超短半徑水平井鉆井軌跡優(yōu)化設(shè)計及應(yīng)用

孫龍飛，王曉鵬，高 斌，張啟龍，林 海

[ 1.中海石油（中國）有限公司天津分公司 天津 300450；2.海洋油氣高效開發(fā)重點實驗室 天津 300450 ]

0 引 言

隨著海上部分油田進(jìn)入開發(fā)中后期,開展低產(chǎn)低效井治理改造和實現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)是當(dāng)前開發(fā)面臨的主要問題［1］。通過結(jié)合油藏剩余油分布，利用超短半徑水平井鉆井技術(shù)增大油層泄油面積、解除近井地帶污染是目前較為經(jīng)濟(jì)、有效的改造措施［2］。

超短半徑水平井鉆井技術(shù)分為徑向高壓水射流和機(jī)械式鉆進(jìn)超短半徑鉆井技術(shù)。高壓水射流鉆井利用高壓射流沖蝕的方式，在儲層徑向鉆出多個不同方向的水平井眼，以增大油藏暴露面積。但應(yīng)用該技術(shù)所鉆的水平井井眼直徑較小，軌跡不平滑，且井眼易坍塌堵塞，導(dǎo)致產(chǎn)量降低［3-4］。針對該問題，本文介紹了基于特制柔性鉆具的機(jī)械式超短半徑水平井鉆井技術(shù)，該技術(shù)可實現(xiàn)曲率半徑不大于3.6 m、水平鉆進(jìn)長度60～100 m、孔眼直徑114～152 mm和方位誤差±3°、井斜誤差±1°的技術(shù)指標(biāo)，具有鉆速高、周期短、成本低的優(yōu)勢。

1 超短半徑水平井鉆井技術(shù)

1.1 技術(shù)原理

超短半徑水平井鉆井技術(shù)采用特制的柔性鉆具及配套的開窗、造斜、鉆進(jìn)工具，并配合相應(yīng)的軌跡控制技術(shù)，可實現(xiàn)儲層內(nèi)開窗、造斜和鉆進(jìn)的全部過程。其核心結(jié)構(gòu)為柔性鉆具，鉆具內(nèi)部設(shè)置定向桿，以保證造斜軌跡穩(wěn)定，造斜鉆進(jìn)時，嚴(yán)格控制鉆壓，使工具保持彎曲狀態(tài)，通過精確控制鉆進(jìn)進(jìn)尺來達(dá)到設(shè)計的井斜和方位。

1.2 適用范圍和優(yōu)勢

超短半徑水平井鉆井技術(shù)適用于井網(wǎng)密集且常規(guī)側(cè)鉆存在防碰風(fēng)險的低產(chǎn)低效井治理，在儲層段開窗鉆進(jìn)，可節(jié)省進(jìn)尺，且無需固井。可實現(xiàn)薄層和高部位剩余油開發(fā)挖潛，對低滲儲層、邊底水活躍、裂縫發(fā)育斷塊且無法壓裂的油層可進(jìn)行有效改造。同時，該項技術(shù)對作業(yè)設(shè)備能力要求較低，海上平臺常規(guī)修井機(jī)均可滿足作業(yè)需求［5］，并配合裸眼及柔性篩管完井方式［6-7］，具有鉆速高、周期短、成本低的優(yōu)勢。

2 超短半徑水平井鉆井軌跡優(yōu)化設(shè)計

2.1 選井選層方法

針對油藏適用性和工程可實施性，進(jìn)行選井選層，如圖1所示。根據(jù)油藏需求，首選油層連續(xù)、厚度大，且平面上分布穩(wěn)定、見水見效方向明確、剩余油分布認(rèn)識清楚的層位。

圖1 選井選層流程圖Fig.1 Flow chart of well selection and layer selection

根據(jù)超短半徑水平井鉆井技術(shù)要求和實施條件，海上平臺施工需滿足：①儲層厚度L≥2 m；②作業(yè)井深H≤3 500 m（TVD）；③作業(yè)溫度T≤150 ℃；④開窗要求，滿足原軌跡方位左右擺動90°以內(nèi)，避開泥巖段和套管接箍，且固井質(zhì)量較好；⑤水平鉆進(jìn)井斜要求，80°＜Inc＜105°。

2.2 井眼軌跡優(yōu)化設(shè)計

根據(jù)柔性鉆具的造斜能力利用Compass設(shè)計軟件，造斜率選擇范圍為16°～30°/m，在保證造斜需求前提下，盡量選擇較低的造斜率設(shè)計軌跡，從而降低后續(xù)完井管柱的下入風(fēng)險。側(cè)鉆方位角與原井眼方位角盡量一致，以減少扭方位。造斜段長度控制在3～6 m，水平段長度根據(jù)井斜、方位和油層厚度控制在80～100 m。

參考油藏靶點，在Compass軟件中設(shè)定合適的開窗點深度，造斜率設(shè)定為480°/30 m，采用兩段制，即增—穩(wěn)模式，選中靶點，并生成軌跡。根據(jù)T型井鉆井技術(shù)要求和實施條件，判斷軌跡是否具有可實施性，若難以實施，則需調(diào)整靶點,然后重新設(shè)計軌跡，如表1所示。

表1 井眼軌跡數(shù)據(jù)Tab.1 Borehole trajectory data

3 鉆具組合優(yōu)化設(shè)計及施工要求

超短半徑鉆井施工包含套管開窗、造斜鉆進(jìn)和水平鉆進(jìn)3個過程，并分別對應(yīng)不同的鉆具組合。在實際應(yīng)用中，摩阻扭矩過大是影響造斜成功和限制水平鉆進(jìn)長度的主要因素。因此，在保證造斜率和井眼清潔的前提下，通過優(yōu)化柔性鉆具外徑、長度及彎角角度，使柔性鉆具在井眼內(nèi)姿態(tài)穩(wěn)定，減少與井壁的摩擦，從而降低摩阻扭矩。

采用幾何定圓法分析柔性鉆具造斜鉆進(jìn)過程，得到柔性單元的彎轉(zhuǎn)角度α，長度與曲率半徑的關(guān)系見圖2。

圖2 柔性鉆具造斜原理圖Fig.2 Schematic diagram of deflection of flexible drilling tool

其中：R為造斜段曲率半徑，m；L為單節(jié)柔性鉆具長度，m；α為彎轉(zhuǎn)角度。

鉆進(jìn)過程中，需保持柔性鉆具在井眼內(nèi)姿態(tài)穩(wěn)定，以減少摩阻扭矩。在柔性鉆具不產(chǎn)生彎曲變形的情況下，通過曲率半徑為R的井眼，如圖3所示，在三角形OAB中滿足以下條件。

圖3 柔性鉆具姿態(tài)示意圖Fig.3 Attitude diagram of flexible drilling tool

柔性鉆具長度與井眼間隙、井眼直徑的關(guān)系如下：

在滿足柔性鉆具強(qiáng)度和井眼清潔情況下，針對9-5/8″（244.475 mm）套管開窗側(cè)鉆，曲率半徑R設(shè)定為3.6 m，設(shè)計柔性鉆具外徑d為133 mm，長度L為0.15 m，最大彎轉(zhuǎn)角度4.5°，井眼間隙為19 mm，鉆頭直徑D為152 mm。通過對柔性鉆具的優(yōu)化，既降低了摩阻扭矩，又保證了施工安全。

開窗施工過程中，必須操作平穩(wěn)、勻速送鉆，根據(jù)砂樣中的鐵屑形狀、數(shù)量，及時調(diào)整鉆進(jìn)參數(shù)，以確保開窗質(zhì)量。造斜過程中，嚴(yán)格控制鉆進(jìn)參數(shù)，始終保持鉆壓，精確控制進(jìn)尺，以實現(xiàn)著陸的井斜和方位。水平鉆進(jìn)過程中，必須隨時關(guān)注返出巖屑和鉆壓、扭矩變化情況，確保軌跡在油層內(nèi)穿行。

4 現(xiàn)場應(yīng)用效果

超短半徑水平井鉆井技術(shù)在海上油田某井成功應(yīng)用，實現(xiàn)了井眼曲率半徑3.6 m、直徑152 mm、水平段長60 m，采用優(yōu)質(zhì)篩管結(jié)合礫石充填完井。作業(yè)完成后，產(chǎn)能測試顯示，該井從作業(yè)前的16.7 m3/d增長至95.1 m3/d，比作業(yè)前產(chǎn)量提高了5.7倍，充分證明了超短半徑水平井鉆井技術(shù)對低產(chǎn)低效井儲層改造、穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)的推動作用。

5 結(jié) 論

我國海上部分油田為疏松砂巖油藏，剩余油充足，平均厚度大于2 m。通過超短半徑水平井鉆井技術(shù)，可充分利用老井眼，能夠以低成本優(yōu)勢實現(xiàn)剩余油挖潛，從而提高單井產(chǎn)量。隨著該技術(shù)應(yīng)用日益增多，需要研發(fā)配套的軌跡測量控制工具，以保證鉆井工具在油層內(nèi)鉆進(jìn)。另外，需要開展配套的完井方式和完井工具的優(yōu)化研究，從而形成超短半徑水平井鉆完井一體化技術(shù)［8］。