短半徑水平井鉆井技術研究及應用——以哈薩克斯坦Konys油田為例

2015-04-02 01:24:56張曉明

長江大學學報(自科版) 2015年11期

張曉明

長江大學研究生院，湖北荊州４３４０２３（中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營）

套管開窗側鉆短半徑水平井集開窗側鉆井技術、短半徑水平井技術和小井眼鉆井技術的優越性于一體，具有有效預防復雜層位引起的井下復雜情況，可有效縮短鉆井總進尺，較小的靶前距有效提高靶前認識程度等優點［1］。基于以上優點，哈薩克斯坦Konys油田充分利用原井眼進行側鉆，擴大資源動用規模，提高采出程度，減少投資，提高效益。

1 油藏概述

哈薩克斯坦Konys油田發現于1985年，1997年正式投入工業開發，當前綜合含水率在37%左右。位于南圖爾蓋盆地南部阿雷斯庫姆坳陷，具有斷坳地質結構，屬于加里東期和海西期褶皺帶結合部，是由前古生界和下古生界的褶皺基底、侏羅系斷陷和白堊系坳陷等3個構造層組成。Konys油田2個主力油層埋深約950～1300m 左右，為帶氣頂和邊水的層狀構造飽和油藏，其中M－Ⅱ是一套低伽馬、高電阻砂巖層，層厚約10～20m，以巖屑砂巖、石英砂巖為主；另一套主力生產層J－0－1和J－0－2多為1～2m 薄互層，以褐色致密塊狀石英長石泥質粉砂巖為主［2］。K－190S井主要目的層為下白堊統下達烏爾組的M－Ⅱ層，該產層帶氣頂，為氣頂邊水砂巖油藏，產油層位于油環內。

2 短半徑水平井鉆井技術難點分析

2．1 井身軌跡設計影響因素多、軌跡預測難度大

該井設計為?139．7mm 套管開窗側鉆水平井，側鉆后初始造斜，儀器會受到磁干擾，影響測量方位的準確性；定向段設計造斜率24．3°／30m，高造斜率條件下，考慮井下工具造斜能力及工具、鉆具強度的安全性和隨鉆儀器工作穩定性［3］，防止發生彎曲損壞情況。

2．2 井身軌跡控制難度大

由于地層巖性復雜，增斜段造斜率高（24．3°／30m），軌跡控制幾乎沒有可調整井段；全井段為小井眼（?120mm）鉆進，?73mm 鉆桿柔性大，鉆壓傳遞十分困難，定向施工過程中工具面可控性差，很難調整到位且容易偏移，加之隨鉆測斜數據存在滯后問題，螺桿初期造斜規律不易掌握［4］，給定向鉆進時井身軌跡控制帶來困難。

2．3 鉆具尺寸與井眼環空間隙小，泵壓高

小井眼由于環空間隙小，鉆具組合水眼小、循環壓耗大，循環系統（鉆井泵、高壓管匯、水龍帶、立管管匯）長期在極限工況下工作，安全隱患加大［5］；鉆具尺寸小，柔性強，易黏附于井壁造成黏附卡鉆。

2．4 井眼尺寸小，裸眼井段較長、攜砂困難，易形成巖屑床

井眼尺寸小，排量受制于機泵和高壓管線的條件，不能很好地滿足攜砂能力。隨著井斜角和水平位移的增加，巖屑的徑向下滑速度逐漸增加，趨向于井壁低邊。當鉆至井斜角為30～90°時，由于鉆井液攜帶效率下降會導致巖屑床形成，在重力和逆壓差作用下巖屑床沿井眼向下滑移［6］。因此為了安全鉆井，要求鉆井液具有良好的攜砂能力，同時具有良好的流動性以滿足潤滑性方面的需要。

3 鉆井技術措施

3．1 井身軌跡優化設計和預測技術

井身軌跡的設計難點在于定向井段造斜率高、可控井段短、井眼直徑小等，其優化設計是短半徑水平井技術的重要組成部分［7］。K－190S井身軌跡優化前后數據對比見表1和表2，通過對比數據可看出，井身軌跡優化設計的優點在于：①側鉆出窗口后預留25m 的穩斜井段，避開套管磁干擾；②設計初始狗腿度由18°／30m 調整至24．3°／30m，使靶前位移由100．84m 增至214．53m，即進A 靶前增加近80m穩斜段，降低了由于動力鉆具和地層變化帶來的造斜率變化的風險，提高中靶的精確度和地質找油的準確性。軌跡預測技術［8］是根據當前的鉆具組合、最新的測斜數據以及測斜零長的施工記錄，準確對當前井斜方位進行預測。K－190S 井采用Compass 軟件進行軌跡的預測和計算，實現了井身軌跡的準確入靶。

表1 原設計井身軌跡數據表

表2 優化后井身軌跡數據表

3．2 井身軌跡控制技術

短半徑水平井側鉆后的井身軌跡控制，主要依靠井下動力鉆具配合隨鉆測量系統（MWD／LWD）測量儀器完成。具體措施主要包括以下幾方面［9］：

1）根據鉆進井段的實際造斜率情況，合理調整螺桿彎度，確保實現預定的造斜率。斜井段選用高度數單彎螺桿，以避免出現前期井斜小，工具面不穩造成的造斜率過低于螺桿理論造斜率；水平段采取復合鉆進與滑動鉆進相結合的鉆進方式，選用低度數單彎螺桿，降低扭矩。

2）根據井身軌跡設計及地層需要，合理選擇測量工具（MWD／LWD），實時跟蹤地層變化，做到軌跡及時控制、及時調整，保證實鉆軌跡在最佳的油層位置穿行。

3）為保證大井斜角下鉆壓的有效傳遞，當井斜角大于30°時，采用柔性倒裝鉆具組合，并隨著增斜井段的增加，不斷補充增斜井眼內的斜坡鉆桿長度，使加重鉆桿始終處于直井段的套管內，以減少鉆柱摩阻，保證鉆壓的有效傳遞。

3．3 摩阻扭矩分析技術

短半徑水平井與常規中長半徑水平井相比，曲率變化大，鉆具在上提下放及旋轉和滑動鉆進過程中，其扭矩和摩阻大，對鉆井產生不利影響。因此，短半徑水平井鉆井如何充分的估算和減少摩阻扭矩是設計和施工應考慮的重要問題之一［10］。施工過程中，利用先進的Landmark軟件實時計算井眼軌道摩阻扭矩，及時掌握和監測造斜井段小尺寸鉆桿屈曲狀況，對不同井段、不同地層情況，有針對性地調整鉆進參數、鉆井液性能，避免鉆柱的 “自鎖”。

3．4 MWD＋伽馬地質導向技術

MWD＋伽馬地質導向技術是MWD 無線隨鉆儀在井眼井斜、方位、工具等定向參數測量的基礎上，加以應用自然伽馬地層參數測量功能［11］。地質人員利用測量的地層自然伽馬值及時分析地層巖性變化，進行地層對比，指導定向工程師軌跡調整，為地質決策提供科學參考。

3．5 安全鉆井技術

側鉆短半徑水平井鉆井的主要風險是鉆具黏卡、井底落物等復雜問題。為此，要做好以下幾方面工作：

1）嚴格控制造斜鉆具的下鉆速度，防止損壞螺桿和鉆頭。

2）隨著水平位移的增大，巖屑床的堆積越來越嚴重，因此鉆井中要進行劃眼和及時短程起下鉆［12］。在水平段施工中，每鉆進一個單根應及時進行劃眼，以保持井壁光滑；每鉆進40～50m，進行一次短程起下鉆，一旦發現上提下放困難，立即開泵循環，直至正常。

3）定向鉆進時，出現脫壓、鉆壓不回情況時及時活動鉆具，防止黏卡。

4）控制牙輪鉆頭的使用壽命，單牙輪鉆頭在高轉速、高造斜率和側向力的工況下，鉆頭會磨損嚴重，牙輪軸承先期磨損。在實際施工中，根據地層巖性、機械鉆速等因素綜合分析，防止出現鉆頭零件掉井事故發生［13］。

4 現場施工過程

4．1 開窗段

鉆具組合：XZ－118銑錐＋?105mm 鉆鋌×18．31m＋轉換接頭＋?73mm 鉆桿。

鉆井參數：保持在5～10kN 內以確保蹩跳不嚴重為宜；磨銑鉆進1m 左右操作平穩后，可加壓至20～50kN，排量10～15L／s。

選擇斜向器銑錐磨銑開窗，一次性開窗成功，開窗井段為1160～1164m。開窗完成后，下入直螺桿復合鉆進至1185m，使套管與新井眼間夾壁墻增厚，為下一步定向鉆進提供保障。

4．2 斜井段

鉆具組合：?120mm 單牙輪鉆頭＋?95mm （1．22～2．44°）動力鉆具＋?105mm 回壓閥＋?105mm座鍵接頭＋?105mm 鈹銅＋?73mm 鉆桿×100～400m＋?105mm 鉆鋌×4 根＋?73mm鉆桿。

滑動鉆進參數：鉆壓20～30kN，排量10～13L／s，泵壓13～16MPa。

旋轉鉆進參數：鉆壓5～15kN，排量10～13L／s，泵壓13～16MPa。

鉆井液性能：密度1．11～1．12g／cm3，漏斗黏度45～52s，失水量4．0mL／30min，含砂質量分數0．2%～0．3%。

斜井段從1185m 開始定向鉆進，初始選用2．44°單彎馬達，在控制好井身軌跡的情況下，避免局部狗腿度過大，降低了下步作業的施工風險。隨著井斜角的增大，狗腿度也隨之增大，避免出現連續的高狗腿度，后續依次選用2、1．22°單彎馬達滑動鉆進。鉆進至井深1413m，井斜85．2°，開始復合鉆進，掌握復合鉆進趨勢（1～3°／30m 增斜），及時對井身軌跡數據進行計算處理，按預測指導實際施工。通過預測復合鉆進可以滿足中A 靶需要，因此控制鉆進參數復合鉆進至A 靶。

4．3 水平段

鉆具組合：?120mm 單牙輪鉆頭＋?95mm （1．22°）動力鉆具＋?105mm 回壓閥＋?105mm 座鍵接頭＋?95mm 無磁鉆鋌＋?73mm 鉆桿×400m＋?105mm 鉆鋌×4根＋?73mm 鉆桿。

滑動鉆進參數：鉆壓20～30kN，排量9～10L／s，泵壓15～16MPa。旋轉鉆進參數：鉆壓5～15kN，排量9～10L／s，泵壓15～16MPa。

鉆井液性能：密度1．12g／cm3，漏斗黏度45～52s，失水量4．0mL／30min，含砂質量分數0．2%。

進入水平段后，復合鉆進井斜1～3°／30m 增斜，方位前期右漂，后期左漂。實鉆數據顯示，該鉆具組合的造斜能力較高，每個單根定向鉆進3～4m，造斜率達到4～5°／30m。采取復合與滑動相結合的鉆進方式，適當控制鉆壓，增加劃眼次數，以放緩井斜增長。

4．4 技術應用效果評價

K－190S井通過應用套管開窗側鉆短半徑水平井鉆井工藝技術，大大提高了鉆井效率，恢復了老井的產能，獲得了良好的效益。為后續老井開發提供了寶貴的借鑒經驗。從K－190S井高效、高質完鉆來看，各項技術取得了良好的效果，主要表現在以下幾方面：①K－190S井設計最大造斜率在24．3°／30m，實鉆造斜率在25．41～30．42°／30m 之間，與前期同類型井相比，采取高造斜率，入A 靶前設計一段穩斜段避免了因地層變化造成的造斜率失常和提高了地質找油的準確性。②短半徑水平井軌跡控制精度。由于K－190S井造斜率高，且存在11～12m 的儀器零長，實鉆中稍有疏忽可能會影響后續工作的被動，嚴重導致填井，因此實鉆中不僅要求軌跡準確中靶，同時也要求井身軌跡盡可能光滑。K－190S井實鉆軌跡光滑順暢，軌跡精確中靶，完成技術指標如表3所示。