短半徑水平井鉆井技術(shù)研究及應(yīng)用——以哈薩克斯坦Konys油田為例

張曉明

長江大學(xué)研究生院，湖北荊州４３４０２３（中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營）

套管開窗側(cè)鉆短半徑水平井集開窗側(cè)鉆井技術(shù)、短半徑水平井技術(shù)和小井眼鉆井技術(shù)的優(yōu)越性于一體，具有有效預(yù)防復(fù)雜層位引起的井下復(fù)雜情況，可有效縮短鉆井總進尺，較小的靶前距有效提高靶前認(rèn)識程度等優(yōu)點［1］?；谝陨蟽?yōu)點，哈薩克斯坦Konys油田充分利用原井眼進行側(cè)鉆，擴大資源動用規(guī)模，提高采出程度，減少投資，提高效益。

1 油藏概述

哈薩克斯坦Konys油田發(fā)現(xiàn)于1985年，1997年正式投入工業(yè)開發(fā)，當(dāng)前綜合含水率在37%左右。位于南圖爾蓋盆地南部阿雷斯庫姆坳陷，具有斷坳地質(zhì)結(jié)構(gòu)，屬于加里東期和海西期褶皺帶結(jié)合部，是由前古生界和下古生界的褶皺基底、侏羅系斷陷和白堊系坳陷等3個構(gòu)造層組成。Konys油田2個主力油層埋深約950～1300m 左右，為帶氣頂和邊水的層狀構(gòu)造飽和油藏，其中M－Ⅱ是一套低伽馬、高電阻砂巖層，層厚約10～20m，以巖屑砂巖、石英砂巖為主；另一套主力生產(chǎn)層J－0－1和J－0－2多為1～2m 薄互層，以褐色致密塊狀石英長石泥質(zhì)粉砂巖為主［2］。K－190S井主要目的層為下白堊統(tǒng)下達烏爾組的M－Ⅱ?qū)樱摦a(chǎn)層帶氣頂，為氣頂邊水砂巖油藏，產(chǎn)油層位于油環(huán)內(nèi)。

2 短半徑水平井鉆井技術(shù)難點分析

2．1 井身軌跡設(shè)計影響因素多、軌跡預(yù)測難度大

該井設(shè)計為?139．7mm 套管開窗側(cè)鉆水平井，側(cè)鉆后初始造斜，儀器會受到磁干擾，影響測量方位的準(zhǔn)確性；定向段設(shè)計造斜率24．3°／30m，高造斜率條件下，考慮井下工具造斜能力及工具、鉆具強度的安全性和隨鉆儀器工作穩(wěn)定性［3］，防止發(fā)生彎曲損壞情況。

2．2 井身軌跡控制難度大

由于地層巖性復(fù)雜，增斜段造斜率高 （24．3°／30m），軌跡控制幾乎沒有可調(diào)整井段；全井段為小井眼（?120mm）鉆進，?73mm 鉆桿柔性大，鉆壓傳遞十分困難，定向施工過程中工具面可控性差，很難調(diào)整到位且容易偏移，加之隨鉆測斜數(shù)據(jù)存在滯后問題，螺桿初期造斜規(guī)律不易掌握［4］，給定向鉆進時井身軌跡控制帶來困難。

2．3 鉆具尺寸與井眼環(huán)空間隙小，泵壓高

小井眼由于環(huán)空間隙小，鉆具組合水眼小、循環(huán)壓耗大，循環(huán)系統(tǒng) （鉆井泵、高壓管匯、水龍帶、立管管匯）長期在極限工況下工作，安全隱患加大［5］；鉆具尺寸小，柔性強，易黏附于井壁造成黏附卡鉆。

2．4 井眼尺寸小，裸眼井段較長、攜砂困難，易形成巖屑床

井眼尺寸小，排量受制于機泵和高壓管線的條件，不能很好地滿足攜砂能力。隨著井斜角和水平位移的增加，巖屑的徑向下滑速度逐漸增加，趨向于井壁低邊。當(dāng)鉆至井斜角為30～90°時，由于鉆井液攜帶效率下降會導(dǎo)致巖屑床形成，在重力和逆壓差作用下巖屑床沿井眼向下滑移［6］。因此為了安全鉆井，要求鉆井液具有良好的攜砂能力，同時具有良好的流動性以滿足潤滑性方面的需要。

3 鉆井技術(shù)措施

3．1 井身軌跡優(yōu)化設(shè)計和預(yù)測技術(shù)

井身軌跡的設(shè)計難點在于定向井段造斜率高、可控井段短、井眼直徑小等，其優(yōu)化設(shè)計是短半徑水平井技術(shù)的重要組成部分［7］。K－190S井身軌跡優(yōu)化前后數(shù)據(jù)對比見表1和表2，通過對比數(shù)據(jù)可看出，井身軌跡優(yōu)化設(shè)計的優(yōu)點在于：①側(cè)鉆出窗口后預(yù)留25m 的穩(wěn)斜井段，避開套管磁干擾；②設(shè)計初始狗腿度由18°／30m 調(diào)整至24．3°／30m，使靶前位移由100．84m 增至214．53m，即進A 靶前增加近80m穩(wěn)斜段，降低了由于動力鉆具和地層變化帶來的造斜率變化的風(fēng)險，提高中靶的精確度和地質(zhì)找油的準(zhǔn)確性。軌跡預(yù)測技術(shù)［8］是根據(jù)當(dāng)前的鉆具組合、最新的測斜數(shù)據(jù)以及測斜零長的施工記錄，準(zhǔn)確對當(dāng)前井斜方位進行預(yù)測。K－190S 井采用Compass 軟件進行軌跡的預(yù)測和計算，實現(xiàn)了井身軌跡的準(zhǔn)確入靶。

表1 原設(shè)計井身軌跡數(shù)據(jù)表

表2 優(yōu)化后井身軌跡數(shù)據(jù)表

3．2 井身軌跡控制技術(shù)

短半徑水平井側(cè)鉆后的井身軌跡控制，主要依靠井下動力鉆具配合隨鉆測量系統(tǒng) （MWD／LWD）測量儀器完成。具體措施主要包括以下幾方面［9］：

1）根據(jù)鉆進井段的實際造斜率情況，合理調(diào)整螺桿彎度，確保實現(xiàn)預(yù)定的造斜率。斜井段選用高度數(shù)單彎螺桿，以避免出現(xiàn)前期井斜小，工具面不穩(wěn)造成的造斜率過低于螺桿理論造斜率；水平段采取復(fù)合鉆進與滑動鉆進相結(jié)合的鉆進方式，選用低度數(shù)單彎螺桿，降低扭矩。

2）根據(jù)井身軌跡設(shè)計及地層需要，合理選擇測量工具 （MWD／LWD），實時跟蹤地層變化，做到軌跡及時控制、及時調(diào)整，保證實鉆軌跡在最佳的油層位置穿行。

3）為保證大井斜角下鉆壓的有效傳遞，當(dāng)井斜角大于30°時，采用柔性倒裝鉆具組合，并隨著增斜井段的增加，不斷補充增斜井眼內(nèi)的斜坡鉆桿長度，使加重鉆桿始終處于直井段的套管內(nèi)，以減少鉆柱摩阻，保證鉆壓的有效傳遞。

3．3 摩阻扭矩分析技術(shù)

短半徑水平井與常規(guī)中長半徑水平井相比，曲率變化大，鉆具在上提下放及旋轉(zhuǎn)和滑動鉆進過程中，其扭矩和摩阻大，對鉆井產(chǎn)生不利影響。因此，短半徑水平井鉆井如何充分的估算和減少摩阻扭矩是設(shè)計和施工應(yīng)考慮的重要問題之一［10］。施工過程中，利用先進的Landmark軟件實時計算井眼軌道摩阻扭矩，及時掌握和監(jiān)測造斜井段小尺寸鉆桿屈曲狀況，對不同井段、不同地層情況，有針對性地調(diào)整鉆進參數(shù)、鉆井液性能，避免鉆柱的 “自鎖”。

3．4 MWD＋伽馬地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)

MWD＋伽馬地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)是MWD 無線隨鉆儀在井眼井斜、方位、工具等定向參數(shù)測量的基礎(chǔ)上，加以應(yīng)用自然伽馬地層參數(shù)測量功能［11］。地質(zhì)人員利用測量的地層自然伽馬值及時分析地層巖性變化，進行地層對比，指導(dǎo)定向工程師軌跡調(diào)整，為地質(zhì)決策提供科學(xué)參考。

3．5 安全鉆井技術(shù)

側(cè)鉆短半徑水平井鉆井的主要風(fēng)險是鉆具黏卡、井底落物等復(fù)雜問題。為此，要做好以下幾方面工作：

1）嚴(yán)格控制造斜鉆具的下鉆速度，防止損壞螺桿和鉆頭。

2）隨著水平位移的增大，巖屑床的堆積越來越嚴(yán)重，因此鉆井中要進行劃眼和及時短程起下鉆［12］。在水平段施工中，每鉆進一個單根應(yīng)及時進行劃眼，以保持井壁光滑；每鉆進40～50m，進行一次短程起下鉆，一旦發(fā)現(xiàn)上提下放困難，立即開泵循環(huán)，直至正常。

3）定向鉆進時，出現(xiàn)脫壓、鉆壓不回情況時及時活動鉆具，防止黏卡。

4）控制牙輪鉆頭的使用壽命，單牙輪鉆頭在高轉(zhuǎn)速、高造斜率和側(cè)向力的工況下，鉆頭會磨損嚴(yán)重，牙輪軸承先期磨損。在實際施工中，根據(jù)地層巖性、機械鉆速等因素綜合分析，防止出現(xiàn)鉆頭零件掉井事故發(fā)生［13］。

4 現(xiàn)場施工過程

4．1 開窗段

鉆具組合：XZ－118銑錐＋?105mm 鉆鋌×18．31m＋轉(zhuǎn)換接頭＋?73mm 鉆桿。

鉆井參數(shù)：保持在5～10kN 內(nèi)以確保蹩跳不嚴(yán)重為宜；磨銑鉆進1m 左右操作平穩(wěn)后，可加壓至20～50kN，排量10～15L／s。

選擇斜向器銑錐磨銑開窗，一次性開窗成功，開窗井段為1160～1164m。開窗完成后，下入直螺桿復(fù)合鉆進至1185m，使套管與新井眼間夾壁墻增厚，為下一步定向鉆進提供保障。

4．2 斜井段

鉆具組合：?120mm 單牙輪鉆頭＋?95mm （1．22～2．44°）動力鉆具＋?105mm 回壓閥＋?105mm座鍵接頭＋?105mm 鈹銅＋?73mm 鉆桿×100～400m＋?105mm 鉆鋌×4 根＋?73mm鉆桿。

滑動鉆進參數(shù)：鉆壓20～30kN，排量10～13L／s，泵壓13～16MPa。

旋轉(zhuǎn)鉆進參數(shù)：鉆壓5～15kN，排量10～13L／s，泵壓13～16MPa。

鉆井液性能：密度1．11～1．12g／cm3，漏斗黏度45～52s，失水量4．0mL／30min，含砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)0．2%～0．3%。

斜井段從1185m 開始定向鉆進，初始選用2．44°單彎馬達，在控制好井身軌跡的情況下，避免局部狗腿度過大，降低了下步作業(yè)的施工風(fēng)險。隨著井斜角的增大，狗腿度也隨之增大，避免出現(xiàn)連續(xù)的高狗腿度，后續(xù)依次選用2、1．22°單彎馬達滑動鉆進。鉆進至井深1413m，井斜85．2°，開始復(fù)合鉆進，掌握復(fù)合鉆進趨勢 （1～3°／30m 增斜），及時對井身軌跡數(shù)據(jù)進行計算處理，按預(yù)測指導(dǎo)實際施工。通過預(yù)測復(fù)合鉆進可以滿足中A 靶需要，因此控制鉆進參數(shù)復(fù)合鉆進至A 靶。

4．3 水平段

鉆具組合：?120mm 單牙輪鉆頭＋?95mm （1．22°）動力鉆具＋?105mm 回壓閥＋?105mm 座鍵接頭＋?95mm 無磁鉆鋌＋?73mm 鉆桿×400m＋?105mm 鉆鋌×4根＋?73mm 鉆桿。

滑動鉆進參數(shù)：鉆壓20～30kN，排量9～10L／s，泵壓15～16MPa。旋轉(zhuǎn)鉆進參數(shù)：鉆壓5～15kN，排量9～10L／s，泵壓15～16MPa。

鉆井液性能：密度1．12g／cm3，漏斗黏度45～52s，失水量4．0mL／30min，含砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)0．2%。

進入水平段后，復(fù)合鉆進井斜1～3°／30m 增斜，方位前期右漂，后期左漂。實鉆數(shù)據(jù)顯示，該鉆具組合的造斜能力較高，每個單根定向鉆進3～4m，造斜率達到4～5°／30m。采取復(fù)合與滑動相結(jié)合的鉆進方式，適當(dāng)控制鉆壓，增加劃眼次數(shù)，以放緩井斜增長。

4．4 技術(shù)應(yīng)用效果評價

K－190S井通過應(yīng)用套管開窗側(cè)鉆短半徑水平井鉆井工藝技術(shù)，大大提高了鉆井效率，恢復(fù)了老井的產(chǎn)能，獲得了良好的效益。為后續(xù)老井開發(fā)提供了寶貴的借鑒經(jīng)驗。從K－190S井高效、高質(zhì)完鉆來看，各項技術(shù)取得了良好的效果，主要表現(xiàn)在以下幾方面：①K－190S井設(shè)計最大造斜率在24．3°／30m，實鉆造斜率在25．41～30．42°／30m 之間，與前期同類型井相比，采取高造斜率，入A 靶前設(shè)計一段穩(wěn)斜段避免了因地層變化造成的造斜率失常和提高了地質(zhì)找油的準(zhǔn)確性。②短半徑水平井軌跡控制精度。由于K－190S井造斜率高，且存在11～12m 的儀器零長，實鉆中稍有疏忽可能會影響后續(xù)工作的被動，嚴(yán)重導(dǎo)致填井，因此實鉆中不僅要求軌跡準(zhǔn)確中靶，同時也要求井身軌跡盡可能光滑。K－190S井實鉆軌跡光滑順暢，軌跡精確中靶，完成技術(shù)指標(biāo)如表3所示。

表3 K－190S井完鉆技術(shù)指標(biāo)

5 結(jié)論與認(rèn)識

以常規(guī)的大度數(shù)單彎和無線隨鉆測量儀在哈薩克斯坦Konys油田鉆成短半徑小井眼水平井，解決了側(cè)鉆小井眼水平井施工的一些關(guān)鍵技術(shù)，形成了一套經(jīng)濟、實用的短半徑小井眼水平井鉆井技術(shù)，取得良好的經(jīng)濟效益。

1）哈薩克斯坦Konys油田K－190S井通過應(yīng)用套管開窗側(cè)鉆短半徑水平井鉆井工藝技術(shù)，節(jié)約了鉆井周期，為該油田老井的挖潛增效提供了一條有效的途徑。

2）合理的井身結(jié)構(gòu)、井眼軌道是K－190S井快速，安全鉆進的前提。施工過程中對井眼軌道剖面不斷優(yōu)化，控制合適造斜率，減少起下鉆次數(shù)。

3）鉆頭優(yōu)選是提速提效的保證。YC517和SN215型號鉆頭具有地層適應(yīng)性強，定向鉆進工具面穩(wěn)定，復(fù)合鉆進切削能力強等優(yōu)點。

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