水平井试油测试技术研究与应用

1水平井试油测试技术研究与应用2水平井试油测试技术研究与应用摘要水平井试油测试技术主要是通过水平井试油测试管柱力学分析找出管柱中的薄弱环节，选择合适的井下工具，配套相应的试油测试管柱，解决水平井试油测试工艺中存在的分层测试、排液量、油气层保护等方面的问题。主题词水平井射孔分层试油一、前言水平井井斜角大（86°）、水平位移长，在作业和生产过程中管柱要受内压、外压、井底钻压、自重、管内液体的粘滞力、库仑摩擦力、井壁支反力、活塞力等多种外栽的联合作用。在管柱的下入过程中由于轴向力的存在，管柱可能发生正弦或螺旋弯曲，从而进一步增大了管柱与井壁之间的侧向力，导致管柱所受的摩擦力增加，严重时可能发生自锁。由于摩擦力大，给封隔器坐封和井下开关工具的动作造成不利的影响。井眼弯曲和失稳弯曲产生的附加弯曲也降低了井眼的安全系数。特别是在内压、外压和轴向力作用下，管柱的强度要降低，容易导致管柱的破裂、挤扁和永久变形。膨胀效应、温度效应、螺旋弯曲效应、轴力效应所产生的轴向位移等可能造成井下作业失败。为了提高水平井的试油测试成功率，必须对井内管柱进行受力分析，找出薄弱环节，选择合适的井下工具，配套相应的试油测试管柱。水平井作业过程中是否采用油层保护技术及应用好坏直接影响着水平井开发效益的高低。射孔完井时地层易受外来固相侵入、水敏性损害、酸敏性损害、碱敏性损害，微粒运移，结垢、细菌堵塞和应力敏感损害、水锁、贾敏效应、润湿反转、乳化堵塞等等，为了避免这些影响，射孔完井之前必须选择合理的射孔方式，选择与地层配伍性好的射孔液。水平井与垂直井对比存在油层裸露面积大、钻井作业时浸泡时间长、作业压耗较大导致地层易漏、水平井段井壁稳定性要求高。为了最大程度地改善地层，减少措施作业时对地层所造成的二次伤害，必须对水平井排液测试工艺进行优化，选择最佳的排液方式和时间。水平井钻遇目的层有时不是单一的地层，当进行阶梯钻井时，目的层在2-3个层以上，即使钻遇同一地层，由于地层在横向上存在非均质性，试油措施作业往往需要有选择性地分别进行，在上返试油时需要封堵已试层，选择什么样的封层工艺直接着上返层试油质量和成功率。一、水平井井身结构对下井工具的影响水平井从造斜点到稳斜点的长短直接反应了水平井曲率半径R的大小，它们与钻井时所3使用狗腿造斜率有直接的关系，选择下井工具时必须考虑水平井造斜率的大小。因为当水平井的造斜率大，下井工具长、外径大、刚性强（不易弯曲）时，入井管柱容易发生遇阻，为了避免出现下这种现象就必须根据水平井井身结构特点选择合适的井下工具。采用尾管完井的水平井由于尾管悬挂器的内径比上部套管的内径小，此处出现了缩径，当下井工具或管柱通过悬挂器时容易发生磕碰，甚至出现管柱遇阻的现象，为了使管柱顺利通过悬挂器必须选择合适的井下工具并采取相应的措施。在水平井段井下工具及管柱的节箍紧靠套管底部滑动，由于套管与套管连接有一个2×17.2mm的间隙（国产套管），因此容易发生磕碰，从而增大了管柱的磨阻，为了降低管柱的磨阻需要对下井管柱及工具采取相应的措施。1、试油管柱采取外倒角油管从悬挂器到井底这段长度的井下管柱全部采用外倒角油管，油管接箍两端加工成45°的坡度，下井过程中油管锥面与悬挂器锥面和套管相接触时减小了摩擦，也降低了磕碰、遇阻的机会。2、采用橄榄型通井规通井时采用Φ116mm或Φ118mm的橄榄型通井规，通井规的端部为缩口，外部有一定的锥度，下井时可防止通井规磕碰套管和悬挂器。3、控制起下速度管柱下至悬挂器以上20m或提管柱至悬挂器以下20m时，速度要小于0.3m/s，遇阻加压不得超过30KN。若上提时遇卡，负荷超过悬重50KN，则停止作业，研究采取合适的措施后进行下步作业。4、进行短起下作业下管柱时接上一个单根后，先上提几米高度，没有遇阻卡显示后再将油管全部下入井内，也就是采用下一根提一根下一根的工艺方法。二、管柱力学分析管柱力学分析的主要工作是研究了水平井杆管柱动力学基本方程,它包括杆管柱的几何方程、运动平衡方程、本构方程，依据油气井杆管柱动力学基本方程,建立了水平井杆管柱稳态拉力—扭矩模型，并成功应用于油气井杆管柱的稳定性、油管柱力学分析方法建立和优化。对油气井杆管柱进行系统、全面、准确的力学分析,可以达到如下目的:(1)快速、准确、经济地控制油气井的井眼轨道;(2)准确地校核各种杆管柱的强度,优化杆管柱设计;4(3)优化油气井井身结构;(4)及时、准确地诊断、发现和正确处理各类井下问题;(5)优选钻采设备和工作参数。油管柱力学分析包括以下内容：油管温度分布的数学模型、油管内及环空水力计算、封隔器的活塞效应产生的轴向阻力计算、油管下入过程的受力与变形分析、油管起出过程的受力与变形分析、施工作业过程中油管的受力与变形分析等六部分。在室内根据所建立的基本方程和模型设计了试油测试管柱力学分析软件，用软件分析计算了大港油田女MH4水平井下枪、起枪过程中不同深度处管柱的拉力、扭矩、侧压力值，计算了安全系数的大小。1）女MH4下枪过程拉力--扭矩分析测深(m)拉力(N)扭矩(N-m)侧压力(N/m)稳定性安全系数20.164998.680.4.14稳定3.7190.151539.260.14.49稳定4.01360.140517.920.14.1稳定4.33530.144860.850.10.61稳定4.2700.133159.70.11.68稳定4.56870.120831.820.33.48稳定4.961040.109821.330.32.79稳定5.441210.101335.990.2.78稳定6.021380.91813.760.25.68稳定6.491550.79880.040.49.27稳定7.21720.72087.070.219.58稳定6.271890.73256.860.16.89稳定8.162060.60296.360.2.81稳定9.992230.47131.640.11.46稳定12.62400.33949.70.4.74稳定17.562570.20327.780.1.46稳定29.772740.6411.120.0.98稳定84.322910.-6658.950.54.32稳定13.933080.-11036.540.129.35稳定10.883250.-6219.620.82.71稳定56.473420.0.0.82.64稳定52）女MH4起枪过程拉力--扭矩分析测深(m)拉力(N)扭矩(N-m)侧压力(N/m)稳定性安全系数1890.124514.710.26.94稳定4.852060.108366.730.7.33稳定5.62230.92590.50.18.99稳定6.512400.76648.110.9.14稳定7.892570.61245.790.1.31稳定9.952740.46495.680.4.85稳定12.922910.28361.570.99.05稳定9.323080.13722.080.2.41稳定10.393250.6494.710.83.39稳定55.073420.0.0.82.64稳定计算结果说明，女MH4井起枪过程中管柱的安全系数要小于下枪过程中管柱的安全系数，最小的安全系数为1.43（井口），说明管柱是安全的、稳定的。三、水平井射孔完井技术通过建立水平井的产能模型确定合理的水平段长度。根据射孔完井方式的产能预测模型研究了水平井的产能与孔深、孔密、相位角之间关系并绘制关系曲线图，对孔深、孔密、相位角进行优化以达到合理的产能。61、水平井产能与水平段长度之间的关系在不考虑水平段井筒的压降情况下，水平井的产能与其水平段的长度呈线性关系，水平段长度越长，其产能就越大。从而说明了增加水平段的长度有助于增加水平井的产能。但由于水平井筒内的压降是不能忽略的，就导致了水平段长度越大，压降就越大，使得水平井的产能不会随水平段长度的增加而无限增大。2、水平段合理长度的确定当水平井段中的流动雷诺数大于2000（即直径为24.4cm的水平段，流量大约每天几十方，大部分的水平井都可以达到这个紊流状态的条件）时呈紊流状态，其流动阻力要比层流状态下流动阻力大得多，因而计算水平井产能时不能忽略水平段摩阻的影响。水平段摩阻与产能大小、水平段长度、水平段的内径有关，产能越大、水平段长度越长、水平段的内径越小则摩阻越大，而摩阻越大反过来由影响了水平井的产能，因此水平井产能与摩阻相互制约。水平段内压降和油藏内压降相当时，将导致水平段末端压降很小或者为零，那么水平段末端出现不产油的井段，因而水平段内摩擦损失减少了油井产能，从经济上浪费了这一部分不产油的水平段的钻井和完井费用。通过绘制水平井产能与水平段长度的关系曲线、有磨阻与无磨阻产能比与水平段长度的关系曲线，通过二者相交点就确定了最佳的水平段的长度3、水平井射孔参数优化0.20.30.40.50.60.70.80.911.11.21.31.40.10.30.50.70.9射孔深度（m）射孔产能和裸眼产能比8孔/m12孔/m16孔/m20孔/m24孔/m28孔/m32孔/m36孔/m相位角一定时产能随孔深和密度的变化曲线7以上曲线为减速递增的曲线，从曲线可以看出开始时孔深对产能的增加作用较为明显。在有污染压实的情况下，如果穿透深度小于损害带厚度，则产能将随穿透深度的增加而有所增加。若穿透深度大于损害带厚度，产能将显著增加。随着孔密的增大，曲线逐渐密集，产能的增加幅度逐渐减小。由此可知，产能随孔密的变化曲线也是减速递增的曲线。产能并非随着孔密的增加而无限增加。通过计算可知，射孔密度达到20孔/m，增加射孔密度来提高产能的意义已经不大了。从以上曲线可以看出，45°相位角和60°相位角的产能大于90°相位角的产能。但45°相位角、60°相位角以及90°相位角下的产能差别并不大，而60°相位角在疏松砂岩油藏射孔后更为稳定，因而一般情况下优选60°相位角。四、水平井射孔液优化水平井开发的目的是为了提高油井单井产量，提高油藏采收率，降低开发成本，因此，水平井油层保护工作比普通开发井更为重要。油层保护是一项系统工程，它贯穿于油藏开发的全过程，水平井射孔液的油层保护是搞好水平井油层保护的重要环节。我们开展了射孔液体系的优选，在广泛的技术调研基础上，结合大港油田的地层特点，开展了一系列室内评价试验，通过现场井油层保护效果评价和完井后试油结果表明，射孔液对油层保护效果好。通过研究分析水平井目的层位的岩性、物性资料，在室内内对唐H2井、扣H1井、羊H1井、女MH4井、西H1井、港H1井岩心样品进行了五敏试验，优选了射孔液的配方。0.40.50.60.70.80.911.11.21.31.400.10.20.30.40.50.60.70.80.91射孔深度(m)射孔产能与裸眼产能比Arfa=0Arfa=180Arfa=150Arfa=120Arfa=90Arfa=60Arfa=45孔深一定在不同的相位角下产能随射孔密度变化的曲线8井号优选的配方唐H2井3%KCl的清洁盐水扣H1井7%KCL的清洁盐水羊H1井污水+4%KF-1型防膨抑砂剂+1%KH-1型降粘剂女MH4井3%KCl的清洁盐水西H1井5%KCL的清洁盐水港H1井7%KCL的清洁盐水五、水平井排液测试工艺对比处于同一构造层位的水平井和垂直井，由于水平井的完钻井深比垂直井多出一个水平井段，当油层套管相同时水平井的井筒容积要大于垂直井的井筒容积，而井筒内流体压缩系数相当，因此水平井的井筒储集系数要大于垂直井的井筒储集系数。对比完钻井深相同的水平井和垂直井，水平井的完钻层位比垂直井的完钻层位浅，一般规律下地层压力要小，井筒内流体压缩系数大，油层套管相同时井筒容积相等，因此水平井的井筒储集系数要大于垂直井的井筒储集系数。根据以上情况可知水平井排液比垂直井要克服更大的筒储集效应，需要排出更多的井筒基液才能降低井底回压达到诱喷的目的。氮气是一种化学性质比较稳定的气体，在井筒压力、温度条件下不会和井筒内的天然气发生化学反应，因此它应用范围广，特别适用于高油气比、产能较高