懸空側(cè)鉆在哈法亞油田水平井中的應(yīng)用技術(shù)

李武生 尹曉明 胡冬良

摘要：本文回顧了懸空側(cè)鉆技術(shù)的理論知識(shí)，著重介紹在多分支水平井中的懸空側(cè)鉆工藝，側(cè)鉆點(diǎn)的選擇，側(cè)鉆過(guò)程的控制，側(cè)鉆是否成功的驗(yàn)證方法。通過(guò)在伊拉克哈法亞油田XX井現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)，提出懸空側(cè)鉆工藝的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)于中東地區(qū)大型碳酸鹽儲(chǔ)層的重油采用多分支水平井的低成本開(kāi)發(fā)，提速，提效具有重要的借鑒或指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：懸空側(cè)鉆;側(cè)鉆點(diǎn);多分支水平井;哈法亞油田;重油

0 引言

針對(duì)伊拉克哈法亞油田地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，鹽膏巖層發(fā)育良好，重油采收率低等特點(diǎn)，多分支水平井在增大油藏的裸露面積，提高采收率，改善油流動(dòng)態(tài)剖面，降低錐進(jìn)效益，提高重油泄油效果，縱向調(diào)整油藏的開(kāi)采，同時(shí)減少無(wú)效井段，降低開(kāi)發(fā)成本等諸多優(yōu)點(diǎn)，因而越受越受到投資方的青睞[1]。同時(shí)，哈法亞油田的第一口分支水平井獲得日產(chǎn)原油1638m?，與單支水平井初產(chǎn)相比增長(zhǎng)了2倍，經(jīng)濟(jì)效益顯著。但在分支井施工中，懸空側(cè)鉆技術(shù)起著至關(guān)重要的作用，本文就懸空側(cè)鉆工藝相關(guān)知識(shí)做一介紹，結(jié)合XX井現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，提出懸空側(cè)鉆技術(shù)要領(lǐng)，對(duì)后續(xù)懸空側(cè)鉆井的高效開(kāi)發(fā)具有一定的現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)意義。

1懸空側(cè)鉆的理論介紹

懸空側(cè)鉆就是在不打水泥塞的裸眼內(nèi)進(jìn)行井眼方向中途改變的側(cè)鉆技術(shù)，在分支井作業(yè)垂直方向上的重力作用來(lái)實(shí)施。從施工難度上來(lái)看，側(cè)鉆點(diǎn)處井斜越大越容易，井眼曲率越中懸空側(cè)鉆技術(shù)普遍應(yīng)用以保障鉆井任務(wù)順利完成。懸空側(cè)鉆技術(shù)主要依靠側(cè)鉆鉆具組合在大越有利側(cè)鉆。另外，實(shí)施懸空側(cè)鉆的地層應(yīng)該具有良好的可鉆性及穩(wěn)定性。同時(shí)，為減少分支井連接段的應(yīng)力集中情況，改善其力學(xué)穩(wěn)定性，降低井壁周?chē)腣on Mises應(yīng)力，主、分支井眼的夾角應(yīng)設(shè)計(jì)為40～60°[2]。

1.1 懸空側(cè)鉆點(diǎn)的選擇及側(cè)鉆前的準(zhǔn)備[3]

（1）首先要考慮側(cè)鉆點(diǎn)附近的井眼狀況：井下情況正常，無(wú)掉塊和坍塌，鉆具上提下放摩阻較小。如選定的側(cè)鉆點(diǎn)摩阻扭矩較大，側(cè)鉆之前要充分活動(dòng)鉆具，循環(huán)劃眼處理，將鉆柱所受的扭矩徹底釋放，確保水平段井眼清潔，無(wú)掛卡，無(wú)遇阻現(xiàn)象后側(cè)鉆。

（2）側(cè)鉆點(diǎn)的位置和井斜，

選擇合適的側(cè)鉆點(diǎn)是實(shí)施懸空側(cè)鉆的第一步，也是側(cè)鉆成功的先決條件[4]。側(cè)鉆點(diǎn)巖性穩(wěn)定，且可鉆性好，地層穩(wěn)定井段，在選擇側(cè)鉆點(diǎn)時(shí)，應(yīng)選擇井徑變化較小的地方，依靠鉆具的變形來(lái)增大側(cè)向力[5]。同時(shí)側(cè)鉆點(diǎn)應(yīng)選擇在增斜，穩(wěn)斜或者反向方位調(diào)整井段，并至少保留15m穩(wěn)斜或增斜段，一定要避免在降斜井段懸空側(cè)鉆。側(cè)鉆點(diǎn)的方位變化不能與主井眼的方位變化一致。根據(jù)哈法亞油田地質(zhì)特性，哈法亞油田分支井眼裸眼側(cè)鉆關(guān)鍵技術(shù)，分支初始井段盡量縮短，形成分支井眼上翹、主井眼下垂的軌跡形態(tài)，是保證裸眼懸空側(cè)鉆分支井段及分支連接井段井壁穩(wěn)定及主、分支井眼軌跡控制與安全鉆進(jìn)的關(guān)鍵。

（3）根據(jù)側(cè)鉆點(diǎn)實(shí)際情況和彎螺桿鉆具的造斜能力選擇合適的造斜工具，以提高側(cè)鉆的成功率，側(cè)鉆是要將工具面擺放在以微降井斜同時(shí)扭方位的位置上，是底部鉆具在出新井眼過(guò)程中始終與井壁接觸，同時(shí)，在鉆桿能夠順利通過(guò)井眼的前提下，采用較大的造斜率進(jìn)行側(cè)鉆更有利于分支段的井壁穩(wěn)定[6]。

（4）側(cè)鉆鉆頭應(yīng)選擇側(cè)鉆專(zhuān)用的聚晶金剛石SST 型強(qiáng)造斜鉆頭，易于形成新井眼[7]。

（5）側(cè)鉆施工前與地質(zhì)導(dǎo)向師充分溝通，了解地質(zhì)導(dǎo)向是的意圖，導(dǎo)向師預(yù)測(cè)好待鉆區(qū)20～30m的地層傾角，側(cè)鉆成功后及時(shí)調(diào)整井斜，防止側(cè)鉆過(guò)程中降斜導(dǎo)致出層。

（6）選擇高性能的定向工具提高井眼質(zhì)量與鉆井速度，如使用Agitator[8]、Thruster 等液力推進(jìn)器，將鉆具的靜摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)摩擦，以形成近沖擊和振動(dòng)，減少鉆具摩擦和緩解鉆具托壓;同時(shí)對(duì)側(cè)鉆鉆具組合BHA進(jìn)行鉆具校核，側(cè)鉆前調(diào)整鉆具至保證本立柱剩余鉆具不少于20m，防止接立柱時(shí)誤操作導(dǎo)致側(cè)鉆失敗。

1.2 懸空側(cè)鉆過(guò)程分析

無(wú)論在什么地方側(cè)鉆，保證側(cè)鉆成功是首要條件，其次是滿(mǎn)足該地區(qū)對(duì)懸空側(cè)鉆成功后微降井斜或者不降井斜的軌跡要求。主支井眼鉆進(jìn)時(shí)要預(yù)留一定的調(diào)整段或者微增井段，尤其是鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)側(cè)鉆點(diǎn)附近時(shí)，要可以控制軌跡，保留15m的井斜平穩(wěn)段或增斜段，方位上可以反向操作，側(cè)鉆過(guò)程如下：

在分支造斜點(diǎn)前3～5m井段進(jìn)行劃槽作業(yè)。劃槽作業(yè)時(shí)，要根據(jù)實(shí)鉆井眼的造斜方向選擇合適的工具面，一般使用左150～右150°之間的工具面對(duì)下井壁進(jìn)行劃槽作業(yè)3～5次。劃槽作業(yè)過(guò)程中要根據(jù)井口以上鉆具做好鉆具標(biāo)記，確定劃槽作業(yè)井底的確切位置，保證每次均勻劃槽作業(yè)的結(jié)束點(diǎn)位置精確，統(tǒng)一，以免形成臺(tái)階遭到意外的破壞。

（1）合理控時(shí)懸空側(cè)鉆前4m，是形成理論上懸空側(cè)鉆初始降斜的開(kāi)始，也稱(chēng)為刻蝕初始階段，也是造臺(tái)階初始階段，應(yīng)施加較小鉆壓[9-10]。這一部分懸空側(cè)鉆進(jìn)尺工具面不需要進(jìn)行調(diào)整，工具面一側(cè)向偏下為主，同時(shí)根據(jù)地層可鉆性來(lái)嚴(yán)格選擇控時(shí)鉆進(jìn)的速度，此時(shí)的鉆壓基本顯示為0。

（2）合理控時(shí)懸空側(cè)鉆4～6m時(shí)，這一階段新井眼將逐漸形成，已經(jīng)具備小幅度調(diào)整工具面及逐步過(guò)渡至增斜分離井眼的能力，是懸空側(cè)鉆過(guò)程中開(kāi)始由降斜向穩(wěn)斜，增斜分離井眼的重要操作點(diǎn)，可根據(jù)需要調(diào)整工具面，調(diào)整范圍最好控制住10°/次左右，調(diào)整時(shí)工具面逐步變化不能過(guò)急求快。

（3）控時(shí)懸空側(cè)鉆6m后，新井眼與老井眼已經(jīng)基本分離，完整的夾壁墻逐漸形成?？?/p>

以進(jìn)一步放開(kāi)對(duì)工具面的控制范圍，根據(jù)軌跡要求調(diào)整工具面，逐步縮短控時(shí)鉆進(jìn)。受限于測(cè)量?jī)x器的測(cè)量盲區(qū)，通常在側(cè)鉆11～12m 即可根據(jù)儀器數(shù)據(jù)判斷井眼變化趨勢(shì)，確定側(cè)鉆成功后，取消控時(shí)鉆進(jìn)，正?；瑒?dòng)鉆進(jìn)，進(jìn)一步加強(qiáng)夾壁墻的厚度。一般在普通的泥巖或者灰?guī)r以及砂巖中，1.5倍井眼尺寸的夾壁墻，而煤層中為3倍井眼尺寸的夾壁墻。此點(diǎn)作為滑動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)的分界點(diǎn)，側(cè)鉆全部結(jié)束。

（4）側(cè)鉆結(jié)束需要轉(zhuǎn)動(dòng)鉆進(jìn)新井眼時(shí)要精心操作，應(yīng)以低轉(zhuǎn)速，小鉆壓均勻鉆進(jìn)，保證新形成的夾壁墻不被破壞。

1.3懸空側(cè)鉆是否成功的判別方法

對(duì)于懸空側(cè)鉆是否成功的判別一般有一下幾種方法：

（1）承壓測(cè)試。在懸空側(cè)鉆作業(yè)過(guò)程中，承壓測(cè)試時(shí)比較常用的手段。經(jīng)過(guò)劃槽作業(yè)后下井壁已可以形成初始的臺(tái)階面，在隨后實(shí)施的3m左右的控時(shí)側(cè)鉆后，即可上提鉆具，用停泵下壓的方式進(jìn)行臺(tái)階面的承壓實(shí)驗(yàn)。靜承測(cè)試的操作要精細(xì)，一定要注意活動(dòng)鉆具時(shí)不能轉(zhuǎn)動(dòng)，以保證工具面的方向和側(cè)鉆時(shí)相同，下壓鉆具要輕緩，觸碰井底后判斷是否明顯遇阻，遇阻鉆壓10～40KN即可，不能用大鉆壓測(cè)試，以免臺(tái)階面受到破壞。

（2）鉆進(jìn)時(shí)根據(jù)工具面判斷。在使用螺桿鉆具懸空側(cè)鉆時(shí)，鉆頭吃壓后工具面正常擺動(dòng)。側(cè)鉆提速后的鉆進(jìn)過(guò)程中，如果形成了有效的臺(tái)階面將會(huì)觀(guān)察到工具面的變化規(guī)律。

（3）根據(jù)返砂量變化判斷。懸空側(cè)鉆的鉆時(shí)慢，通過(guò)返砂量來(lái)判斷新井眼的形成比較困難。但是在提速后的側(cè)鉆井段中，可對(duì)出砂量是否逐漸增多來(lái)進(jìn)行正確識(shí)別，從而來(lái)判斷是否形成新井眼。

（4）根據(jù)軌跡數(shù)據(jù)來(lái)判斷。分支水平井的懸空側(cè)鉆一般不允許用過(guò)長(zhǎng)的井段來(lái)進(jìn)行側(cè)鉆，因此常規(guī)的測(cè)量工具在側(cè)鉆結(jié)束前因?yàn)檩^長(zhǎng)的測(cè)量盲區(qū)將很難提供有效的數(shù)據(jù)支持。但是近鉆頭測(cè)斜儀器將為懸空側(cè)鉆作業(yè)提供有力的幫助。

2 XX井現(xiàn)場(chǎng)施工

該井是由BH-XX鉆井隊(duì)在伊拉克哈法亞油田承鉆的一口四開(kāi)雙分支水平井，該井設(shè)計(jì)造斜點(diǎn)2400m，側(cè)眼（上眼）設(shè)計(jì)井深3954.35m，主眼（下眼）設(shè)計(jì)井深4138.19m，由渤海鉆探定向井公司提供軌跡控制技術(shù)服務(wù)，該井首先鉆完側(cè)眼至井深3955m中完。主眼需根據(jù)側(cè)眼的實(shí)鉆軌跡進(jìn)行懸空側(cè)鉆作業(yè)來(lái)完成。

2.1XX井設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介

哈法亞油田的Mishrif儲(chǔ)層分支井采用5 開(kāi)的井身結(jié)構(gòu)，具體井身結(jié)構(gòu)如圖1所示，側(cè)眼井的剖面設(shè)計(jì)如表1所示。側(cè)眼（上眼）水平段長(zhǎng)801m（3155m～3956m），主眼（下眼）水平段長(zhǎng)962m（3176m～4138m）。

2.2 XX井側(cè)鉆井眼的剖面設(shè)計(jì)

根據(jù)側(cè)眼套管數(shù)據(jù)（3166m.177.8mm）以及甲方要求的主眼著陸的井深，優(yōu)選側(cè)鉆點(diǎn)，其主眼（下眼）剖面設(shè)計(jì)如表2所示。

該側(cè)鉆點(diǎn)選擇有以下幾點(diǎn)理由：

第一，根據(jù)側(cè)眼的軌跡數(shù)據(jù)，選擇的側(cè)鉆點(diǎn)附近的軌跡是處于增斜增方位井段，側(cè)鉆井眼與老井眼逆向，對(duì)于懸空側(cè)鉆依靠重力產(chǎn)生的降斜施工來(lái)說(shuō)極其有利，側(cè)鉆工具面在140L。

第二，側(cè)鉆點(diǎn)處地層巖性穩(wěn)定，可鉆性強(qiáng)，井徑規(guī)則。查閱該井在側(cè)鉆鉆進(jìn)中，3176～3190m，復(fù)合鉆進(jìn)平均鉆時(shí)在10m/h，巖性為灰?guī)r，井徑為7.2英寸（四開(kāi)為6寸井眼），井眼擴(kuò)大率小，井眼規(guī)則。

2.3 XX井側(cè)鉆井眼鉆具組合優(yōu)化

根據(jù)設(shè)計(jì)造斜率3.26°/30m，選擇1.5°單彎且較短的4級(jí)無(wú)扶正器等壁厚127mm馬達(dá)，滿(mǎn)足理論上的1.5倍的造斜率需求。同時(shí)為了配合定向工具面穩(wěn)定，選用5刀翼Smith PDC（D1513UPX）鉆頭，該鉆頭排屑槽深，復(fù)合片尺寸小，布齒密度高且保徑齒較多，耐磨性能好而機(jī)械鉆速較低，有利于側(cè)鉆。為了增強(qiáng)井底鉆具組合的剛性，為下井壁提供更好的向下的側(cè)向力，增加一柱加重鉆桿。防止托壓現(xiàn)象導(dǎo)致側(cè)鉆效果不佳，加入NOV生產(chǎn)的Agitator工具，同時(shí)倒裝鉆具，具體鉆具組合如下：

2.4 XX井側(cè)主眼（下眼）側(cè)鉆過(guò)程

懸空側(cè)鉆主井眼過(guò)程中，按照劃槽、造臺(tái)階和控時(shí)鉆進(jìn)3 個(gè)步驟進(jìn)行[11]。，最后通過(guò)承壓實(shí)驗(yàn)等措施來(lái)鑒別側(cè)鉆是否成功，具體如下。

2.4.1 劃槽作業(yè)（3169～3176m）

為了最大化的減少側(cè)鉆點(diǎn)處的摩阻扭矩，提前為側(cè)鉆井眼造型，首先執(zhí)行拉槽作業(yè)，具體步驟如下：

第一充分循環(huán)井眼，上下活動(dòng)鉆具，將工具面調(diào)整至側(cè)鉆工具面135L，鎖定頂驅(qū)。

第二在鉆桿上做好標(biāo)記，防止下放鉆具過(guò)多破壞新造的臺(tái)界面。

第三劃槽速度一般在50～60m/h，根據(jù)井深及地層可鉆性的不同，劃槽時(shí)間不同，本井劃槽2小時(shí)。

第四鑒于套管下深3166m，本井選取劃槽井段3169～3176m.

2.4.2 造臺(tái)階，控時(shí)側(cè)鉆井段（3176～3186m）

（1）控時(shí)側(cè)鉆第1m鉆時(shí)為4h，但在本井側(cè)鉆前0.5m時(shí)，工具面很不穩(wěn)定，分析原因是由于1.5°螺桿側(cè)鉆工具面與老井眼方向向逆，側(cè)眼造型未形成，但隨著控時(shí)鉆進(jìn)至3176.5m以后，工具面逐漸穩(wěn)定。

（2）第2m控時(shí)3.5h，控時(shí)鉆進(jìn)1.7m后開(kāi)始有10～20°反扭角，切記，每次調(diào)整反扭角時(shí)以10°每次最佳，防止反扭角過(guò)大破壞剛造的臺(tái)階面。此時(shí)泵業(yè)也增加20PSI.

（3）第3m 鉆時(shí)3.5h，反扭角增大，鉆壓1噸，第4m時(shí)反扭角增大至40°，鉆壓增加值2噸.

（4）隨后根據(jù)動(dòng)態(tài)井斜、方位、反扭角和泵壓等參數(shù)的變化來(lái)逐漸提高鉆時(shí)。控時(shí)鉆進(jìn)至3184m時(shí)出現(xiàn)托壓現(xiàn)象，托壓至4噸，且反扭角達(dá)到50°，泵壓上升40～50PSI，更進(jìn)一步說(shuō)明鉆頭已經(jīng)完全進(jìn)入新井眼。此時(shí)開(kāi)始正?；瑒?dòng)鉆進(jìn)，鉆時(shí)1m/h，鉆進(jìn)至3186m時(shí)，泵壓上漲50～80PSI，返砂量明顯增多，根據(jù)動(dòng)態(tài)井斜方位數(shù)據(jù)變化（如表3）可以初步確定側(cè)鉆成功。

根據(jù)懸空側(cè)鉆井眼實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)做防碰掃描結(jié)果如表4所示，可以看出定向前3m尤為重要，處于造臺(tái)階階段，要精細(xì)施工，嚴(yán)格控時(shí)。

2.4.3 懸空側(cè)鉆成功的識(shí)別（3186～3201m）

雖然從反扭角、鉆壓、泵壓以及巖返出量等參數(shù)的變化，但是最可靠的方法是承壓實(shí)驗(yàn)和后續(xù)的測(cè)斜數(shù)據(jù)。本井滑動(dòng)側(cè)鉆至井深3186m后，做承壓實(shí)驗(yàn)，具體如下：

第一：上提鉆具，將工具面調(diào)整至側(cè)鉆工具面。