大慶深層側鉆水平井鉆井技術研究

季洪石,宋少博

（大慶鉆探工程公司鉆井工程技術研究院, 黑龍江大慶 163413）

隨著大慶油田開發的深入, 報廢井、低產井和套損井的數量不斷增多, 影響了油田的整體開發效益。為了有效提高老井、報廢井等問題井的再利用率, 近年來大慶油田開展了大量的攻關研究, 深層側鉆開窗水平井的相關研究也成為了關注的熱點。

1 國內外技術現狀

20世紀50年代, 國外就開展了側鉆水平井的相關鉆井工藝研究。斯倫貝謝、貝克休斯等國外油服公司開發出了一系列相關鉆井工具和鉆井裝備, 形成了配套的施工工藝, 最深的側鉆深度已經達到7100m, 并已經實現了同一井眼多次開窗工藝, 可將一口問題井鉆成多分支水平井, 從而大幅度提高了老區油田整體開發效率[1]。

20世紀90年代, 我國也將側鉆水平井工藝作為重點攻關項目。遼河、大港等油田在九五期間進行了上千口的小井眼開窗側鉆施工, 產量同比增長5～8倍, 施工成本同比降低40%～50%, 形成了成熟的施工工藝技術, 取得了良好的經濟效益。隨著國際石油市場競爭的進一步加劇, 為了進一步降低開采成本, 挖潛增效, 深層側鉆水平井也成為國內研究的重點。為了進一步開發大慶油田徐家圍子等深部地層的天然氣資源, 提高老井產量, 有必要對大慶深層側鉆水平井的相關施工技術進行進一步研究, 從而為大慶油田深部氣藏的經濟開發提供更多的技術支持[2]。

2 深層水平井側鉆開窗工藝研究

深層水平井的側鉆工藝涉及井身結構設計、鉆頭優選、鉆具組合優化、鉆進工藝控制、復雜事故處理等多個關鍵工藝環節, 施工過程較為復雜, 需要多部門協同配合。

2.1 開窗側鉆工藝

側鉆開窗需要使用特殊的鉆井工具破壞一部分原有套管, 從而在套管和地層之間形成一個“人造窗口”, 鉆頭從這個“人造窗口”穿過, 鉆入新地層實施后續的鉆井作業, 這種鉆井方式被簡稱為“開窗側鉆”。“開窗”工藝有鍛銑和磨銑兩種選擇。其中鍛銑是將一段套管銑掉, 然后打水泥塞進行水泥施工作業, 其優點是操作簡單可以減少套管壁產生的磁干擾, 但缺點是施工時間較長, 裸露井段較長（通常大于18m）, 不適于復雜地層的施工作業。磨銑開窗則僅僅是將指定位置的套管壁磨穿, 所需破壞的套管較少, 但是由于套管本身是金屬制品, 容易影響井下測量工具的信號傳輸, 對井下工具的性能要求較高, 相應的使用費用也較高。大慶深部地層由于目的地層的硬度通常較大, 鉆井施工較為復雜, 更適合使用磨銑的側鉆開窗方式。

2.2 側鉆開窗水平井的軌跡優化設計

相對于中淺部地層而言, 在深部地層進行水平井施工的不可控情況更多、誤差更大。導致實鉆過程的入靶難度更大, 而且一旦發生出靶事故, 會帶來更大的經濟損失。因此需要在鉆進過程中對井斜、方位等參數進行更嚴格的控制[3]。

深層側鉆開窗水平井一般都是三維井眼軌跡, 在設計過程中, 除了要考慮常規水平井的井眼軌跡設計原則, 還需要考慮套管開窗對造斜率的影響、套管尺寸對鉆具組合的影響、可施工井段的長度等因素。由于大慶深部地層的巖石可鉆性較差, 還需要考慮因為地層因素導致造斜率不達標時的后備鉆井措施。此外, 在進行設計時需要根據地質情況, 綜合考慮造斜工具的造斜能力的高低、井下測量儀器的信號傳輸受套管壁的影響、鉆具組合在開窗處的整體通過能力, 從而在整體設計過程中保留一定的冗余量。

2.3 鉆頭等井下工具的優選

2.3.1 鉆頭優選

大慶深部地層礫巖發育, 巖石可鉆性通常會達到8～10級。此外, 深部地層的部分層位斷層和微裂縫發育、地層傾角大, 鉆進過程中漏失、掉塊、卡鉆等情況均有可能發生。在保障安全鉆進的同時還要提高機械鉆速, 所以鉆頭選型尤為重要。大慶深部地層的開窗套管通常為φ215.9mm井眼, 造斜段可考慮使用適合硬質地層鉆進的PDC鉆頭和馬達, 如果發現造斜率無法達到預期水平時, 可以考慮使用旋轉導向系統幫助提高造斜率[4-5]。水平段考慮使用休斯克里斯公司的定制鉆頭和螺桿, 并配合高速馬達。

2.3.2 井下動力鉆具的優選

井下動力鉆具可在鉆井液流動的沖刷下將鉆井液的動能部分轉化為鉆進過程中需要的機械能, 一方面可以達到提高機械鉆速的目的, 另一方面還可以減少起下鉆頻率, 從而降低等停時間, 提高鉆井施工效率。

井下動力鉆具主要包括彎螺桿、旋轉導向工具、渦輪鉆具和液動旋沖工具等。在對井下動力鉆具進行優選時重點要考慮的問題有：待鉆井眼的尺寸和造斜率要求、選用的鉆井液綜合性能、待鉆地層的地質條件和最高井底溫度、循環排量等。

彎螺桿在深層水平井鉆井過程中的選用已經比較成熟, 在本文不做進一步討論。

隨著近年來國內各大油服企業和鉆井設備公司的大力攻關, 旋轉導向工具的國產化歷程大幅度加快, 由于市場競爭的出現, 迫使斯倫貝謝等國外公司也大幅下調了服務價格, 為旋轉導向工具的推廣應用奠定了基礎。由于旋轉導向工具可以對鉆井參數進行實時監控和調整, 鉆進過程中可以實現精準控制, 實際應用過程中遠遠優于螺桿造斜工具, 目前已經逐步在造斜段進行推廣使用。斯倫貝謝、貝克休斯等國外旋轉導向工具的對比情況見表1。

表1 不同旋轉導向系統的性能特點

2.4 其他施工措施優化

深層側鉆水平井施工過程中要尤其注意井眼的凈化和鉆具的受力情況。重點從提高井眼凈化效果、保持井壁穩定、提高鉆井液潤滑性等幾個方面進行優化。

2.4.1 井眼凈化措施

在井斜角發生變化時, 鉆井液不同的流態會產生不同巖屑攜帶效果, 一般來說當井斜達到50°以后, 紊流狀態的鉆井液可產生更好的攜巖作用；當井斜在40°以下時, 層流狀態的鉆井液可產生更好的攜巖作用。提高鉆井液的粘度, 鉆井液更容易將巖屑攜帶出井筒；在設計允許范圍內, 提高鉆井液的密度可以降低鉆井液和巖屑之間的密度差, 也就是增加了鉆井液對巖屑的攜帶能力, 同樣有利于將巖屑攜帶出井筒；在造斜井段和水平井段, 根據鉆進時間和鉆進深度適當進行短起下鉆, 利用鉆具組合上不同尺寸的鉆具和節箍來刮擦井壁, 破壞已形成的巖屑床, 也有利于井筒清潔。

2.4.2 保持井壁穩定

鉆井過程中井壁穩定的重要性毋庸置疑, 穩定的井壁可以減少井下事故的發生從而減少鉆井周期, 提高鉆井綜合效率。井壁穩定重點從改善泥餅質量、降低鉆井液失水、縮短鉆井周期從而減少裸眼井段被浸泡的時間、提高鉆井液潤滑性、避免鉆具長時間靜止等方面著手。

3 結論

（1）深層側鉆水平井可以修復報廢井、低產井和套損井, 提高老井的利用率、延長油井壽命, 從而達到降本增效的目的。目前已成為提高油田綜合開發效益的重要手段之一。

（2）深層水平井的側鉆工藝涉及井身結構設計、鉆頭優選、鉆具組合優化、鉆進工藝控制、復雜事故處理等多個關鍵工藝環節, 施工過程較為復雜, 需要多部門協同配合。

（3）本文針對大慶深部地層的地質特點, 從水平井的軌跡優化設計、鉆頭優選、井下動力鉆具的優選、井眼凈化措施和井壁穩定措施等幾個方面給出了建議。