水平分支井技術(shù)在東海的實(shí)踐分析

雷 磊，李 乾，張海山，黃 召

（1. 中海石油（中國）有限公司上海分公司，上海 200120；2. 中國石油化工股份有限公司上海海洋油氣分公司，上海 200120）

東海中低滲、特低滲油氣藏資源占總資源量的90%以上。低滲、特低滲油氣田有效開發(fā)是東海目前主要攻關(guān)方向，應(yīng)用水平分支井可有效提高常規(guī)低滲油氣田單井產(chǎn)能，未來將規(guī)模應(yīng)用水平分支井開發(fā)低滲油氣田。因此，通過東海已實(shí)施水平分支井，深入總結(jié)研究水平分支井鉆井技術(shù)既可以提高作業(yè)時(shí)效，又為東海油氣田的大力開發(fā)提供可靠的技術(shù)保障。本文以XX氣田水平分支井應(yīng)用為列，介紹了水平分支井鉆井技術(shù)在東海氣田的實(shí)際應(yīng)用。

1 水平分支鉆井基礎(chǔ)理論

1.1 水平分支井概述

分支井鉆井能增加井眼在油藏中的長度、擴(kuò)大泄油面積、提高采收率，其實(shí)際上是在定向井、水平井發(fā)展基礎(chǔ)上的一種鉆井技術(shù)。其包含了定向井、水平井和裸眼側(cè)鉆等多種鉆井技術(shù)，是當(dāng)前世界上發(fā)展較快的鉆井技術(shù)之一，是世界石油開采工業(yè)的熱門技術(shù)[1]。分支井的鉆井方法有套管開窗鍛銑側(cè)鉆、預(yù)設(shè)窗口、裸眼側(cè)鉆、徑向分支井方法、膨脹管定位側(cè)鉆和智能分支井。

水平分支井一般使用裸眼側(cè)鉆方式（懸空側(cè)鉆技術(shù)）實(shí)現(xiàn)水平分支側(cè)鉆主支的目的[2-6]。其軌跡設(shè)計(jì)中是先設(shè)計(jì)主支，再設(shè)計(jì)分支井；在實(shí)際作業(yè)中，考慮井眼安全，則是先進(jìn)行分支井鉆進(jìn)至預(yù)定深度后，再撤回懸空側(cè)鉆點(diǎn)進(jìn)行主井眼的側(cè)鉆作業(yè)。

1.2 水平分支井的設(shè)計(jì)

水平分支井是水平井和側(cè)鉆技術(shù)的綜合發(fā)展，因此水平分支井的軌跡設(shè)計(jì)是水平井及側(cè)鉆井設(shè)計(jì)原則的集成，主要考慮因素有以下幾方面：

（1）軌跡方面先設(shè)計(jì)主井眼，然后從主井眼側(cè)鉆分支井眼；

（2）結(jié)合鉆完井實(shí)際要求，考慮井眼軌跡和地層可鉆性等，選擇合適的造斜點(diǎn)和造斜率；地層自然增斜趨勢較強(qiáng)的地層，使用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具時(shí)建議分支井段設(shè)計(jì)狗腿不大于3°/30 m；

（3）要求井眼軌跡相對簡單，鉆進(jìn)中扭矩、壓耗及井眼清潔等滿足要求。

1.3 水平分支井的鉆井工藝

懸空側(cè)鉆法鉆水平分支井在東海油田應(yīng)用較多。水平分支井鉆井技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)是懸空側(cè)鉆技術(shù)及軌跡控制技術(shù)。

懸空側(cè)鉆技術(shù)：重力工具面擺在井眼低邊或者左右20°范圍內(nèi)，運(yùn)用工具重力作用，讓鉆頭在井眼的低邊鉆出一個(gè)新井眼。當(dāng)新井眼形成后，調(diào)整方位使井眼軌跡與原井眼快速分開，待有一定的安全距離后，然后再按照設(shè)計(jì)軌跡，采用正常參數(shù)鉆進(jìn)。待兩個(gè)井眼徹底分開后，側(cè)鉆作業(yè)結(jié)束[7]。

軌跡控制技術(shù)：使用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具或者馬達(dá)和LWD工具等實(shí)現(xiàn)定向鉆進(jìn)。使用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向和隨鉆測井工具，結(jié)合東海已鉆井軌跡控制經(jīng)驗(yàn)，水平分支井軌跡控制技術(shù)已經(jīng)非常成熟。

1.3.1 水平分支井懸空側(cè)鉆的工具的選擇

馬達(dá)及指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向造斜原理均是彎角的存在導(dǎo)致鉆頭不對稱切削地層從而產(chǎn)生井斜（圖1）；推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向是工具自身給井壁一個(gè)作用力，工具在反作用力（側(cè)向力）的作用下產(chǎn)生井斜（圖2）。水平分支井側(cè)鉆作業(yè)優(yōu)選指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向[8]。

圖1 指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向造斜原理Fig. 1 Principle of directional rotary steerable deflection

圖2 推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向造斜原理Fig. 2 Principle of pushing type rotary steerable deflection

1.3.2 水平分支井懸空側(cè)鉆鉆頭的選擇

側(cè)鉆與鉆頭的側(cè)向切削能力密切相關(guān)。水平分支井懸空側(cè)鉆時(shí)選擇具有側(cè)向切削齒，側(cè)向切削能力較強(qiáng)的鉆頭[9]。

1.3.3 水平分支井懸空側(cè)鉆點(diǎn)的選擇

（1）側(cè)鉆點(diǎn)要考慮易于完井管柱下入；

（2）側(cè)鉆點(diǎn)最好選擇在地層穩(wěn)定可鉆性較好的中軟砂巖地層；

（3）側(cè)鉆點(diǎn)最優(yōu)選擇在增斜井段，一般不推薦在降斜段懸空側(cè)鉆，并且老井眼方位與新井眼方位相反的井段。

1.3.4 水平分支井懸空側(cè)鉆工藝

（1）軌跡預(yù)留

在分支井鉆進(jìn)至側(cè)鉆點(diǎn)附近，使用高邊工具面和100%的力度全力造斜（可帶方位），人為制造一個(gè)大的局部狗腿以利于側(cè)鉆主支。一般局部狗腿在5°/30 m以上，段長20 m左右。鉆完分支井段，上提鉆具至側(cè)鉆點(diǎn)后轉(zhuǎn)入側(cè)鉆主支作業(yè)。

（2）劃槽

提前考慮好鉆具配長以保證側(cè)鉆的連續(xù)性。劃槽以快提慢放，每次下放點(diǎn)不超過側(cè)鉆點(diǎn)為原則，劃槽時(shí)間1～2 h。

（3）造臺階

定點(diǎn)造臺階，循環(huán)時(shí)間1 h。

（4）控時(shí)鉆進(jìn)

控時(shí)鉆進(jìn)。控時(shí)標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)分支井眼正常鉆進(jìn)的機(jī)械鉆速，地層壓實(shí)程度等方面綜合考慮。

軌跡預(yù)留，劃槽，造臺階，控時(shí)鉆進(jìn)[10-11]是提高水平分支井作業(yè)時(shí)效和成功率的關(guān)鍵。

1.3.5 水平分支井新井眼和老井眼隔墻的計(jì)算

水平分支井懸空側(cè)鉆作業(yè)主要靠工具重力實(shí)現(xiàn)新老井眼的分離，井斜的變化是影響新老井眼分離的主要原因。計(jì)算新老井眼隔墻時(shí)，可以忽略方位的影響僅從井斜上近似計(jì)算分離程度。

如圖3，偏移距和隔墻厚度的計(jì)算公式如下：

圖3 偏移距的計(jì)算Fig. 3 Calculation of offset

式中：D為偏移距，m；α為老井眼與新井眼井斜的差值，°；L為新井眼鉆進(jìn)的長度，m；d為鉆頭直徑，m；H為新老井眼隔墻厚度，m。

當(dāng)D=sinα×L=d時(shí)，鉆頭完全進(jìn)入新井眼，此時(shí)隔墻厚度為0 m；適當(dāng)加快控時(shí)鉆進(jìn)的速度，隔墻不足半個(gè)鉆頭直徑時(shí)嚴(yán)禁加壓，以防加壓時(shí)臺階面破裂。當(dāng)隔墻厚度達(dá)到半個(gè)鉆頭直徑以上時(shí)可提高正常參數(shù)鉆進(jìn)。新井眼形成后，為防止重新進(jìn)入老井眼，要隨時(shí)監(jiān)測軌跡。

2 油田概況

2.1 儲層特征

XX氣田主力目的層孔隙度分布在2.1%～13%，平均8.5%；滲透率分布在（0.016 7～1.96）×10-3μm2，平均0.25×10-3μm2，屬于典型的低孔低滲氣田。

2.2 已鉆完井情況

XX氣田實(shí)已鉆完2口水平井，3口水平分支井。水平井X1H、X4H；水平分支井：主支X5M、分支X5Ma；主支X6M、分支X6Ma、分支X6Mb；主支X9M、分支X9Ma、分支X9Mb。主要數(shù)據(jù)見表1。

表1 XX氣田已鉆完井主要數(shù)據(jù)Table 1 main data of drilled and completed wells in XX gas field

3 水平分支井在東海XX氣田的應(yīng)用

XX氣田水平分支井側(cè)鉆情況統(tǒng)計(jì)見表2。XX氣田已鉆3口水平分支井，共計(jì)5個(gè)分支井的側(cè)鉆施工作業(yè)。5個(gè)分支側(cè)鉆作業(yè)當(dāng)中，均使用水平分支井懸空側(cè)鉆技術(shù)，共計(jì)實(shí)施6次懸空側(cè)鉆作業(yè)，其中5井次側(cè)鉆均一次成功，1井次側(cè)鉆失敗。

表2 XX氣田水平分支井側(cè)鉆情況統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics of sidetracking of horizontal multilateral wells in XX gas field

以X6Mb分支井側(cè)鉆主支作業(yè)中涉及2次側(cè)鉆（第一次失敗，第二次成功）為例并結(jié)合其余4口井水平分支井側(cè)鉆作業(yè)經(jīng)驗(yàn)，分析了水平分支井側(cè)鉆技術(shù)在東海油氣田的應(yīng)用。

3.1 XX氣田X6Mb分支側(cè)鉆X6M主支概況

X6M井12-1/4″井段鉆進(jìn)至3 954.00 m，9-5/8″套管下深3 949.50 m，8-3/8″井段鉆進(jìn)一個(gè)主支X6M，兩個(gè)分支X6Ma及X6Mb。X6M井水平分支井基本數(shù)據(jù)見表3。

表3 X6M水平分支井基本數(shù)據(jù)Table 3 basic data of X6M horizontal multilateral well

施工程序：首先鉆進(jìn)主支X6M至4 011 m，繼續(xù)鉆進(jìn)分支X6Ma至完鉆井深4 588 m。然后起鉆至4 010 m進(jìn)行懸空側(cè)鉆主支X6M，側(cè)鉆成功后繼續(xù)鉆進(jìn)分支X6Mb至完鉆深度5 033.35 m。起鉆至4 248 m（砂巖段），側(cè)鉆主支X6M，失敗后側(cè)鉆點(diǎn)下移至4 300 m（泥巖段），側(cè)鉆成功后，鉆主支X6M至4 846 m完鉆。

3.2 XX氣田X6Mb分支側(cè)鉆X6M主支現(xiàn)場作業(yè)

側(cè)鉆鉆具組合：8-3/8″PDC bit+6-3/4″Xceed（指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向）+6-3/4″EcoScope+6-3/4″Tele-Scope+6-3/4″NMDC+6-3/4″FilterSub+6-3/4″Jar+X/O+5-1/2"HWDP

3.2.1 X6Mb第一次側(cè)鉆X6M主支作業(yè)概況

鉆具配長，保證可以連續(xù)側(cè)鉆2個(gè)單根。X6Mb分支井段完鉆后起鉆至4 248 m準(zhǔn)確校深。

（1）軌跡預(yù)留情況：X6M井4 248～4 258 m井斜88.49°～89.62°，局部狗腿度3.5°（沒有人為提前制造一個(gè)較高的局部狗腿），側(cè)鉆點(diǎn)附近巖性為砂巖。

（2）劃槽：排量1 950 L/min，頂驅(qū)轉(zhuǎn)速100 RPM，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向XCEED設(shè)置為（L168，100%），4 002～4 010 m向下劃槽速度20 m/h（快速上提），劃槽3 h。

（3）造臺階：排量1 950 L/min，頂驅(qū)轉(zhuǎn)速100 RPM，4 248 m處定點(diǎn)循環(huán)1 h。

（4）控時(shí)鉆進(jìn)（表4）：

表4 X6Mb分支側(cè)鉆X6M主支第一次側(cè)鉆進(jìn)程（側(cè)鉆點(diǎn)4 248 m）Table 4 First sidetracking process of X6Mb branch sidetracking X6M main branch

4 240～4 248 m劃槽3.5 h后，測點(diǎn)4 248 m井斜降至88.25°，比老井眼小0.24°，方位變化不明顯，劃槽雖有一定效果，但井斜降幅不明顯。控時(shí)鉆進(jìn)期間井斜差值先漸大后漸小，最后基本與老井眼一致。確認(rèn)側(cè)鉆失敗后，下移側(cè)鉆點(diǎn)繼續(xù)側(cè)鉆X6M主支。

3.2.2 X6Mb第二次側(cè)鉆X6M主支作業(yè)概況

4 248 m側(cè)鉆失敗后，下移側(cè)鉆點(diǎn)至X6Mb分支井段的軌跡預(yù)留段，再次側(cè)鉆。鉆具配長，保證可以連續(xù)側(cè)鉆2個(gè)單根，4 300 m準(zhǔn)確校深。

（1）軌跡預(yù)留情況：X6Mb井4 294～4 312 m主動造高狗腿，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向XCEED指令設(shè)置為（R24，100%），井斜由89°增至91.31°，方位由31.85°增至34.18°，局部狗腿7°/30 m。

（2）劃槽：排量2 100 L/Min，頂驅(qū)轉(zhuǎn)速100 RPM，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向指令設(shè)置為（L168，100%），4 292～4 300 m劃槽，下放速度20 m/h（快速上提），每次下放不超過側(cè)鉆點(diǎn)，劃槽4 h。

（3）造臺階：排量2 100 L/min，頂驅(qū)轉(zhuǎn)速100 RPM，4 300 m處定點(diǎn)循環(huán)2 h。

（4）控時(shí)鉆進(jìn)（表5）：

表5 X6Mb分支側(cè)鉆X6M主支第二次側(cè)鉆進(jìn)程（側(cè)鉆點(diǎn)4 300 m）Table 5 Second sidetracking process of X6Mb branch sidetracking X6M main branch

4 292～4 300 m劃槽3 h后，測點(diǎn)4 299.81 m，井斜降至89.07°，比老井眼小1.03°；方位增至31.35°，比老井眼大0.5°，劃槽效果比較理想。

控時(shí)鉆進(jìn)至測點(diǎn)4 302.86 m，井斜降至88.9°，比老井眼小1.58°。控時(shí)鉆進(jìn)鉆壓明顯增大，說明鉆頭已經(jīng)開始吃入地層。控時(shí)鉆進(jìn)至測點(diǎn)4 315.05 m，井斜降至86.7°，比老井眼小4.88°，該處預(yù)算4 320.23 m，井斜85.9°左右，與老井眼分離間距0.7 m，確認(rèn)側(cè)鉆成功。

3.3 XX氣田水平分支井應(yīng)用實(shí)踐分析

3.3.1 X6Mb第一次側(cè)鉆X6M主支作業(yè)失敗原因分析

（1）側(cè)鉆失敗主要原因?yàn)閭?cè)鉆點(diǎn)附近局部狗腿較小，不在軌跡預(yù)留段。

（2）局部狗腿較小導(dǎo)致劃槽造臺階效果不好，劃槽結(jié)束后井斜比老井眼僅小0.24°。

（3）局部狗腿較小，劃槽及控時(shí)鉆進(jìn)期間“上翹大狗腿井段”不能起到良好的支點(diǎn)作用。

3.3.2 X6Mb第二次側(cè)鉆X6M主支作業(yè)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

（1）側(cè)鉆成功主要原因?yàn)閭?cè)鉆點(diǎn)在軌跡預(yù)留段的局部狗腿較大處。

（2）局部狗腿較大劃槽造臺階效果較好，劃槽結(jié)束后井斜比老井眼小1.03°，方位比老井眼大0.5°，劃槽效果較理想。

（3）局部狗腿較大，劃槽及控時(shí)鉆進(jìn)期間“上翹大狗腿井段”能起到良好的支點(diǎn)作用，利于低邊盡快形成臺階并快速側(cè)鉆出新井眼。

（4）軌跡預(yù)留在泥巖段，適當(dāng)增加懸空側(cè)鉆技術(shù)措施用時(shí)利于側(cè)鉆的實(shí)施。

3.3.3 XX氣田水平分支應(yīng)用總結(jié)

（1）水平分支井側(cè)鉆作業(yè)中，軌跡預(yù)留（側(cè)鉆點(diǎn)前后10 m范圍內(nèi)在分支井鉆進(jìn)期間提前人為制造一個(gè)較大的狗腿）是關(guān)鍵。

（2）控時(shí)鉆進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)是技術(shù)保障。

側(cè)鉆井段長度、側(cè)鉆時(shí)間（控時(shí)鉆進(jìn)速度）及井斜降低幅度這三點(diǎn)是相互制約的。控時(shí)鉆進(jìn)作業(yè)需根據(jù)地層壓實(shí)程度、近鉆頭井斜變化以及鉆壓和扭矩的變化情況而定。在泥巖段進(jìn)行懸空側(cè)鉆時(shí)，建議劃槽及定點(diǎn)造臺階的作業(yè)時(shí)間稍長一些，形成一段降斜槽，提高側(cè)鉆成功率。

（3）劃槽作業(yè)前確認(rèn)側(cè)鉆指令是否發(fā)送成功，側(cè)鉆期間關(guān)注工具面及力度是否與設(shè)定一致，工具狀態(tài)是否正常。

（4）判斷側(cè)鉆成功后，采用小參數(shù)（側(cè)鉆參數(shù)）穩(wěn)定鉆進(jìn)一柱，避免鉆頭震動過大破壞隔墻，導(dǎo)致側(cè)鉆失敗；側(cè)鉆成功后及時(shí)調(diào)整指令，避免局部狗腿過大影響完井作業(yè)。

4 結(jié)論

（1）為避免設(shè)計(jì)側(cè)鉆點(diǎn)處可能鉆遇泥巖，軌跡預(yù)留段可以提前設(shè)計(jì)側(cè)鉆點(diǎn)20 m左右。

（2）泥巖段低邊側(cè)鉆，隔墻穩(wěn)定性低于砂巖段，應(yīng)盡量避免在泥巖段側(cè)鉆，但如果軌跡預(yù)留段在泥巖段，建議仍選擇在泥巖段側(cè)鉆；泥巖段低邊側(cè)鉆可以采取側(cè)鉆成功后短起下時(shí)修窗口技術(shù)措施以保證起下鉆當(dāng)中鉆具的再進(jìn)入能力及完井管柱下入的安全性。

（3）控時(shí)鉆進(jìn)時(shí)需要保持側(cè)鉆的連續(xù)性。調(diào)整方余大于兩個(gè)單根。控時(shí)鉆進(jìn)時(shí)遇到突發(fā)情況，必須上提鉆具時(shí)的應(yīng)急措施：慢提慢放，上提至側(cè)鉆點(diǎn)5 m以上。下放時(shí)控制下放速度，距離側(cè)鉆最低點(diǎn)1 m處，繼續(xù)放慢下鉆速度，防止臺階被破壞。

（4）根據(jù)近鉆頭井斜數(shù)據(jù)，地層壓實(shí)程度、鉆井參數(shù)變化等靈活變化控時(shí)鉆進(jìn)的進(jìn)程。

（5）通過對東海XX區(qū)塊地層的水平分支井作業(yè)情況可以看出，水平分支井使用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向側(cè)鉆大概需要25～30 h（垂深3 500～3 600 m），軌跡預(yù)留局部狗腿至少5°/30 m以上，側(cè)鉆長度12～18 m，井斜需要降低2°左右，才能較穩(wěn)妥地側(cè)鉆出去。