魚骨型水平分支井在渤海油田的應(yīng)用研究*

劉鵬飛 王昆劍 李 進 劉漢杰 龔 寧

(中海石油(中國)有限公司天津分公司海洋石油高效開發(fā)國家重點實驗室 天津 300459)

魚骨型水平分支井因井眼形態(tài)像“魚骨型”而得名，屬于多底分支井的一個亞類，由一個水平段主井眼和其左右兩邊分散呈“魚骨型”對稱分布的多個分支井眼組成[1-4]。魚骨型水平分支井同時具有水平井和分支井的技術(shù)優(yōu)勢，如擴大泄油面積、提高單井產(chǎn)能、實現(xiàn)少井高產(chǎn)和提高油田采收率等。同時與新鉆多口調(diào)整井相比，魚骨型水平分支井可高效利用主井眼井筒，大幅節(jié)省鉆完井投資成本[5-9]。目前，魚骨型水平分支井已在勝利油田、遼河油田、大港油田等陸地油田得到了應(yīng)用和推廣；2002年，魚骨型水平分支井首次在渤海綏中36-1油田試驗成功，目前處于規(guī)?；茝V應(yīng)用階段[1]。

渤海油田勘探開發(fā)至今，部分老油田逐漸進入開發(fā)中后期，因儲層污染、高含水、出砂等原因?qū)е碌牡彤a(chǎn)、低效井或關(guān)停井?dāng)?shù)逐年攀升，有效治理低效井是渤海油田實現(xiàn)增產(chǎn)目標(biāo)的關(guān)鍵[10-13]。目前，利用老井眼側(cè)鉆調(diào)整井是低產(chǎn)低效井治理和老油田剩余油挖潛的有效手段[14-20]，但側(cè)鉆調(diào)整井存在開發(fā)成本高、單井產(chǎn)能受限等缺點。本文以認識渤海油田X區(qū)塊開發(fā)現(xiàn)狀及地質(zhì)油藏特征為基礎(chǔ)，系統(tǒng)分析了魚骨型水平分支井鉆完井技術(shù)的實施難點和關(guān)鍵技術(shù)，并以X4H1井為例分析了魚骨型水平分支井的應(yīng)用效果。本文研究結(jié)果可為魚骨型水平分支井在渤海油田低產(chǎn)低效井治理和老油田挖潛中的推廣應(yīng)用提供一定的借鑒。

1 魚骨型水平分支井鉆完井實施難點

渤海油田X區(qū)塊位于渤海西部沙壘田凸起東塊東南端，緊鄰渤中凹陷，整體上為發(fā)育在潛山基底之上的披覆背斜構(gòu)造。X3H2和X4H1這2口魚骨型水平分支井鉆探的主力砂體位于東營組Ⅱ油組上段，地層為披覆于潛山頂面之上的背斜構(gòu)造，發(fā)育局部高點，含油面積內(nèi)不發(fā)育斷層。東營組Ⅱ油組為帶氣頂?shù)膶訝顦?gòu)造邊水油藏，儲層橫向分布穩(wěn)定，縱向上發(fā)育不穩(wěn)定物性夾層，無明顯韻律性，儲層平均厚度10 m，平均孔隙度和滲透率分別為21.5%和150 mD，屬于中孔隙度、中-低滲透率儲層，原始地層壓力系數(shù)1.01，地溫梯度2.95 ℃/100 m，屬于正常壓力、溫度系統(tǒng)。分析認為，東營組Ⅱ油組實施魚骨型水平分支井主要存在4個難點。

1) 首次使用ATK-eXact井下旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具，雖然理論造斜率高達12°/30 m，但缺乏實鉆案例和應(yīng)用經(jīng)驗，實鉆過程中造斜率不足可能導(dǎo)致垂深不滿足油藏需求、分支井眼起始井段無法滿足后續(xù)側(cè)鉆需求、扭方位能力低導(dǎo)致分支井眼與主支井眼分離距離小等問題。因此，保證高造斜率是該技術(shù)實施的重點和難點。

2) 魚骨型水平分支井需采用裸眼懸空側(cè)鉆技術(shù)側(cè)鉆主井眼，在后續(xù)作業(yè)中，鉆具在通過懸空側(cè)鉆井段容易發(fā)生遇阻。同時，為了防止生產(chǎn)過程中出砂，設(shè)計在主井眼下入防砂篩管。保障篩管能順利進入主井眼而非各分支井眼面臨著挑戰(zhàn)。

3) 在魚骨型水平分支井作業(yè)工程中，主井眼與分支井眼之間的“褲衩狀”夾壁墻是側(cè)鉆成功與否的關(guān)鍵，側(cè)鉆開窗過程中夾壁墻存在失穩(wěn)坍塌的風(fēng)險。

4) 由于魚骨型水平分支井屬于復(fù)雜井軌跡，施工工藝特殊，對鉆井液的井眼清潔、潤滑防卡、攜巖洗井、降低摩阻和扭矩及儲層保護性能提出了較高的要求。

2 魚骨型水平分支井鉆完井技術(shù)

2.1 鉆進方式的選擇

魚骨型水平分支井鉆進方式分為前進式、后退式2種[1-2]。前進式鉆進(圖1)的主要步驟包括：①鉆進至著陸點a，然后下套管進行固井作業(yè)；②下一開次鉆進至第一個側(cè)鉆點c，側(cè)鉆完成分支井眼c—d；③完鉆后，循環(huán)、倒劃眼短起至套管鞋位置，下鉆至井底，分支井眼替換為新的鉆井液以保護儲層；④隨后鉆進至c—e井段至第2個側(cè)鉆點e；⑤側(cè)鉆完成分支井眼e—f；⑥完鉆后，循環(huán)、倒劃眼短起至套管鞋位置，下鉆至井底，分支井眼替換為新的鉆井液以保護儲層；⑦采用與分支井眼c—d和e—f作業(yè)相類似的方式，依次完成分支井眼g—h、j—k的鉆進作業(yè)，最后再鉆進至點b，完成整個魚骨型水平分支井的鉆進作業(yè)。后退式鉆進方式與前進式鉆進方式作業(yè)順序相反，首先鉆進至主井眼點b，然后依次實施分支井眼j—k、g—h、e—f，最后鉆分支井眼c—d。

圖1 魚骨型水平分支井示意圖Fig.1 Schematic diagram of fishbone horizontal branch well

分析認為，前進式鉆進方式適用于主井眼需要防砂的情況，有利于防砂篩管的順利下入；后退式鉆進方式適用于不防砂井，主井眼和各分支井眼均以裸眼生產(chǎn)。渤海油田X區(qū)塊按照防砂設(shè)計要求，分支井眼采用裸眼完井，主井眼a—b需要下入防砂篩管完井，因此選用前進式鉆進方式。

2.2 裸眼懸空側(cè)鉆技術(shù)

裸眼懸空側(cè)鉆主井眼需按照劃槽作業(yè)、造臺階作業(yè)和控時側(cè)鉆步驟進行。劃槽作業(yè)的目的是為了在側(cè)鉆主井眼前造臺階，為側(cè)鉆主井眼作業(yè)做準(zhǔn)備。劃槽作業(yè)過程中，需要觀察扭矩、工具肋板轉(zhuǎn)速和近鉆頭井斜的變化：如果扭矩值波動幅度變小、肋板轉(zhuǎn)速變快，說明井眼已擴大，需收肋板繼續(xù)劃槽；如果井斜已降低0.5°～1°，則停止劃槽?？貢r側(cè)鉆過程中，觀察近鉆頭的井斜變化，實時調(diào)整側(cè)鉆速度和井段長度，如果近鉆頭井斜比分支井眼相同深度的井斜低約3°則認為側(cè)鉆完成，同時根據(jù)實鉆造斜率情況靈活調(diào)整指令和鉆井參數(shù)，每鉆進一柱，采用倒劃眼方式修整井壁，以保證井眼光滑。

在分支井眼鉆進前，首先進行造“駝峰”作業(yè)，作業(yè)過程中要根據(jù)實鉆造斜率調(diào)整指令和鉆井參數(shù)以保障增斜率?！榜劮濉毙Ч苯佑绊懼骶酆头种Ь蹔A壁墻的穩(wěn)定性，“駝峰”越大則分支井眼越容易與主井眼分離，分離越快則夾壁墻越厚越短，夾壁墻坍塌風(fēng)險越小。

鉆進過程中往往需要通過多次起下鉆來達到清潔井眼、保障后續(xù)篩管順利下入的目的。鉆具在通過懸空側(cè)鉆井段時容易發(fā)生遇阻，可以通過減少起下鉆次數(shù)的方式減小鉆具阻卡風(fēng)險，一旦發(fā)生遇阻，則應(yīng)參照原鉆進時的深度，使用原鉆進指令，嘗試用中低參數(shù)劃眼下鉆，下放速度高于原鉆進速度，預(yù)防新井眼的出現(xiàn)。

2.3 井眼軌跡控制技術(shù)

為了保障高造斜率并打造“駝峰”，首先在設(shè)計階段應(yīng)預(yù)留足段長的主分支井眼分離點，選用可監(jiān)測近鉆頭測斜工具，實鉆過程中通過加密測斜等方法掌握工具狀態(tài)，從而實現(xiàn)鉆進過程中的井眼軌跡控制。作業(yè)過程中選用AutoTrakTM旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)，可以通過3個獨立的肋板保持連續(xù)的比例轉(zhuǎn)向矢量與地層接觸面積增加，提供恒定的推靠力，同時通過增大接觸面積消除點托壓現(xiàn)象；系統(tǒng)的雙缸持續(xù)推出肋板，推出響應(yīng)平穩(wěn)及時，效果更好，可獲得更好的造斜率；劃眼工作模式下的近鉆頭井斜更加準(zhǔn)確。

實鉆過程中的造斜率同時受地層巖性、地層傾角方向和井眼清潔等因素的影響。為了保障高造斜率，工程上通常采用優(yōu)選鉆頭的方式提高鉆頭定向能力，這種鉆頭(圖2)具有專利切削齒、后傾角設(shè)計，可降低鉆頭扭矩，提高鉆頭攻擊性，同時采用主動規(guī)徑設(shè)計，增強了鉆頭的側(cè)向切削攻擊力和保徑效果。

圖2 魚骨型水平分支井的鉆頭結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of bit for fishbone horizontal branch well

2.4 鉆井液工藝技術(shù)

為了滿足魚骨型水平分支井特殊施工工藝對鉆井液性能的要求，采用具有渤海油田特色的EZFLOW無固相儲層鉆井液體系。該鉆井液體系是一種可逆弱凝膠體系，儲層保護性能良好；特殊結(jié)構(gòu)形成的單向、強封堵、反向易膨脹濾餅具有薄而韌的特點，可在確保井壁穩(wěn)定性的同時，有效阻止流體進入地層，避免長時間浸泡下的井壁失穩(wěn)；通過原子鍵相互纏繞，形成空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)可逆、靜切力恢復(fù)迅速、動塑比高、靜態(tài)懸砂和動態(tài)攜砂能力強的特點。EZFLOW鉆井液良好的流變性可以有效克服水平井或大斜度井段攜砂難、易形成沉砂床的問題，防止低泵速或靜止條件下巖屑床的形成。

現(xiàn)場應(yīng)用時，通過鉆井液性能維護而適當(dāng)?shù)靥岣咴鲳ぬ崆袆┡浔?，使得鉆井動切力始終保持在14 Pa以上；低剪切速率不低于20 000 mPa·s，以減少井眼巖屑床的形成；鉆進過程中持續(xù)補充因固控消耗的超細碳酸鈣，以確保鉆井液良好的封堵能力，從而達到穩(wěn)定井壁、確保篩管順利到位的目的。

2.5 主井眼防砂完井技術(shù)

按照X3H2井和X4H1井設(shè)計，主井眼需下入機械防砂篩管實現(xiàn)防砂完井。因此，保障篩管順利進入主井眼成為作業(yè)成功的關(guān)鍵，可以采取井眼軌跡優(yōu)化設(shè)計和防砂管柱下入模擬的主要技術(shù)措施。

1) 主、分支井眼軌跡優(yōu)化設(shè)計。

以X4H1井為例。X4H1井設(shè)計2個分支井眼，分別為X4H1Ma和X4H1Mb，分支側(cè)鉆點位置的實鉆井眼軌跡見表1，分支井眼側(cè)鉆點位于2 583 m和2 717 m處，主井眼垂深較分支井眼更深、方位角變化小、狗腿度更小，篩管在重力作用下會貼著垂深更深的主井眼下入，同時分支井眼的方位角和狗腿度也能有效避免篩管進入分支井眼。因此，井身軌跡設(shè)計時應(yīng)將主井眼軌跡設(shè)計在各分支井眼的下方，通過主井眼與分支井眼的垂深、方位角和狗腿度等軌跡參數(shù)設(shè)計，防止篩管進入分支井眼。此外，為了保障實鉆過程中篩管的順利下入，分支段造斜工具面應(yīng)控制在井眼高邊左右30°～45°內(nèi)。

表1 X4H1井側(cè)鉆點井眼軌跡數(shù)據(jù)Table 1 Sidetrack data of well X4H1

2) 防砂管柱下入懸重模擬。

在方案設(shè)計階段，采用不同的摩阻系數(shù)模擬X4H1井主井眼防砂管柱下入懸重(圖3)。實鉆階段，根據(jù)現(xiàn)場起下鉆情況反演摩阻系數(shù)，得到套管內(nèi)摩阻系數(shù)α=0.30和裸眼段摩阻系數(shù)β=0.35。結(jié)合防砂管柱下入懸重模擬結(jié)果和摩阻系數(shù)反演結(jié)果可知，防砂管柱下入至井底2 791 m深度剩余懸重為867.1 kN，大于大鉤及游車自重400 kN，防砂管柱可順利下入到位。

圖3 X4H1井防砂管柱下入懸重模擬Fig.3 Simulation of sand control string running in well X4H1

3 現(xiàn)場應(yīng)用

X4H1井身設(shè)計軌跡與實鉆參數(shù)見表2，三開主井眼和2個分支井眼均采用215.9 mm裸眼完鉆，實鉆主井眼進尺273 m，實鉆分支井眼X4H1Ma和X4H1Mb進尺分別為171 m和51 m，主井眼下入168.275 mm機械防砂篩管完井，2個分支井眼采用裸眼完井。

表2 X4H1井身設(shè)計軌跡與實鉆參數(shù)對比 Table 2 Comparison between trajectory design parameters and actual drilling parameters of X4H1 m

X4H1井的產(chǎn)能分析采用魚骨型分支井產(chǎn)能預(yù)測模型[21-22]。預(yù)測結(jié)果表明，在相同壓差條件下，魚骨型分支井與單個井筒的水平井相比，產(chǎn)能指數(shù)由13.92 m3/(d·MPa)提高至16.72 m3/(d·MPa)，增產(chǎn)效果顯著。從實際投產(chǎn)情況來看，X4H1井的投產(chǎn)產(chǎn)量均超過配產(chǎn)，截至2021年5月已累計增油15 208.22 m3，增油效果顯著，同時有效節(jié)省了平臺槽口。

由此可見，魚骨型分支井可以有效增大儲層滲流面積；與壓裂裂縫相比，由于分支井眼尺寸遠大于裂縫尺寸，因此導(dǎo)流能力更高、流動阻力更小、增產(chǎn)效果更明顯；分支井能夠按照井眼軌跡設(shè)計而鉆遇多個“甜點”，這也是魚骨型分支井能夠大幅提高產(chǎn)量的關(guān)鍵。

4 結(jié)束語

本文結(jié)合渤海油田X區(qū)塊開發(fā)現(xiàn)狀、地質(zhì)油藏要求及特點，深入分析了魚骨型水平分支井鉆完井實施技術(shù)難點，研究形成了分支井鉆進方式、裸眼懸空側(cè)鉆技術(shù)、井眼軌跡控制技術(shù)、鉆井液工藝技術(shù)、主井眼防砂完井技術(shù)等多項關(guān)鍵技術(shù)，有效保障了現(xiàn)場作業(yè)的順利實施?，F(xiàn)場應(yīng)用表明，魚骨型水平分支井可有效提高單井產(chǎn)能、實現(xiàn)少井、高產(chǎn)的目的，同時可高效利用主井眼井筒，節(jié)省平臺槽口，大幅節(jié)省鉆完井投資，在渤海油田低產(chǎn)低效井治理和老油田剩余油挖潛中具有廣闊的應(yīng)用前景。