世界第一口底部连通的U形水平井

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1、SPE/IADC92685世界第一口底部连通的U形水平井Dean Lee, SPE, Landmark Graphics Corp; Richard Hay, SPE, and Femando Brandao, Halliburton Sperry-Sun, A Division of Halliburton Energy Services 主题词：水平井、U形井、随钻测量、井眼轨迹引 言本文给出本研究项目涉及的范围与预期结果，其中包括对两口水平井井眼轨迹与深度的设计。 文中还包括在设计前关于使两口井成功连通应采用技术的讨论。本文将介绍保证井眼连通所用特殊设备的测定，及对磁测距方法给出两口井眼

2、相对位置及其精度所进行的地面模拟试验。最后叙述了井场作业及所遇到的问题，并讨论了所取得的经验，这对今后的类似作业是有用的。目标与任务必须在明确目标与任务之后才能进行一项新技术的设计与研发。从一开始即已确定本项目是钻生产井且要注意防砂问题。两口水平井井底连通目的完全是为了科学研究，并不要求对原始设计的井眼实际产量发挥作用。本项目所可能获取认知的价值，是可能使该项技术在若干战略规划中被给予考虑。根据该思路，确定本项目的目标如下： （1）应用现有定向钻井技术，验证两水平井井底是否能够连通。成功连通的定义是：两井须用钻头钻通，且以同一钻具组合能够进入另一口水平井内； （2）通过连通点能够下入标准钢套管

3、，以表明两口井能以固体管柱沟通。如在8-3/4井眼内连通点处能无卡阻地下入7套管，则认为两水平井连通成功； （3）以联接技术结合的两套管柱能够减少产层出砂。认为在第一口井使用的连接技术应越简单越好。如第一口井试验成功，今后可采用更先进的连接技术。储层描述与地面位置本试验的场地选在陆上，储层为疏松砂岩，其垂直深度仅为195m。原始开发设计要求在流经该油田的一条河流下钻数口水平井。认为在这些水平井中有一口井位特别适合于试用本项技术，因为只需再钻一口井就可与已有计划中的井进行连通。 因为在河的一侧已计划将钻一口井。于是第二个地面井位将选定在河对岸。两口井的地面距离约430m。技术选用与考虑本项目更像

4、是为以后大规模使用该项技术的一次模拟试验。其目的在于证明，以现有的可靠技术只是采用一种新方法就能够进行水平井连通。 传统穿越河流钻井需在地面一处钻进并使井眼在河对岸另一部位钻达地面。因为此类井眼多数都比较短且钻机有足够推进力能实现短井段钻进，所以不大考虑钻具遇阻及重力影响。但用一口井钻过多孔隙压力地层后，就有防喷问题。因此必须有既能满足安全要求且又能连通两个地面井位的方法。 用两个地面井位代替一口井的显著优点是两个井位之间的水平距离比一口井所达到的至少可增加一倍，因为从两口井所允许的钻柱最大扭矩和摩阻力之和是一口井的两倍。 于是决定采用从两口井位钻进的方法。为此，必须解决两口井井底可靠连通问题

5、，且不能失败。因为这是研究性项目，如果第一次就不成功，以后就很难再获得资金投入。我们知道蒸汽驱重力采油（SAGD）井之间的井距必须高度准确。因此首先要研究SAGD井的测距问题。为此，所研制出的方法是采用电缆供能、油管传送的磁场发生传送器（磁螺线管）和专门使用的接收器。 为优化SAGD各井的效果，不能采用在一个水平井眼之上再钻另一水平井眼的方法。传统测量方法如MWD或较精确的寻北陀螺仪等误差均较大。Wolff-de Wardt的文章指出，有些仪器累计了各连续测量段的定位不确定性。这种累计误差对于SAGD井准确钻达予定测量深度来说确实太大。为解决此问题，研制了磁导引测距系统（magnetic gu

6、idance ranging system）。该测距系统的测量误差是每10m为0.2m，能使一口水平井眼与其它SAGD井保持相等距离。与传统仪器不同，这种磁螺线管/MWD系统的误差不是累积的。这种系统测量的是传送器（磁螺线管）与接收器（MWD探头）之间的相对位移，而不计测量仪器的累计误差。这相当于每次测量时用卷尺确定两个井眼之间的绝对距离。虽然有相对位置误差但该值很小且各深度连续测量之间不是累加的。 因该磁导引设备系用于完全不同方式下，所以进行了初次试验，以检验当两口井距离很近时仪器是否工作良好。结果表明，当改装的MWD测量传感器位于磁螺线管的灵活点（sweet spot）范围内时，磁导引系统

7、工作很好。但当传感器之间距离小于2m时，则不可能获取精确读数，因为MWD的磁力仪将被磁饱和。一旦磁饱和后，即不可能由螺线管传输磁场强度的全部数值而得出错误读数。 在设计一种低功率螺线管时（减小线管长度或使用低强度铁磁性材料，或两种方法均用），认为用标准螺线管也许有办法解决问题。所选的方案是降低螺线管的电流强度，以便能在距离小于2m条件下使用。为此进行了试验，看这种磁导引系统与MWD组合是否至少给出良好方位向量以确定两口井之间的准确方向。一般是采用高线圈电流使螺线管铁心达到磁饱和，以减弱影响测距的非线性磁滞现象。但降低线圈电流后，当施加同等电流使磁极反向时螺线管铁芯材料的非线性磁滞产生了不相等的

8、磁场强度。 用这种方式进行的测距测量可告知一口井对另一口井的方位，而不能给出向量的大小。当两口井的距离小于2m时，方位（向量）是最重要的数据。因此这种方案是可行的。 进一步试验表明，当MWD探头位于螺线管所产生磁场的边缘，即使在灵活点之外，这种螺线管/MWD探头组合也能较好工作。特别应指出的是对高边和低边的测量仍十分准确（在0.1m0.2m之间）。依线圈与探头间距大小，横向测量精度则在微协调（0.2m0.3m）至高协调（0.3m2.0m）之间。但认为通过控制线圈与探头之间的距离，可使螺线管/MWD组合在螺线管灵活点以外测量时的少量不精确度不致于影响井眼的成功连通。连通模拟试验为了训练定向钻井人

9、员与螺线管/MWD作业者，决定在地面尽可能接近井内条件下进行井下连通的模拟试验。以便使主要作业人员实践信息交换与有关技能，并获取井眼连通的经验与信心。 试验前在庭院内组装好仪器并经检验之后，作业者们进入MWD操作室并被告知“进行连通试验”。每获取一组数据后，他们都要作出如何调整方位的决定。据此，两名助手走出操作室用手调整螺线管与MWD探头之间的关系。 事实表明，这是一次很有益的演习，从中获取的若干主要经验有助于本研究项目的成功。例如，当仪器被指向正常方位的反向时，测量数据也是相反的。但软件内一个开关的反转就会自动改正这种数据。 只要每个人都知晓测量数据及它们可能如何受软件以及软件内开关的影响，

10、则可能出现的反向测量数据并不会引发问题。但如果未进行过模拟试验，而在实际井眼连通钻进期间，软件开关却无意中反转，则可能得到失败的结果。而事先得知可能出现的这些故障则可能在现场进行必要的校核而防止问题发生。井身结构与完井方法因在该油田已钻成了数口水平井，这两口井的井身结构仍和以前一样，表层套管为9-5/8，然后下入7生产套管和割缝尾管。唯一不同的是在钻第二口井期间，第一口井的水平井段必须在相当长的时间内保持裸眼，只有等到两个水平井眼连通之后才能下入割缝尾管实现它们的机械连接。 由于连接方法是本次试验的次要目的，所以其方法应尽可能简化。用以防止可能出砂的重叠连接部位，只是一个鼻状引鞋与冲洗杯插入管

11、组合。见图1。图1 鼻状引鞋与冲洗插入管组合水平井眼系在疏松砂层内钻进，所以要关注裸眼井段能维持多长时间。原来设想是下入临时性复合油管柱以保持裸眼状态。如果油管柱被卡，可以套铣提出，仍可再进行两水平井眼连通。但最后认为这样做还是可能有很多不便，于是决定下入正规钢油管柱，通过它可泵送入测量用的螺线管，完成连通后，再将油管提出。钻进1号井1号井用常规方法钻进，但要求其方位尽可能沿直线方向钻进（N15E）。12-1/4井眼垂直钻至40m时开始造斜。钻至80m时井斜角约为16。下入9-5/8套管并注水泥。9-5/8套管以下用8-3/4钻头以1113/30m造斜率钻进，在垂深195m时井斜角达90，钻完

12、造斜井段后，起出原钻具，下入水平井钻进组合，将水平井段钻至总井深476m。 该水平井段比实际需要多钻了30m，以便在其底部可下入螺线管，在两口井连通期间可引导第二口井钻达正确方位。 钻完水平井段后，将7套管与7割缝尾管组合管柱下至井深318m处，并在造斜井段注水泥套管柱的产层以上部位安放水泥伞，而剩余的水平井段则保持裸眼以备与第二口井连通。 注完水泥后将钻机移至2号井的井位。然后在1号井安装修井机，下入2-7/8保护性油管以泵送螺线管并在钻2号井期间作为备用。钻进2号井钻完1号井后，立即开始钻2号井，以减少1号井裸眼井段的裸露时间。2号井的设计基本与1号井相同，只是其方位为195E（与1号井反

13、方向）。12-1/4井眼钻至40m时开始造斜，钻至井深80m时井斜角约为21。下入9-5/8套管并注水泥。钻水泥塞后9-5/8套管以下用8-3/4钻头配备正规MWD仪造斜钻进，至井斜角达60左右，（造斜率为1113/30m）。起出井内钻具组合在地面组装MWD测距探头，经检测后下入井内。此时在1号井2-7/8油管内，经绳索泵送螺线管至水平井段底部，用以引导2号井最后井段的钻进，见图2。图2 井身剖面及磁螺线管位置第一次试连通时，2号井井眼与目标井（1号井）的相交角度比设计值88稍高，（实际为90）且向目标井右侧偏离了1.8m。这种井斜角误差的主要原因是MWD探头位于钻头之上16m处，以及在接近连

14、通点时所用造斜率大于设计值所致。但这种情况是在更换下部钻具组合又钻进了16m时才发现的。 由于目标井已在钻进的2号井之下，所以必须向左扭转井眼方位，根据尚可利用的大部分水平井段，2号井最后还是在良好部位与1号井实现了连通。套 管 连 接两口井连通后，用油管输送测井仪进行测井，再下钻清洗井眼，准备下套管。将鼻状引鞋和冲洗杯插入管组合按装在10m长4-1/2油管上，再将该装置连接在7割缝尾管与套管柱的底部，并随套管一起下入井内。套管下入正常，通过连通部位时只有轻微遇阻而顺利通过。在该处两水平井段的会聚角（convergence angle）约为4.55。 将套管柱推移至总深度。套管柱底部的插入管进

15、入目标井套管鞋5m。套管柱按与1号井相同的方法注水泥。今 后 应 用过去已有人提出过U形井。Mathews等人的专利说明过这种方法可用于石油开采，（1997年美国专利第5655605号）。甚至早在1952年即曾出现过有关的专利。但它们对U形井钻井与连通的具体方法，则均说明不够具体。 2004年Andrew Lukas等人的文章讨论了几个以钻进方法铺设管道的成功实例，并提出今后管道钻进时可使用磁测距法。作者认为U形井钻进和管道钻进在技术上可互相借鉴以实现双赢。 现在从地面不同井位钻井并在井底连通的U形井技术，已经给今后钻井及现场应用提供了新的广阔空间，尽管下面的一些设想仍处于概念阶段，但我们认为

16、在技术上现在它们已是可能的。 该项技术下一步的进展是增大U形井的间距，最终两口井的地面距离可达1020Km。钻这种U形井的主要限制因素是扭拒、阻力、地层破裂梯度与接近连通点时探测另一口井眼位置的能力。如何克服这些困难是今后文章要介绍的。但总的来说，现有的测距手段配合以加密测量技术与质量控制，能够实现如此大水平距离水平井眼的连通。但随着水平距离加大钻进和测距的复杂程度也必然增加。 用现有测距方法与钻井工艺已能够实现长距离管道钻进。SPE60750指出，复合连续油管技术也将是超常延伸钻井的一种好手段。这种复合管柱的浮力作用再加上它具有产生钻压的井下牵引器，能够大量减小或消除管柱摩阻力（仅相当于钢油

17、管柱的1/138）。因此，用复合连续油管可钻出测量长度达数英里的井眼。 利用可膨胀单孔尾管（monobore liner）也有助于进行超长延伸钻井。这种尾管是借助上述牵引器系统下放的。然后使它膨胀以进行钻进并加固新井段，（这是用现有钻井技术无法实现的）。为有利于下放，这种尾管上装有可钻桥塞，通过它们将空气与水混合物封闭在钢尾管内，以便在牵引器下放尾管过程中利用所产生的浮力抵消管柱重力而更容易到达予计部位。 在海底有冰山滑移地带（如Grand Bank加拿大东海岸）铺设海底管道，则有被破坏的危险。只有在海底以下铺设管道才能免除此种危险。通过加长已有探井的长度可扩大储层开采范围。还可以通过海底以下

18、的地下管道和井口装置连接附近各油田。现有多水平井技术能够连通四周分布的这些U形井。（图3）。图3 在恶劣环境钻大位移水平连通井（U形井）世界上有些地区的海岸非常陡峭，海岸设施都在高深悬崖以上，还有些海岸对环保要求十分严格。输送石油或天然气到达这些海岸上将遇到大挑战。在澳大利亚Port Cawbell国家公园的陡峭海岸用前述类似方法解决了此类问题。他们用水平钻井把距海岸12km的Minerva气田与陆上连通。 有一些陆上或海底的深峡谷不能用普通方法在那里经济建设管道。例如在俄国东北部的勘察加半岛与美国阿拉斯加Seward半岛之间建立连通道可能是另一个重大机遇。过去曾有一种舆论：准备花费数十亿美元

19、在那里建造连接两个大陆的跨海大桥以接受俄国的石油和天然气。但建设海底隧道的费用可能只是建桥的几分之一。因为后者无需建立基础结构。其成本必然低于常规方法。 地下管道还可适用于环保敏感地区，例如在极地国家野生动物保护区修筑地面管道则可能要影响生物的迁移路线和生活习惯。在政治敌对地区也可以使用地下管道，因为即使挖沟修建的管道也可能被切断或破环。而利用U形井技术在地下深处形成的油气管道则隐蔽性很强，不容受到破坏。在各U形井连通处所设立的泵站可用电或天然气作为动力，还可以是自给式的。如仅通过井口给井下电潜泵供给电力，则能进一步减少地面暴露的目标。结 论虽然过去有意或无意地出现过井眼连通，但是两口井的井底可靠地实现连通的U形井技术，确实给钻井技术打开了可能在若干新领域应用的大门。可明确得知，用磁测距技术现在已能可靠地实现两口井的井底连通，且随着需要的增长，更多的井采用这种技术钻进，只不过是时间问题。 郝俊芳摘译译自SPE/IADC钻井会议2005.2.2325