美国页岩水平井完井修井新技术

时间:2020-03-31 17:42 来源:石油与装备杂志


就像太阳每天升起和落下一样,在某个时刻,所有的油气井都需进行修井作业,以维持或提高产量。采用电缆、连续油管或强行下油管装置执行基本的钻塞疏通和洗井作业到井的全面大修作业,目的是为了拆除和重新安装井口,替换井下设备,修井作业是油田寿命的一个现实性问题。自动化集成化设备、强大的诊断功能及绳索干预的复兴提高了油气井的修井效率。随着石油公司在高温高压环境下将井打的更深或位移更长,修井作业也变得越来越重要。图1,哈里伯顿的光谱融合服务,通过连续油管(coiled tubing, 简称CT)一并输送光纤和电力,使用电缆或机械修井工具提供持续的电力和实时遥测,为用户定制各种井的修井服务和诊断应用。
 
图1
为了满足石油公司关键优先事项“效率”的要求,通常,具备自动化、集成化设备的专业服务公司才能满足当今油气井环境的严苛要求,新的电缆应用和强大的诊断工具能对井下发生的情况有一个更清晰的了解。在美国的非传统陆上市场,大直径的CT仍是修井作业的一个支柱性应用,被广泛用于钻除裂缝栓塞。然而,随着水平段越来越长和压力的不断增加,修井作业无处不在,这也催生出一些更新的方法和技术,不仅可以提高修井作业的性能和效率,还能提供一些替代方案。
 
更少的投入钻更长的水平段
开拓者能源服务公司首席战略官卡洛斯佩尼亚说:“由于石油公司力求在严格的资金流限制范围内工作,而且,要求使用较少的投入钻更长的水平段,并在具有挑战的环境中获得更多的产量。为此,修井服务公司通过专注于更高效率和增强设备效能的方法来予以应对”。这家服务公司自2008年以来扩大了旗下的钻井业务,包括电缆、修井及CT应用服务。
 
修井业务的新亮点
重点是提高效率和增强设备的效能,以应对更长的水平段和更高的压力;要求洗井液具有更好的水力学性能,以较少的起下次数清除大位移井的障碍物,以便输送大直径的CT;最近的创新旨在提供更好的诊断能力和提高除沙效率。开发鹰福特(Eagle Ford)页岩的石油公司还在寻求高温井的修井方案。
 
更长的水平段会使设备更长时间的暴露于更高的压力中,为了更好的除沙和钻除更多堵塞,需增加泵的容量,采用高压循环喷头的动力水龙头和功率高达10000psi压力的控制装置作为修井设备,而用于电缆和CT服务的压力甚至会更高。佩尼亚先生解释说:“客户对设备也非常感兴趣,这能使我们的作业更安全,而且,还能培训我们的雇员”。
 
开拓者能源服务公司活跃在美国大部分页岩盆地,尤其是墨西哥湾沿岸地区。该公司拥有125部修井钻机,这些钻机的天车向外探出,钻台也向外扩展了许多,这些设备使钻台的作业空间增大,这让游车的操作更安全。这些钻机的井架较高,钻台与司钻操作台一并设计,使得钻台能升至36ft的高度,以容纳更高压力环境的防喷器(blowout preventer, 简称BOP)堆叠。550-600马力的钻机包括BOP安全控制与隔离以及BOP辅助关井系统。图2中的左图:开拓者能源服务公司的员工们正使用修井钻机在一口鹰福特页岩井进行生产油管的下井作业;右图:该公司一部修井钻机正在一口鹰福特页岩井进行施工作业。
 
图2
 
佩尼亚先生声称,该公司的完井与电缆修井组合业务提供了一个宽泛的专业套餐服务。补救性电缆修井服务包括测井作业——含套管和裸眼井段——机械服务、管子回收与疏通。最近的趋势是由于井筒阻塞而进行的修井或裂缝疏通作业。“在一些井距较密的成熟构造,新井的压裂可能会影响附近的一些生产井,需要起出抽油杆和油管,对井进行除沙疏通”。
 
开拓者公司还经营5种大直径的CT装置,包括在鹰福特页岩使用的3种和落矶山页岩使用的2种,以及4种2英寸或更小直径的工具。佩尼亚先生又说:“CT就像油田的瑞士军刀,被设计为对一些在产的生产井利用小直径油管对其进行补救性修复的工具。当今,利用大直径管子是钻除堵塞和修复水平井最快的方法之一”。
 
他继续说:“石油公司一直在进行极限测试,以确定最佳的水平段修复长度。数据显示,水平段长度一直在增加,正常的修复长度一般在10000ft左右。去年在美国东部的阿巴拉契亚地区,我们看到一些水平段的修复长度超过了17000ft,有些在15000至17000ft之间。不过,当钻一个15800ft左右的水平段涉及到风险和成本时,存在着一个逐渐递减的回报点,井的修复会变得更为复杂,费用也会更高”。
 
输送大直径CT
 
由于要求洗井液需有良好的水力学性能,以较少的起下次数清除大位移井的障碍物,往复移动管子使其回到垂直段的根部,因此,输送大直径CT则变得引人注目。Cudd能源服务公司金融分析师Rob MacKenzie说:“2014年,2英寸或更小的CT占了我们业务的70%以上。今天,我们70%以上的业务使用的是2 3/8” 或更大一点的管具”。该公司在美国大多数页岩区块提供服务,包括二叠纪盆地、中部大陆的SCOOP/STACK构造,以及阿巴拉契亚地区的马塞勒斯和尤蒂卡页岩构造。
 
Cudd公司的销售经理克里斯·施耐德解释说:“随着水平段长度的不断增加,石油公司需要最大限度地开采非传统油气井每一小部分的油气资源,其方法是增加开采段的数量和缩小开采段的间距,这将增加堵塞的数量和清理支撑剂的数量”针对这一趋势,Cudd能源服务公司增强了使用管子容量的现有CT设备,使其能抵达延伸的水平段长度,并在今年增加8套体现最先进水平的2 5/8” 能胜任的CT装置。Cudd公司还正在推出自动化的、更高液压马力的泵,配备了将混合工厂与液压泵集成于一体的系统,不再需要更多的现场人员处理和混合洗井所需的化学药剂。施耐德先生说:“现场人员越少,安全风险就越低,这样也会简化作业流程”。
 
他解释说:“不过,随着材料的构成和延伸至极限的管柱设计,以及25000ft或更长的大型CT卷筒合法运输的公路限重,人们也越来越倾向于修井钻机和强行下油管装置,这类修井钻机使用传统油管的接单根方式,不受固定的卷筒尺寸限制,尺寸再大——大至2 7/8”,更容易用卡车运输”。
 
Cudd公司还拥有一支修井队,有5套独立的和9套钻机辅助的强行下油管装置,与修井钻机相比,强行下油管装置可在保持井正在生产或在最小地层伤害的欠平衡状态下钻除堵塞。施耐德先生说:“通过强行下油管装置来控制压力,我们可以让井流动起来,有助于洗井,还能在不压井的情况下防止损害地层”。见图3,左图:一套Cudd能源服务公司装配好的液压修井装置,正在进行下油管作业;右图:与此同时,CT装置还在进行洗井作业,作为完井的最后一个步骤。

图3
为了满足更长水平段作业效率与安全日益增长的需求,该公司今年将新增一套快速起升的独立式强行下油管装置,并计划通过融入更多自动化技术和设备组件来升级其它两套独立装置的性能,这种升级有助于更快的接单根和更少的接单根断裂。麦肯齐先生指出:“安全是我们所做一切的第一要素,我们的客户给予我们安全与环境的评价记录与我们所做的一样高,因为,这是个不错的生意”。施耐德先生表示:“Cudd公司提供了一些特殊服务,如闸阀钻、井口冷冻和热汲取服务,用于地面和井口设备的修复,既可修复井口问题,也可缓解被困压力”。
 
提高诊断效率
 
为了帮助满足业界对效率、可靠性和地下感知的要求,实现最大化资源开采,哈里伯顿公司通过2018年8月推出的光谱 360服务,增强了光谱实时CT服务组合的诊断能力。这是一个实时、高分辨率、360°视野的流水式相机。这种相机与光谱融合服务相配对,结合CT输送的光纤和电力,利用电缆或机械修井工具提供持续的电力和实时遥测,为用户定制各种修井服务和诊断应用。
 
全球技术顾问Eric Bivens解释说:“这种专业的相机能在井下应用中提供直接的可视化应用,让我们能实际观察到井筒内发生的事情,帮助我们更好的了解操作参数,并在工作进行中做出重要决策。我们可以准确诊断井筒出现的问题,如开裂的接箍,以及对其进行验证,如移动套筒,这些服务与应用已经实现,从而提高了整体效率”。Bivens先生说:“这种相机已在俄克拉荷马州的试油井中得到运用,目前正计划在北美市场进行广泛推广,实施射孔集群检查,以及集温度与声学剖面绘制于一体的综合应用。相机检验能让我们更好的了解集群效率、断裂起始点以及分流器提供均匀处理的能力”。
 
他还指出,“部署在14个国家的光谱服务在北美迅速推开,包括巴肯、二叠纪盆地和鹰福特页岩储层,在这些油田,石油公司正寻求提高带有诊断功能的常规或补救性CT服务,优化整体的油气井作业”。他补充说:“有了这些新增的功能,我们能以更少的下井次数开展更多的应用;通常,一次下井含盖了CT修井及电测等多相应用。我们可以对工具进行更直接的控制,我们确切的知道井底传感器工作的如何,而且,我们还能实时获取大量井下数据。重要的是,按照不同的服务等级,我们可以根据石油公司的具体要求定制服务,井筒问题可以是可变的,可以通过定制的方案予以解决”。
 
例如,光谱融合组件有一个套管接箍定位器和伽马射线传感器,用来改善CT下深精度的定位,以便更精确的目标射孔或化学处理。Bivens先生又说,对于堵塞磨铣,该系统能提供扭矩和钻压读数,帮助阻止失速。“在巴肯页岩作业中,已证明该系统在提供分布式和声学剖面方面很有益,这种应用可以改善完井策略,缩小学习曲线”。他接着说:“该平台是以一种开放的体系结构接口设计的,可与市场上的机械或电动工具配套使用。哈里伯顿公司正在不断拓展他的光谱服务组合,今年计划推出两个附加项目,应对关键井的修井挑战”。
 
捕捉井筒碎屑
 
 安全清除井筒内大量沙子和其它碎屑的效率是美国修井市场一个常见的问题,也是激励贝克休斯GE公司(简称BHGE)2017年扩展其矢量化年度洗井系统(VACS)应用的驱动因素,该系统有2 7/8”至10”的可用规格,这项服务可在超过4000ft深度下应用,通常采用小型修井钻机和油管实施现场作业。按常规方法泵入流体,但该系统通过一个喷嘴产生一个反循环流动,以此捕捉碎屑,并在一次起下作业中将碎屑运至地面。
 
图4
 图4上左:哈里伯顿2018年10月推出的光谱360相机服务;图4上右:采用 2 7/8”VACS系统在丹佛Julesburg盆地回收的沙屑,在清除碎屑过程中,此项服务将泵的使用寿命延长了9个多月;图4下:BHGE的VACS系统井筒除沙效率极高。这种模块化系统适用于各种应用,不需要专业的绳索装置或传动设备,操作时无需机械移动或投球,该系统被部署在美国所有的主要盆地,目的是除去沙子和硬铁硫化物碎屑以及洗井;BHGE期望采用该公司的塞铣技术对长水平段推广塞铣服务。
 
全球产品线经理Joeri Van Hove说:“有效清除沙屑可以减少后续作业,减少泵和整个井筒的维护间隔,降低运营成本”;油井干预——洗井,“地层或裂缝沙经常会流进油层套管、堵塞射孔、降低井口压力或导致地面泵失效、降低井底压力和抑制产量”。该系统还可在无法将沙屑举升至地面的极低液柱工况下实施作业。
 
VACSPREdictor软件可以支持作业计划,该软件可模拟井下环境,确定最佳操作参数,包括流量和压力。Van Hove先生说:“井下环境的变化可立刻输入软件,以进行必要的调整,确保最有效的洗井”。
 
2018年,在科罗拉多州的Denver-Julesburg盆地,一口压力枯竭的水平完井的井,一个月内曾因出沙量过大而导致两台泵失效,为了获得良好除沙效果,模拟确定了正确的流量。2 7/8” VACS系统随1000ft油管下入,从井底到水平段清除了3960ft的沙屑;除沙后,该井的一台泵重新上线到位,再次投产,产量从每天16桶增至50桶。VACS系统使泵的寿命延长超过9个月。
 
该系统可与CT一起使用,这种方法采用现有的CT下入技术,通常被最初选用于大斜度井的修井作业,尽管这种方法会受到卷筒无法旋转的限制,以及润滑器长度的影响。Van Hove先生指出,“单靠泵抽往往是不够的,因为沙子有一个硬化的表面,必须被打破,一般修井钻机上的动力旋转为每分钟30-40转。

图5
图5左:磨铣器RCB(reverse circulating bit)反循环钻头是一项最近推出的塞铣工具,是Welltec公司为磨铣过早形成裂缝堵塞和清除长水平段水泥夹层而推向美国市场的一项服务。右图:Welltec公司正考虑在鹰福特页岩的机械隔离再压裂市场部署2 3/8”机械铣刀,以替代化学分流器方法。该工具能以光滑的斜面整齐地切割4”套管,允许通过切口部署射孔枪和堵塞,同时限制对其后面的原始套管造成损坏。
 
Van Hove先生继续说:“在美国,对于众多小的、不具备昂贵CT设备但又想有一个有效解决方案的独立运营商来说,VACS是理想的选择;自然举升对泵来说是件很难的事;而捞砂技术涉及在欠平衡状态下下入一种工具,然后,投下一个球或破裂盘,让工具捕获流体和碎屑并将其带到地面,捞砂技术是一个经济的选择,但效率不高”。
 
绳索干预再获复兴
对于长期用于水平井修井服务而言,持续的注重降低成本和提高采收率也赋予了Welltec公司套餐解决方案新的应用。美国及特立尼达和多巴哥地区副总裁Sid Kittur说:“特别是在高温环境的井下,使用严苛的促产液以及水平段越来越长的环境下情况尤为如此”。
 
他指出:“在过去18个月的美国陆上市场,产量下降及后续开采激发了绳索干预的复兴,包括牵引机输送的堵塞研磨、管子切割和碎屑清理方案等。我们的设备和人员可以迅速动员起来,为计划外的干预做好准备,而小规模作业一般需要对一个多井平台的重型设备进行最低限度的重新配置,这会降低成本,并能减少与干预直接相关的非生产时间(NPT),让石油公司能够同时促产其它油气井”。
 
Welltec公司活跃在美国所有的非常规盆地,在二叠纪盆地,该公司的NACE顺应式设备能有效控制促产液中常出现的高浓度酸,而超过150C°的作业温度在鹰福特页岩是常见的问题。Kittur先生说:“在鹰福特页岩作业时,客户经常要求我们干预方案的高温版本。我们正在进行多个工程项目,扩大我们技术的温度适用范围,以满足这些用户的要求,同时,也让我们能瞄准美国其它温度更高地下储层。在高温的巴肯页岩,位移更长的水平段趋势也对常规干预作业带来了大的技术挑战”。
 
除了图5左图展示的磨铣器RCB反循环钻头塞磨技术外,Welltec公司推向美国市场的另一项关键技术是洗井器PST(Power Suction Tool)动力吸取工具,用于井筒除沙和清理完井碎屑。为了进一步扩大除沙能力,Welltec公司最近推出一种带喷嘴的干气捞砂工具,该工具能防止碎屑聚集,将卡钻风险降至最低。
 
Kittur先生又说:“在干气环境下,这将提高除沙、清除堵塞残余物和其它碎屑的效率,例如:在Marcellus页岩,干气井磨砂是一项大的挑战”。一旦完成洗井,后续作业一般包括某种类型的井内机械干预,2 3/8”机械铣刀开孔就是一个例子,见图5右图的解释。2018年推出了5 3/4”铣刀,从2 7/8”至9 5/8”的套管都能进行套管开孔作业,服务范围得到了大幅扩展。
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