短曲率半徑水平鉆孔取心技術研究及試驗

徐峰陽，劉成雙，陳 寧

中國石油吉林油田油氣工程研究院

0 引言

吉林油田地處松遼盆地［1］，是典型的低滲油田，在經歷了50多年的開發后，已進入了中高含水采油期，油田綜合含水率大幅提高，產能遞減速度快，產生了4 000多口因井下管柱損壞、含水率高、產能低于經濟極限等原因而關井的停產井。油田計劃利用停產井對油層取心，定量分析長期注水后地層巖石物性變化及油水動態，重新認識地下剩余油的分布規律［2］，確定有利于油田的開發方案，最大限度地提升油田老區剩余油挖掘產量，提高采收率，使油田滿足生產要求。現有的取心工具與工藝無法在井筒條件進行取心作業［3-6］，為此，吉林油田開展了短曲率半徑水平鉆孔取心技術研究與試驗。

1 技術概況

1. 1 技術原理

短曲率半徑水平鉆孔取心技術由超短半徑側鉆技術和水平井柔性密閉取心技術集合而成，具有轉彎半徑小、入靶準確的技術特點［7-9］。在停產井中下入斜向器進行導向，采用開窗鉆頭在套管壁上進行開窗，通過柔性鉆具在設計層位完成高曲率造斜［10-12］，當斜率達到設計要求后進行水平鉆進，在鉆進至目標層位后，下入密閉取心工具對油層進行取心。根據巖心數據獲取的需要，可在同一油層或不同油層內實現多分支取心［13-15］。

1. 2 配套工具

1. 2. 1 可撈斜向器

可撈式斜向器如圖1所示。可撈斜向器在作業時使用鉆桿直接下入井中指定位置坐封，引導鉆桿完成由垂直向水平方向的轉變和鉆進時的方位角，為精準取心提供準確方向；斜向器斜面涂有耐磨涂層，能在開窗作業時有效保護斜向器斜面，保證傾斜角的穩定。

圖1 可撈斜向器

1. 2. 2 開窗銑錐

開窗銑錐如圖2所示，該銑錐可順暢進行開窗作業，并保證窗口邊緣光滑，使井下工具通過窗口時不出現卡頓現象，減少對井下工具的磨損，延長井下工具的使用壽命。

圖2 開窗銑錐

1. 2. 3 柔性鉆具

柔性鉆具如圖3所示，鉆具使用改進型球籠萬向節連接，增加扶正環結構，可以降低摩阻，有效提高鉆具鉆進時的穩定性，具有振動較少、鉆進穩定、鉆壓波動較低、水平偏移小的特點。

1. 2. 4 造斜鉆具

造斜鉆具如圖4所示，由萬向節串和導向篩管外殼組成，工具串可以在10 MPa壓力下自由彎曲；導向外殼選用35CrMo鋼管進行激光切割制成，保證鉆具只能單向彎曲，可以滿足短曲率半徑水平鉆孔取心技術的技術要求。

圖3 柔性鉆具

圖4 造斜鉆具

1. 2. 5 柔性密閉取心工具

柔性密閉取心工具如圖5所示，取心工具內裝配自鎖式巖心爪，可保證割心整齊、鎖心牢固。柔性取心外筒由柔性單元串聯組成，柔性單元之間通過萬向節結構連接，關節轉動靈活，通過自潤滑關節軸承和圓錐滾子軸承連接的方式，使內外筒旋轉一致，有效保護巖心的完整性。

圖5 柔性密閉取心工具

1. 3 技術參數

（1）水平鉆孔取心技術的造斜曲率半徑為2 ～ 3 m，井眼直徑為?118 mm，水平鉆進50 m，取心范圍為3 ～ 50 m。

（2）可撈斜向器的長度為3 m，外徑118 mm，坐封壓力為20 ～ 22 MPa，打撈時所需的上提力為5 t。

（3）柔性鉆具單根長度5 m，外徑102 mm，抗拉強度100 t，承受扭矩15 000 N·m，密封壓力30 MPa，最小曲率半徑為1.5 m。

（4）造斜鉆具單根長度7 m，外徑108 mm，抗拉強度80 t，承受扭矩13 000 N·m，密封壓力20 MPa，最小曲率半徑為2 m。

（5）柔性密閉取心工具外徑102 mm，抗拉強度80 t，密封壓力15 MPa，最小曲率半徑2 m，取心直徑38 mm，取心長度0.8 ～ 1 m。

1. 4 技術特點

（1）使用超短半徑側鉆技術開窗后，會在套管上形成一個大小為20 cm左右的圓形窗口，相對于常規側鉆井形成的長度在3 ～ 5 m的窗口，可將套管的損害降到最低。

（2）短曲率半徑水平鉆孔取心技術相比于常規定向取心可以更近距離取心，相比于井壁取心可以更遠距離取心，取心范圍更大，使用更加靈活，可根據要求實現多點取心。

（3）在進行水平井柔性密閉取心時，使用小直徑柔性取心工具，可以順利通過套管進入地層，通過曲率半徑2 m的超短半徑井眼，實現油層內定點定方位取心。

2 主要工藝流程

2. 1 優選套管開窗位置

根據油層位置、套管接箍位置和側鉆曲率半徑長度，選擇合理的套管開窗位置。使用測井儀器對作業井套管進行檢查，反復核對套管數據，必須選擇固井質量達到優良以上井段，盡量避開套管接箍部位，防止在開窗作業中因扭矩較大致使鉆鋌發生疲勞斷裂故障。

2. 2 下入斜向器

將斜向器與鉆桿下端相連，通過修井機將斜向器下放至井中預定位置。用陀螺定位儀和電測儀器測試方位和深度，將斜向器調整到目標方位角和深度后進行打壓坐封，然后正轉丟手，起出斜向器丟手管柱。

2. 3 套管開窗

將開窗鉆具下放至預定位置，井口安裝旋轉密封器。先正循環洗井后使用反循環洗井進行開窗作業，開窗作業完成后，起出鉆具。更換銑錐后進行修窗作業，反復在窗口位置修整、提放、旋轉順暢無卡阻后停鉆，循環洗井，起出鉆具。

2. 4 造斜段鉆進

將造斜段鉆具下放至預定位置，井口安裝井口密封器。下至造斜點深度，校正指重表，做第二次定位工作，確保造斜器工具面與斜向器斜面方向重合，采用反循環方式鉆進，當鉆進至目標進尺時，造斜工作結束，劃眼3次以上至提放順暢無卡阻，起出鉆具。

2. 5 水平段鉆進

下入水平段鉆具。當下至窗口以上位置時做第三次定位，使用正循環鉆進，當水平段鉆進至目標進尺后起出鉆進管柱。

2. 6 水平段取心

將取心鉆頭下至水平段目標進尺后進行正循環鉆進，根據地層情況合理控制鉆壓和排量，鉆進1 m，起出鉆具。

2. 7 回收斜向器

下入斜向器器專用修口銑錐鉆具，當下至臨近魚頂位置時緩慢下放管柱，正循環磨鉆修口，修口結束后起出管柱。下入斜向器專用打撈工具，當下至臨近魚頂位置時，大排量沖洗魚頂，并觀察負荷及魚頂位置的變化，打撈成功后起出管柱，完井。

3 現場試驗

2018年10月，該項技術在吉林油田XX-01井實施短曲率半徑水平鉆孔取心技術試驗。XX-01井取心目的層為扶余油層，垂深1 152.2 ～ 1 156.4 m。2018年10月19日 ～ 20日，下入?118 mm可撈斜向器，并使用陀螺儀測井校深，成功坐封可撈斜向器。10月22日，下入?118 mm開窗銑錐進行開窗作業，開窗位置1 149.5 m。10月25日 ～ 29日，下入?108 mm造斜鉆具進行造斜作業，進尺3.2 m，起出造斜鉆具，下入測斜儀進行測斜，方位角10°，井斜角82°。重新下入?108 mm造斜段鉆具進行造斜作業，進尺5 m。起出造斜鉆具，下入測斜儀進行測斜，方位角12°，井斜角90°，造斜作業結束。10月31日，下入?102 mm柔性鉆具進行水平鉆進，鉆進15 m進行取心作業，下入?102 mm柔性取心工具成功取出直徑38 mm、長度800 mm巖心。11月1日完井，水平鉆進27 m。

2018年11月，該項技術在吉林油田XX-02井實施短曲率半徑水平鉆孔取心技術試驗。XX-02井取心目的層為扶余油層，垂深1 344.8 ～1 351.2 m。2018年11月19日下入?118 mm可撈斜向器，使用陀螺儀測井校深，成功坐封可撈斜向器。11月20日，下入?118 mm開窗銑錐進行開窗作業，開窗位置1 343.4 m。11月25日 ～ 27日，下入?108 mm造斜鉆具進行造斜作業，進尺4 m，下入測斜儀進行測斜，方位角83°，井斜角75°，起出測斜儀繼續進行造斜作業，進尺4.5 m，出現卡鉆現象，起出造斜鉆具，下入測斜儀進行測斜，方位角83°，井斜角85°，造斜作業結束。11月28日 ～ 12月4日，下入?102 mm柔性鉆具進行水平鉆進47 m，取心一次，但未成功。

4 結論

（1）短曲率半徑水平鉆孔取心技術可以有效利用停產井，其作業周期短，施工方便，可作為剩余油認識手段，為油田進一步開發提供技術支持。

（2）通過短曲率半徑水平鉆孔取心試驗可知，水平段距離較近時效果良好，比較容易獲得較完好的巖心樣本；當水平段距離較遠時，柔性鉆具容易損壞。

（3）受地層斷層、井斜角變化及裂縫影響因素的影響，井眼軌跡控制難度較大，為了獲得理想的井眼軌跡，必須多次測斜，隨時調整造斜段進尺。