空心斜向器開窗和定方位射孔技術(shù)在水下分支井中的應(yīng)用

蘇峰

(長江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北武漢430100 中海石油(中國)有限公司深圳分公司深水工程技術(shù)中心，廣東深圳 518067)

姚志奇

(中石油渤海鉆探工程有限公司第一鉆井工程分公司，天津 300280)

謝新榮

(渤海鉆探鉆井泥漿技術(shù)服務(wù)公司，天津 300280)

多分支井是指在一個主井眼底部側(cè)鉆2個或更多進(jìn)入儲層的分支井眼(包括定向井、水平井或波浪式分支井)，從而可以在1個主井內(nèi)開采多個油氣層，實現(xiàn)1井多靶和立體開采[1]。自20世紀(jì)30年代美國加州鉆成幾米長的完全水平分支井筒以來，經(jīng)過80多年的發(fā)展，多分支井技術(shù)正逐步成為降低鉆井成本，提高油田綜合開發(fā)效益的重要技術(shù)手段[2]。

近年來，隨著人們對海洋環(huán)境的日益關(guān)注和追求更高的投資回報, 多分支井技術(shù)在海洋油氣勘探開發(fā)過程中, 正扮演著越來越重要的角色[3]。結(jié)合南海珠江口LH4-1油田油藏地質(zhì)情況及原油物性特點，在國內(nèi)海上油田開發(fā)中首次設(shè)計并完成了LH4-1油田的AxM水下雙分支井鉆井及空心斜向器的定方位射孔作業(yè)，實現(xiàn)了分支井完井工藝設(shè)計要求的主支和分支的單獨生產(chǎn)且對分支含水率變化實時監(jiān)測，相關(guān)設(shè)計方法和作業(yè)經(jīng)驗可為水下雙分支井技術(shù)在我國海上油田的推廣及應(yīng)用提供理論依據(jù)和技術(shù)借鑒。

1 LH4-1油田開發(fā)背景和鉆井技術(shù)難點

LH4-1油田是20世紀(jì)80年代外方作業(yè)者勘探發(fā)現(xiàn)的一個礁灰?guī)r邊際油田，該油田位于中國南海珠江口盆地中央隆起帶，距香港約215km，油田井口海域水深約268m，油層埋深淺(海床以下1252～1290m)。

LH4-1油田是國內(nèi)首個采用深水模式自營開發(fā)的海上油田，其鉆井技術(shù)難點主要為以下幾點：水平井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計在?17in井眼段開路循環(huán)時，設(shè)計造斜點淺(海床以下100～120m)，初始造斜率要求高且需連續(xù)高造斜率造斜；?12in井眼段二次造斜率要求高(3.5～4.5°/30m)，連續(xù)高造斜率造斜，軌跡緊湊，調(diào)整空間小，地質(zhì)著陸難度高，井眼軌跡控制困難。

2 LH4-1雙分支井井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

2.1 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計與開窗方案選擇

2.1.1井身結(jié)構(gòu)設(shè)計

依據(jù)南海東部海域和流花區(qū)域鉆井經(jīng)驗及LH4-1油田地質(zhì)條件，LH4-1油田開發(fā)井的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計如下：?36in井眼×?30in套管+?18in井眼×?17in套管+?13in套管+?12in井眼×?9in套管+?8in井眼(裸眼)。

2.1.2開窗方案選擇

1)開窗位置比選 根據(jù)LH4-1油田開發(fā)井的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計，分支井開窗位置可以選擇在?13in套管內(nèi)或?9in套管內(nèi)，2種方案對比：①?13in套管內(nèi)開窗，優(yōu)點是開窗位置高，造斜要求較低，利于井眼軌跡控制及降低地質(zhì)著陸風(fēng)險；缺點是一方面需切割回收?9in套管及密封總成等，增加作業(yè)工期；另一方面開窗位置距海床較近，地層破裂強度較低，井控安全的風(fēng)險較高。②?9in套管內(nèi)開窗，優(yōu)點是工期較短，開窗位置地層破裂強度較高，井控安全的風(fēng)險較低；缺點是一方面開窗位置低，連續(xù)造斜要求高，不利于井眼軌跡控制及地質(zhì)著陸難度高，另一方面開窗點深度可調(diào)整范圍小，空心斜向器坐掛要求高，一旦失敗將導(dǎo)致分支井方案無法實現(xiàn)。

鑒于井控安全風(fēng)險控制及經(jīng)濟性考慮，同時借鑒流花區(qū)塊定向鉆井經(jīng)驗，LH4-1油田AxM井在水平分支井的設(shè)計在?9in套管內(nèi)開窗，AxMa井身結(jié)構(gòu)：?36in井眼×?30in套管+?17in井眼×?13in套管+?12in井眼×?9in套管+?8in井眼(裸眼)；AxMb井身結(jié)構(gòu)：?9in套管開窗鉆+?8in井眼×?7in套管+?6in井眼(裸眼)。

圖1 正高邊開窗射孔效果示意圖

2)開窗點深度選擇 為滿足完井電泵完井管柱下深需要，要求AxMb?7in尾管懸掛器頂深在850m以下，同時給開窗后造斜盡量預(yù)留進(jìn)尺空間，根據(jù)?9in套管實測接箍深度，窗口位置選擇969～975m，備選窗口位置981～987m。作業(yè)過程中由于空心斜向器無法在969m位置實現(xiàn)坐掛，實際開窗點深度981m，窗口段為981～987m。

3)空心斜向器坐掛方位選定 為保證空心斜向器定方位射孔精度要求，通常選定斜向器坐掛方位為低邊0°角以實現(xiàn)正高邊開窗(圖1)，其主要優(yōu)點：①正高邊開窗可以使射孔后孔徑最大化，因為射孔槍與斜向器壓力盤之間的距離最短，且兩者之間的流道最??；②由于重力的原因，尾管與斜向器壓力盤最接近；③斜向器壓力盤的射孔段最大。

采用MWD測量空心斜向器方位，選定斜向器坐掛方位為右高邊0～5°，AxM井空心斜向器實際坐掛方位右高邊2.35°。

2.2 剖面設(shè)計

LH4-1油田AxM井井身剖面由“直井段-造斜段-水平段”組成，主要難點是AxMb開窗后造斜率要求高，達(dá)4.3°/30m，井身軌跡控制難度大。剖面設(shè)計數(shù)據(jù)詳見表1和表2。

表1 AxMa井井身剖面設(shè)計數(shù)據(jù)

表2 AxMb井井身剖面設(shè)計數(shù)據(jù)

3 LH4-1 AxM水下雙分支井技術(shù)難點及應(yīng)用

3.1 分支井交叉連接處的處理工藝

多分支井的技術(shù)關(guān)鍵主要集中在分支井眼與主井眼的分支接口處，其技術(shù)水平主要體現(xiàn)在接口支撐、接口密封及支井重入3個方面。接口支撐是指各分支井眼的完井管柱都要和主井眼的套管相連接其連接處要具有機械上的整體性以解決井壁穩(wěn)定和儲層出砂等問題[4～6]。

AxM井選用了一趟鉆空心斜向器系統(tǒng)，該系統(tǒng)提供了一個全井固井，分支井全尺寸、可通過的4級多分支井技術(shù)系統(tǒng)(圖2)。 其主要特點：①它通過整合已經(jīng)實踐證明的快速開窗磨銑系統(tǒng)來實現(xiàn)一趟鉆定向斜向器，坐掛、磨銑窗口和鉆裸眼口袋；②在窗口磨銑完畢，分支井完鉆，在分支井中下入常規(guī)的尾管后固井，并在主井眼窗口以上位置坐掛，然后通過低側(cè)定方位射孔技術(shù)將尾管和斜向器壓力盤射開，從而打通主井眼和分支井，或者根據(jù)新井眼需要與主井眼暫時封隔的考慮，推遲射孔；③一趟鉆空心斜向器套管開窗系統(tǒng)是一種簡單、低風(fēng)險的4級分支井技術(shù)方案，由于其一趟鉆完成任務(wù)的能力，大大縮短鉆機時間，節(jié)省成本，并且不需要其他昂貴的處理分支井接點的工具(圖3)。

圖2 四級完井示意圖 圖3 空心斜向器分支井示意圖

圖4 AxM空心斜向器坐掛位置圖

AxM井選用一趟鉆空心斜向器系統(tǒng)作為分支井鉆完井的關(guān)鍵技術(shù)，主要基于以下幾點原因：①該系統(tǒng)在南海東部海域的西江油田、惠州油田的側(cè)鉆井作業(yè)中已應(yīng)用17套，均選擇在?9in套管內(nèi)開窗；②該系統(tǒng)不需要動用處理分支井接點的工具，可以節(jié)省作業(yè)工期及工具費用。AxM井空心斜向器實際坐掛位置如圖4所示。

AxM井分支井接點處理的密封主要使用水泥封固技術(shù)，機械支撐由空心斜向器、?7in套管提供，不考慮支井重入。水泥封固在海上油田開發(fā)中技術(shù)比較成熟，風(fēng)險控制難度較低，主要風(fēng)險是空心斜向器與?7in套管環(huán)空的水泥環(huán)在對空心斜向器射孔作業(yè)時可能遭破壞，水泥碎塊可能堵塞射孔孔眼而影響支井井眼連通性。

3.2 定向鉆具組合選擇與井眼軌跡控制

分支井技術(shù)應(yīng)用的優(yōu)點之一是通過開窗側(cè)鉆、裸眼側(cè)鉆等技術(shù)盡量利用原井眼進(jìn)尺，減少總進(jìn)尺以節(jié)省鉆井工期和費用。因此側(cè)鉆分支井眼的造斜率要求相對較高，井身軌跡控制難度也相應(yīng)增大[7,8]。

LH4-1油田儲層埋深淺，進(jìn)尺空間緊；儲層巖性為灰?guī)r，上部非儲層段地層壓實程度低，膠結(jié)性差，造斜難度高；灰?guī)r頂深度變化導(dǎo)致目的層位置不明確，著陸前連續(xù)造斜要求高，井眼軌跡控制難度大。AxMb分支設(shè)計造斜率4°/30m，開窗作業(yè)后造斜率要求高達(dá)4.5°/30m。

綜合LH4-1油田地層特征及定向造斜工具實際效果情況評估，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具不能保證滿足連續(xù)造斜率要求，一旦失敗將導(dǎo)致分支井作業(yè)無法實施。為降低作業(yè)風(fēng)險，決定選用造斜能力較強的馬達(dá)組合實施開窗作業(yè)及鉆上部井段，同時在上部井眼段適當(dāng)提高造斜率，以降低下部井眼段的軌跡控制壓力，根據(jù)馬達(dá)組合鉆進(jìn)效率情況再更換為旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具組合。

3.3 空心斜向器定方位精確射孔

空心斜向器射孔采用定方位射孔技術(shù)，是技術(shù)難度高、工藝要求嚴(yán)格的綜合性技術(shù)。它由定方位射孔系統(tǒng)(油管傳輸)、陀螺測斜系統(tǒng)(電纜測井)、地面采集與控制系統(tǒng)組成。定方位射孔系統(tǒng)針對特定對象專門設(shè)計各項技術(shù)參數(shù)，經(jīng)過仿真計算，地面模擬試驗確定射孔參數(shù)，具有射孔方位要求高、射孔深度要求準(zhǔn)、射孔穿深及射孔孔徑等參數(shù)嚴(yán)格、施工工藝復(fù)雜等特點[9,10]。

AxM井空心斜向器開窗及定方位射孔是國內(nèi)海上油田首個水下雙分支井應(yīng)用項目，已使用的空心斜向器均是在海上導(dǎo)管架上進(jìn)行作業(yè)，其定方位射孔作業(yè)不需考慮浮式平臺升沉對射孔作業(yè)的影響。AxM井空心斜向器射孔作業(yè)中使用了在測試作業(yè)中的可調(diào)懸掛器(圖5)坐在水下井口抗磨補心內(nèi)，消除平臺升沉對射孔深度的影響。

AxM井空心斜向器定方位射孔作業(yè)采用油管傳輸TCP射孔方式，采用電測伽馬校深和電測陀螺定方位技術(shù)，射孔槍和射孔彈選用空心斜向器廠家推薦標(biāo)準(zhǔn)配置，它與歐文合作研發(fā)的該型號射孔彈，有多次地面試驗和現(xiàn)場的成功應(yīng)用。具體參數(shù)：?3in射孔槍，長3.66m，孔密4孔/ft(1ft=0.3048m)，0°相位角，裝彈槍長度為2.44m；射孔彈為歐文超穿深射孔彈HMX，穿深17～20in，孔徑為0.335～0.347in，總流動面積2.88in2(18.56cm2)。射孔時射孔槍高邊與空心斜向器高邊相差1.86°，小于設(shè)計要求的±5°，空心斜向器射孔前后井筒漏失量相差2bbls/h(0.318m3/h)。

4 結(jié)論

1)開窗位置、深度、井斜角、方位角等的選擇需考慮鉆井工期費用，完井泵掛深度要求，井控安全對地層破裂強度的要求，開窗后井眼軌跡控制難度，后期定方位射孔控制等諸多因素的影響，一經(jīng)選定，必須制定詳細(xì)的作業(yè)風(fēng)險控制措施，確保每項作業(yè)的成功率，一旦失敗將極難補救并最終導(dǎo)致分支井方案無法實現(xiàn)。

2)井眼軌跡控制是分支井鉆井的難點之一，尤其對于采用水下井口開發(fā)的淺埋深儲層，由于進(jìn)尺空間緊，設(shè)計造斜率要求高，必須保證每個測斜區(qū)間均達(dá)到或高于設(shè)計造斜率的要求，一旦低于設(shè)計要求，將無法實現(xiàn)地質(zhì)著陸目標(biāo)。

3)空心斜向器的定方位射孔工藝技術(shù)是分支井的關(guān)鍵技術(shù)之一，也是決定分支井成敗的關(guān)鍵。對于采用水下井口開發(fā)的項目，消除平臺升沉的影響保證射孔深度嚴(yán)格在目標(biāo)段范圍內(nèi)，同時需保證射孔槍方位在允許誤差范圍內(nèi)及射孔彈發(fā)射率。射孔作業(yè)完成后還需下入封隔工具將一個分支隔離，通過擠入試驗驗證射孔井眼的連通性情況，以確定是否需要再次進(jìn)行補射孔作業(yè)。

4)LH4-1油田AxM水下雙分支井鉆井成功實施，為今后我國深水水下雙分支井發(fā)展提供了寶貴的經(jīng)驗，相關(guān)方法和結(jié)論可為水下雙分支井技術(shù)在我國海上油田的推廣及應(yīng)用提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。