阿爾及利亞OMG723側(cè)鉆小井眼短半徑水平井技術(shù)

李復(fù)興

(中國石油集團(tuán)長城鉆探工程有限公司工程技術(shù)處)

側(cè)鉆小井眼短半徑水平井技術(shù)是20世紀(jì)80年代快速發(fā)展并日臻完善的一項(xiàng)綜合性配套技術(shù)。該技術(shù)在國外一些油田已經(jīng)進(jìn)入生產(chǎn)應(yīng)用階段，在國內(nèi)仍停留在試驗(yàn)和探索階段。目前國內(nèi)的小井眼水平井井眼尺寸基本都在?118 mm以上，尚無?95.3 mm小井眼水平井。OMG723井作為側(cè)鉆小井眼短半徑水平井的施工案例，通過多種關(guān)鍵技術(shù)的成功應(yīng)用，順利完井，形成了HMD油田側(cè)鉆小井眼短半徑水平井的關(guān)鍵技術(shù)。

1 基本情況

OMG723井側(cè)鉆施工前為直井,該井目的層是寒武紀(jì)砂巖地層，巖性致密研磨性強(qiáng)，垂直深度3 450～3 470 m；在垂深3 449 m上部是奧陶紀(jì)泥頁巖層夾雜片狀鹽結(jié)晶，脆性大，極易發(fā)生坍塌，且壓力系數(shù)高于下部目的層。OMG723井側(cè)鉆井身結(jié)構(gòu)見圖1所示。

2 技術(shù)難點(diǎn)

2.1 開窗難度大

設(shè)計(jì)造斜點(diǎn)在?177.8 mm尾管內(nèi)，側(cè)鉆前要對尾管進(jìn)行開窗，開窗作業(yè)會(huì)產(chǎn)生大量鐵屑，存在環(huán)空憋堵、鐵屑凈化困難等問題，易發(fā)生井下故障[1]，套管開窗后井內(nèi)存在大量鐵屑，打撈不徹底會(huì)給后續(xù)的定向鉆進(jìn)、地面循環(huán)系統(tǒng)和井下儀器帶來很大的隱患。

圖1 OMG723井側(cè)鉆井身結(jié)構(gòu)圖

2.2 井眼造斜率高，施工困難

短半徑水平井在增斜段施工難度大，狗腿度大，造斜率要求高，幾乎沒有回旋余地，井眼軌跡稍有失控就需要填井重鉆，損失重大[2]。大狗腿度井段的鉆具磨損嚴(yán)重，起下鉆困難，托壓嚴(yán)重。該井段的鉆具受到嚴(yán)重的交變應(yīng)力，疲勞損傷大。

2.3 鉆井液性能要求高

套管開窗期間產(chǎn)生大量鐵屑，要求鉆井液具有良好的流變性；增斜段采用全滑動(dòng)鉆進(jìn)，有卡鉆的風(fēng)險(xiǎn)，且造斜段是泥巖地層，泥巖具有吸水膨脹和井壁失穩(wěn)垮塌的特性；小井眼排量受限，要求鉆井液具有良好的攜砂性、懸浮性、潤滑性，低固相含量，觸變性好[3]。

2.4 小井眼鉆進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)大

?95.3 mm小井眼井下螺桿要求排量小，造成鉆井液攜巖能力受限；在井斜超過30°至水平段極易形成巖屑床，造成鉆具磨阻大，鉆壓傳遞困難，長時(shí)間滑動(dòng)鉆進(jìn)卡鉆風(fēng)險(xiǎn)大；鉆具尺寸小，工具面擺放困難[4]；待鉆井眼增斜段全角變化率高，控制精度要求高；小鉆具受力復(fù)雜，承受扭矩大，時(shí)間長，疲勞破壞嚴(yán)重[5]。

2.5 地層可鉆性差，地層溫度高

寒武紀(jì)砂巖地層，巖性致密，研磨性極強(qiáng)。根據(jù)地質(zhì)資料地層靜止溫度136°，循環(huán)溫度115°，屬高溫地層。

3 井眼軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)

OMG723井采用“直-增-增-穩(wěn)”4段制軌道，為了緩解托壓、扭矩大的問題，最終確定了水平段采用88.73°的微降模式。設(shè)計(jì)中進(jìn)入A靶點(diǎn)前降低造斜率主要是考慮進(jìn)入砂巖造斜率會(huì)降低，這樣留有余地確保準(zhǔn)確中靶實(shí)現(xiàn)軟著落[6](表1)。

表1 OMG723井側(cè)鉆井眼軌道設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)

4 側(cè)鉆小井眼短半徑水平井配套技術(shù)

4.1 優(yōu)化套管開窗方式

目前套管的開窗方式有兩種，一種導(dǎo)斜器開窗；另一種是段銑套管開窗。兩種方法各有所長，導(dǎo)斜器開窗具有開窗快、周期短的特點(diǎn)，但施工危險(xiǎn)較大，特別是短半徑水平井，導(dǎo)斜器轉(zhuǎn)動(dòng)造成的方位偏差對后期施工影響很大；段銑套管開窗具有安全可靠的特點(diǎn)[7]。

該地區(qū)在使用導(dǎo)斜器開窗時(shí)普遍存在窗口附近泥頁巖坍塌，起下鉆困難的問題。為了提高本井施工的可靠性，優(yōu)選段銑開窗方法，這也是該地區(qū)首次采用段銑開窗，開窗工具選用威德福D型段銑刀(圖2左)，段銑井段選在3 389～3 402 m。

鐵屑的清理措施：段銑前處理鉆井液，以滿足攜帶鐵屑要求，使鉆井液黏度在70～80 s，動(dòng)切力23～30 Pa，初切力：10～15 Pa，終切力：40～45 Pa，塑性黏度：32～38 mPa·s。段銑期間，在鉆井液回流槽內(nèi)放置強(qiáng)磁工具，避免鐵屑進(jìn)入循環(huán)罐；為了避免段銑不徹底，產(chǎn)生套管“剝皮”現(xiàn)象，控制鉆時(shí)在0.5 m/h以內(nèi)；段銑結(jié)束后，使用管柱強(qiáng)磁清理井內(nèi)鐵屑(圖2右)。打撈鐵屑結(jié)束后注水泥填井，并鉆水泥塞至造斜點(diǎn)3 390 m。

圖2 OMG723所用的段銑刀和使用管柱強(qiáng)磁打撈出的的鐵屑

4.2 獨(dú)特的鉆頭選型與個(gè)性化螺桿的完美結(jié)合

4.2.1 鉆頭選型

施工中綜合考慮穩(wěn)定工具面、造斜率、提高機(jī)械鉆速、減少起下鉆次數(shù)等因素，根據(jù)不同井段采用不同的鉆頭(表2)。該組合充分運(yùn)用每種鉆頭(圖3，圖4)的不同優(yōu)點(diǎn)，達(dá)到最大使用效果。

4.2.2 螺桿的選用

根據(jù)該井的特點(diǎn)，普通螺桿難以滿足需要，本井在?149.2 mm井段采用貝克公司最新的?120 mm Ultra X-treme IR系列螺桿，該系列螺桿具有可調(diào)彎度(0～4°)的特點(diǎn)，結(jié)合2.42 m的超短長度能實(shí)現(xiàn)最大造斜率70°/30 m，超短螺桿能縮短MWD至鉆頭的測量盲區(qū)，提高軌跡控制的精度。為適應(yīng)在136°高溫地層長時(shí)間鉆進(jìn)的需要，在?95.3 mm井段選用了貝克公司最新研發(fā)的?73 mm X-treme耐高溫高速螺桿，最大工作溫度達(dá)190°，水功率達(dá)到58 HP，該型螺桿定轉(zhuǎn)比3/2,在450 L/min排量下，轉(zhuǎn)速達(dá)590 r/min,復(fù)合鉆進(jìn)時(shí)能降低鉆桿的轉(zhuǎn)速，減緩鉆桿的疲勞破壞。兩種螺桿的使用在本井取得了很好的效果，其可調(diào)彎度的特點(diǎn)減少了螺桿的消耗，?149.2 mm井段只使用了一根螺桿，?95.3 mm井段使用了兩根螺桿，軌跡達(dá)標(biāo)率100%。

表2 OMG723井鉆頭選型

圖3 ?149.2 mm井眼所用HCC D411ST金剛石鉆頭和EQH55DRD三牙輪鉆頭

圖4 ?95.3 mm井眼造斜段所用G21 SD88三牙輪鉆頭和水平段所用HHS 178孕鑲金剛石鉆頭

4.3 合理的鉆具組合及精細(xì)化施工措施

合理的鉆具組合對于短半徑水平井尤為重要，一旦鉆具組合不合適，造斜率不滿足要求會(huì)有填井重鉆的風(fēng)險(xiǎn)，本井鉆具組合的優(yōu)選原則是：①確保造斜率符合要求，保持軌跡圓滑；②水平段以復(fù)合鉆進(jìn)為主，減少滑動(dòng)鉆進(jìn)。

第一增斜段組合：?149.2 mm金剛石鉆頭+?120.7 mm螺桿(2.1°)+?88.9 mm無磁鉆桿(MWD)+?120.7 mm MWD脈沖接頭+?120.7 mm浮閥 +?120.7 mm陀螺定位接頭+?88.9 mm鉆桿×15根+?120.7 mm鉆挺×15根+?120.7 mm隨鉆震擊器+?120.7 mm鉆挺×2根+?88.9 mm鉆桿。為了避免了套管對MWD的磁干擾，使用陀螺擺方位。開窗初期采用控時(shí)鉆進(jìn)的方法(表3)，及時(shí)分析巖屑變化(圖5)。

表3 控時(shí)鉆進(jìn)表

圖5 控時(shí)鉆進(jìn)(3 390～3 398.5 m)井深與巖屑含量變化圖

后續(xù)?149.2 mm增斜段使用三牙輪鉆頭配合2.5°螺桿的倒裝鉆具組合。

該井段施工的特點(diǎn)是鉆速較慢，全井段滑動(dòng)鉆進(jìn)，為緩解托壓問題每鉆進(jìn)1 m打稠塞并適當(dāng)提高排量循環(huán)；另一個(gè)問題是增斜段起下鉆遇阻嚴(yán)重，通過轉(zhuǎn)動(dòng)工具面至高邊解決問題。本井增斜段短調(diào)控余地小，測量滯后問題在短半徑水平井增斜段尤為突出，要求技術(shù)人員有較高的預(yù)見性且對工具性能非常熟悉[8]。

第二增斜段組合：?95.3 mm三牙輪鉆頭+?73.0 mm螺桿(3.6°～3.8°)+?60.3 mm無磁鉆桿(MWD)+?60.3 mmMWD脈沖接頭+?60.3 mm浮閥+?60.3 mm鉆桿×18根+?60.3 mm變扣+?88.9 mm鉆桿×6根+?120.7 mm鉆挺×9根+?120.7 mm隨鉆震擊器+?120.7 mm鉆挺×2根+?88.9 mm鉆桿。

該組合采用柔性鉆具組合并逐步倒裝，有利于鉆壓的有效傳遞；大彎度螺桿配合三牙輪鉆頭，有效提高造斜率；選擇短螺桿，減少測量盲區(qū)，有利于精確控制井眼軌跡[9]。

水平段組合：?95.3 mm孕鑲金剛石鉆頭+?73.0 mm螺桿(0.8°)+?60.3 mm無磁鉆桿(MWD)+?60.3 mmMWD脈沖接頭+?60.3 mm浮閥+?60.3 mm鉆桿×18根(倒裝)+?60.3 mm變扣+?88.9 mm鉆桿×6根+?120.7 mm鉆挺×9根+?120.7 mm隨鉆震擊器+?120.7 mm鉆挺×2根+?88.9 mm鉆桿。

該組合的保持零穩(wěn)定器模式，有效緩解了水平段鉆進(jìn)托壓，減小了卡鉆的概率；采用孕鑲金剛石鉆頭，減少了起下鉆的頻率，提高了鉆進(jìn)效率；為緩解小鉆桿疲勞破壞的情況發(fā)生，每趟鉆倒換鉆桿，及時(shí)淘汰磨損嚴(yán)重的鉆桿。

4.4 下尾管封固油層上部不穩(wěn)定地層

第一增斜段?149.2 mm井眼中完后下尾管固井，使用?114.3 mm P110 尾管，為了提高固井質(zhì)量，在裸眼段使用剛性扶正器，在直井段使用彈性扶正器，合理的精細(xì)化措施確保固井的高質(zhì)量。

4.5 良好的鉆井液體系

基于本井的地層特性、大曲率、小井眼、套管磨銑作業(yè)等特點(diǎn)，選用油基鉆井液，在油基鉆井液的基礎(chǔ)上形成了耐高溫、強(qiáng)抑制、強(qiáng)抗鹽侵、泥頁巖井壁穩(wěn)定、易于調(diào)整流變性的適應(yīng)本地區(qū)的鉆井液體系，如表4所示。

表4 不同井段的鉆井液性能

5 施工效果評價(jià)

1)OMG723井實(shí)際造斜點(diǎn)3 390 m，第一造斜段鉆至3 452.5 m,第二造斜段從3 452.5 m鉆至3 480.42 m，水平段從3 480.42 m至完鉆井深3 888 m，水平位移450.06 m，水平段長407.57 m，油層鉆遇率100%。

2)鉆頭和螺桿的完美配合，使本井軌跡達(dá)到了最優(yōu)化，起鉆磨阻最大80 kN，下鉆磨阻最大50 kN，為后期各種施工提供了良好條件。

3)段銑開窗運(yùn)用成功，開窗后續(xù)的起下鉆經(jīng)過窗口時(shí)無遇阻和超拉現(xiàn)象。

4)精細(xì)化施工措施使該井施工過程中未發(fā)生井塌、井漏、落物等井下復(fù)雜情況。

6 結(jié)論和建議

1)針對短半徑水平井曲率大、造斜段短的特點(diǎn)，合理的工具選型及組合對于軌跡的精確控制非常重要。

2)?95.3 mm小井眼鉆進(jìn)中，按時(shí)泵入稠塞并配合大幅度活動(dòng)鉆具有效破壞井底巖屑床，緩解了托壓和避免了卡鉆。

3)流變性易于調(diào)整的鉆井液能更好的適應(yīng)復(fù)雜修井工作的施工需要。

4)建議國內(nèi)科研工作者加強(qiáng)對可調(diào)度數(shù)短螺桿的研究,同時(shí)提高螺桿的耐高溫性能，以滿足將來復(fù)雜的施工要求。