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井控趨勢與緩解措施:一次技術升級

井控趨勢與緩解措施:一次技術升級

本文介紹了有可能將全球作業者作業風險降至最低的四種井控風險趨勢與緩解措施,并改變了這些風險的分析與管理方法。

來自丨World Oil
編譯丨Tom

油價的上漲帶來了鉆井與采油作業量的增加,但由于質量控制的下降與人才的短缺導致了大量井控失敗案例。從這些事件中吸取經驗教訓,并綜合利用技術與專業知識,可以減少井控風險。本文介紹了有可能將全球作業者作業風險降至最低的四種井控風險趨勢與緩解措施,并改變了這些風險的分析與管理方法。

“井工廠”設計風險

井控趨勢與緩解措施:一次技術升級

圖1. 美國已鉆探但未完井的井的數量不斷增加。資料來源:EIA。

石油價格的下滑推動了作業者采用集中的井工廠設計,可使鉆井效率最大化,同時使動員成本最小。在Opec 2016年第三季度初步減產之后,美國國內48個州大量涌現了已鉆探但未完井的井(DUCs),如圖1所示。但是,隨著這些井投入生產,需要更加關注井控并增加井控開支,以解決與增產、生產和其他交叉作業有關的風險。這意味著油價下降期間,作業效率將不得不適應鉆井目標的變化。因此,井工廠本身的設計理念就需要包含額外的風險緩解措施。

由于考慮降低建井成本以及減少對環境的影響,井工廠設計通常會在最小化的占地面積與作業規模要求之間妥協,這樣的話,井控風險往往就得不到充分的考慮。這些井工廠的井間距很小,會加劇井控事故對資產完整性、人員安全以及作業連續性的影響。一個關鍵的問題就是將這種影響限制在事故井內,而不會對周圍的井造成附帶損害,如圖2中展示的“約束籠”設計。

井控趨勢與緩解措施:一次技術升級

圖2. 在交叉作業與井控應急作業中,對井工廠設計進行井控風險評估的圖解說明。

另一個普遍的問題是實施井控應急措施所需的通道與井距,例如哈里伯頓Athey Wagon設備作業所需的尺寸與空間如圖所示。其他問題包括布置控制屏障與建立合適的交叉作業程序,以及事故期間井內產出流體與壓井液導致的相關危險。這些問題可以通過在井工廠設計階段,進行充分的預先規劃與因地制宜的評估來確定與解決。重要的是,要讓優秀的井控專業人員提供關鍵的經驗與技術來開發合適的設計。

建井風險

在非常規頁巖地層中,大部分目標地層是致密的或低滲透的。通常情況下,如果沒有大規模的人工增產措施,比如水力壓裂,地層流體就不能流動。因此,在目前的低成本環境下,井控風險并不總能在井設計與作業時得到適當的關注。設計上的妥協通常包括減小下套管的深度或數量。這將大大降低處理井溢流的能力,特別是發生在意料外或未被套管封固的滲透層的溢流。在某些情況下,來自這類區域的溢流可能被另一個區域的井漏所掩蓋,而在為時已晚之前,都無法發現溢流,通常就是因為“這類井不會溢流”的假設。

為了用可持續的解決方案應對這些挑戰,因此需要建立一個井控風險管理方案來識別、分析和緩解這些問題。這樣的方案也可以制定指導方針,作為其他類似的井、地層或井工廠的長期實施準則。例如,多相流體溢流模型(圖3)可以用來評估套管下入深度與套管柱數量是否足夠,以應對可能發生的溢流。當竄流成為問題時,或者當溢流壓破套管座時,額外的模擬,如圖4所示,可以用來評估這些風險以及開發所需的緩解措施。這些工具有助于評估井設計的適宜性與維持適當的井控所需的設備,從而不會低估或高估所涉及的風險與成本。

井控趨勢與緩解措施:一次技術升級

圖3. 運用溢流模擬的來評估井控方案的示例

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圖4. 儲層流體對裂縫延伸的影響(竄流)的示例

井位風險

最近涌現越來越多的運用高密度井間距的井工廠,這些井工廠通常含有高達40余口的頁巖油井,大大增加了井位問題的風險。若長水平段的井間距過小,則需要整個井眼從跟部至趾部的精確定位。這使得非常規井只有很少或根本沒有機會進行中期調整,但常規井具有謹慎的靶點,因此可以進行調整。這些風險包括從沒有鉆至油藏靶點到生產井的意外碰撞等問題,通常都可以歸因于鉆井過程中管理井眼位置的問題。

有許多情況下,作業者在鉆井時可能會無意碰到從同一個平臺或附近的平臺鉆出來的自噴油井。其他情況則包括意料外壓裂到正在鉆進的井中,或鉆入一口井壓裂出的裂縫中。在這兩種情況下,正在鉆進的裸眼井段通常并不能處理大規模壓裂或采油自噴壓力。這就會導致井發生溢流,并可能壓破套管鞋,然后導致地下井噴至地面。通過運用現有的井位技術,對井眼幾何形狀進行設計并保持恰當控制,可以顯著降低這些風險。

當需要鉆救援井時,這些井位風險就顯得更為復雜。因為過度的破壞或地面上的碎屑阻塞,因此在無法封住地面通道或重新進入發生井噴的井時,才會需要救援井。在這種情況下,與任何目標井或鄰井有關的井位不確定性,都會引起嚴重的復雜情況,這會增加救援井的作業時間與成本。在建井的設計與執行階段可以很容易地解決這樣的井位不確定性,成本遠遠低于任何由此引起的復雜情況,這些都是救援井所需要的。

同樣的技術也可以應用于設計救援井的井眼形狀與最佳的鉆井地面位置。對于水平井來說,救援井最有效的交匯點是在井眼的跟部。圖5展示了一個井間距小、多井與多平臺的油田的一口救援井的計劃地面位置研究結果。它提供的設計,如果需要的話,可以使救援井達到井眼的跟部并能夠對油田內所有井進行壓井。

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圖5. 圖為利用油田其他現有井平臺,對井間距小的井工廠的救援井的地面位置進行可行性研究。

水力壓裂風險

大型水力壓裂在頁巖油中的運用,為這些井的套管設計帶來了新的認識。傳統的因素,如允許的最大井口壓力,通常都包括在大多數作業者使用的設計中。有一個方面可能并不總能夠得到充分解決,這就是復雜的熱量、壓力與張力循環,以及它對套管的影響。這種循環發生在鉆井、固井、壓裂、返排與采油作業中。在返排、采油或其它作業過程中出現套管損壞的情況相當多,會導致套管后壓力連通,或擴眼,或井噴,或通過上述所有情況逐步升級。對大多數套管損壞的情況進行后期的分析表明,膠結分離的原因是由于過度的張力,而不是套管本身被壓裂。

目前可以利用現有的技術,進行工程分析與模擬,以評估這些復雜的加載循環,并建立適當的套管設計。這主要是運用計算流體動力學(CFD)與有限元分析(FEA)模型中的最新技術進行的,這些模型非常適合在需要的情況下對井的整個生命周期進行分析。

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圖6. 這個整合了計算流體動力學與有限元分析的模型,展示了水力壓裂作業過程中壓力與力的分布,及其對井口機械完整性的影響。

結論

石油價格的回升使得鉆井與采油作業增加,因此井控失敗也隨之增加。其中大部分是因為降低了質量保證與作業控制引起的機械問題,或由于缺乏合格的人員與適當的設備。井的整個生命周期,從設計、執行到結束,Wild Well正努力從這些事故中吸取經驗教訓。綜合運用技術手段與專業知識可以減輕重大的井控風險,從而降低整體作業成本。

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