MJ-001井超短半徑側(cè)鉆水平井優(yōu)化設(shè)計(jì)

孫義春

（大慶鉆探工程公司鉆井二公司，黑龍江 大慶 163000）

1 技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 超短半徑水平井原理及特點(diǎn)

利用特殊的導(dǎo)向工具和造斜裝置，側(cè)鉆出一個(gè)或多個(gè)水平井眼，其曲率半徑比常規(guī)水平井的曲率半徑更短，采用該項(xiàng)技術(shù)能高效快速地進(jìn)行老井改造，大幅提高油井產(chǎn)量和提高采收率。與常規(guī)水平井相比，超短半徑水平井具有靶前距短，不損失油層，新井、老井都可應(yīng)用，一口井中可鉆多個(gè)分支，挖潛程度高，施工時(shí)間短，費(fèi)用低等突出特點(diǎn)，具有可定向、改造位置和程度可控的優(yōu)勢。但該項(xiàng)技術(shù)需要非常規(guī)的井下工具、設(shè)備和完井方式，技術(shù)要求高、施工難度大；水平段距離短；對(duì)操作人員的設(shè)備控制能力要求高。

1.2 超短半徑水平井國內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀

超短半徑水平井技術(shù)在國內(nèi)試驗(yàn)已有20 多年，但由于基本上都采取地面轉(zhuǎn)盤驅(qū)動(dòng)提供旋轉(zhuǎn)動(dòng)力，扭力損失大，水平鉆進(jìn)距離只有幾十米，且沒有隨鉆監(jiān)測手段，不能實(shí)現(xiàn)井眼軌跡的跟蹤調(diào)整，一直未能發(fā)揮技術(shù)優(yōu)勢。

國外老井超短半徑水平井鉆井技術(shù)始于20 世紀(jì)70 年代末，80 年代中期投入工業(yè)試驗(yàn)，80 年代末期形成“超短半徑水平井系統(tǒng)”，進(jìn)入商業(yè)應(yīng)用。在美國和加拿大等地已完成幾千口超短半徑水平井鉆井施工，單個(gè)垂直井中所鉆層位最多達(dá)5個(gè)，每個(gè)層位鉆入的輻射狀水平井眼最多達(dá)20 個(gè)，實(shí)現(xiàn)了在多個(gè)層位鉆多個(gè)輻射狀超短半徑水平井井眼技術(shù)。

目前，如何增加超短半徑水平井水平段長度及監(jiān)測井眼軌跡是超短半徑水平井目前亟待解決的問題。

2 基本情況

2.1 地質(zhì)情況

儲(chǔ)層為白堊系下白堊統(tǒng)泉三、四段地層的扶一、二、三組，儲(chǔ)層埋深平均1540m，巖石類型為細(xì)粉砂巖，砂體類型主要為分流河道，砂體以片狀和條帶狀發(fā)育為主，寬度為600～2000m，單井平均砂巖厚度29.7m，平均有效厚度13.5m，平均孔隙度12.7%，平均滲透率4.87mD，裂縫發(fā)育，裂縫密度0.054條/cm，屬低孔特低滲透裂縫性儲(chǔ)層，該井側(cè)鉆油層厚度5.0m。

2.2 老井概況

MJ-001 井于2012 年4 月完鉆，完鉆井身1747m，最大井斜角30.25°，方位角128.39°。2012 年7 月水井投產(chǎn)，位于M503 區(qū)塊，滲吸井區(qū)，射開砂巖厚度31.7m，有效厚度23.9m；2017年7月壓裂后轉(zhuǎn)抽油機(jī)生產(chǎn)，轉(zhuǎn)前累積注水2.55×104m3，轉(zhuǎn)后初期日產(chǎn)液2.9t，日產(chǎn)油0.9t，含水68.2%，實(shí)施本方案前日產(chǎn)液0.9t，日產(chǎn)油0.6t，含水38.0%，累產(chǎn)油0.074×104t。

3 設(shè)計(jì)難點(diǎn)

（1）受老井井眼條件、開窗位置、選層位置、靶前距、造斜能力等問題限制，大大增加了井眼軌道設(shè)計(jì)的難度；

（2）超短半徑完井管串下入困難，影響后期開采；

（3）井壁剝落與有固相鉆井液體系影響螺桿壽命的雙重矛盾；

（4）小曲率半徑、高造斜率定向控制難度大。

4 工程設(shè)計(jì)

4.1 井眼軌道設(shè)計(jì)

結(jié)合套管接箍位置、射孔井段、固井質(zhì)量、造斜工具等情況，選擇合適的開窗位置在1522m 處，開窗后，采用帶有軟著陸段的雙增剖面設(shè)計(jì)，利用軟著陸段可以克服由螺桿造斜率和著陸點(diǎn)垂深帶來的不確定性，確保軌跡平穩(wěn)入靶。MJ-001 井超短半徑側(cè)鉆井眼軌道設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)見表1，COMPASS 軟件以井口坐標(biāo)建井，表1中靶點(diǎn)A的水平位移是相對(duì)井口的距離；軌道垂直投影剖面示意圖見圖1；水平投影剖面示意圖見圖2。

表1 MJ-001井超短半徑側(cè)鉆井眼軌道設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)

圖1 井眼軌道垂直投影剖面示意圖

圖2 井眼軌道水平投影剖面示意圖

4.2 完井管串設(shè)計(jì)

對(duì)于超短半徑水平井來說，難點(diǎn)之一就是完井管串下入困難，國外公司也嘗試柔性篩管、割縫篩管等多種完井管串，但仍有大部分井下篩管困難，為此特殊設(shè)計(jì)了T 型限位槽割縫篩管，均布有橫向和縱向割縫。當(dāng)正向時(shí)可以彎曲，彎曲轉(zhuǎn)彎半徑為9m，能夠滿足超短半徑井高造斜井段下入要求；當(dāng)反向時(shí)不可彎曲，管體上的T 型筋接觸割縫產(chǎn)生拉力，保證反向時(shí)篩管處于平直狀態(tài)。

因此，推薦采用T型限位槽割縫篩管完井方式，完井篩管管串上面連接遇油遇水膨脹封隔器，封隔器上面連接一個(gè)丟手。鉆桿連接在丟手上，將丟手、封隔器、篩管管串下入到造斜段上方井段預(yù)定位置，然后丟手與鉆桿脫開。封隔器上的橡膠遇油遇水后脹開貼在5-1/2″套管內(nèi)壁上，起到懸掛與密封的作用，詳細(xì)完井管串見表2。

表2 完井管串程序

4.3 鉆井液設(shè)計(jì)

優(yōu)化低固相KCl鉆井液設(shè)計(jì)，降低KCl含量，增加緩釋劑，降低對(duì)螺桿的腐蝕性，相對(duì)于國外公司采用的無固相大分子聚合物鉆井液，井壁穩(wěn)定性更好，具有良好的潤滑性、抑制性、流變性和攜屑能力，滿足現(xiàn)場要求，側(cè)鉆井眼鉆井液性能見表3。

表3 鉆井液性能

4.4 鉆具組合設(shè)計(jì)

高造斜率井段鉆具處于彎曲狀態(tài)傳壓傳扭和旋轉(zhuǎn)，常規(guī)鉆桿無法滿足，為此采用了特制的鈦合金鉆桿，具有較高的力學(xué)性能，屈服強(qiáng)度更大，造斜和水平段全采用鈦合金鉆桿，滿足了超短半徑井的柔性和強(qiáng)度要求，并有效保證現(xiàn)場施工安全，同時(shí)，配備了無牙痕液壓鉗，有效保護(hù)了鈦合金鉆桿接頭，滿足40m轉(zhuǎn)彎半徑的鉆井要求。同時(shí)，采用小尺寸高造斜率的雙彎螺桿，實(shí)現(xiàn)了48°/30m造斜率要求。

造斜段鉆具組合：?114.3mmPDC 鉆頭+2-7/8″[?73mm×（1°+3°）]雙彎角螺桿+座鍵接頭+2-1/2″鈦合金鉆桿(MWD)+2-3/8″鈦合金鉆桿（4 根）+變扣接頭（NC31 母×NC26 公）+陀螺定位接頭+2-7/8″鉆桿（到井口）。

水平段鉆具組合：（?98.4mm 或?114.3mm）PDC鉆頭（公扣）+3-1/2″（?88.9mm×1.5°）單彎螺桿+座鍵接頭+2-1/2″鈦合金鉆桿(MWD)+2-3/8″鈦合金鉆桿（18 根）+變扣接頭（NC31 母×NC26 公）+2-7/8″鉆桿（到井口）。

4.5 鉆頭設(shè)計(jì)

采用特殊設(shè)計(jì)的小尺寸PDC 鉆頭，速度快、壽命高、安全可靠。小曲率半徑下，鉆具下入困難，尤其是配合雙彎螺桿下入更為困難，為此進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)短刀翼小尺寸PDC 鉆頭，相對(duì)常規(guī)鉆頭冠部高度縮短50%，保證下入能力；內(nèi)錐75°的雙圓弧冠部曲線，冠頂較平坦，有利于定向造斜，刀翼楔形設(shè)計(jì)、刀翼各部位圓滑過渡；無活動(dòng)件，安全性更好，鉆頭出井基本完好，滿足定向和水平段鉆井要求，表4為側(cè)鉆井眼鉆頭設(shè)計(jì)及鉆井參數(shù)。

表4 鉆頭設(shè)計(jì)

5 應(yīng)用效果

5.1 施工情況

MJ-001 井，完鉆斜深1733.00m/垂深1520.35m，靶前位移44.82m，水平段長133m，最大全角變化率44.17°/30m，砂巖鉆遇率100.00%，含油砂巖鉆遇率100.00%，施工周期14d，造斜段機(jī)械鉆速1.52m/h，水平段機(jī)械鉆速2.29m/h。本井未出現(xiàn)方案設(shè)計(jì)原因?qū)е碌墓こ?、質(zhì)量事故及井控風(fēng)險(xiǎn)；設(shè)計(jì)符合率90%以上；取得了開窗目前最快紀(jì)錄7.5h 以及螺桿使用壽命最長紀(jì)錄65h；實(shí)現(xiàn)了完井管柱全井下入，可配合采油廠壓裂要求；通過超短半徑+縫網(wǎng)壓裂，達(dá)到了增油的效果。

5.2 經(jīng)濟(jì)效益

從日產(chǎn)油量來看，MJ-001 井原日產(chǎn)油0.6t，實(shí)施超短半徑工藝措施后平均日產(chǎn)油6.56t，截止目前，投產(chǎn)118.87d，累計(jì)產(chǎn)油已達(dá)780.29t，含水47.64%，日產(chǎn)油量提高了16.93倍。

從投入產(chǎn)出比來看，按同類新井遞減規(guī)律計(jì)算，年遞減按12%計(jì)算，十年平均單井累計(jì)增油14396t，原油價(jià)格按2520 元/t（50 美元/桶），實(shí)施成本為215 萬元/口，投入產(chǎn)出比為1∶16.87，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

5.3 社會(huì)效益

大慶油田開發(fā)后期老井產(chǎn)量遞減，剩余儲(chǔ)量開采難度大，MJ-001 井超短半徑側(cè)鉆水平井的順利實(shí)施，不僅將老井日產(chǎn)油量提高了16倍以上，而且初步形成了水平段可達(dá)120m 以上的超短半徑水平井鉆完井綜合配套技術(shù)，為油田老井挖潛增油提供了新的技術(shù)手段，具有廣闊的應(yīng)用前景和經(jīng)濟(jì)效益。

6 結(jié)論

(1)MJ-001井的成功開采，驗(yàn)證了超短半徑側(cè)鉆水平井技術(shù)是開采老井未動(dòng)用儲(chǔ)層及厚油層頂部剩余油的有效手段和途徑[6]；

(2)軌道設(shè)計(jì)時(shí)，采用帶有軟著陸段的雙增剖面設(shè)計(jì)，利用軟著陸段可以克服由螺桿造斜率和著陸點(diǎn)垂深帶來的不確定性，確保軌跡平穩(wěn)入靶；

(3)對(duì)于低滲透地層，采取超短半徑側(cè)鉆+壓裂結(jié)合的方式，能夠有效提高儲(chǔ)層動(dòng)用程度，對(duì)后續(xù)該類井實(shí)施具有指導(dǎo)意義；

(4)受斷層影響構(gòu)造變化相對(duì)較大，地層傾角不穩(wěn)定，并且斷層附近的井比較少，預(yù)測地層傾角精度不高。水平段井眼軌跡控制難度增加，影響目的層砂巖鉆遇率；

(5)側(cè)鉆的老井一般都是含水特別高、井筒附近采出程度很大的井，井筒附近油層含水高，著陸位移太小容易出現(xiàn)高含水現(xiàn)象，建議著陸位移在40～60m 之間。如果著陸位移過小，曲率會(huì)很大，給油井的后期使用維護(hù)如沖砂、通徑等帶來較大的困難。