孫明光

(1頁巖油氣富集機(jī)理與有效開發(fā)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 2中國石化石油工程技術(shù)研究院)

順北油田屬特深層斷溶體油藏，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，儲層預(yù)測難。鑒于中短半徑水平井造斜率高、靶前位移短的技術(shù)特征和周期短、效率高、成本低的工程優(yōu)勢,順北油田多采用超深小井眼中短半徑水平井的方式進(jìn)行開發(fā)以實(shí)現(xiàn)高效溝通儲集體[1-3]。

該油田儲層埋藏深約7 500 m，以四開井身結(jié)構(gòu)為主，其中四開井段為定向井段，井眼尺寸多為?120.65 mm或?149.2 mm。儲層埋藏超深、井眼尺寸小的井筒特征給中短半徑水平井的軌跡控制帶來了一系列的技術(shù)難題：摩阻/扭矩大，軌跡控制難度高、螺桿鉆具造斜能力預(yù)測難導(dǎo)致與設(shè)計(jì)軌跡匹配度低、高溫環(huán)境下隨鉆測量儀器故障率高等[4]。

為此，筆者從井身結(jié)構(gòu)與定向鉆井的適用性評價(jià)及優(yōu)化、井身剖面與鉆具組合協(xié)同優(yōu)化、降摩減阻技術(shù)方案編制和高溫隨鉆測量技術(shù)方案配套等方面展開了研究，以期為提高順北油田超深小井眼水平井定向鉆井效率，加快順北油田勘探開發(fā)進(jìn)度提供技術(shù)支撐。

一、定向鉆井技術(shù)難點(diǎn)

1. 摩阻/扭矩大、工具面調(diào)控難度高、井眼軌跡控制難度高

以SBP1H井為例，該井鉆進(jìn)至井深8 304 m時(shí)扭矩驟增至24 kN·m，轉(zhuǎn)盤蹩停，上提鉆具摩阻達(dá)300 kN，下放摩阻達(dá)280 kN。由于摩阻/扭矩大的原因，部分井平均調(diào)控工具面時(shí)間約為2～3 h，不僅影響純鉆時(shí)效，還影響定向效果，導(dǎo)致實(shí)鉆造斜率難以滿足設(shè)計(jì)要求。

2. 螺桿鉆具造斜能力與設(shè)計(jì)軌跡匹配度低

順北油田超深中短半徑水平井設(shè)計(jì)造斜率通常為(18°～24°)/30 m，定向鉆進(jìn)中使用大彎角螺桿(>1.75°)，此類螺桿鉆具無法進(jìn)行復(fù)合鉆進(jìn)，造斜率調(diào)整范圍窄，若螺桿鉆具造斜能力與設(shè)計(jì)軌跡不匹配，則需起下鉆更換鉆具組合，順北油田超深井四開平均起下鉆時(shí)間在50 h以上，頻繁起下鉆更換鉆具組合會嚴(yán)重影響鉆井周期。

3. 高溫隨鉆測量儀器故障率高、誤碼率高

超深、小尺寸的井筒特征導(dǎo)致井底循環(huán)溫度高、鉆井液介質(zhì)傳遞壓力不穩(wěn)定，易造成高溫隨鉆測量儀器故障率、誤碼率高。

二、定向鉆井技術(shù)方案

針對上述定向鉆井技術(shù)難題，從井身結(jié)構(gòu)與定向鉆進(jìn)適用性評價(jià)和優(yōu)化、井身剖面與鉆具組合協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)、降摩減阻技術(shù)方案制定和高溫隨鉆測量技術(shù)方案配套等四個(gè)方面開展了技術(shù)攻關(guān)。

1. 井身結(jié)構(gòu)與定向鉆井適用性評價(jià)及優(yōu)化對策

1.1 井身結(jié)構(gòu)與定向鉆井適用性評價(jià)

順北油田超深中短半徑水平井以四開井身結(jié)構(gòu)為主。根據(jù)桑塔木組是否發(fā)育火成巖侵入體，形成了兩類井身結(jié)構(gòu)，若發(fā)育有火成巖侵入體，則四開定向井眼尺寸為?120.65 mm；若無火成巖侵入體，則四開定向井眼尺寸為?149.2 mm，如圖1所示[5-6]。

?120.65 mm井眼摩阻值較?149.2 mm井眼平均高17%以上，井底循環(huán)溫度較?149.2 mm井眼高10℃以上，儀器故障次數(shù)較?149.2 mm井眼多370%，平均機(jī)械鉆速低36.1%，鉆進(jìn)周期高60.5%。

圖1 順北油田常用四開井身結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化對策

順北油田有侵入體超深井井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案：在各開次井身結(jié)構(gòu)下深不變的前提下，擴(kuò)大各開次的井眼尺寸，將一開井眼由?346.1 mm調(diào)整為?374.65 mm，二開井眼由?250.88 mm調(diào)整為?269.9 mm，三開井眼由?165.1 mm調(diào)整為?190.5 mm，最終將四開定向井眼由?120.65 mm調(diào)整為?143.9 mm，如表1所示。目前該套井身結(jié)構(gòu)方案已推廣應(yīng)用7口井，儀器故障率降低31.4%。

表1 順北油田有侵入體井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

2. 井身剖面與鉆具組合協(xié)同優(yōu)化

2.1 井身剖面優(yōu)化方案

順北油田超深小井眼水平井的設(shè)計(jì)剖面多采用單增剖面，設(shè)計(jì)造斜率(18°～24°)/30 m。該類單增剖面在實(shí)際施工中有一定局限性：①若螺桿鉆具造斜能力不滿足設(shè)計(jì)要求，需更換螺桿鉆具，增加起下鉆次數(shù)；②造斜段與水平段無法有效連續(xù)施工，造斜段所用螺桿鉆具無法用于水平段；③定向井段滑動比例高，井眼曲率大，既影響定向效率，還易造成高摩阻/扭矩[7-8]。

優(yōu)化設(shè)計(jì)思路：針對現(xiàn)有剖面存在的問題，采用“高+低”雙增剖面的軌道設(shè)計(jì)方案，將定向井段調(diào)整為高造斜率井段+低造斜率井段。

該剖面具有以下優(yōu)點(diǎn)：①高造斜率井段設(shè)計(jì)造斜率為(18°～24°)/30 m，設(shè)計(jì)段長為80～120 m，在現(xiàn)有工程條件下，可一趟鉆完成高造斜率井段；②低造斜率井段設(shè)計(jì)造斜率(4°～8°)/30 m，盡量利用地層自然增斜率，提高復(fù)合比例；③保證了造斜段與水平段施工的連續(xù)性，低造斜率井段可根據(jù)工程實(shí)際選用1.25°/1.5°螺桿施工，完成低造斜率井段施工后，繼續(xù)進(jìn)行水平段鉆進(jìn)；④全井段提高復(fù)合比例，降低了平均井眼曲率，有助于降摩減阻。

2.2 基于剖面特征的螺桿優(yōu)選方案

造斜能力是評價(jià)螺桿鉆具工作性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一，也是優(yōu)選螺桿鉆具的主要參照依據(jù)。本文在預(yù)測螺桿造斜率能力時(shí)采用平衡趨勢法評價(jià)螺桿鉆具造斜能力，為優(yōu)選螺桿鉆具提供理論指導(dǎo)。該方法的基本思想為：造斜過程的實(shí)質(zhì)是鉆頭與地層的相互作用并趨于平衡的過程，即當(dāng)鉆進(jìn)趨勢方向與實(shí)際鉆進(jìn)方向相同時(shí)，對應(yīng)的井眼曲率即為螺桿鉆具的造斜率，此時(shí)鉆進(jìn)趨勢角的計(jì)算公式為：

(1)

其中:w1=k11s1+k21s2+k31s3;

w2=k12s1+k22s2+k32s3;

w3=k13s1+k23s2+k33s3;

s1=IbIrcosαf+Ir(1-Ib)cosAafcosαa;

s2=IbIrcosβf+Ir(1-Ib)cosAafcosβa;

s3=IbIrcosγf+Ir(1-Ib)cosAafcosγa。

通過判斷鉆進(jìn)趨勢角與初步給定井眼曲率K值的大小，可逐步歸算出螺桿鉆具的實(shí)際造斜率。

根據(jù)螺桿鉆具造斜能力預(yù)測結(jié)果，結(jié)合各定向井段設(shè)計(jì)要求，螺桿鉆具推薦使用方案為：

(1)在(0°～20°)/30°初始增斜段推薦螺桿彎角2.5°、2.75°，單彎單扶鉆具組合，預(yù)測螺桿鉆具造斜率在(18°～25°)/30 m。

(2)在20°/30°～65°/75°高造斜增斜井段，推薦螺桿彎角范圍為1.75°～2.5°，預(yù)測螺桿鉆具造斜率在(15°～22°)/30 m。

(3)在65°/75°～90°穩(wěn)斜段，推薦螺桿彎曲彎角1.25°、1.5°，其中自然增斜段推薦單彎單扶正鉆具組合、水平段推薦單彎雙扶鉆具組合。

3. 降摩減阻技術(shù)方案

針對順北油田超深小井眼水平井摩阻/扭矩大、軌跡控制難度大的問題，制定了下述降摩減阻技術(shù)方案。

(1)選用聚磺混油鉆井液，利用該鉆井液良好的潤滑性降低摩阻，建議含油量在8%以上。

(2)把控混油時(shí)間，建議在滑動定向鉆進(jìn)前2～4 h適當(dāng)提高混油比例，建議提高幅度1%～2%，具體需根據(jù)實(shí)鉆摩阻情況調(diào)整，以進(jìn)一步降低滑動鉆進(jìn)時(shí)摩阻值。

(3)采用不帶穩(wěn)定器的簡化柔性鉆具組合，減小鉆具與井壁的接觸面積，以降低摩阻。

4. 高溫隨鉆測量技術(shù)配套方案

4.1 順北超深小井眼水平井井筒溫度場分布規(guī)律

利用井筒溫度場計(jì)算模型分析了井底循環(huán)溫度與循環(huán)時(shí)間、排量的關(guān)系計(jì)算結(jié)果表明：

(1)?143.9 mm井眼循環(huán)降溫幅度12℃～18℃，?149.2 mm井眼循環(huán)降溫幅度15℃～20℃，與實(shí)測數(shù)據(jù)基本一致。

(2)在井底循環(huán)時(shí)間超過2 h后，井筒內(nèi)循環(huán)溫度趨于穩(wěn)定。

(3)提高排量有助于強(qiáng)化循環(huán)降溫效果，每提高1L/s的循環(huán)排量可提高降溫效果2℃～3℃。

4.2 提高儀器可靠性的儀器優(yōu)選及循環(huán)降溫技術(shù)措施

基于上述分析結(jié)果，制定了提高儀器可靠性的儀器優(yōu)選及降溫技術(shù)措施：

(1)地層靜止溫度<175℃且循環(huán)溫度<165℃，推薦使用APS-Sureshot和貝克休斯-NaviTrak的高溫儀器。

(2)地層靜止溫度>175℃且循環(huán)溫度>165℃，建議引進(jìn)耐200℃高溫MWD儀器。

(3)建議下鉆出套管50～100 m進(jìn)行循環(huán)降溫，建議循環(huán)降溫排量較鉆進(jìn)排量提1～2 L/s，循環(huán)時(shí)間不低于1 h。

4.3 降低儀器誤碼率的配套技術(shù)措施

針對順北油田使用率較高的APS高溫隨鉆測量儀器，制定了提高儀器準(zhǔn)確率的配套技術(shù)措施：

(1)建議將儀器閥頭間隙調(diào)小一個(gè)等級，調(diào)整后脈沖幅值在0.7 MPa以上，誤碼率低于7%，壓耗增加在0.5 MPa以內(nèi)。

(2)?120.65 mm井眼推薦間隙尺寸0.027～0.034 mm，?143.9 mm井眼推薦間隙尺寸0.030～0.036 mm，?149.2 mm井眼推薦間隙尺寸0.030～0.038 mm。

三、現(xiàn)場應(yīng)用分析

上述研究形成的順北油田超深小井眼水平井定向鉆井集成方案在順北X-8H井(四開井眼尺寸?149.2 mm)和順北X-O7H井(四開井眼尺寸?143.9 mm)等井開展了現(xiàn)場應(yīng)用，取得了顯著的提速效果。

1. 順北X-8H-四開井眼尺寸?149.2 mm

1.1 基本情況

SBX-8H井是西北油田分公司部署在塔里木盆地順托果勒低隆北緣的一口四開結(jié)構(gòu)短半徑水平井，設(shè)計(jì)造斜點(diǎn)7 475 m，設(shè)計(jì)完鉆井深7 814.14 m，該井采用四開井身結(jié)構(gòu)，四開井眼尺寸為?149.2 mm。

1.2 試驗(yàn)效果

井身剖面優(yōu)化：順北X-8H井實(shí)際完鉆井深7 844.48 m，入靶井深7 818.21 m，靶心距僅0.59 m，采用“高+低”雙增剖面，不僅可提高機(jī)械鉆速，還有助于提高軌跡控制精度。

鉆具組合優(yōu)選：該井高造斜率井段為7 475～7 575 m，井斜變化3°～78°，使用單彎單扶螺桿鉆具，螺桿彎角為2.5°，實(shí)鉆造斜率24.3°/30 m。該段使用2趟鉆，較鄰井平均減少1.8趟，平均機(jī)械鉆速2.73 m/h，較鄰井平均提高68.55%，平均鉆進(jìn)周期6.65 d，較鄰井平均縮短36%。低造斜率井段和水平段井段為7 575～7 816.42 m，井斜變化78°～90°，使用單彎雙扶螺桿鉆具，螺桿彎角為1.5°。該段使用1趟鉆，較鄰井平均減少3.1趟，平均機(jī)械鉆速4 m/h，較鄰井平均提高7.22%，平均鉆進(jìn)周期6.69 d，較鄰井平均縮短60%。

高溫儀器配套：四開井段循環(huán)排量為15～17 L/s，井底循環(huán)溫度約為150℃～155℃。配套選用APS抗175℃高溫儀器，配套強(qiáng)制解碼工具箱，閥頭間隙調(diào)整尺寸為0.034 mm，高溫儀器工作正常，無故障。

降摩減阻技術(shù)方案：選用聚磺混油鉆井液，平均混油比例量為8%；滑動定向鉆進(jìn)前2 h將混油比例提高到10%，四開滑動定向鉆進(jìn)摩阻在15 t以內(nèi)。

試驗(yàn)效果：該井平均鉆速3.43 m/h，較鄰井提高21.2%，四開鉆進(jìn)周期11.91 d，較鄰井縮短44.99%。

2. 順北X-O7H-四開井眼尺寸?143.9 mm

2.1 基本情況

順北X-O7H井是西北油田分公司部署在塔里木盆地順托果勒低隆北緣的一口四開結(jié)構(gòu)短半徑水平井，設(shè)計(jì)造斜點(diǎn)7 695 m，設(shè)計(jì)完鉆井深8 413.91 m，該井采用四開井身結(jié)構(gòu)，四開井眼尺寸為?143.9 mm。

2.2 試驗(yàn)效果

井身剖面優(yōu)化：順北X-O7H采用“高+低”雙增剖面，高造斜率井段7 695～7 813 m，實(shí)鉆造斜率為(18°～20°)/30 m；低造斜率井段7 813～7 853 m，實(shí)鉆造斜率為(6°～8°)/30 m，較鄰井定向進(jìn)尺減少9.3%。

鉆具組合優(yōu)選：該井高造斜率井段使用2.25°單彎單扶螺桿鉆具；低造斜率井段和水平段井段使用1.5°單彎雙扶螺桿鉆具，整體較鄰井平均減少1.1趟。

高溫儀器配套：四開井段循環(huán)排量為12～14 L/s，井底循環(huán)溫度約為155℃～160℃。配套選用APS抗175℃高溫儀器，配套強(qiáng)制解碼工具箱，閥頭間隙調(diào)整尺寸為0.032 mm，高溫儀器工作正常，無故障。

降摩減阻技術(shù)方案：選用聚磺混油鉆井液，平均混油比例量為9%；滑動定向鉆進(jìn)前2 h將混油比例提高到11%，四開滑動定向鉆進(jìn)摩阻在17 t以內(nèi)。

試驗(yàn)效果：該井平均機(jī)械鉆速2.93 m/h，較鄰井提高11.4%。

四、結(jié)論

(1)通過評價(jià)現(xiàn)有井身結(jié)構(gòu)與定向鉆井的適用性，明確了井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)影響軌跡控制的主控因素-四開定向井眼尺寸；給出了綜合考慮地層特征(含侵入體)與定向施工特點(diǎn)的井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。

(2)協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)了井身剖面和鉆具組合，采用“高+低”雙增剖面，可充分利用地層自然增斜率，實(shí)現(xiàn)既提高復(fù)合比例，又減少因造斜率與螺桿鉆具不匹配造成的額外起下鉆。

(3)超深小井眼短半徑水平井施工過程中仍存在缺乏具有自主產(chǎn)權(quán)的高溫配套設(shè)備，四開定向井段仍有進(jìn)一步提速空間，水平段鉆進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)評估技術(shù)體系不完善等問題，建議開展持續(xù)的技術(shù)攻關(guān)。