WZ-X1井超短半徑水平井軌跡控制技術研究及應用

管 申， 郭 浩， 程 林， 張 鋮， 劉智勤， 艾常明

(1中海石油(中國)有限公司湛江分公司 2中石油集團渤海鉆探工程有限公司定向井技術服務分公司 3中海油能源發展股份有限公司工程技術湛江分公司)

0 引言

潿洲X油田位于南海北部灣盆地潿西南凹陷東南斜坡帶構造，為復雜斷塊構造油田。油田儲層為流沙港組二段，巖性為泥質粉砂巖，巖性特征為低孔低滲，前期采用常規完井射孔方式開采，可動用面積小，經濟效益較差。為了增加儲層泄油面積，改善油藏的連通性，以提高單井控制儲量和最終采收率[1]，開展了“多分支超短半徑”鉆井技術研究。

超短半徑水平分支井技術對于提高老油井產量和改善開發效果有積極的作用，目前主要采用高壓射流和柔性鉆具兩種鉆井工具。由于高壓射流存在井眼偏小且井眼軌跡紊亂的缺點[2]，柔性鉆井工具逐步得到人們的重視。利用柔性鉆具實施的超短半徑水平井具有軌跡可控制、井眼延伸長、泄油面積大等特點，而沿著儲層段持續鉆進是超短半徑水平井的關鍵技術，實現水平段的軌跡控制是其重要技術難題，關系到超短半徑水平井能否成功鉆進[3]。

超短半徑側鉆水平井主要是在原井套管內直接進行開窗側鉆[4]，它與常規水平井的明顯區別就是曲率半徑特別小，一般不大于4 m，常規鉆具不能滿足此要求，需要采用特殊的柔性鉆具來進行鉆井，而柔性鉆具不但具有傳遞軸向力和扭矩等載荷的作用，還具有易彎曲、控制井眼軌跡的能力，迄今為止，綜合考慮柔性鉆具井下工作的安全性及井下軌跡控制還沒有完善的理論設計方法，使超短半徑水平井技術在油田開發增產中的規模應用受到限制[5]。

近年來，國內進行了柔性鉆桿造斜及軌跡控制理論分析。2017年張紹林等針對?139.7 mm套管井[6]，設計曲率半徑1.8 m，井眼直徑118 mm的柔性鉆具超短半徑井軌跡控制方法，得出柔性單元直徑與長度之間的數學關系。WZ-X1井設計在?244.5 mm套管內進行超短半徑井鉆進，本文針對前期的研究成果，適應性改造柔性鉆具、鉆頭等，進行超短半徑軌跡設計、鉆井參數控制，成功實施WZ-X1井超短半徑井作業。

1 超短半徑水平井應用WZ油田的可行性研究

1.1 優化井眼軌跡

由于超短半徑井定向井段造斜率高、造斜可控井段短，軌跡的優化設計是重要組成部分。因此在進行軌跡設計時，要充分考慮地層特性、柔性鉆具造斜能力、柔性單元直徑與長度以及鉆頭直徑配合等因素可能對井眼軌跡所產生的影響，另外還必須考慮有利于油層開采,實現地質設計的要求。

超短水平井的井眼軌跡設計為三段制[7]，即直(開窗)—增(造斜)—穩(水平)，設計曲率半徑為3 m，造斜率16°/m。中間造斜段造斜率要求較高，實際鉆進中，對于鉆進參數的控制也非常關鍵，需要確保單彎機械柔性鉆具壓彎，并有效支撐，確保造斜成功。增斜井段造斜率的合理確定是短水平井井眼軌跡設計與施工的關鍵。

WZ-X1井采用COMPASS軟件進行軌跡設計，導入老井軌跡數據，確認需要水平鉆進的油層深度及油層的地層傾角，開窗點避開老井套管接箍，采用三段制進行軌跡設計，要求造斜結束后進入穩斜段，穩斜角與地層傾角一致。根據這個原則，S1分支軌跡設計結果見表1，隨后按照同樣的方法設計了另外3只分支井眼，確保軌跡水平在油層中上部穿行。

表1 WZ-X1井S1側鉆超短半徑水平井軌跡設計數據

1.2 造斜鉆頭設計

超短半徑水平井造斜鉆進[8]采用造斜鉆頭+機械單彎柔性鉆具+常規鉆具，這種造斜鉆具組合通過施加鉆壓，利用機械單彎柔性鉆具貼合斜向器的斜面，使柔性鉆具壓彎迫使鉆頭側向切削地層，使井眼偏離原井眼軸線，從而達到造斜的目的。該鉆頭的設計特點有以下幾個方面：

1)鉆頭冠部形狀采用淺錐形冠部[9](圖1)，短規徑，使用圓弧過渡，此結構設計的鉆頭側向切削能力強，滿足超短半徑側鉆水平井的高造斜要求。

2)保徑設計。采用超短保徑設計，減少保徑部位對側向鉆進的阻力，突出鉆頭的側向切削能力。

3)可旋轉扶正套設計(圖1)。在造斜鉆進時，扶正套處為近鉆頭支點，壓彎柔性鉆桿進行造斜鉆進，提高鉆頭的側向切削力，同時避免方位的飄移。

4)水力設計。鉆頭采用每個刀翼間均設計一個噴嘴，噴嘴朝向不同，確保有效清洗井底及刀翼的各個部位，有利于巖屑盡快排出，提高機械鉆速。

圖1 造斜鉆頭設計圖

1.3 柔性鉆具設計

WZ-X1井是?244.5 mm套管，內徑216.7 mm，設計曲率半徑2.4 m，造斜率16°/m，井眼直徑154 mm。將柔性鉆具超短半徑造斜鉆進工藝過程簡化為圖2所示的二維模型。

圖2 柔性鉆具造斜鉆進示意圖

采用幾何定圓法對曲率半徑R與柔性鉆具單根長度L、單根彎角α，°、造斜段需要柔性單元數目n之間的幾何關系進行分析，結果如下：

(1)

柔性鉆桿單元轉彎角度與單元長度之間的關系如圖3所示，隨著柔性單元長度增加，每節轉彎角度線性增大。根據實際操作考慮，設計柔性鉆具單元長度190 mm，每節轉彎角度為4.5°。

圖3 柔性鉆桿單元轉彎角度與單元長度關系圖

超短半徑側鉆時，鉆具受側向力較大，與井壁摩擦較大，為盡量保持鉆具穩斜鉆進，柔性鉆具應緊貼井壁，以控制鉆井趨勢不會亂飄，降低鉆具鐘擺作用[10]。

井眼尺寸與柔性鉆具外徑應達到一個合理的比例，這樣才能更好的穩住柔性鉆具，確保不會亂擺，另外還要更好的通過造斜段，以減少對造斜段鉆具的磨損，同時也需要兼顧鉆屑順利排出，確保鉆具安全。假設在造斜段的井壁為剛性的外殼[11]，為了確定水平鉆進的柔性鉆具外徑與井壁的關系，也就是使單節柔性鉆桿在不彎曲的情況下，就能通過曲率半徑為R的井筒，井壁內徑為d1，單節柔性鉆桿長度為L，柔性鉆具與井壁的間隙為Δ，柔性鉆具與井壁的計算如圖2所示。

(2)

綜合考慮柔性鉆桿和井壁的安全間隙，將Δ取值為12 mm，曲率半徑2.4 m，柔性鉆桿外徑優選為?127 mm，由此計算得出井眼內徑為?142 mm，為了確保通過性，因此設計造斜鉆頭為?144 mm。

2 現場施工工藝研究

超短半徑分支水平井定向控制的主要參數包括[12]：井斜角、方位角、垂深。

超短半徑側鉆水平井鉆井通常是在老井套管內，垂直井眼內沿徑向鉆出呈輻射狀分布的一口或多口水平分支井眼[13]。首先下入斜向器，斜向器設計斜面為23°/m，其有效支撐的斜面長度0.5 m，因此開窗后就完成了11.5°的造斜。鉆具組合：?209 mm坐掛斜向器+定向接頭+?149 mm高抗扭鉆桿；入井前精確丈量定向接頭高邊與斜向器導斜面高邊的角差，下至設計開窗深度后通過測陀螺，擺斜向器工具面，投球打壓22.5 MPa坐掛斜向器，下壓15 t驗證坐掛，上提正轉18圈丟手。

開窗和修窗。鉆具組合：?156 mm強攻擊銑錐+?127 mm柔性水平鉆進鉆桿+?149.2 mm高抗扭鉆桿，開窗的過程中先用低鉆壓，小轉速，在確認銑錐出窗后，可逐漸加大鉆壓；修窗時使用高轉速修窗，直至上提下放無阻掛為止，參數：鉆壓8～20 kN，轉速50～100 r/min，排量1 200 L/min；開窗及后續過程使用優質的EZ-FLO自動破膠鉆完井液以保護儲層。

造斜鉆具：?144 mm造斜鉆頭+ ?121 mm柔性造斜鉆桿+ ?149.2 mm高抗扭鉆桿，控制造斜鉆進參數：鉆壓15～35 kN,轉速40 r/min，排量1 100 L/min，造斜鉆進過程中，由于鉆頭出韌長度短，造斜鉆進過程中會出現蹩泵現象，此時應穩住鉆壓，確保單彎柔性鉆桿充分彎曲，貼靠斜向器，確保造斜率滿足要求。通過造斜鉆進2.4 m，井斜由37°增至87°，其計算方法為斜向器造斜加上造斜鉆具的造斜角度，造斜結束后與油層傾角一致，完成造斜任務。

起鉆更換水平鉆進的鉆具組合，連續水平鉆進，根據需要實時調整鉆進參數，確保鉆井速度和軌跡控制精度，結合綜合錄井儀實時監測到的鉆時、泥漿返出的巖屑以及氣測值，準確的判斷鉆頭是否穿出儲層。水平鉆具組合：?142 mm水平鉆進鉆頭+ ?127mm柔性水平鉆進鉆桿+?149.2 mm高抗扭鉆桿，控制水平鉆進參數：鉆壓10～30 kN,轉速40～60 r/min，排量1 100 L/min。

經過尺寸、性能改進后設計的柔性鉆具配合造斜鉆頭、水平鉆進鉆頭在WZ-X1井中成功實施4個分支，儲層鉆遇長度60～62.5 m。完鉆后，組合?142 mm水平鉆進鉆頭+測斜短節(內置多點測斜儀)+?127 mm柔性水平鉆進鉆桿+?149.2 mm高抗扭鉆桿，重新下入分支井眼內，下鉆時保持開泵下入，鉆具重入井眼良好，進行測斜，起鉆前裸眼內替入可降解的儲層保護鉆井液。測斜結果如圖4所示，由于地層傾角的不同，穩斜角度各不相同，水平段井斜角波動不到2°，滿足設計要求。

圖4 WZ-X1井分支井眼井斜

3 實施效果

該井的4分支井眼達到了設計要求，水平進尺60～62.5 m，儲層鉆遇率高達98.7%。此井油藏計劃配產20 m3/d，實際投產70 m3/d，為配產的3.5倍，產液量達到明顯提升，有效地提升了單井產量和控制儲量。

4 結論

1)基于超短半徑井井眼軌跡控制的原理，適用于?244.5 mm套管井的柔性鉆具外徑127 mm，長度190 mm，單節轉彎角度4.5°，較好的完成了該井的軌跡控制任務。作業后單井產量提高了3.5倍，取得良好的增產效果，為低成本開發油田，實現油井增產提供了有效的技術手段，適用于南海西部北部灣WZ-X油田。

2)WZ-X1井成功實施超短半徑分支井技術，對于類似低壓、低產、低滲油田具有廣泛的指導意義，同時對于煤層氣、頁巖氣、致密油和氣的非常規油氣資源開發也有一定的借鑒意義，通過鉆水平井，最大限度的裸露產層，極大的提高了單井產量，成為油田增產的一件利器。

3)隨著鉆井工業的發展和能源需求的日益增長，超短半徑多分支鉆井技術必將成為油田增產的主要技術手段之一，但是國內超短半徑多分支水平井技術剛剛起步，許多新式的工具和儀器還有待完善，測斜工藝需要進一步改進，許多技術難題需要解決和完善。