超深超小井眼定向鉆井技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展建議

白 璟，張 斌，張超平

(1川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院2中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司鉆井工程技術(shù)試驗(yàn)基地3中國(guó)石油西南油氣田分公司川中油氣礦)

利用小井眼鉆井技術(shù)實(shí)現(xiàn)老井再利用、事故井復(fù)蘇、老井加深，能夠發(fā)掘更多的油氣資源，也可以去開(kāi)發(fā)一些過(guò)去認(rèn)為沒(méi)有開(kāi)發(fā)價(jià)值的油藏。采用小井眼側(cè)鉆或繼續(xù)加深鉆進(jìn)形成的定向井或水平井為有效開(kāi)發(fā)新油藏、進(jìn)入微觀未波及油層提供了機(jī)會(huì)，是應(yīng)對(duì)因深層、復(fù)雜地層鉆井事故或復(fù)雜、老井產(chǎn)能衰減或停產(chǎn)、地質(zhì)目標(biāo)鉆探失利等因素帶來(lái)小井眼鉆井難題的有效手段，能夠有效避免鉆井工程報(bào)廢，提高老井利用率、恢復(fù)油田生產(chǎn)力，大幅降低鉆井成本、減少環(huán)保壓力，有效解放復(fù)雜地層條件下的深層油氣資源，小井眼定向鉆進(jìn)技術(shù)將在后期顯現(xiàn)出強(qiáng)大的生命力。

一、小井眼定向鉆井技術(shù)現(xiàn)狀

目前國(guó)內(nèi)外一般將超深井的井深范圍界定為6 000～9 000 m，對(duì)小井眼井的定義歸納起來(lái)主要有4種:①井徑小于215．9 mm;②全井90%的井徑都小于177．8 mm;③井徑小于152．4 mm;④井徑小于該地區(qū)常規(guī)井［1－2］。對(duì)于 ?120 mm及以上井眼尺寸的小井眼定向井和水平井鉆井均具有成熟的工具和裝備，但對(duì)于?120 mm以下尺寸鉆井配套工具和工藝還不成熟。因此對(duì)于超小井眼可以按照以下標(biāo)準(zhǔn)來(lái)對(duì)其定義:①井徑小于120 mm;②需要采用非常規(guī)的工具才能完成的小井眼。

國(guó)內(nèi)外關(guān)于小井眼、超小井眼鉆井的案例報(bào)道很多。SlimDrill、UPAC、BP、Total Exploration、Amoco等公司已經(jīng)成功地在Plungar地區(qū)、Texas、Oklahoma、Prudhoe等地區(qū)，在 ?127 mm～?139．7 mm套管內(nèi)采用套管開(kāi)窗或加深鉆進(jìn)的方式，完成了數(shù)百口的小井眼鉆井，作業(yè)井深在2 000～3 000 m左右，作業(yè)費(fèi)用較新鉆井得到大幅縮減。其中BP公司在Prudhoe海灣完成的小井眼，單井成本縮減達(dá)80%的基礎(chǔ)上，還發(fā)現(xiàn)了過(guò)去被認(rèn)為沒(méi)有開(kāi)發(fā)價(jià)值的新油層。

國(guó)內(nèi)大量開(kāi)展小井眼鉆井的主要是大慶油田、大港油田、遼河油田、中原油田等一些老油田和老油區(qū)。這些油田普遍采取在?127 mm或?139．7 mm套管內(nèi)進(jìn)行套管開(kāi)窗或段銑，再利用斜向器與老井眼分離，選擇?118 mm或?120 mm的小直徑鉆頭進(jìn)行小井眼鉆井［3－7］，作業(yè)井深普遍在4 000 m左右。

對(duì)于超小井眼定向鉆井國(guó)內(nèi)目前還處于探索階段，大港油田采用連續(xù)油管進(jìn)行開(kāi)窗側(cè)鉆和定向鉆井試驗(yàn)，但由于連續(xù)油管本身的井眼延伸能力限制及定向鉆井配套工具不成熟，目前還未取得實(shí)質(zhì)進(jìn)展。對(duì)于超深超小井眼鉆探在塔里木油田應(yīng)用較多，主要是在?127 mm套管內(nèi)采用定向開(kāi)窗的方式開(kāi)展?104 mm超小井眼鉆井，作業(yè)井深普遍在7 000 m左右，但由于能夠?qū)嵱糜诔罹鄣男〕叽鏜WD和螺桿鉆具缺乏配套，自2011年以來(lái)累計(jì)實(shí)施的40余口?104 mm井眼均是采用盲打的方式完成，獲得工業(yè)油氣流的井占比不到50%。

二、技術(shù)優(yōu)勢(shì)與難點(diǎn)

小井眼和超小井眼鉆井與常規(guī)井眼相比，主要體現(xiàn)在經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性和適應(yīng)性幾個(gè)方面?，F(xiàn)階段國(guó)內(nèi)在開(kāi)展超深小井眼、超小井眼鉆井過(guò)程中，還存在一些技術(shù)和裝備上難以徹底解決的難題［8－11］。

(1)由于小井眼鉆井、固井、測(cè)井、測(cè)試、修井、采油、鉆具等各方面應(yīng)用于小井眼的設(shè)備、施工工藝及工具與常規(guī)井眼相比不夠成熟，小井眼鉆井對(duì)井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、鉆機(jī)選型、鉆頭及取心鉆頭設(shè)計(jì)、鉆井液設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)和裝備的要求更加嚴(yán)格。

(2)小井眼鉆井由于其間隙小、鉆柱尺寸小的特點(diǎn)，較大的摩阻扭矩情況下定向鉆井困難、水平延伸能力差。同時(shí)由于整體鉆柱強(qiáng)度低，對(duì)小井眼鉆完井的安全性提出了挑戰(zhàn)。

(3)由于井筒尺寸和環(huán)空間隙與常規(guī)井眼的區(qū)別，活動(dòng)鉆具和排量變化對(duì)當(dāng)量密度的影響更大，因此井控問(wèn)題也是當(dāng)前小井眼鉆井的一項(xiàng)重要技術(shù)問(wèn)題。

(4)當(dāng)前成熟的小井眼、超小井眼定向儀器和工具還很缺乏，鉆井過(guò)程中缺少有效的軌跡監(jiān)控手段，不利于小井眼的高效實(shí)施。

(5)對(duì)于超深超小井眼定向鉆井，由于機(jī)泵能力和老井井身結(jié)構(gòu)的限制，井眼清潔是一大難題，鉆井設(shè)計(jì)過(guò)程中需要對(duì)水力學(xué)參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)分析和優(yōu)化，確保工藝的適應(yīng)性。

三、定向鉆井配套工具與技術(shù)

1．小接頭鉆桿

為了克服連續(xù)油管鉆井系統(tǒng)抗拉強(qiáng)度對(duì)深井作業(yè)的限制，可以采用小接頭鉆桿開(kāi)展深井超小井眼定向鉆井，推薦使用的小接頭鉆桿尺寸主要為?60.3 mm、?73 mm，其接頭外徑分別為76．2 mm、88．9 mm，性能參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表1。

表1小接頭鉆桿性能參數(shù)對(duì)比數(shù)據(jù)表

2．超小尺寸定向工具

根據(jù)井眼尺寸大小，?114 mm～?120 mm井眼尺寸的超深小井眼，可以采用?88．9 mm的定向工具。鉆具組合為:鉆頭+?88．9 mm單彎高溫馬達(dá)+?88．9 mm浮閥+?88．9 mm MWD/LWD+?73 mm小接頭鉆桿+?88．9 mm鉆桿。

為根本解決超深超小井眼定向鉆井的問(wèn)題，需要為?114 mm以下井眼配套超小尺寸MWD或LWD工具，并根據(jù)井眼情況配套使用?79 mm～?89 mm的高溫馬達(dá)。目前已經(jīng)在?88．9 mm LWD工具的基礎(chǔ)上成功改型了一種?79．4 mm的LWD工具，該工具采用旋轉(zhuǎn)閥式脈沖器，能夠適應(yīng)175℃及172 MPa的工作環(huán)境。

3．超小尺寸螺桿鉆具

由于超小尺寸螺桿鉆具目前主要應(yīng)用于完井工作，因此必須設(shè)計(jì)長(zhǎng)壽命大扭矩超小尺寸螺桿鉆具，以適應(yīng)深井超小井眼定向鉆井條件，超小尺寸螺桿鉆具參數(shù)見(jiàn)表2。在螺桿鉆具設(shè)計(jì)過(guò)程中可以通過(guò)以下手段提高其綜合性能:①采用抗高溫橡膠制造定子，提高螺桿鉆具抗溫性能;②采用硬橡膠定子制造工藝提高螺桿鉆具承載能力;③通過(guò)彎點(diǎn)強(qiáng)化的方法提高彎點(diǎn)承載能力，提高螺桿鉆具的安全性;④根據(jù)井眼尺寸和造斜率設(shè)計(jì)螺桿鉆具彎角，提高超小井眼鉆井的安全性和通過(guò)性能。

4．作業(yè)能力分析

現(xiàn)以某油田ZGA井為分析對(duì)象，該井原為一口?152．4 mm井眼完鉆的直井，完鉆井深6 330 m，?127 mm油層套管下入井段為5 600～6 300 m。由于該井產(chǎn)能衰減，需要利用該井眼在?127 mm套管內(nèi)開(kāi)窗側(cè)鉆，鉆成一設(shè)計(jì)靶點(diǎn)垂深6 303 m、水平位移840 m、井深6 980 m的超深超小井眼水平井。

表2超小尺寸螺桿鉆具參數(shù)設(shè)計(jì)表

設(shè)計(jì)開(kāi)窗側(cè)鉆點(diǎn)為5 830 m，造斜段平均造斜率5．2°/30 m，以88．7°井斜穩(wěn)斜穿行靶區(qū)500 m。設(shè)計(jì)定向鉆井鉆具組合:?104 mm PDC鉆頭+?82 mm 1.5°單彎螺桿+浮閥+?79 mm無(wú)磁鉆鋌+?79 mm過(guò)渡接頭+?79 mm MWD懸掛短節(jié)+?79 mm MWD保護(hù)短節(jié)+?73 mm斜坡鉆桿1 530 m+轉(zhuǎn)換接頭+?88.9 mm斜坡鉆桿5 434 m，設(shè)定裸眼段摩阻系數(shù)為3.0，套管內(nèi)摩阻系數(shù)為2．0，采用三維水平井管柱力學(xué)與水力學(xué)分析系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估，確定方案的理論可行性。

通過(guò)如圖1、圖2、圖3的各項(xiàng)理論分析，證明在鉆機(jī)和上部鉆具能夠配套、超小尺寸高溫MWD及高溫螺桿鉆具能夠正常工作的情況下，該方案滿足完成超深超小井眼定向鉆井的管柱力學(xué)和水力學(xué)要求，具備鉆成一定長(zhǎng)度水平位移的水平井能力。

圖1鉆柱力學(xué)摩阻分析圖

圖2鉆柱力學(xué)扭矩分析圖

圖3水力學(xué)分析圖

四、發(fā)展建議

近年來(lái)國(guó)內(nèi)在塔里木油田、新疆油田、川渝油氣田、塔河油田、普光氣田、元壩氣田等油田相繼鉆成了大批超深井，形成了較為成熟的深井優(yōu)快鉆井技術(shù)和系列裝備，但是對(duì)于深層的定向鉆井技術(shù)、特別是井深6 000～9 000 m的?104 mm～?114 mm井眼，超小井眼定向鉆井技術(shù)和裝備仍是一大難題。為滿足后期油田超深老井的改造問(wèn)題，應(yīng)在?79．4 mm高溫高壓超小尺寸MWD、?80 mm高溫長(zhǎng)壽命螺桿鉆具、系列減阻工具開(kāi)展技術(shù)攻關(guān)，形成一套具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的超深超小井眼定向鉆井裝備，解決深井超深井老井改造困難、超深小井眼水平井地質(zhì)導(dǎo)向和延伸困難等難題，滿足我國(guó)超深油氣資源的勘探開(kāi)發(fā)需求。結(jié)合現(xiàn)階段深井超小井眼的作業(yè)現(xiàn)狀，從技術(shù)和裝備的發(fā)展角度提出以下幾點(diǎn)建議:

(1)努力完成超深超小井眼定向儀器的裝配。目前國(guó)外的?79．4 mm超小井眼MWD/LWD工具還處于試驗(yàn)階段，還需要對(duì)其在深井環(huán)境下的適應(yīng)能力進(jìn)行評(píng)價(jià)和改進(jìn)，國(guó)內(nèi)現(xiàn)階段還不具備生產(chǎn)抗溫180℃以上、抗壓175 MPa以上的高溫高壓超小尺寸MWD/LWD工具的能力，因此需要在優(yōu)選國(guó)外超小井眼MWD/LWD工具的同時(shí)，應(yīng)積極著手國(guó)產(chǎn)設(shè)備的研制。

(2)加強(qiáng)高溫超小螺桿鉆具的升級(jí)。小尺寸螺桿目前主要是用于完井工作中，而用于定向鉆井的大扭矩小尺寸螺桿鉆具的穩(wěn)定性和使用壽命是制約深井超小井眼定向鉆井時(shí)效的主要因素，需要對(duì)現(xiàn)有螺桿鉆具制造工藝進(jìn)行改進(jìn)和升級(jí)，滿足高溫深井的作業(yè)需要。

(3)加快超深超小井眼定向鉆井的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用步伐。深井條件下的超小井眼鉆井主要難點(diǎn)在于鉆柱疲勞破壞、定向鉆井系統(tǒng)的穩(wěn)定性及井眼清潔問(wèn)題，定向井和水平井的作業(yè)能力還停留在理論分析階段，需要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況形成相應(yīng)的深井超小井眼鉆井工藝，滿足安全鉆井的需要。

(4)若需完成更大位移的水平井或大位移井，需要對(duì)高溫超小尺寸水力振蕩器、水力牽引器等減阻工具進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)。