水平分支井是在一个水平主井眼内钻出两个或者多个水平分支井眼的水平井, 是水平井与侧钻技术的集成和发展^{[1, 2]}, 该技术在提高低渗透、特低渗透气田开采率方面发挥了重要的作用。我国东部海域油气田迄今为止勘探开发揭示的油气资源潜力主要赋存于深层—超深层的常规低渗—近致密气的领域^[3], 具有埋藏深(垂深3 500 m以下)、地质成因复杂的特点^[4]。近年在东海主要利用旋转导向工具实施水平分支井钻进, 其中H油田是近两年开发的新油田, 为了提高低渗储量动用程度, 部署实施多口水平分支井, 水平分支井难点之一较普通水平井来说在于悬空侧钻。因此, 本文总结了悬空侧钻作业注意事项, 并从H油田不同井悬空侧钻成功与失败的案例中, 分析提高悬空侧钻成功率的一些关键点, 着重分析在预定侧钻位置提前造大狗腿斜坡的影响。

2 悬空侧钻注意事项和施工程序 2.1 工具选择

东海使用的旋转导向工具主要有斯伦贝谢公司的Power Drive(PD)系列^[5-7]、Xceed, 哈利伯顿公司的Geo-Pilot(GP) ^[8], 由于PD地层制约大, 在H油田主要使用另两种旋转导向钻具, 均获得了比较好的效果。

2.2 钻头选择

根据地层可钻性的不同选择合适硬度的钻头, 同时结合侧向工具选择钻头选型也有所不同。Xceed工具需配套短保径带侧向齿, 短低弧度, 侧向能力强的钻头。Geo-pilot工具需选择长保径带侧向齿, 短低弧度, 侧向能力强的钻头。

2.3 侧钻点选择

无论是钻井还是对整个油藏开发来说, 水平分支井侧钻点的选择都是至关重要的。水平分支侧钻点的位置选择需要考虑的因素:

(1) 选择中软地层、无垮塌、地层均一、无异常压力的层位;

(2) 选择侧钻点和轨道类型, 优化钻井设计使整个轨道尽量少地在复杂地层段通过;

(3) 优选可钻性好, 造斜率高的砂岩段。

2.4 悬空侧钻轨道设计

悬空侧钻需在相同地方循环时间较长, 在做轨道设计阶段, 需在满足防碰等要求的情况下尽量减小表层第一造斜段的造斜率, 因为第一造斜段是整口井中疲劳系数最大的段, 侧钻过程中易造成钻杆疲劳从而引起钻具刺漏等复杂情况。

对不同造斜率情况下的疲劳系数进行对比(图 1)(控时钻进基本无钻压, 曲线为侧钻离底状态下的疲劳系数)。第一造斜段如果按照常规的3°/30 m的造斜率, 则疲劳系数大于1, 在侧钻过程中490~610 m的钻杆反复旋转对钻具的疲劳损伤较大, 所以轨道设计尽量减小第一造斜率, 降低钻具刺漏风险。

2.5 侧钻划槽

采用慢提快放, 井眼低边定向划眼的措施, 让钻头充分切削下井壁, 形成一个与原井眼的分离趋势。以215.9 mm井眼为例, 排量尽量接近工具的上限, 转速结合设备和工具的特性尽量使用高转速, 工具面140°或220°, 划槽段为侧钻点以上10 m, 划槽时间根据地层岩性灵活把握, 一般需要2~ 3 h。

2.6 定点循环造台阶

利用定向井定点循环易形成新井眼的特点, 在相同点反复循环, 形成一个局部扩径点, 钻具在重力作用下贴近井眼的低边前进, 一般需要1~ 2 h。

2.7 控时钻进

控时钻进利用控制ROP的方法增加井眼的降斜率, 从井眼的低边形成新井眼。针对偏硬地层的悬空侧钻, 适当增加控时钻进的时间。控时钻进的标准应根据侧钻过程中近钻头连续井斜的变化灵活调整。通过井斜变化计算分离距离, 确认钻头全部进入新地层后方可提高速度。

2.8 新井眼判断

(1) 根据近钻头井斜和MWD测斜与原井眼数值对比的变化;

(2) 如钻出新井眼则下放钻具会遇阻;

(3) 根据机械钻速判断, 钻压30~50 kN时, 如钻进比较慢(3~ 5 m/h)则为新井眼出现。

3 悬空侧钻实例

H油田共设计4口分支井, 目前已钻3口分支井, 总共进行旋转导向悬空侧钻6次, 其中一次悬空侧钻失败(表 1)。

根据表中数据可以看出, H油田侧钻点在垂深3 600 m左右, 垂深较深。因此, 地层研磨性强, 应选择具有较强攻击性、研磨能力以及带有侧向切削齿利于侧钻的16 mm齿、6刀翼钻头钻进。悬空侧钻时间较长, 需20~38 h侧钻一个分支, 平均达到28.3 h。H油田6次侧钻有一次失败, 耗费时间长, 达到42.5 h, 更换侧钻点重新侧钻成功。

以H油田A5M悬空侧钻为例简述侧钻过程。

侧钻钻具组合如下:8-3/8" PDC-BIT + 6-3/4" GP + 6-3/4" PM Collar + 6-3/4" RLL + 6-3/4" HOC + 6-3/4" SC-SUB + 6-3/4" Float sub + 6-3/4" F/J + JAR + 6-3/4"X/O + 5-1/2" HWDP×5 + 5-1/2" DP×120 + HWDP×12。

为保证侧钻的连续性, 提前配好钻具长度。侧钻点设计在4 273 m, 在设计侧钻点位置前后已提前造好一个向左上方或右上方的狗腿斜坡, 局部狗腿度达到6°, 作为侧钻时更容易形成新井眼的一个“转折点”。

侧钻点选择在4 273 m, 在4 265~4 273 m划槽作业3 h, 快速上提, 下放速度20 m/h, 划槽参数:排量2 200 L/min, 泵压14~15 MPa, 转速90 r/min, 扭矩40~47 kN · m。划槽过程中密切关注GP近钻头连续井斜的变化。

在4 273 m处定点循环造台阶1 h。钻井参数:排量2 200 L/min, 泵压14~ 15 MPa, 转速90 r/min, 扭矩43~ 47 kN · m。

自4 273 m至4 278 m开始控时钻进, 控制ROP 0.4 m/h控制钻井参数:排量2 200 L/min, 泵压14~ 15 MPa, 转速90 r/min, 扭矩44~47 kN · m; 观察连斜数据井斜降约0.2°, 钻压由0逐步增至0.3 t。将ROP由0.4 m/h增至0.8 m/h, 与原井眼ABI数据对比, 井斜下降了1.5°判断钻头逐步进入新地层。钻井参数:排量2 200 L/min, 泵压14~15 MPa, 转速90 r/min, 扭矩42~45 kN · m, 钻压0.5 t。控时钻进至4 279.5 m, 将ROP由0.8 m/h增至1.2 m/h, 与原井眼ABI数据对比, 井斜下降了2°。钻井参数:排量2 200 L/min, 泵压14~ 15 MPa, 转速90 r/min, 钻压2 t, 扭矩42~ 45 kN · m。控时钻进至4 286 m, 期间在4 279.5~ 4 280.5 m, 控制ROP 1.2 m/h; 在4 280.5~4 283 m, 控制ROP 1.5 m/h; 4 283~ 4 286 m控制ROP 3.2 m/h, 钻压显示2 t, 连斜数据与原井眼相差4°, 此时扫描井眼中心距为0.5 m, 确认侧钻成功。控时钻进总共用时19.5 h。

以H油田A6M井三次悬空侧钻为例, 简述合理的施工程序和在预定侧钻位置提前造大狗腿斜坡对悬空侧钻的影响。

A6M井侧钻钻具组合:8-3/8" PDC + 6-3/4" Xceed + 6-3/4" Ecoscope + 6-3/4" Telescope + 6-3/4" NMDC + 6-3/4" Filter-Sub + 6-3/4"(F/J+JAR) + X/O + 5-1/2" HWDP×4 + 5-1/2"DP×165 + HWDP×15。

A6M井第一次悬空侧钻程序与A5M井眼悬空侧钻程序相同, 侧钻点选择在4 010 m, 在4 002 ~4 010 m进行侧钻划槽3.25 h、定点循环造台阶1 h、控时钻进19.25 h, 排量2 100 L/min。钻进至4 025 m, 测点4 021 m, 井斜降至82°, 方位27.78°, 井斜比老井眼小4.7°, 方位比老井眼大0.67°, 与老眼间距1.1 m, 钻头已全部进入新地层, 侧钻成功。悬空侧钻总共用时23.5 h与A5M井22 h相当。侧钻点4 010 m局部狗腿6°, 为A6M主井眼悬空侧钻作好了坡度, 为侧钻成功提供了良好的条件(图 2)。

A6M井第二次悬空侧钻仍按照前面成功侧钻程序进行, 侧钻点选择在4 248 m, 在4 240~4 248 m井段划槽3.5 h, 定点循环造台阶1 h, 控时钻进23.5 h, 为1 950 L/min。钻进至4 261.26 m, 井斜差值为0.51°, 方位无变化, 效果不明显。为增加井斜差值, 在4 261.26 m采取定点循环0.5 h, 再造台阶, 控制钻进14 h后钻进至4 268 m, 方位变化不大, 井斜差值降至0.35°并有沿老井眼趋势微增, 确认侧钻未成功。

A6M第二次悬空侧钻原定的侧钻点在4 300 m为泥岩, 因油藏调整要求, 重新对侧钻点进行了选取, 选择4 248 m为新侧钻点, 而A6Mb井眼在4 245 ~4 259 m井段钻进时, 根据轨迹要求, 对旋转导向工具发稳斜模式中井斜增1°指令, 该处井斜由88.11°增至89.62°, 方位由30.44°降至29.65°, 局部狗腿3.5°。将其选为悬空侧钻点, 坡度稍小不利于侧钻(图 3)。然而, 原定的侧钻点为4 300 m, 因此前期A6Mb井眼在4 294 ~4 322 m井段钻进时, 对旋转导向工具发全力增斜指令, 该处井斜由89°增至92.85°, 方位由30.95°增至34.91°, 局部狗腿7°。

A6M井第三次悬空侧钻重新选择回侧钻点4 300 m处, 预留局部狗腿7°, 大局部狗腿为A6M主井眼悬空侧钻作好了坡度(图 4)。同时, 增加划槽及定点循环时间, 排量提高至2 100 L/min, 最终用时32.5 h悬空侧钻成功。

将A6M井第一次与第三次悬空侧钻作业中划槽效果进行对比:

由表 2可以看出, 同样选择在坡度较大的点侧钻, 而滑槽时间越长, 定点循环时间越长, 效果越明显, 井眼分离越容易。

4 结论

(1) 悬空侧钻作业需长时间精细化操作, 要求作业人员根据侧钻施工设计步骤精心操作, 要有足够的细心和耐心。

(2) 设计有悬空侧钻作业的井做轨道设计阶段要充分考虑第一造斜段的造斜率, 应尽量减小疲劳系数。

(3) 侧钻期间不要急于求成, 适当增加划槽和造台阶时间, 与控时钻进一样重要, 有利于井眼分离。

(4) 结合实际选择合理的侧钻排量, 在工具能力范围及井下安全的情况下, 提高侧钻排量。

(5) 在侧钻点上下10 m主动造一个向左上方或右上方的斜坡, 即形成新井眼的“转折点”, 将局部狗腿增至5~8°, 这样有利于侧钻时更容易形成新井眼, 提高悬空侧钻成功率。