裸眼懸空側鉆技術在東海XX低滲氣田的實踐分析

李 乾，秦丙林，王家航，熊振宇，馬海燕，王宏民

（中國石化上海海洋油氣分公司，上海 200120）

東部海域的油氣資源主要富集于花港組和平湖組地層，儲層埋藏較深且多為中低滲儲層。XX低滲氣田是東海近幾年新開發的氣田，該氣田部署了多口多分支水平井以提高對低滲透率儲層的動用程度。多分支水平井相較于常規定向井和和水平井，能夠最大限度地溝通油氣流通道，增大泄流面積和地層導流能力，從而提高單井產量，該技術非常適合于低滲氣田的開發。

懸空側鉆技術是成功實施多分支水平井的關鍵，本文基于懸空側鉆技術及XX低滲氣田X6井懸空側鉆的現場應用情況，分析了影響懸空側鉆成功實施的關鍵因素，總結了懸空側鉆成功實施的相關經驗。

1 XX低滲氣田特征

XX低滲氣田構造位于東海陸架盆地西湖凹陷三潭深凹，是一個大型凹中隆背斜圈閉。XX低滲氣田油氣層主要分布在花港組H3～H12層，埋深為3 100～4 250 m。

1.1 地質分層情況

鉆井及地震信息揭示了XX低滲氣田地質分層情況（表1）。

表1 XX低滲氣田地質分層情況

1.2 構造特征

XX低滲氣田屬于擠壓背斜構造，總體上具有形態比較完整且埋藏相對較深的低幅度反轉背斜構造的特征，平面上構造軸呈NNE向展布，縱向上構造高點繼承性發育。淺部地層（H6以上）背斜形態完整，表現為圈閉面積大、幅度高的特征，且斷裂不發育；深部地層（H6以下）斷裂較發育，背斜形態由于受斷層切割而不完整，圈閉表現為面積小且幅度低的特征（圖1）。

圖1 XX低滲氣田構造特征（H5）

1.3 儲層特征

巖心和壁心物性分析資料表明，H3～H6儲層孔隙度為3%～19.8%，平均13.2%，滲透率為0.046×10–3～244×10–3μm2，平均16.8×10–3μm2，屬于中孔中滲–低孔低滲儲層；H7～H12儲層孔隙度為2.1%～13.0%，平均8.5%，滲透率為0.017×10–3～1.960×10–3μm2，平均0.250×10–3μm2，屬于特低孔特低滲儲層。

2 懸空側鉆技術

XX低滲氣田主要開發層位為花港組上段H3～H6層，H4d、H5、H6層為主力氣藏，孔隙度及滲透率都很低，如采用定向井或常規水平井開采產能較低；為滿足產能要求，提高低滲儲量動用程度，需要考慮多分支水平井。水平分支井成功實施的主要技術難點在于懸空側鉆技術，該技術是一種在不注水泥塞、不下斜向器的情況下，在側鉆點直接進行側鉆施工的技術，可以節約注水泥、候凝等操作的時間，減少相應的材料費用。

2.1 懸空側鉆技術原理

將重力工具面擺在井眼低邊或者30°左右，使鉆具具有較強的降斜趨勢，利用工具的重力作用并結合鉆頭的側向切削作用，在井眼的低邊鉆出新的井眼軌道。新井眼初始形成階段采用控時鉆進方式，直至新老井眼間夾墻厚度達到安全要求[1–2]。

2.2 側鉆位置選擇

多分支水平井懸空側鉆位置的選擇，除了常規側鉆方式的要求外，還要滿足以下條件：①側鉆點要優選狗腿度變化大、井徑擴大率低的井段，保證鉆頭具有足夠的側向切削力；②側鉆點10 m范圍內，主井眼的井眼軌跡應為增斜段，有利于提高新老井眼分離速度，避免選擇在降斜的井段側鉆，導致側鉆井眼與老井眼難以分離；③推薦采用旋轉導向工具進行懸空側鉆，如采用馬達側鉆，側鉆點最好優先選擇在距離套管鞋100 m左右，防止托壓影響側鉆成功率。

2.3 井眼軌道設計

為提高水平段鉆進時的井壁穩定性，在主、分支井眼軌道設計時，井眼軌道設計應盡量沿水平最小主地應力方向進行。

懸空側鉆需要長時間劃槽、造臺階以及控時鉆進，上部第一造斜段附近的鉆柱長時間在同一位置反復旋轉，容易產生鉆具疲勞。因此，在井眼軌道設計時，要盡量減小上部第一造斜段的狗腿度。不同狗腿度條件下的鉆柱疲勞系數的對比如圖2所示，根據分析，第一造斜段的狗腿度應盡量小于2.50°/30 m，確保鉆柱疲勞系數小于1，以降低鉆具疲勞刺漏風險。

圖2 不同狗腿度對應的鉆具疲勞系數

采用懸空側鉆技術，在實際施工時考慮到井眼安全以及鉆具重入問題，應先鉆分支井眼，再回撤至側鉆點側鉆主支井眼。為了提高懸空側鉆成功率，分支井眼的軌道應在鉆至設計側鉆點前10 m左右迅速增斜并扭方位，人為制造一個長20 m左右的局部大狗腿段以利于后續低邊側鉆主支，狗腿度以5.00°～7.00°/30 m為宜，這樣可以使分支井眼與主支井眼的井斜角及方位角的差值在較短的井眼長度內達到最大，從空間上來看，主支井眼相較于分支井眼呈下垂趨勢，有利于后續鉆具重入。

2.4 側鉆工具選擇

目前，海上主要使用旋轉導向工具進行懸空側鉆，一般不推薦采用馬達。使用旋轉導向工具側鉆時，鉆柱可以保持全程旋轉，利于將巖屑攜帶出來，保證井眼清潔，且能夠有效防止粘卡事故的發生。

東海使用的旋轉導向工具主要有斯倫貝謝公司的PD工具、Xceed工具，哈利伯頓公司的GP工具以及貝克休斯公司的AutoTrack工具。其中Xceed和GP工具為指向式旋轉導向工具，PD和AutoTrack工具為推靠式旋轉導向工具。

推靠式旋轉導向工具在側鉆開始階段需要借助于井壁的反作用實現側向切削造斜，受地層和井眼情況制約較大。另外，側鉆出去后，在初期夾墻還較薄的情況下，推靠式旋轉導向工具的側向推靠力對夾墻會有一定程度的傷害，尤其是在軟地層側鉆時，夾墻強度較低，很容易被破壞而導致側鉆失敗。因此，裸眼懸空側鉆推薦采用指向式旋轉導向工具。

2.5 側鉆鉆頭選擇

鉆頭對井壁的作用力可簡單分為垂向和橫向兩個方向的作用力。其中垂向作用力決定了側鉆井眼的井斜方向，橫向作用力決定了側鉆井眼的方位方向。懸空側鉆主要依靠重力來實現側鉆井眼與原井眼的分離，應重點關注垂向作用力。影響鉆頭垂向作用力的兩個主要因素是鉆頭冠部輪廓形狀和鉆頭保徑結構。

針對鉆頭冠部輪廓，影響鉆頭側切力的因素主要是內錐角和冠部長度。一般內錐角越大、冠部長度越短，鉆頭側向切削能力越強，越有利于鉆頭側切造斜。這主要是冠部輪廓會降低鉆頭受到的地層側向約束力，使鉆頭前進方向更容易改變，鉆頭側向切削能力得到加強[3]。

國外學者研究發現[4]，在施加側向力時，鉆頭保徑結構幾乎消耗了所有的側向力，其中被動保徑結構消耗了大部分，鉆頭剖面只消耗了不到1%的側向力。一般認為鉆頭側鉆造斜能力與鉆頭保徑結構的長度成反比，為了提高鉆頭側向切削能力，鉆頭保徑長度要短一些。但保徑長度也不能太短，否則會影響鉆頭的工作穩定性，造成井眼不規則有臺階，影響井眼質量。根據東海PDC鉆頭使用經驗，鉆頭保徑長度可按照如下公式計算得到：

式中：L為鉆頭保徑長度，m；t為鉆頭外徑與保徑結構徑向差，m；k為設定造斜率，°/m。

根據上述分析，裸眼懸空側鉆所選用的鉆頭應具有以下特點：①大內錐角度短冠部輪廓，短保徑結構長度；②鉆頭外圈要有側向齒以提高鉆頭側向切削能力。

2.6 鉆頭側切力

在懸空側鉆作業的初始階段，將重力工具面擺在井眼低邊，此時下部的井底鉆具組合（BHA）受力情況如圖3所示。鉆頭處的側向切削力F3是由下部BHA的重力G及鉆具變形后與井壁的接觸力F1和F2共同提供。

圖3 下部BHA受力情況

利用鉆井軟件對鉆頭側切力隨井徑擴大率變化的關系進行模擬計算，結果如圖4所示。由圖4可見，井徑擴大率從0增加到15%，鉆頭側切力迅速降低，之后隨著井徑擴大率的增加，鉆頭側切力降低并不明顯。因此，應優先考慮在井徑擴大率小的井段進行懸空側鉆。

圖4 鉆頭側切力隨井徑擴大率的變化

對鉆頭側切力隨井斜角變化的關系進行模擬計算，結果如圖5所示。由圖5可見，鉆頭側切力隨井斜角的增加而增加，井斜越大越有利于懸空側鉆。

圖5 鉆頭側切力隨井斜角的變化

對懸空側鉆時鉆頭側切力與BHA彎角之間的關系進行模擬計算，結果如圖6所示。由圖6可見，鉆頭側切力與BHA彎角度數成正相關性，因此，如懸空側鉆點附近地層強度較高，應選擇造斜率較高的指向式旋轉導向工具或者大彎角馬達。

圖6 鉆頭側切力隨BHA彎角的變化

2.7 夾墻

在懸空側鉆過程中，側鉆出的新井眼與老井眼之間會產生夾墻，隨著新老井眼分離程度的不斷增加，夾墻會持續增厚。保證夾墻穩定不坍塌直接關乎到側鉆的成功實施以及后續的鉆具重入作業。相關學者認為新老井眼之間的夾墻在側鉆點附近存在明顯的應力集中區域，此處夾墻失穩的風險最高[5]。隨著新老井眼之間夾角增加，夾墻的應力集中程度降低，應力集中區域縮小，夾墻穩定性提高。綜上所述，為了提高夾墻的穩定性，在滿足鉆具起下順暢的條件下，盡量增大側鉆的狗腿度，有利于夾墻的穩定，可以保證側鉆有較高的成功率。

2.8 懸空側鉆作業流程

總體來看，目前國內外懸空側鉆采用的工藝基本類似[6–12]，施工工藝基本為：劃槽+造臺階+控時鉆進。根據國內外相關作業參數，通常利用1.0～3.0 h進行劃槽作業，劃槽時長視地層強度而定，造臺階通常采用定點循環1.0～2.0 h完成，控時鉆進階段要控制好鉆進速度。根據現場作業經驗，一般初期采用0～0.3 m/h的速度鉆進，鉆進一定距離后逐步提高鉆進速度至1.0～1.5 m/h，之后視鉆壓情況確定是否正常鉆進。整個懸空側鉆過程要嚴格按照劃槽、造臺階、控時鉆進三個施工步驟，同時注意控時鉆進時的參數變化。

3 懸空側鉆技術在XX低滲氣田的實踐

XX低滲氣田進行過多次懸空側鉆，為保證側鉆成功率，側鉆工具選用指向式旋轉導向工具Xceed和GP，鉆頭選用φ50 mm短保徑長度的PDC鉆頭。X6井進行了三次懸空側鉆，其中分支a井眼和分支b井眼的第二次側鉆成功，分支b井眼的第一次側鉆失敗。以該井分支b井眼的兩次側鉆為例，對懸空側鉆工藝的應用進行實例分析。

3.1 井身結構情況

X6井的鉆井順序依次為先鉆分支a井眼至4 588.00 m，然后回撤至4 010.00 m進行側鉆，鉆分支b井眼至5 033.35 m，然后回撤至4 248.00 m進行側鉆，側鉆失敗后重新在4 300.00 m進行側鉆，鉆主支井眼至4 845.00 m。兩個分支井眼均為裸眼完鉆，具體井身結構情況如圖7所示。

圖7 X6井井身結構示意圖

3.2 懸空側鉆作業

X6井的分支b井眼兩次懸空側鉆作業參數如表2所示。

表2 X6井分支b井眼兩次懸空側鉆作業參數

3.2.1 X6井分支b井眼第一次懸空側鉆

X6井分支b井眼第一次懸空側鉆點設計之初設定在4 300.00 m，根據實鉆錄井顯示，4 300.00 m附近為泥巖，巖石硬度較高，因此將側鉆點調整到4 248.00 m。在4 245.00～4 259.00 m井段，實鉆井眼軌跡井斜角從88.11°升至89.62°，方位角由30.44°降至29.65°，局部狗腿角為3.50°/30 m。

在側鉆點4 248.00 m前一單根開始擺工具面劃槽鉆進，劃槽至側鉆點后，定點循環造臺階，之后開始控時鉆進，鉆速為0.3～1.2 m/h。控時鉆進期間，觀察側鉆井眼連斜與老井眼井斜差值最大僅為0.65°（表3），始終未能拉開差距，在4 264.30 m處，新老井眼井斜基本一致且井眼方位差距不大，分支b井眼第一次懸空側鉆作業失敗。

表3 X6井分支b井眼第一次懸空側鉆井眼軌跡情況

3.2.2 X6井分支b井眼第二次懸空側鉆

第一次側鉆失敗后，下移側鉆點，選取原先設計的4 300.00 m為側鉆點。X6井分支b井眼前期在4 294.00～4 322.00 m井段鉆進時，旋轉導向工具全力增斜，該處井斜由89.00°增至92.85°，局部狗腿度為7.00°/30 m。

如表4所示，為了提高側鉆成功率，增加了前期劃槽和定點循環造臺階的時間，使鉆頭對井眼低邊進行充分切削。自4 300.00 m開始控時鉆進，新老井眼井斜差持續增大，鉆速由0.3 m/h增加至1.5 m/h，鉆至4 317.95 m時井斜差6.01°，計算夾墻厚度約為0.6 m，分支b井眼第二次懸空側鉆作業成功。

表4 X6井分支b井眼第二次懸空側鉆井眼軌跡情況

3.3 懸空側鉆施工要點

3.3.1 合理選擇側鉆點

X6井分支b井眼第一次側鉆時，根據實際錄井情況，設計側鉆點4 300.00 m處為泥巖。考慮到一般側鉆點盡量要選擇在砂巖段，因此，重新選擇4 248.00 m作為側鉆點，分支b井眼在4 245.00～4 259.00 m井段局部狗腿度為3.50°/30 m，較小的狗腿度不利于側鉆（圖8），導致側鉆失利。

圖8 X6井分支b井眼兩次懸空側鉆點附近連斜情況

X6井分支b井眼第二次側鉆時，原定側鉆點為4 300.00 m，所以前期X6井分支b井眼在4 294.00～4 322.00 m處預留了一段局部狗腿7.0°/30 m的井段，為分支b井眼懸空側鉆做好了一個上斜坡，利于鉆頭低邊切削側鉆（圖8）。

利用有限元分析法建模，對分支b井眼兩次懸空側鉆過程中的鉆頭側切力進行模擬計算，結果如表5。

表5 X6井分支b井眼兩次懸空側鉆鉆頭側切力計算

從側切力模擬結果來看，第二次側鉆的鉆頭側切力明顯高于第一次，更有利于懸空側鉆的成功實施。從這兩次側鉆的結果來看，第一次側鉆原井眼與分支井分離效果差，后期甚至有與原井眼重合的趨勢，第二次側鉆控時鉆進期間與原井眼分離效果明顯。因此，原井眼在計劃側鉆點附近主動造斜坡對于側鉆很有效果，局部狗腿建議增至5.00°～7.00°/30 m。

3.3.2 提高側鉆排量

對于指向式旋轉導向工具，排量越大造斜能力越強，分支b井眼第一次側鉆在劃槽和定點循環以及控時鉆進期間排量為1 900 L/min，而第二次側鉆排量為2 100 L/min。在工具額定工作排量范圍內，盡量選擇高排量進行側鉆作業，充分釋放旋轉導向工具的造斜能力。

3.3.3 控制側鉆機械鉆速

X6井分支b井眼第一次側鉆時控時鉆進期間的機械鉆速情況如表6所示。從表6可以看出，在井眼分離趨勢沒有變大，且井斜沒有連續降低之前，提高機械鉆速可能導致分支井眼與原井眼的分離程度越來越小。因此，必須是在分支井眼與原井眼分離程度越來越大且井斜出現連續下降之后才考慮慢慢提高機械鉆速，確保側鉆一次成功。

表6 X6井分支b井眼第一次側鉆控時鉆進機械鉆速

3.3.4 合理判斷新老井眼分離趨勢

判斷井眼是否分離，分離度是否變大主要是通過對比與原井眼的井斜差以及夾墻厚度，通常井斜差值為3.0°左右時鉆頭基本全部進入側鉆井眼，夾墻厚度大于鉆頭直徑時，基本確定側鉆成功。另外，在砂巖段側鉆可通過氣測值變化，在泥巖段鉆進通過扭矩波動情況來判斷鉆頭切入新地層的程度，確定井眼分離情況。

3.4 懸空側鉆分支井眼實施效果

X6井設計開采H5層，在未進行任何增產措施情況下直接自噴投產，產量相比于XX低滲氣田其他常規水平井有明顯提高，充分發揮了多分支水平井在低滲油氣田的應用優勢。實際產量對比情況如表7所示，表中孔隙度、滲透率和含氣飽和度數據為測井解釋值，產量全部換算為氣當量。

表7 多分支水平井X6井與常規水平井產量對比

4 結論

（1）采用裸眼懸空側鉆技術，考慮到井眼安全以及鉆具重入問題，應先鉆分支井眼，再回撤至側鉆點進行主支井眼的側鉆作業。針對懸空側鉆井在井眼軌道設計時，上部第一造斜段的狗腿度以不大于2.50°/30 m為宜，防止鉆柱發生疲勞刺漏。

（2）為了提高懸空側鉆成功率，分支井眼的軌道應在鉆至設計側鉆點之前迅速增斜并扭方位，人為制造一個20 m左右的局部大狗腿段以利于后續低邊側鉆主支，局部狗腿角推薦5.00°～7.00°/30 m。

（3）懸空側鉆推薦采用指向式旋轉導向工具，盡量選擇高排量進行側鉆作業，釋放旋轉導向工具造斜能力。

（4）懸空側鉆鉆頭側切力與BHA彎角和井斜角成正比，與井徑擴大率成反比。為保證側鉆成功率，在滿足施工安全前提下，盡量提高鉆頭側切力。

（5）控時鉆進期間，在新老井眼分離趨勢越來越大且井斜出現連續下降時才考慮慢慢提高機械鉆速，確保側鉆成果。