劉鵬飛 王昆劍 李 進(jìn) 劉漢杰 龔 寧
(中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司海洋石油高效開發(fā)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(gè)亞類,由一個(gè)水平段主井眼和其左右兩邊分散呈“魚骨型”對(duì)稱分布的多個(gè)分支井眼組成[1-4]。魚骨型水平分支井同時(shí)具有水平井和分支井的技術(shù)優(yōu)勢(shì),如擴(kuò)大泄油面積、提高單井產(chǎn)能、實(shí)現(xiàn)少井高產(chǎn)和提高油田采收率等。同時(shí)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(yàn)成功,目前處于規(guī)模化推廣應(yīng)用階段[1]。
渤海油田勘探開發(fā)至今,部分老油田逐漸進(jìn)入開發(fā)中后期,因儲(chǔ)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(shí)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(diǎn)。本文以認(rèn)識(shí)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(shí)施難點(diǎn)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。
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(yíng)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(diǎn),含油面積內(nèi)不發(fā)育斷層。東營(yíng)組Ⅱ油組為帶氣頂?shù)膶訝顦?gòu)造邊水油藏,儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)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(rèn)為,東營(yíng)組Ⅱ油組實(shí)施魚骨型水平分支井主要存在4個(gè)難點(diǎn)。
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(dá)12°/30 m,但缺乏實(shí)鉆案例和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),實(shí)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(shí)施的重點(diǎn)和難點(diǎn)。
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(shí),為了防止生產(chǎn)過程中出砂,設(shè)計(jì)在主井眼下入防砂篩管。保障篩管能順利進(jìn)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(xiǎn)。
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(duì)鉆井液的井眼清潔、潤(rùn)滑防卡、攜巖洗井、降低摩阻和扭矩及儲(chǔ)層保護(hù)性能提出了較高的要求。
魚骨型水平分支井鉆進(jìn)方式分為前進(jìn)式、后退式2種[1-2]。前進(jìn)式鉆進(jìn)(圖1)的主要步驟包括:①鉆進(jìn)至著陸點(diǎn)a,然后下套管進(jìn)行固井作業(yè);②下一開次鉆進(jìn)至第一個(gè)側(cè)鉆點(diǎn)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(hù)儲(chǔ)層;④隨后鉆進(jìn)至c—e井段至第2個(gè)側(cè)鉆點(diǎn)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(hù)儲(chǔ)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(jìn)作業(yè),最后再鉆進(jìn)至點(diǎn)b,完成整個(gè)魚骨型水平分支井的鉆進(jìn)作業(yè)。后退式鉆進(jìn)方式與前進(jìn)式鉆進(jìn)方式作業(yè)順序相反,首先鉆進(jìn)至主井眼點(diǎn)b,然后依次實(shí)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(rèn)為,前進(jìn)式鉆進(jìn)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(jìn)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(jì)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(jìn)式鉆進(jìn)方式。
裸眼懸空側(cè)鉆主井眼需按照劃槽作業(yè)、造臺(tái)階作業(yè)和控時(shí)側(cè)鉆步驟進(jìn)行。劃槽作業(yè)的目的是為了在側(cè)鉆主井眼前造臺(tái)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(dòng)幅度變小、肋板轉(zhuǎn)速變快,說明井眼已擴(kuò)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(shí)側(cè)鉆過程中,觀察近鉆頭的井斜變化,實(shí)時(shí)調(diào)整側(cè)鉆速度和井段長(zhǎng)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(rèn)為側(cè)鉆完成,同時(shí)根據(jù)實(shí)鉆造斜率情況靈活調(diào)整指令和鉆井參數(shù),每鉆進(jìn)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(jìn)前,首先進(jìn)行造“駝峰”作業(yè),作業(yè)過程中要根據(jù)實(shí)鉆造斜率調(diào)整指令和鉆井參數(shù)以保障增斜率。“駝峰”效果直接影響主井眼和分支井眼夾壁墻的穩(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(xiǎn)越小。
鉆進(jìn)過程中往往需要通過多次起下鉆來達(dá)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(shí)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(xiǎn),一旦發(fā)生遇阻,則應(yīng)參照原鉆進(jìn)時(shí)的深度,使用原鉆進(jìn)指令,嘗試用中低參數(shù)劃眼下鉆,下放速度高于原鉆進(jìn)速度,預(yù)防新井眼的出現(xiàn)。
為了保障高造斜率并打造“駝峰”,首先在設(shè)計(jì)階段應(yīng)預(yù)留足段長(zhǎng)的主分支井眼分離點(diǎn),選用可監(jiān)測(cè)近鉆頭測(cè)斜工具,實(shí)鉆過程中通過加密測(cè)斜等方法掌握工具狀態(tài),從而實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)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(gè)獨(dú)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(shí)通過增大接觸面積消除點(diǎn)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(shí),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(shí)鉆過程中的造斜率同時(shí)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(jì),可降低鉆頭扭矩,提高鉆頭攻擊性,同時(shí)采用主動(dòng)規(guī)徑設(shè)計(jì),增強(qiáng)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
為了滿足魚骨型水平分支井特殊施工工藝對(duì)鉆井液性能的要求,采用具有渤海油田特色的EZFLOW無固相儲(chǔ)層鉆井液體系。該鉆井液體系是一種可逆弱凝膠體系,儲(chǔ)層保護(hù)性能良好;特殊結(jié)構(gòu)形成的單向、強(qiáng)封堵、反向易膨脹濾餅具有薄而韌的特點(diǎn),可在確保井壁穩(wěn)定性的同時(shí),有效阻止流體進(jìn)入地層,避免長(zhǎng)時(shí)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(dòng)塑比高、靜態(tài)懸砂和動(dòng)態(tài)攜砂能力強(qiáng)的特點(diǎn)。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(chǎng)應(yīng)用時(shí),通過鉆井液性能維護(hù)而適當(dāng)?shù)靥岣咴鲳ぬ崆袆┡浔龋沟勉@井動(dòng)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(jìn)過程中持續(xù)補(bǔ)充因固控消耗的超細(xì)碳酸鈣,以確保鉆井液良好的封堵能力,從而達(dá)到穩(wěn)定井壁、確保篩管順利到位的目的。
按照X3H2井和X4H1井設(shè)計(jì),主井眼需下入機(jī)械防砂篩管實(shí)現(xiàn)防砂完井。因此,保障篩管順利進(jìn)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(jì)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(jì)。
以X4H1井為例。X4H1井設(shè)計(jì)2個(gè)分支井眼,分別為X4H1Ma和X4H1Mb,分支側(cè)鉆點(diǎn)位置的實(shí)鉆井眼軌跡見表1,分支井眼側(cè)鉆點(diǎn)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(huì)貼著垂深更深的主井眼下入,同時(shí)分支井眼的方位角和狗腿度也能有效避免篩管進(jìn)入分支井眼。因此,井身軌跡設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)將主井眼軌跡設(shè)計(jì)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(jì),防止篩管進(jìn)入分支井眼。此外,為了保障實(shí)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(diǎn)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(jì)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(shí)鉆階段,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)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
X4H1井身設(shè)計(jì)軌跡與實(shí)鉆參數(shù)見表2,三開主井眼和2個(gè)分支井眼均采用215.9 mm裸眼完鉆,實(shí)鉆主井眼進(jìn)尺273 m,實(shí)鉆分支井眼X4H1Ma和X4H1Mb進(jìn)尺分別為171 m和51 m,主井眼下入168.275 mm機(jī)械防砂篩管完井,2個(gè)分支井眼采用裸眼完井。
表2 X4H1井身設(shè)計(jì)軌跡與實(shí)鉆參數(shù)對(duì)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(cè)模型[21-22]。預(yù)測(cè)結(jié)果表明,在相同壓差條件下,魚骨型分支井與單個(gè)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(shí)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(jì)增油15 208.22 m3,增油效果顯著,同時(shí)有效節(jié)省了平臺(tái)槽口。
由此可見,魚骨型分支井可以有效增大儲(chǔ)層滲流面積;與壓裂裂縫相比,由于分支井眼尺寸遠(yuǎn)大于裂縫尺寸,因此導(dǎo)流能力更高、流動(dòng)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(jì)而鉆遇多個(gè)“甜點(diǎn)”,這也是魚骨型分支井能夠大幅提高產(chǎn)量的關(guān)鍵。
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(diǎn),深入分析了魚骨型水平分支井鉆完井實(shí)施技術(shù)難點(diǎn),研究形成了分支井鉆進(jìn)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(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),有效保障了現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的順利實(shí)施。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明,魚骨型水平分支井可有效提高單井產(chǎn)能、實(shí)現(xiàn)少井、高產(chǎn)的目的,同時(shí)可高效利用主井眼井筒,節(jié)省平臺(tái)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。