空心斜向器開窗和定方位射孔技術在水下分支井中的應用

蘇峰

(長江大學石油工程學院，湖北武漢430100 中海石油(中國)有限公司深圳分公司深水工程技術中心，廣東深圳 518067)

姚志奇

(中石油渤海鉆探工程有限公司第一鉆井工程分公司，天津 300280)

謝新榮

(渤海鉆探鉆井泥漿技術服務公司，天津 300280)

多分支井是指在一個主井眼底部側鉆2個或更多進入儲層的分支井眼(包括定向井、水平井或波浪式分支井)，從而可以在1個主井內開采多個油氣層，實現1井多靶和立體開采[1]。自20世紀30年代美國加州鉆成幾米長的完全水平分支井筒以來，經過80多年的發展，多分支井技術正逐步成為降低鉆井成本，提高油田綜合開發效益的重要技術手段[2]。

近年來，隨著人們對海洋環境的日益關注和追求更高的投資回報, 多分支井技術在海洋油氣勘探開發過程中, 正扮演著越來越重要的角色[3]。結合南海珠江口LH4-1油田油藏地質情況及原油物性特點，在國內海上油田開發中首次設計并完成了LH4-1油田的AxM水下雙分支井鉆井及空心斜向器的定方位射孔作業，實現了分支井完井工藝設計要求的主支和分支的單獨生產且對分支含水率變化實時監測，相關設計方法和作業經驗可為水下雙分支井技術在我國海上油田的推廣及應用提供理論依據和技術借鑒。

1 LH4-1油田開發背景和鉆井技術難點

LH4-1油田是20世紀80年代外方作業者勘探發現的一個礁灰巖邊際油田，該油田位于中國南海珠江口盆地中央隆起帶，距香港約215km，油田井口海域水深約268m，油層埋深淺(海床以下1252～1290m)。

LH4-1油田是國內首個采用深水模式自營開發的海上油田，其鉆井技術難點主要為以下幾點：水平井井身結構設計在?17in井眼段開路循環時，設計造斜點淺(海床以下100～120m)，初始造斜率要求高且需連續高造斜率造斜；?12in井眼段二次造斜率要求高(3.5～4.5°/30m)，連續高造斜率造斜，軌跡緊湊，調整空間小，地質著陸難度高，井眼軌跡控制困難。

2 LH4-1雙分支井井身結構優化設計

2.1 井身結構設計與開窗方案選擇

2.1.1井身結構設計

依據南海東部海域和流花區域鉆井經驗及LH4-1油田地質條件，LH4-1油田開發井的井身結構設計如下：?36in井眼×?30in套管+?18in井眼×?17in套管+?13in套管+?12in井眼×?9in套管+?8in井眼(裸眼)。

2.1.2開窗方案選擇

1)開窗位置比選 根據LH4-1油田開發井的井身結構設計，分支井開窗位置可以選擇在?13in套管內或?9in套管內，2種方案對比：①?13in套管內開窗，優點是開窗位置高，造斜要求較低，利于井眼軌跡控制及降低地質著陸風險；缺點是一方面需切割回收?9in套管及密封總成等，增加作業工期；另一方面開窗位置距海床較近，地層破裂強度較低，井控安全的風險較高。②?9in套管內開窗，優點是工期較短，開窗位置地層破裂強度較高，井控安全的風險較低；缺點是一方面開窗位置低，連續造斜要求高，不利于井眼軌跡控制及地質著陸難度高，另一方面開窗點深度可調整范圍小，空心斜向器坐掛要求高，一旦失敗將導致分支井方案無法實現。

鑒于井控安全風險控制及經濟性考慮，同時借鑒流花區塊定向鉆井經驗，LH4-1油田AxM井在水平分支井的設計在?9in套管內開窗，AxMa井身結構：?36in井眼×?30in套管+?17in井眼×?13in套管+?12in井眼×?9in套管+?8in井眼(裸眼)；AxMb井身結構：?9in套管開窗鉆+?8in井眼×?7in套管+?6in井眼(裸眼)。

圖1 正高邊開窗射孔效果示意圖

2)開窗點深度選擇 為滿足完井電泵完井管柱下深需要，要求AxMb?7in尾管懸掛器頂深在850m以下，同時給開窗后造斜盡量預留進尺空間，根據?9in套管實測接箍深度，窗口位置選擇969～975m，備選窗口位置981～987m。作業過程中由于空心斜向器無法在969m位置實現坐掛，實際開窗點深度981m，窗口段為981～987m。

3)空心斜向器坐掛方位選定 為保證空心斜向器定方位射孔精度要求，通常選定斜向器坐掛方位為低邊0°角以實現正高邊開窗(圖1)，其主要優點：①正高邊開窗可以使射孔后孔徑最大化，因為射孔槍與斜向器壓力盤之間的距離最短，且兩者之間的流道最小；②由于重力的原因，尾管與斜向器壓力盤最接近；③斜向器壓力盤的射孔段最大。

采用MWD測量空心斜向器方位，選定斜向器坐掛方位為右高邊0～5°，AxM井空心斜向器實際坐掛方位右高邊2.35°。

2.2 剖面設計

LH4-1油田AxM井井身剖面由“直井段-造斜段-水平段”組成，主要難點是AxMb開窗后造斜率要求高，達4.3°/30m，井身軌跡控制難度大。剖面設計數據詳見表1和表2。

表1 AxMa井井身剖面設計數據

表2 AxMb井井身剖面設計數據

3 LH4-1 AxM水下雙分支井技術難點及應用

3.1 分支井交叉連接處的處理工藝

多分支井的技術關鍵主要集中在分支井眼與主井眼的分支接口處，其技術水平主要體現在接口支撐、接口密封及支井重入3個方面。接口支撐是指各分支井眼的完井管柱都要和主井眼的套管相連接其連接處要具有機械上的整體性以解決井壁穩定和儲層出砂等問題[4～6]。

AxM井選用了一趟鉆空心斜向器系統，該系統提供了一個全井固井，分支井全尺寸、可通過的4級多分支井技術系統(圖2)。 其主要特點：①它通過整合已經實踐證明的快速開窗磨銑系統來實現一趟鉆定向斜向器，坐掛、磨銑窗口和鉆裸眼口袋；②在窗口磨銑完畢，分支井完鉆，在分支井中下入常規的尾管后固井，并在主井眼窗口以上位置坐掛，然后通過低側定方位射孔技術將尾管和斜向器壓力盤射開，從而打通主井眼和分支井，或者根據新井眼需要與主井眼暫時封隔的考慮，推遲射孔；③一趟鉆空心斜向器套管開窗系統是一種簡單、低風險的4級分支井技術方案，由于其一趟鉆完成任務的能力，大大縮短鉆機時間，節省成本，并且不需要其他昂貴的處理分支井接點的工具(圖3)。

圖2 四級完井示意圖 圖3 空心斜向器分支井示意圖

圖4 AxM空心斜向器坐掛位置圖

AxM井選用一趟鉆空心斜向器系統作為分支井鉆完井的關鍵技術，主要基于以下幾點原因：①該系統在南海東部海域的西江油田、惠州油田的側鉆井作業中已應用17套，均選擇在?9in套管內開窗；②該系統不需要動用處理分支井接點的工具，可以節省作業工期及工具費用。AxM井空心斜向器實際坐掛位置如圖4所示。

AxM井分支井接點處理的密封主要使用水泥封固技術，機械支撐由空心斜向器、?7in套管提供，不考慮支井重入。水泥封固在海上油田開發中技術比較成熟，風險控制難度較低，主要風險是空心斜向器與?7in套管環空的水泥環在對空心斜向器射孔作業時可能遭破壞，水泥碎塊可能堵塞射孔孔眼而影響支井井眼連通性。

3.2 定向鉆具組合選擇與井眼軌跡控制

分支井技術應用的優點之一是通過開窗側鉆、裸眼側鉆等技術盡量利用原井眼進尺，減少總進尺以節省鉆井工期和費用。因此側鉆分支井眼的造斜率要求相對較高，井身軌跡控制難度也相應增大[7,8]。

LH4-1油田儲層埋深淺，進尺空間緊；儲層巖性為灰巖，上部非儲層段地層壓實程度低，膠結性差，造斜難度高；灰巖頂深度變化導致目的層位置不明確，著陸前連續造斜要求高，井眼軌跡控制難度大。AxMb分支設計造斜率4°/30m，開窗作業后造斜率要求高達4.5°/30m。

綜合LH4-1油田地層特征及定向造斜工具實際效果情況評估，旋轉導向工具不能保證滿足連續造斜率要求，一旦失敗將導致分支井作業無法實施。為降低作業風險，決定選用造斜能力較強的馬達組合實施開窗作業及鉆上部井段，同時在上部井眼段適當提高造斜率，以降低下部井眼段的軌跡控制壓力，根據馬達組合鉆進效率情況再更換為旋轉導向鉆具組合。

3.3 空心斜向器定方位精確射孔

空心斜向器射孔采用定方位射孔技術，是技術難度高、工藝要求嚴格的綜合性技術。它由定方位射孔系統(油管傳輸)、陀螺測斜系統(電纜測井)、地面采集與控制系統組成。定方位射孔系統針對特定對象專門設計各項技術參數，經過仿真計算，地面模擬試驗確定射孔參數，具有射孔方位要求高、射孔深度要求準、射孔穿深及射孔孔徑等參數嚴格、施工工藝復雜等特點[9,10]。

AxM井空心斜向器開窗及定方位射孔是國內海上油田首個水下雙分支井應用項目，已使用的空心斜向器均是在海上導管架上進行作業，其定方位射孔作業不需考慮浮式平臺升沉對射孔作業的影響。AxM井空心斜向器射孔作業中使用了在測試作業中的可調懸掛器(圖5)坐在水下井口抗磨補心內，消除平臺升沉對射孔深度的影響。

AxM井空心斜向器定方位射孔作業采用油管傳輸TCP射孔方式，采用電測伽馬校深和電測陀螺定方位技術，射孔槍和射孔彈選用空心斜向器廠家推薦標準配置，它與歐文合作研發的該型號射孔彈，有多次地面試驗和現場的成功應用。具體參數：?3in射孔槍，長3.66m，孔密4孔/ft(1ft=0.3048m)，0°相位角，裝彈槍長度為2.44m；射孔彈為歐文超穿深射孔彈HMX，穿深17～20in，孔徑為0.335～0.347in，總流動面積2.88in2(18.56cm2)。射孔時射孔槍高邊與空心斜向器高邊相差1.86°，小于設計要求的±5°，空心斜向器射孔前后井筒漏失量相差2bbls/h(0.318m3/h)。

4 結論

1)開窗位置、深度、井斜角、方位角等的選擇需考慮鉆井工期費用，完井泵掛深度要求，井控安全對地層破裂強度的要求，開窗后井眼軌跡控制難度，后期定方位射孔控制等諸多因素的影響，一經選定，必須制定詳細的作業風險控制措施，確保每項作業的成功率，一旦失敗將極難補救并最終導致分支井方案無法實現。

2)井眼軌跡控制是分支井鉆井的難點之一，尤其對于采用水下井口開發的淺埋深儲層，由于進尺空間緊，設計造斜率要求高，必須保證每個測斜區間均達到或高于設計造斜率的要求，一旦低于設計要求，將無法實現地質著陸目標。

3)空心斜向器的定方位射孔工藝技術是分支井的關鍵技術之一，也是決定分支井成敗的關鍵。對于采用水下井口開發的項目，消除平臺升沉的影響保證射孔深度嚴格在目標段范圍內，同時需保證射孔槍方位在允許誤差范圍內及射孔彈發射率。射孔作業完成后還需下入封隔工具將一個分支隔離，通過擠入試驗驗證射孔井眼的連通性情況，以確定是否需要再次進行補射孔作業。

4)LH4-1油田AxM水下雙分支井鉆井成功實施，為今后我國深水水下雙分支井發展提供了寶貴的經驗，相關方法和結論可為水下雙分支井技術在我國海上油田的推廣及應用提供理論依據和技術支持。