分析等。

本文主要讲述水平井井身剖面设计的一些基本方法。

一、水平井井位的确定:

所谓水平井井位主要指水平井段在油藏中的具体位置。

因此,水平井井位确定的科学性决定着水平井的经济性。

水平井井位确定是在地质描述、地震探测、邻井分析、油藏模拟、经济分析基础上进行的。

其中重点部分是油藏模拟和经济分析,只有这样方能使水平井钻到适合钻水平井的油藏上的有利部位,从而获得显著的经济效益。

(一)适合钻水平井的典型油藏有以下七种类型:

1)垂向渗透率高的薄油层(层厚小于6m);

2)存在气锥或水锥问题的油藏;

3)天然裂缝性油藏;

4)近海油藏;

5)用常规技术很难压裂的油藏;

6)地面钻井受到限制的地区;

7)稠油油藏。

(二)水平井井位选择的基本准则:

1)进行油藏横向描述研究;

2)进行油藏筛选模拟研究;

3)评估水平井优越性;

4)水平井综合经济分析。

(三)水平井井位选择中需要注意的几个问题:

1)在适合钻水平井的油藏中水平井不一定能够获得好效益;

2)裂缝性油藏对水平井井位选择的影响

3)低渗透油藏对水平井井位选择的影响

4)薄油藏对水平井井位选择的影响

5)稠油油藏对水平井井位选择的影响

6)水气锥进油藏对水平井井位选择的影响

7)钻经地层特性对水平井井位选择的影响

8)目的层严重不均质对水平井井位选择的影响

(四)科学选择水平井井位的基本对策:

1)积极组织与开展水平井油藏描述和油藏模拟研究,使水平井钻到能获得较高产量的油藏;

2)积极组织钻井开采工艺技术的研究,使水平井不仅能顺利钻成,而且能及时投产,以便充分发挥出水平井的效益;

3)积极组织与开展水平井综合经济效益分析的研究,使水平井钻到能获得较高产量,又能使钻井和开发投资相对较低的油藏上,以便缩短资金回收期,从而使水平井获得显著的经济效益;

4)组织水平井综合研究与施工机构。

二、不同类型水平井的工艺特点

水平井的类型不同,所用的钻井技术、测井、固井、完井等技术也不尽相同。

下面表1列出了各种曲率半径水平井钻井方法的特点。

分支水平井是从垂直井眼侧钻的水平或近似水平的井筒。

就其曲率半径而言,它应属于小曲率半径水平井的范畴。

水平分支井又可分成四种情况:

1)先钻成大斜度主井筒(个别情况下也钻成水平井),然后从适当位置(一般是以目的层考虑,多选在大斜度或水平井段)侧钻分支井筒。

侧钻分支井筒可以有多个,其中有些不一定完全水平。

表1

水平钻井方法一览表

特性

造斜曲率

造斜半径(m)

9.0

914.0~36

87.0

典型造斜率(°/30m)

≈200

2~5

20

钻到水平井(m)

13.7

1432.0~579.0

137.0

水平长度(潜在能力)(m)

213±

1220±

915±

钻井装置及工具

非常特殊的转动

装置

常规的转动和马达

装置

近似常规的转动和

马达装置

钻井作业

非常特殊

常规

近似常规

每m水平段耗资(与垂直m相比)

非常高,由于专用工具和作业

非常高,由于造斜部分太长

有点高,由于MWD和马达操作

勘测

抽油杆输送

MWD和泵送

MWD和泵送

方向控制

造斜器一开始定目标

用马达控制

用马达控制

裸眼井测井

没有

钻杆输送

最终钻杆输送

用现有井

可以

也许不可行

可以

水平井固井

不行

可以

可以

准确找到薄地层

可以

也许可行但不容易

可以

预钻和测井目标层

是,经常做

可能,但不经济

2)先钻垂直主井筒至生产层底部,再从井底以上适当位置向四周钻一、两个或多个分支筒(其中有些不一定达到水平)。

或者,钻垂直井至生产层顶部或稍高处,然后分岔。

亦可利用旧井侧钻分支水平井筒。

国外为达到各种目的而利用旧井侧钻的情况相当普遍,在全部分支水平井中占有很大比例。

3)钻深达2500m的分支水平井,这是一种水平井段长达1000m,有着众多的分支井筒的巨大工程,一口井就可以控制一大片油藏空间。

而且,这种向四面八方钻分支井筒的方法可以在丛式钻井中应用。

4)先钻一垂直中心井,然后由中心井向四周钻水平段后再上翘钻出地面,或者,从四周钻水平井与中心井连通。

也可以利用油田原有旧井作中心井,它专用来采油,而各种增产措施在四周水平井筒内进行。

常规水平井的最大总井深达4335m,最大水平位移达1500m,产层内井段长度超过1100m,浅水平井的水平位移与垂直井深比值最大达3.19,在油层内井眼轨迹最高控制精度为3m以内。

苏联的水平钻井技术主要表现在钻水平分支井方面,也就是说,其水平井绝大多数是分支水平井。

为了在业已枯竭的老油田获取新的储量和提高采收率,为了对付低渗透性或非均质生产层,在许多油田采取了分支水平钻井的方法,以求最大开发利润。

仅据1976年有关资料统计,在苏联各采油区,单是有着5~10个长达80~300m的大斜度和水平分支井筒的这类井就钻了100余口,至于那些只有1~3个分支井筒,或者分支井筒长度仅三、五十米的这类井,就多得难以计数了。

随着水平分支井钻井技术的发展,现在可以钻工程巨大的分支水平井。

三、水平井设计的特点

水平井设计主要有以下基本特点:

1)钻井参数以井眼轨迹控制为设计准则。

例如:

钻压不是以最高钻速为设计原则,而是必须以方位漂移最小有利于井斜控制进行合理设计。

2)水力参数设计以发挥工具能力和井眼净化为依据。

例如:

排量一般以最大排量进行设计,以便携带岩屑,并不要求采用钻头水功率占总功率的2/3为最佳的原则。

另外,排量还需遵循满足动力钻具和MWD要求。

3)钻柱设计一则要满足强度要求,二则要采用倒装钻具。

4)钻井液设计主要考虑良好的携砂性和井眼稳定,以及油层保护和轨迹控制的需要。

5)井身结构设计要有利于安全施工、轨迹控制和保护油层。

6)井身剖面设计要以现有工具和技术为条件,要以经济施工为重点。

7)要选择大钩负荷能力、立柱盒容纳能力、钻井液净化能力和泵排量、泵压能力能满足水平井施工要求的钻井设备。

四、水平井设计应考虑的因素

与普通定向井不同,水平井要横穿目的层,设计中需要考虑更多的影响因素。

其主要相关因素有以下几方面。

(一)油藏特性

(1)有底水或气顶情况的油藏。

这类油藏要防止水锥或气锥,水平井段尽可能远离油水界面或油气界面,沿油层上部或下部水平延伸。

在底水和气顶同时存在的油藏中,也应以尽可能减少水锥和气锥速度为原则选定水平井段的适当轨迹。

(2)有垂直裂缝的油气藏。

水平井段的方位应与垂直裂缝带走向相交,

应尽可能钻穿更多的垂直裂缝带。

(3)多层系油、气藏。

根据油藏特点和开发要求也可钻穿几组油气藏,成为水平多目标井。

(4)老井侧钻的情况。

设计时应注意产层内大斜度和水平段要避开老井的水淹区,以便水平井生产时含水率尽可能降低,并减低水锥进度。

(5)热采稠油情况。

在稠油油藏打水平井除具有井眼直径大等特点外,在生产井附近还要打一口加热井(注蒸气井)。

这两口井之间的间距精度要求很高,它们之间的距离有时只有3m。

设计时一定要注意水平段的井身轨迹。

(6)井眼轨迹精度选择原则。

油气藏的具体条件不同,水平井眼轨迹的精度要求也有很大区别。

其选择原则就是依油气层的厚度不同而不同。

此外,对水平井钻入油气层的位置,设计中要严格要求。

(7)产层的几何形状。

由于水平井眼轨迹精度要求高,特别是要求沿产层顶部狭小的厚度范围内水平延伸钻进时,设计之前如产层空间形态不详,有时就会钻偏。

这说明在一些特殊情况下,水平井设计之前需进行特别详细的地质环境调研,仅根据邻井资料进行设计是不足的。

(二)井眼尺寸

水平井的井眼直径各不相同,最大的油层井眼直径达9-5/8″,最小的产层井眼直径只有3-3/8″。

水平井井眼直径的大小应根据油层的具体情况而定。

井眼直径对有些油质的产层有很大影响,而对另一些油质的油层影响很小。

另一方面,井眼直径的选择还应考虑完井方法及工艺、钻井成本等因素。

井眼大,成本就高。

所以,井眼直径的选择应该是在满足钻井和采油生产要求的前提下使成本最低。

(三)垂直剖面

水平井垂直剖面有两种基本类型:

一是小水平位移的“丁”型剖面,另一种是大水平位移剖面。

小水平位移剖面包括三部分:

垂直井眼、由0造斜至90左右的造斜段和水平段。

大水平位移剖面有四部分:

垂直段、第一次造斜段、稳斜段、第二次造斜段和水平段。

水平井垂直剖面类型依据具体地下条件进行选择。

当不要求水平井在钻入产层时有大水平位移时采用“丁”型剖面。

这两种类型的水平井造斜率都是比较均匀的,这对于顺利造斜是有利的。

由于有了特殊的导向马达、MWD系统、计算机数据处理技术及新型的PDC钻头组成的连续监控井眼轨迹的技术系统,故可以容易而准确地控制井身轨迹。

从而有把握实现造斜率均匀一致的设计要求。

在水平井垂直剖面中又出现了一种大水平位移剖面的变种。

这种剖面的特点是在井口有一定的斜角。

这种剖面省去了垂直井段和第一造斜段。

采用井口倾斜的办法使水平井剖面仅有稳斜、造斜和水平延伸三部分。

这种剖面使造斜率较前面的要低些。

(四)造斜率

造斜率一般依其值的大小分高、中、低三种。

造斜率的划分范围各个公司不完全相同。

大体上讲造斜率超过4~6/m的称为高造斜率,低于6/30m的称低造斜率,介于中间的称为中造斜率。

这三种造斜率适用范围各不相同。

高造斜率主要用于老井侧钻水平井,低造斜率主要用于新井钻水平井,而中造斜率两者都可以用。

若在定向井中侧钻水平井眼,与低造斜率相比,中造斜率具有下列优点:

1)可在距原井眼较近的部位钻入产层,这可使在高构造高部位进入产层的井段加长,也使产层顶部位置预测可靠性增大;

2)需侧钻的井眼长度较短;

3)成本低;

4)扭矩和磨擦力都较小。

同高造斜率相比,中造斜率也有下列优点:

1)可采用常规的和更可靠的钻具;

2)钻速高,起下钻次数少;

3)成本低;

4)对完井装置的限制少。

目前,中造斜率和高造斜率的水平井都可以从5-1/2″以上的套管柱中侧钻出来。

(五)水平井段的长度

水平井最佳长度是多少?

这个问题涉及到油藏、成本、作业风险等的分析。

一般主要有三个因素决定着水平井的最佳长度,即:

1)油底到地面的举升能力;

2)油藏的非均质性;

3)钻井及完井技术。

水平井的主要优势是靠长的水平段来增加和油层的接触面积、增大控制泄油面积和减少井数来提高生产能力。

理论上讲,水平井的水平段越长越好,但是水平井段长度的增加受到工程技术(包括管柱摩擦力、井眼稳定性和钻井成本等)、租地面积大小和油藏地质条件等许多因素的限制。

通常,水平井段长度约为油层厚度的6~8倍。

六、水平井设计步骤与特点:

水平井与直井和一般定向井不同,因此水平井设计步骤也与此不同。

一般水平井按以下步骤进行设计:

1、确定钻水平井的油藏并进行油藏分析、研究和描述

2、确定水平井的靶区位置及误差要求

根据油藏研究结果,确定水平井的具体靶区位置和施工允许偏差范围,即给出靶的垂深及上下偏差、水平位移及左右偏差、水平段长度和靶的方向。

根据油藏评价给出影响水平井的地质构造方面的参数。

如:

地层深度、断层、倾角和走向等。

3、确定井身结构

一般来讲:

水平井的套管层次多于直井,下深较深。

其目的在于:

封隔疏松地层、高低压地层和封隔油层,有利于减小和防止曲线段和水平井段施工中的复杂情况和事故,有利于快速钻进,有利于保护油气层。

4、确定水平井段完井方法

根据产层岩性、防砂和增产措施及水平井段的井眼尺寸来确定。

5、确定井身剖面类型

根据油藏工程要求、地质构造特点、地面井位状况和工具能力,选择水平井剖面类型,设计井身剖面。

6、钻具组合设计

钻具组合设计是水平井设计的重要组成部分,水平井轨迹的实现主要靠钻具组合的能力。

7、水力参数设计

水平井水力参数设计主要包括:

压力设计、井眼净化设计和地层保护设计等。

8、钻井液完井液设计

要特别注意钻井液体系对井眼清洁、润滑和保护油气层能力的重要性。

钻井液的携屑能力以及抑制、润滑能力要适应所钻地层和井身剖面。

综上所述,水平井设计的原则是依据油气藏的具体情况获得最大综合经济效益。

水平井设计的内容包括:

油藏分析、井身结构、完井方法、井身剖面、钻柱设计、钻井参数、水力参数、钻井液等。

设计顺序自上而下,即由完井要求开始,从水平段到造斜段、到直井段。

七、优化井身剖面设计的几点要求:

1)设计剖面应避开可能的复杂地层;

2)尽量缩短增斜井段末端的水平位移;

3)尽量缩短增斜井段长度;

4)尽量减少增斜及水平段扭距和摩阻;

5)尽量减少钻柱承受的弯曲载荷;

6)利用造斜段地质标准层来调整最低中靶井深;

7)为了解决增斜率不够理想的问题,设计一个可调节的稳斜段,进行调整,确保在预计井深进入靶区;

8)优选井下动力马达组合以实现设计增斜率;

9)满足靶区容限;

10)所提供的曲线可以钻出足够长度的水平井眼;

11)所提供的井眼可以使用各种必要的采油工具和设备。

八、水平井剖面设计原则

(1)水平井剖面设计时首先要根据油藏特性及地质要求,计算、确定水平段的基本数据,结合区域地质资料、工程资料进行综合分析,确定井身剖面类型。

(2)在地层岩性、工具造斜能力都确定的条件下,增斜段应选择单增轨道剖面。

在地层岩性较稳定、工具造斜率较稳定时应选择较短的靶前位移、较高的造斜率和较少的增斜段。

反之,在确定造斜率、靶前位移和增斜段时,应留有充分余地。

(3)造斜点应选择在可钻性较好、无坍塌、无缩径的地层。

(4)调整井段的长度及位置应放在最后增斜段之前。

(5)对确定的井眼轨道进行扭矩计算分析,并依此进行钻机选型和钻具强度校核。

九、水平井剖面设计

水平井剖面设计与水平井设计和水平井井身结构设计的步骤相似,都是从水平段开始,从靶点往上逐步设计井身剖面参数,然后从上往下校核剖面数据,采用迭代法进行,这和直井及定向井是有本质区别的。

(一)选择造斜点

在水平井设计中,首先是选择造斜点(KOP)。

通常的方法是以预想最小造斜率(最大曲率半径)也能击中目标点进行设计。

选用预想最大曲率半径造斜点的位置是击中目标点的安全措施。

比预想最大曲率半径小的任何曲率半径将能提供所需要的垂直井深。

利用真实圆弧法设计水平井时,造斜点深度可用下式计算:

(1)

式中:

Tkop——造斜点深度,m;

Tb——最大允许靶区深度,m;

f——设计的最后井斜角,;

Kmin——期望的最小造斜率,/30m;

K1——常量,如果造斜率按/30m计算,K1=1719;

(二)水平井剖面设计

水平井剖面通常有以下三种曲线类型:

(1)平滑曲线;

(2)分段定向曲线;(3)具有切线段的光滑曲线。

水平井剖面最常采用具有切线段的光滑曲线——双增剖面,这种剖面也常用于普通定向井。

在此种剖面中使用上部增斜井段的钻具钻下部增斜井段时,更能预测下部增斜井段造斜率。

在造斜率被确定和校验之后,通常保持井斜角在35~55之间钻一适当长度的切线段——稳斜井段,以便在造斜段的末端调整垂深。

这种方法能提供非常准确的中靶垂深范围。

在本文我们将详细介绍如何用该种剖面设计水平井剖面。

如图1所示,将全井分为几个大段,每个大段都是一个增稳剖面,所以称为多增稳剖面,其优点是:

1、对定向井,多增稳段的每个稳斜段都不太长,不会因为稳不住井斜而出现过大的偏差,经过第一增稳段的钻进后,如果井眼轴线有偏差,还可在第二增稳段进行调整。

2、对水平井,其第一稳斜段将作为水平井的中间调整段。

另外,一般要求R2〈R1,这就使剖面形状更接近悬链线剖面,从而大大地降低摩阻力。

一)水平井剖面设计方法之一

设计条件为已知目标点垂深H;目标点水平位移A;造斜点垂深HZ;水平段长LXZ;水平段井斜角α";第一、二增斜段增斜率K1、K2。

如图2所示,根据给定的条件,剖面上的几个特征a、d、e的坐标位置的已知的,未知的是b点和c点的位置。

故此种剖面设计关键在于求出αb和

 

图1水平井剖面的组成

 

图2水平井剖面公式推导图

在Δbcf中,

cf=A-AXZ-R1(1-cosb)-R2(cosb-cos")

=A-AXZ-R1+R2cos"+(R1-R2)cosb

bf=H-HZ-R1sinb-HXZ-R2(sin"-sinb)

=H-HZ-HXZ-R2sin"-(R1-R2)sinb

HXZ=LXZsin"

(2)

令A0=A-AXZ-R1+R2cos"(3)

H0=H-HZ-HXZ-R2sin"(4)

R0=R1-R2(5)

于是:

(6)

经换算:

H0sinb-A0cosb-R0=0(7)

解得:

(8)

一般情况下,b必须在35~55之间,如果b不在此范围,则应改变条件,重新设计。

第一个稳斜段长度:

(9)

算出b和

段长以后,剩下的问题就是井身计算了。

其方法这里就不在赘述。

二)水平井剖面设计方法之二

1、设计依据

以地质设计给定入靶点、终止点垂深及大地测量坐标为依据。

2、计算步骤及方法

计算参数代号见表2。

表2计算参数代号

序号

代号

名称

单位

1

X0

井口纵坐标

m

2

Xa

入靶点纵坐标

m

3

Xb

终止点纵坐标

m

4

Y0

井口横坐标

m

5

Ya

入靶点横坐标

m

6

Yb

终止点横坐标

m

7

Hkop

造斜点垂深

m

8

Ha

入靶点垂深

m

9

Hb

终止点垂深

m

10

Hs

水平段垂深增量

m

11

Ss

水平段平移增量

m

12

Ls

水平段长度

m

13

Y

水平段横坐标增量

m

14

X

水平段纵坐标增量

m

15

Ki

第i增斜段的增斜率

30m

16

Ri

第i增斜段的曲率半径

m

17

Rm-1

水平段前最后增斜段的曲率半径

m

18

Hmi

第i增斜段的垂深增量

m

19

Hm

增斜段的垂深增量

m

20

Smi

第i增斜段的平移增量

m

21

Sm

增斜段的平移增量

m

22

i

第i增斜段增斜终点的井斜角

23

Lmi

第i增斜段的段长

m

24

Lm

增斜段的段长

m

25

Hw

稳斜段的垂深增量

m

26

Sw

稳斜段的平移增量

m

27

Lw

稳斜段的长度

m

28

w

稳斜段的井斜角

29

m

水平段的井斜角

30

m-1

水平段前最后增斜段的起始井斜角

31

设计方位

32

Sa

靶前位移

m

33

S

井底水平位移

m

(1)水平段数据的计算

1)水平段垂深增量(Hs)按式(10)计算:

Hs=Hb-Ha(10)

2)水平段平移增量(Ss)按式(11)计算:

(11)

3)水平段井斜角(m)按式(12)计算:

m=90+arctg(Hs/Ss)(12)

4)水平段长度(Ls)按式(13)计算:

Ls=Ss/sinm(13)

5)设计方位角()按式(14)~(20)计算:

Y=Yb-Ya(14)

X=Xb-Xa(15)

当Y>0且X>0时,

=arctg(Y/X)(16)

当Y<0且X>0时,

=arctg(Y/X)+360(17)

当X<0时,

=arctg(Y/X)+180(18)

当X=0且Y>0时,

=90(19)

当X=0且Y<0时,

=270(20)

(2)多增轨道增斜各井段数据计算

1)曲率半径(Ri)按式(21)计算:

Ri=5400/(Ki×)(21)

2)垂深增量(Hm)按式(22)、(23)计算:

Hmi=Ri×(sini-sini-1)(22)

Hm=Hmi(23)

3)平移增量(Sm)按式(24)、(25)计算:

Smi=Ri×(cosi-1-cosi)(24)

Sm=Smi(25)

4)段长(Lm)按式(26)、(27)计算:

Lmi=Ri×(i-i-1)180(26)

Lm=Lmi(27)

(3)稳斜段数据计算

若设计轨道中需要稳斜段时,则稳斜段垂深增量(Hw)按式(28))计算,平移增量(Sw)按式(29)计算:

Hm=Lw×cosw(28)

Sm=Lw×sinw(29)

(4)初定造斜点

多增轨道(含稳斜段)的造斜点深度(Hkop)按式(30)计算:

Hkop=Ha-Hm-Hw(30)

(5)初定靶前位移

多增轨道(含稳斜段)的靶前位移(Sa)按式(31)计算:

Sa=Sm+Sw(31)

(6)初定井口坐标

初定井口纵坐标(X0)按式(32)计算:

X0=Xa-Sa×cos()(32)

初定井口横坐标(Y0)按式(33)计算:

Y0=Ya-Sa×sin()(33)

(7)初定井口位置

根据初定井口坐标,结合地面实际情况,确定井口位置。

3、复核计算

(1)复核井口坐标

立器井架后,对井口坐标进行复测,确定井口纵坐标(X0)和井口横坐标(Y0)。

(2)复核各初定参数

根据复测井口坐标,在满足地质要求的前提下,对设计方位角、入靶点坐标、靶前位移和总水平位移进行确定。

1)复核设计方位角

按式(34)、(35)求得井口与终止点的坐标增量(X)和(Y),按式(16)~(20)复核()。

2)复核入靶点坐标

入靶点纵坐标(Xa)按式(34)复核:

Xa=Xb-Ss×cos()(34)

入靶点横坐标(Ya)按式(35)复核:

Ya=Yb-Ss×sin()(35)

3)复核靶前位移

靶前位移(Ss)按式(36)复核:

(36)

4)确定总水平位移S

确定总水平位移S按式(37)计算:

(37)

(3)根据上面

(1)和

(2)复核的数据,按式(10)~(33)中的公式,再次对井眼轨道各参数进行计算。

上述的设计数据若能满足地质设计要求,则对设计的井眼轨道进行摩阻及扭距分析计算,最终确定井眼轨迹。

如果所确定的井眼轨道不能满足地质设计要求时,需进行水平井轨道三维设计。

十、水平井待钻井眼剖面设计

在水平井施工中,严格按照设计剖面施工的井并不多,大多数情况下实际剖面与设计剖面并不完全相符。

这种情况下,就需要在实际施工中对待钻井眼剖面进行预测和设计。

(一)垂直造斜率与测深的关系

垂直造斜率等于井眼曲率的斜率。

降低斜率即减小垂直造斜率

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