短曲率半徑水平鉆孔取心技術(shù)研究及試驗(yàn)

徐峰陽(yáng)，劉成雙，陳 寧

中國(guó)石油吉林油田油氣工程研究院

0 引言

吉林油田地處松遼盆地［1］，是典型的低滲油田，在經(jīng)歷了50多年的開發(fā)后，已進(jìn)入了中高含水采油期，油田綜合含水率大幅提高，產(chǎn)能遞減速度快，產(chǎn)生了4 000多口因井下管柱損壞、含水率高、產(chǎn)能低于經(jīng)濟(jì)極限等原因而關(guān)井的停產(chǎn)井。油田計(jì)劃利用停產(chǎn)井對(duì)油層取心，定量分析長(zhǎng)期注水后地層巖石物性變化及油水動(dòng)態(tài)，重新認(rèn)識(shí)地下剩余油的分布規(guī)律［2］，確定有利于油田的開發(fā)方案，最大限度地提升油田老區(qū)剩余油挖掘產(chǎn)量，提高采收率，使油田滿足生產(chǎn)要求?，F(xiàn)有的取心工具與工藝無(wú)法在井筒條件進(jìn)行取心作業(yè)［3-6］，為此，吉林油田開展了短曲率半徑水平鉆孔取心技術(shù)研究與試驗(yàn)。

1 技術(shù)概況

1. 1 技術(shù)原理

短曲率半徑水平鉆孔取心技術(shù)由超短半徑側(cè)鉆技術(shù)和水平井柔性密閉取心技術(shù)集合而成，具有轉(zhuǎn)彎半徑小、入靶準(zhǔn)確的技術(shù)特點(diǎn)［7-9］。在停產(chǎn)井中下入斜向器進(jìn)行導(dǎo)向，采用開窗鉆頭在套管壁上進(jìn)行開窗，通過(guò)柔性鉆具在設(shè)計(jì)層位完成高曲率造斜［10-12］，當(dāng)斜率達(dá)到設(shè)計(jì)要求后進(jìn)行水平鉆進(jìn)，在鉆進(jìn)至目標(biāo)層位后，下入密閉取心工具對(duì)油層進(jìn)行取心。根據(jù)巖心數(shù)據(jù)獲取的需要，可在同一油層或不同油層內(nèi)實(shí)現(xiàn)多分支取心［13-15］。

1. 2 配套工具

1. 2. 1 可撈斜向器

可撈式斜向器如圖1所示。可撈斜向器在作業(yè)時(shí)使用鉆桿直接下入井中指定位置坐封，引導(dǎo)鉆桿完成由垂直向水平方向的轉(zhuǎn)變和鉆進(jìn)時(shí)的方位角，為精準(zhǔn)取心提供準(zhǔn)確方向；斜向器斜面涂有耐磨涂層，能在開窗作業(yè)時(shí)有效保護(hù)斜向器斜面，保證傾斜角的穩(wěn)定。

圖1 可撈斜向器

1. 2. 2 開窗銑錐

開窗銑錐如圖2所示，該銑錐可順暢進(jìn)行開窗作業(yè)，并保證窗口邊緣光滑，使井下工具通過(guò)窗口時(shí)不出現(xiàn)卡頓現(xiàn)象，減少對(duì)井下工具的磨損，延長(zhǎng)井下工具的使用壽命。

圖2 開窗銑錐

1. 2. 3 柔性鉆具

柔性鉆具如圖3所示，鉆具使用改進(jìn)型球籠萬(wàn)向節(jié)連接，增加扶正環(huán)結(jié)構(gòu)，可以降低摩阻，有效提高鉆具鉆進(jìn)時(shí)的穩(wěn)定性，具有振動(dòng)較少、鉆進(jìn)穩(wěn)定、鉆壓波動(dòng)較低、水平偏移小的特點(diǎn)。

1. 2. 4 造斜鉆具

造斜鉆具如圖4所示，由萬(wàn)向節(jié)串和導(dǎo)向篩管外殼組成，工具串可以在10 MPa壓力下自由彎曲；導(dǎo)向外殼選用35CrMo鋼管進(jìn)行激光切割制成，保證鉆具只能單向彎曲，可以滿足短曲率半徑水平鉆孔取心技術(shù)的技術(shù)要求。

圖3 柔性鉆具

圖4 造斜鉆具

1. 2. 5 柔性密閉取心工具

柔性密閉取心工具如圖5所示，取心工具內(nèi)裝配自鎖式巖心爪，可保證割心整齊、鎖心牢固。柔性取心外筒由柔性單元串聯(lián)組成，柔性單元之間通過(guò)萬(wàn)向節(jié)結(jié)構(gòu)連接，關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，通過(guò)自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承和圓錐滾子軸承連接的方式，使內(nèi)外筒旋轉(zhuǎn)一致，有效保護(hù)巖心的完整性。

圖5 柔性密閉取心工具

1. 3 技術(shù)參數(shù)

（1）水平鉆孔取心技術(shù)的造斜曲率半徑為2 ～ 3 m，井眼直徑為?118 mm，水平鉆進(jìn)50 m，取心范圍為3 ～ 50 m。

（2）可撈斜向器的長(zhǎng)度為3 m，外徑118 mm，坐封壓力為20 ～ 22 MPa，打撈時(shí)所需的上提力為5 t。

（3）柔性鉆具單根長(zhǎng)度5 m，外徑102 mm，抗拉強(qiáng)度100 t，承受扭矩15 000 N·m，密封壓力30 MPa，最小曲率半徑為1.5 m。

（4）造斜鉆具單根長(zhǎng)度7 m，外徑108 mm，抗拉強(qiáng)度80 t，承受扭矩13 000 N·m，密封壓力20 MPa，最小曲率半徑為2 m。

（5）柔性密閉取心工具外徑102 mm，抗拉強(qiáng)度80 t，密封壓力15 MPa，最小曲率半徑2 m，取心直徑38 mm，取心長(zhǎng)度0.8 ～ 1 m。

1. 4 技術(shù)特點(diǎn)

（1）使用超短半徑側(cè)鉆技術(shù)開窗后，會(huì)在套管上形成一個(gè)大小為20 cm左右的圓形窗口，相對(duì)于常規(guī)側(cè)鉆井形成的長(zhǎng)度在3 ～ 5 m的窗口，可將套管的損害降到最低。

（2）短曲率半徑水平鉆孔取心技術(shù)相比于常規(guī)定向取心可以更近距離取心，相比于井壁取心可以更遠(yuǎn)距離取心，取心范圍更大，使用更加靈活，可根據(jù)要求實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)取心。

（3）在進(jìn)行水平井柔性密閉取心時(shí)，使用小直徑柔性取心工具，可以順利通過(guò)套管進(jìn)入地層，通過(guò)曲率半徑2 m的超短半徑井眼，實(shí)現(xiàn)油層內(nèi)定點(diǎn)定方位取心。

2 主要工藝流程

2. 1 優(yōu)選套管開窗位置

根據(jù)油層位置、套管接箍位置和側(cè)鉆曲率半徑長(zhǎng)度，選擇合理的套管開窗位置。使用測(cè)井儀器對(duì)作業(yè)井套管進(jìn)行檢查，反復(fù)核對(duì)套管數(shù)據(jù)，必須選擇固井質(zhì)量達(dá)到優(yōu)良以上井段，盡量避開套管接箍部位，防止在開窗作業(yè)中因扭矩較大致使鉆鋌發(fā)生疲勞斷裂故障。

2. 2 下入斜向器

將斜向器與鉆桿下端相連，通過(guò)修井機(jī)將斜向器下放至井中預(yù)定位置。用陀螺定位儀和電測(cè)儀器測(cè)試方位和深度，將斜向器調(diào)整到目標(biāo)方位角和深度后進(jìn)行打壓坐封，然后正轉(zhuǎn)丟手，起出斜向器丟手管柱。

2. 3 套管開窗

將開窗鉆具下放至預(yù)定位置，井口安裝旋轉(zhuǎn)密封器。先正循環(huán)洗井后使用反循環(huán)洗井進(jìn)行開窗作業(yè)，開窗作業(yè)完成后，起出鉆具。更換銑錐后進(jìn)行修窗作業(yè)，反復(fù)在窗口位置修整、提放、旋轉(zhuǎn)順暢無(wú)卡阻后停鉆，循環(huán)洗井，起出鉆具。

2. 4 造斜段鉆進(jìn)

將造斜段鉆具下放至預(yù)定位置，井口安裝井口密封器。下至造斜點(diǎn)深度，校正指重表，做第二次定位工作，確保造斜器工具面與斜向器斜面方向重合，采用反循環(huán)方式鉆進(jìn)，當(dāng)鉆進(jìn)至目標(biāo)進(jìn)尺時(shí)，造斜工作結(jié)束，劃眼3次以上至提放順暢無(wú)卡阻，起出鉆具。

2. 5 水平段鉆進(jìn)

下入水平段鉆具。當(dāng)下至窗口以上位置時(shí)做第三次定位，使用正循環(huán)鉆進(jìn)，當(dāng)水平段鉆進(jìn)至目標(biāo)進(jìn)尺后起出鉆進(jìn)管柱。

2. 6 水平段取心

將取心鉆頭下至水平段目標(biāo)進(jìn)尺后進(jìn)行正循環(huán)鉆進(jìn)，根據(jù)地層情況合理控制鉆壓和排量，鉆進(jìn)1 m，起出鉆具。

2. 7 回收斜向器

下入斜向器器專用修口銑錐鉆具，當(dāng)下至臨近魚頂位置時(shí)緩慢下放管柱，正循環(huán)磨鉆修口，修口結(jié)束后起出管柱。下入斜向器專用打撈工具，當(dāng)下至臨近魚頂位置時(shí)，大排量沖洗魚頂，并觀察負(fù)荷及魚頂位置的變化，打撈成功后起出管柱，完井。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

2018年10月，該項(xiàng)技術(shù)在吉林油田XX-01井實(shí)施短曲率半徑水平鉆孔取心技術(shù)試驗(yàn)。XX-01井取心目的層為扶余油層，垂深1 152.2 ～ 1 156.4 m。2018年10月19日 ～ 20日，下入?118 mm可撈斜向器，并使用陀螺儀測(cè)井校深，成功坐封可撈斜向器。10月22日，下入?118 mm開窗銑錐進(jìn)行開窗作業(yè)，開窗位置1 149.5 m。10月25日 ～ 29日，下入?108 mm造斜鉆具進(jìn)行造斜作業(yè)，進(jìn)尺3.2 m，起出造斜鉆具，下入測(cè)斜儀進(jìn)行測(cè)斜，方位角10°，井斜角82°。重新下入?108 mm造斜段鉆具進(jìn)行造斜作業(yè)，進(jìn)尺5 m。起出造斜鉆具，下入測(cè)斜儀進(jìn)行測(cè)斜，方位角12°，井斜角90°，造斜作業(yè)結(jié)束。10月31日，下入?102 mm柔性鉆具進(jìn)行水平鉆進(jìn)，鉆進(jìn)15 m進(jìn)行取心作業(yè)，下入?102 mm柔性取心工具成功取出直徑38 mm、長(zhǎng)度800 mm巖心。11月1日完井，水平鉆進(jìn)27 m。

2018年11月，該項(xiàng)技術(shù)在吉林油田XX-02井實(shí)施短曲率半徑水平鉆孔取心技術(shù)試驗(yàn)。XX-02井取心目的層為扶余油層，垂深1 344.8 ～1 351.2 m。2018年11月19日下入?118 mm可撈斜向器，使用陀螺儀測(cè)井校深，成功坐封可撈斜向器。11月20日，下入?118 mm開窗銑錐進(jìn)行開窗作業(yè)，開窗位置1 343.4 m。11月25日 ～ 27日，下入?108 mm造斜鉆具進(jìn)行造斜作業(yè)，進(jìn)尺4 m，下入測(cè)斜儀進(jìn)行測(cè)斜，方位角83°，井斜角75°，起出測(cè)斜儀繼續(xù)進(jìn)行造斜作業(yè)，進(jìn)尺4.5 m，出現(xiàn)卡鉆現(xiàn)象，起出造斜鉆具，下入測(cè)斜儀進(jìn)行測(cè)斜，方位角83°，井斜角85°，造斜作業(yè)結(jié)束。11月28日 ～ 12月4日，下入?102 mm柔性鉆具進(jìn)行水平鉆進(jìn)47 m，取心一次，但未成功。

4 結(jié)論

（1）短曲率半徑水平鉆孔取心技術(shù)可以有效利用停產(chǎn)井，其作業(yè)周期短，施工方便，可作為剩余油認(rèn)識(shí)手段，為油田進(jìn)一步開發(fā)提供技術(shù)支持。

（2）通過(guò)短曲率半徑水平鉆孔取心試驗(yàn)可知，水平段距離較近時(shí)效果良好，比較容易獲得較完好的巖心樣本；當(dāng)水平段距離較遠(yuǎn)時(shí)，柔性鉆具容易損壞。

（3）受地層斷層、井斜角變化及裂縫影響因素的影響，井眼軌跡控制難度較大，為了獲得理想的井眼軌跡，必須多次測(cè)斜，隨時(shí)調(diào)整造斜段進(jìn)尺。