专利名称：钻井和完井方法
技术领域：
本发明总体上涉及用于产生储层流体的井筒。更具体地，本发明涉及完井方法，这种方法能利用一种流体进行钻井、运行砾石充填装置和防砂筛管，然后用同一种或其它流体对完井层段进行驱替和砾石充填。
背景技术：
用于钻井、砾石充填、安装防砂筛管的流体合适对成功完井来说是必不可少的。增加完井生产率和寿命需要仔细计划、井眼准备和完井实施。在历史上，钻井和完成砾石充填井最少需要三种流体。第一种流体是用于钻出完井层段的含有固体物的钻井流体(drilling fluid)(钻井液)。第二种流体是不带有固体的完井流体(completion fluid)(完井液)，它用于驱替含有固体的钻井流体和在一种大体上没有固体的环境中运行除砂的设备和砾石充填工具。第三种流体在砾石充填该完井层段时运载砾石的流体。
生产烃时，钻出的井筒穿过地下储层。钻井操作可以影响砾石充填和防砂筛管，其方式与钻井操作影响常规的射孔井一样。井钻得应能够维持井筒的稳定性，用的钻井流体应该不会损害地层。
典型的钻井流体包括不同浓度的加重固体、增粘固体和所钻出的固体。钻井流体滤液应该与完井液相一致而且不干扰完井操作。优选地，所选的钻井流体应该具有足够密度使得井稍微过饱和、流体损失低以及与生产层的粘土相符。
为砾石充填井进行合适的准备是成功完井的关键因素。清洁是为砾石充填准备的最重要的因素之一。任何颗粒材料的出现都能导致完井受到损害。目前经常将一些储罐用于砾石充填以避免为了清除钻井泥浆而进行重复的清扫操作。
完井液被用来驱替含有固体的钻井流体以及在一种大体上没有固体的环境中被用来使除砂的设备和砾石充填工具工作。完井液可以是油基或水基流体。水基流体通常被认为灵活性更强。它们的密度、粘度、和储层相容性比油基流体更容易控制。因此，水基流体应用最普遍。
不考虑完井流体的来源，该流体应该包含最小的颗粒材料，并且它的化学性质必须与岩石储层和原生水相容。淡水可以引起粘土膨胀或分散，而当与地层水接触时一些离子的出现可以引起沉淀。最常用的完井液的来源是现场或生产的盐水、海水、海湾水或淡水。完井液的密度通常通过可溶解盐来控制。
砾石充填包括那些需要把砾石从地表运送到完井层段以形成井下过滤的操作，井下过滤将允许流体流入井筒中但是阻止储层砂子的进入。优选地，砾石充填提供了一个孔隙度39％或更低的均匀充填。
砾石充填需要流体把砾石浆液输送到完井层段。油基或水基流体和泡沫通常用作砾石充填液。清洁的流体对砾石充填是必不可少的。根据井的压力，为了保持井控，需要高密度、不带有固体的可溶性盐溶液。除此之外，砾石充填流体可以通过加入聚合物使其变粘。
砾石浆液的不良分布通常是当浆液中的载运流体过早滤失到地层中更容易渗透的部分和/或滤失到筛网中引起的。砾石本身，因此导致在筛网周围在井筒环空中形成“砂桥”。这些砂桥显著地阻止了砾石浆液通过井筒环空继续流动，因此阻止了砾石输送到完井层段内的各个高度。
为了减轻砾石的不良分布，“备选路径”井眼工具或技术已经被推荐并且正在使用，在完成砾石分布之前不出现砂桥层，它可以提供遍布整个完井层段的均匀砾石分布。这些装置典型地包括可渗透的分路或旁通管路。该分路或旁路沿着装置的长度延伸，并且当砾石浆液沿着装置进入井筒环空时适合接收砾石浆液。如果在操作完成之前形成了砂桥，砾石浆液仍然能够通过可渗透的分路(例如，“备选路径”)运送到环空内的不同高度，即砂桥的上面和/或下面。美国专利4,945,994和6,220,345提供了典型的备选路径井下筛管的描述以及它们是如何工作的。
概略地说，目前用于安装裸眼砾石充填的方法典型地包括用水基或油基钻井流体钻出完井层段，在裸眼井段中驱替这种流体直到没有固体物的完井液(典型的是盐水)，在没有固体的完井液中运行砾石充填装置和防砂筛到一定深度，用水基载运流体来砾石充填该层段。这种方法通常的局限性包括不能运行砾石充填装置和防砂筛管到一定深度，这是由于水基完井液(盐水)和地层之间的不相容引起的井筒不稳定(坍塌)。这种方法效率低因为至少需要三种流体(钻井流体，完井液和砾石载运流体)。
对前面所描述的方法常见的改进方法包括，在用完井液驱替裸眼井段和运行砾石充填装置和防砂筛管之前，在完井层段上安置一个预先钻出的衬管(Murray，G.，Morton，K.，Blattel，S.，Davidson，E.，MacMillan，N.，Roberts，J.，SPE 73727，February 20-21，2002.Development of the Alba Field-Evolution of Completion Practices(完井作业的现场演变)，Part 2 Open Hole Completions；SuccessfulOutcome-Drilling with SBM and Gravel Packing with Water BasedCarrier Fluid(用水基承载流体的砾石充填及使用SBM的成功的完成钻井)and Gilchrist，J.M.，Sutton，Jr.，L.W.，Elliot，F.J.，SPE48976，September 27-30，1988.Advancing Horizontal Well Sand ControlTechnologyAn OHGP Using Synthetic OBM(先进的水平井砂控制技术使用合成OBM的OHGP.)。预先钻出的衬管降低了井筒坍塌的风险，并且提供了一个运行砾石充填装置和防砂筛管的管路。在预先钻出的衬管改进了运行砾石充填装置和防砂筛管到一定深度的能力的同时，它给流动带来了附加的阻力，并可以对生产率具有负面的影响。
目前利用不同的流体进行钻井、驱替含固体的钻井流体和运行除砂装置和砾石充填工具以及砾石充填既昂贵又费时间。因此，需要通过简化流体系统和消除设置预先钻出的衬管的需要，来降低操作的复杂程度和时间。
发明内容
在一个实施例中，该方法包括用一种钻井流体钻一个井筒，处理该钻井流体，在具有处理后的钻井流体的井筒中使砾石充填装置工具工作到一定深度，用载运流体来砾石充填井筒的一个层段。这种方法可以与备选路径防砂筛管技术结合着使用，以确保砾石充填的正确分布。
附图1是本发明的一个实施例的流程图；附图2是一个用两种流体系统来砾石充填的井筒图，该图说明了用油基处理的流体进行备选路径防砂筛管的安装；附图3是一个用两种流体系统来砾石充填的井筒图，该图说明了GP封隔器的安装和在转换工具处在反向位置时纯砾石充填的引入；附图4是一个用两种流体系统来砾石充填的井筒图，该图说明了转换工具处在砾石充填位置时进行的砾石充填的驱替；附图5是一个用两种流体系统来砾石充填的井筒图，该图说明了砾石充填后转换工具的反向位置和用处理后的油基流体使裸眼体积以及剩余的纯砾石充填液反向流出；附图6是一个用两种流体系统来砾石充填的井筒图，该图说明了在转换工具处于反向位置时粘性的隔离液、纯砾石充填液和砾石充填浆液在钻杆中的位置以及砾石充填流体在环空中的充填；附图7是一个用两种流体系统来砾石充填的井筒图，该图说明了转换工具从反向位置向砾石充填位置的转换以及通过环空返回液的导出；附图8是一个用两种流体系统来砾石充填的井筒图，该图说明了持续驱替油基流体离开环空以及砾石充填浆液在砂桥周围的转向；附图9是一个用两种流体系统来砾石充填的井筒图，该图说明了直到脱砂出现前用完井液进行的砾石充填浆液的驱替；附图10是一个用两种流体系统来砾石充填的井筒图，该图说明了当完井液泵入环空中时转换工具的反向位置以及过量的砂和砾石充填液的反向流出；附图11是一个用两种流体系统来砾石充填的井筒图，该图说明了一个用完井液完全驱替的井以及从井筒中起出的砾石充填装置。
详细描述在这里描述的本发明提供了一种安装裸眼砾石充填完井的方法。安装过程包括用钻井流体钻出完井层段，处理钻井流体，使砾石充填工具和防砂筛管运行到处理过的钻井流体中的一定深度，接着用相同或其它流体驱替和砾石充填完井层段。
这种安装裸眼砾石充填完井的新方法解决了当试图在砾石充填之前在井筒中运行防砂筛管到一定深度时曾遇到过的一些问题。除此之外，新工艺的优点包括由于简化了操作工艺而减少了完井时间和潜在的不再需要割缝衬管。
如图1所示，该方法有四个基本步骤。第一步，在一层段上用钻井流体钻一口穿过地下储层的井。第二步，处理钻井流体。第三步，使砾石充填工具在具有处理过的钻井流体的井筒中运行到一定深度。第四步，井筒的一个层段用完井液进行砾石充填。完井液可以与处理过的流体或一种单独的流体相同。如果井筒不需要进行砾石充填，可以在具有处理后的流体的井筒中运行一个防砂筛管到一定深度，这时第四步就没必要了。
完井层段是用水基或者油基钻井流体钻的。钻出完井层段后，利用钻台上的设备使钻井流体通过井筒循环并进行过滤(或处理)。钻井流体含有可以堵塞防砂筛管上孔(或缝)的颗粒(例如，岩屑)，这些颗粒如果不充分地清除可能堵塞砾石充填。因此，钻井流体在运行防砂筛管之前被处理(或过滤)，以最好除去那些大于大约割缝缝隙尺寸三分之一和/或砾石充填颗粒尺寸直径六分之一的固体颗粒。
三分之一割缝尺寸是基于需要的球状颗粒桥塞一个给定割缝尺寸通常的经验值。六分之一砾石充填颗粒尺寸是基于在给定直径的球状颗粒避免堵塞需要孔喉尺寸通常的经验值。例如，典型的防砂绕丝筛管具有8.5标准割缝(大约215微米)以及30/50支撑剂(大约425微米)可以用于砾石充填。钻井流体可以在钻台上310目的振动筛(大约50微米)上处理，振动筛可以充分地过滤掉过大尺寸的颗粒。
在现场操作中，一个筛管测试装置也被用于检查被处理流体的样本，以确定它是否自由通过一个带有规定割缝尺寸的筛管样本。典型地，推荐的割缝尺寸比筛管名义割缝小3到4个计量尺寸。一旦流体处理工艺用筛管测试装置充分确认后，砾石充填装置和防砂筛管可以在井筒中运行到一定深度。
在处理后的流体中运行防砂筛管用于单独(stand-alone)筛管完井通常是本领域普通技术人员经常的操作作法。例如，这种作法经常在北海(North Sea)进行，在那里砾石充填没有必要，因为那里储层渗透率很高，具有大的均匀尺寸分布的砂粒。由于不均匀的砂粒尺寸分布的不均匀储层而必须进行砾石充填的裸眼完井，在这种新方法之前，防砂筛管不是用处理后的流体运行的。
在砾石充填装置和防砂筛管运行到一定深度之前，裸眼层段流体典型地被一定体积的纯流体驱替。纯流体是不含有砾石充填支撑剂的砾石运载流体。这种驱替除去了仍然留在裸眼井段的处理过的钻井流体和岩屑。驱替流体沿着不会把含有固体的流体引向通过防砂筛管的方向循环，以避免筛堵。例如，流体可以往下沿着环空、穿过转换工具到达冲洗管、向下沿着筛管装置的冲洗管、流出筛管循环。以前，裸眼砾石充填安装方法需要在安装防砂筛管之前完成驱替操作，因为以前的方法假定防砂筛管应该由不带固体的流体运行。
在裸眼层段被驱替后，完井层段用标准的操作程序进行砾石充填。砾石充填操作的泵的速度应该比驱替速度慢以避免筛堵。
除此之外，在砾石充填工具已经被运行之后和砾石充填操作之前，几个砾石充填施工工具必须进行操作。新方法需要这种操作在含有固体的流体中进行，这在以前的方法中没有的(以前砾石充填装置在没有固体的流体中进行)。
在另一个实施例中，本发明包括用油基钻井流体在井筒中钻出完井层段，并利用备选路径技术利用水基运载流体来砾石充填井筒的完井层段。与水基流体相比，油基流体滤饼具有更低的举升压力，这对安装一个完整的砾石充填是有问题的。滤饼是由钻井流体形成的固体浓缩层，形成在与渗透层相对的井筒壁上。在砾石充填中滤饼的损失可以导致形成桥塞。正如前面背景技术部分所描述的，备选路径允许在砂桥之外输送砂子。因此，备选路径技术对于那些将被砾石充填并用油基流体钻的井来说很适合。
水基砾石充填运载流体应该具有有利于有效驱替处理后流体的流变性和对利用备选路径技术进行砾石充填来说有利的流变性和携砂能力。水基运载流体的例子包括但不限于用HEC聚合物、黄原胶、粘弹性表面活性剂(VES)或它们的组合来加粘的流体。本领域普通技术人员将认识到，其它一些由于具有良好性质而可以被选择的运载流体。
在另一个实施例中，砾石充填运载流体是油基的。利用油基运载流体的方法与上面描述的用水基运载流体的方法相同。
实施例本发明是因为当尝试在井筒中运行砾石充填装置时所遇到的操作困难而开发出来的。井筒的计划程序是钻出完井层段，驱替到没有固体的盐水，运行砾石充填装置和防砂筛，接着利用水基运载流体来砾石充填完井层段。但是，驱替裸眼完井层段到完井盐水后，由于井筒稳定性问题经过几次尝试砾石充填装置和防砂筛管不能运行到一定深度。在操作预先钻出的衬管时同样是失败的尝试。该井筒被暂时搁置而移到近处的井筒操作。在第一个井筒失败的经历后，一个新的完井工艺(现在的发明方法)开发出来并用在附近的井筒和接下来的井筒中。新的完井工艺已经成功的在许多井中成功的应用。试井表明新方法提供了一种有效、低表层的完井。
附图2到11用图说明了在一个现场试验中的利用备选路径井下筛管的两种流体系统完井，其中附图2到11中的相似部件给出了相似的标记。首先，利用本领域普通技术人员都知道的技术使用钻井流体钻井。接着，在一个充满处理过的非水流体(NAF)的井筒中安装井下筛管。附图2是一个在井筒23中带有备选路径技术21的筛管27的图，备选路径技术是砾石充填工具的一部分。砾石充填工具包括一个井下筛管27、备选路径技术21、一个GP封隔器29、一个带有与钻杆28相连的流体口26的转换工具35、冲洗管41和在GP封隔器29上面和下面的井筒23的环空。这个井筒23包括一个下套管的部分22和一个较低的裸眼部分24。典型地，砾石充填工具下放并固定在井筒23的钻杆28上。井筒23的NAF25事先已经在310目的振动筛(图中未示出)上处理过，并通过了一个比井筒23中的砾石充填筛管27小2-3个计量尺寸(gauge size)的筛管样本(图中未示出)。
正如附图3所示，GP封隔器29在井筒23中直接固定在将被砾石充填的层段上面。该GP封隔器将该层段与井筒23的其余部分封隔。在GP封隔器29固定后，转换工具35转换到反向位置，纯砾石充填流体33沿着钻杆28泵入，并放置在套管22和钻杆28之间的环空中，驱替了处理过的油基流体25。箭头36表明了流体的流动路径。
接下来，如附图4所示，转换工具35转换到使砾石充填流通的位置。处理过的NAF接着沿着套管22和钻杆28之间的环空泵送，推动纯砾石充填流体33通过冲洗管41，流出筛管27，清扫备选路径工具21和裸眼井段24之间的裸眼环空45，并通过转换工具35进入钻杆28。箭头46表明了井筒23中通过裸眼井段24和备选路径工具21的流动通道。
如附图5所示，一旦备选路径工具21和裸眼井段24之间的裸眼环空45被纯砾石充填流体33清扫过，转换工具35转换到反向位置。处理的NAF25沿着套管22和钻杆28之间的环空泵入，通过把NAF25和污染的砾石充填流体51推出钻杆28，使泵入的NAF25反向流出。
接下来，如附图6所示，当转换工具35保持在反向位置，把粘性隔离液61、纯砾石充填流体33和砾石充填浆液63沿着钻杆28泵入。箭头66表明了当转换工具35在反向位置时流体流动方向。当粘性隔离液61和50％纯砾石充填流体33进入套管22和钻杆28之间的环空中，转换工具35转换到使砾石充填流通的位置。
接下来，如附图7所示，用于充填备选路径工具21和裸眼井段24之间的裸眼环空45的合适数量的砾石充填浆液63沿着钻杆28泵入，这时转换工具20处在使砾石充填流通的位置。箭头77表明了当转换工具35处在砾石充填位置时流体的流动方向。砾石充填浆液63沿着钻杆28的泵入，迫使纯砾石充填流体33穿过筛管27，沿着冲洗管41向上，进入到套管22和钻杆28之间的环空。当纯砾石充填流体33进入套管22和钻杆28之间的环空时，处理过的NAF25返出液被迫通过套管22和钻杆28之间的环空。
如附图8所示，通过把完井液101引入钻杆28中，砾石充填浆液63接着沿着钻杆31泵入。砾石充填浆液63把处理过的NAF(未示出)从套管22和钻杆28之间的环空中驱替出。接着，砾石沉积在备选路径工具21和裸眼井段24之间的裸眼环空中。如果如图8所示形成一个砂桥81，那么砾石充填浆液63转向备选路径工具21的分路管道并重新开始充填备选路径工具21和裸眼井段24之间和砂桥81下面的裸眼环空45。箭头86表示了砾石充填浆液的流动，沿着钻杆28向下穿过转换工具35进入GP封隔器29下面井筒环空，穿过备选路径工具21进入备选路径工具21和裸眼井段24之间和砂屏81下面的裸眼环空45。箭头86进一步表明纯砾石充填流体33沿着冲洗管41向上穿过转换工具35进入套管22和钻杆28之间的环空。
附图9说明了一个刚刚完全充填了防砂筛管27和GP封隔器29下面的套管22之间的环空的井筒。一旦防砂筛管27覆盖上了砂子91，并且备选路径工具21的分路管道充满了砂子，钻杆28流体压力上升，这就是大家知道的脱砂。箭头96示出了砾石充填浆液63和纯砾石充填流体33被完井液101驱替的流体流动通道。
如附图10所示，脱砂出现后，转换工具35转换到反向位置。粘性隔离液61沿着钻杆28和套管22之间的环空泵入，紧接着完井液沿着套管22和钻杆28之间的环空泵入。这样，通过把剩余的砾石充填浆液63和纯砾石充填流体33推出钻杆39造成了反向流出。最后，如附图11所示，套管22和钻杆28之间的环空中的流体被完井盐水101驱替出，转换工具(未示出)和钻杆(未示出)从井筒23中提出，留下了GP封隔器29下面完全充填的完井层段。
在新发明的方法进行现场测试之前进行了实验室测试以鉴定该方法。实验室测试表明砾石充填的固体污染(没有充分驱替含有固体的钻井流体的潜在后果)没有损害充填的渗透性。测试包括把一定体积的砾石和一定体积的钻井流体混合，把这种混合物充填到一个圆柱形的流动装置。通过使另一种流体穿过充填物把钻井流体从砾石中驱替出去。事先没有与含有固体的钻井流体混合的最初砾石充填渗透率的测量结果和从充填物中把该钻井流体驱替出去后砾石充填的测量结果相似，这表明潜在的损害可以忽略。除此之外，上面所描述的实验室测试，成功的现场测试确认了上面所描述的工艺的可行性。该工艺包括流体处理工艺，用以监测处理工艺和前面所描述的砾石充填施工工具操作工艺(反向和流通位置)的现场测试装置工艺。此外，使用负载有固体的钻井流体和在井筒中有防砂筛管的砾石运载流体的驱替效率也得到了确定。
权利要求
1.一种砾石充填井的钻井和完井方法，包括用一种钻井流体钻井穿过地下储层；处理钻井流体；在具有处理过的钻井流体的井筒中运行砾石充填工具和防砂筛管到一定深度；用完井液来砾石充填该井筒的完井层段。
2.如权利要求1所述的方法，其中完井液是钻井流体。
3.如权利要求1所述的方法，其中钻井流体是含有固体的油基流体。
4.如权利要求1所述的方法，其中钻井流体是含有固体的水基流体。
5.如权利要求1所述的方法，其中钻井流体的处理除去了大于井筒中使用的任何防砂筛管割缝尺寸大约三分之一的固体颗粒。
6.如权利要求1所述的方法，其中钻井流体的处理除去了大于砾石充填颗粒尺寸六分之一的固体颗粒。
7.如权利要求1所述的方法，其中防砂筛管包括备选路径技术。
8.如权利要求1所述的方法，其中运载流体是选自用HEC聚合物、黄原胶、粘弹性表面活性剂(VES)或它们的组合来加粘的一组流体。
9.如权利要求1所述的方法，其中运载流体是选择那些具有充分驱替处理过的流体的良好流变性的流体。
10.如权利要求8所述的方法，其中运载流体是选择那些具有用备选路径技术进行砾石充填的良好流变性和携砂能力的流体。
全文摘要
本发明公开了一种砾石充填井的钻井和完井方法。该方法包括用钻井流体钻出井筒，处理钻井流体，在具有处理后的钻井流体的井筒中运行砾石充填工具到一定深度，用完井液来砾石充填一个井筒层段。完井液可以与钻井流体相同。这种方法可以与备选通道防砂筛管技术一起使用，以确保砾石充填的正确分布。
文档编号E21B33/00GK1756890SQ200380109988
公开日2006年4月5日 申请日期2003年12月18日 优先权日2003年2月26日
发明者迈克尔·D·巴里, 乔恩·布莱克洛克, 凯伦·钱德勒, 布鲁斯·A·戴尔, 马特·M·迪皮波, 迈克尔·T·赫克, 本·L·马丁三世, 小托马斯·B·马丁, 达伦·F·罗森鲍姆, 克里斯·E·舒查特 申请人:埃克森美孚上游研究公司