短半径水平井钻井技术研究及应用——以哈萨克斯坦Konys油田为例<br/>

短半径水平井钻井技术研究及应用——以哈萨克斯坦Konys油田为例

2015-04-02张晓明

长江大学学报(自科版) 2015年11期

张晓明

长江大学研究生院，湖北荆州４３４０２３（中石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院，山东东营）

套管开窗侧钻短半径水平井集开窗侧钻井技术、短半径水平井技术和小井眼钻井技术的优越性于一体，具有有效预防复杂层位引起的井下复杂情况，可有效缩短钻井总进尺，较小的靶前距有效提高靶前认识程度等优点［1］。基于以上优点，哈萨克斯坦Konys油田充分利用原井眼进行侧钻，扩大资源动用规模，提高采出程度，减少投资，提高效益。

1 油藏概述

哈萨克斯坦Konys油田发现于1985年，1997年正式投入工业开发，当前综合含水率在37%左右。位于南图尔盖盆地南部阿雷斯库姆坳陷，具有断坳地质结构，属于加里东期和海西期褶皱带结合部，是由前古生界和下古生界的褶皱基底、侏罗系断陷和白垩系坳陷等3个构造层组成。Konys油田2个主力油层埋深约950～1300m 左右，为带气顶和边水的层状构造饱和油藏，其中M－Ⅱ是一套低伽马、高电阻砂岩层，层厚约10～20m，以岩屑砂岩、石英砂岩为主；另一套主力生产层J－0－1和J－0－2多为1～2m 薄互层，以褐色致密块状石英长石泥质粉砂岩为主［2］。K－190S井主要目的层为下白垩统下达乌尔组的M－Ⅱ层，该产层带气顶，为气顶边水砂岩油藏，产油层位于油环内。

2 短半径水平井钻井技术难点分析

2．1 井身轨迹设计影响因素多、轨迹预测难度大

该井设计为∅139．7mm 套管开窗侧钻水平井，侧钻后初始造斜，仪器会受到磁干扰，影响测量方位的准确性；定向段设计造斜率24．3°／30m，高造斜率条件下，考虑井下工具造斜能力及工具、钻具强度的安全性和随钻仪器工作稳定性［3］，防止发生弯曲损坏情况。

2．2 井身轨迹控制难度大

由于地层岩性复杂，增斜段造斜率高（24．3°／30m），轨迹控制几乎没有可调整井段；全井段为小井眼（∅120mm）钻进，∅73mm 钻杆柔性大，钻压传递十分困难，定向施工过程中工具面可控性差，很难调整到位且容易偏移，加之随钻测斜数据存在滞后问题，螺杆初期造斜规律不易掌握［4］，给定向钻进时井身轨迹控制带来困难。

2．3 钻具尺寸与井眼环空间隙小，泵压高

小井眼由于环空间隙小，钻具组合水眼小、循环压耗大，循环系统（钻井泵、高压管汇、水龙带、立管管汇）长期在极限工况下工作，安全隐患加大［5］；钻具尺寸小，柔性强，易黏附于井壁造成黏附卡钻。

2．4 井眼尺寸小，裸眼井段较长、携砂困难，易形成岩屑床

井眼尺寸小，排量受制于机泵和高压管线的条件，不能很好地满足携砂能力。随着井斜角和水平位移的增加，岩屑的径向下滑速度逐渐增加，趋向于井壁低边。当钻至井斜角为30～90°时，由于钻井液携带效率下降会导致岩屑床形成，在重力和逆压差作用下岩屑床沿井眼向下滑移［6］。因此为了安全钻井，要求钻井液具有良好的携砂能力，同时具有良好的流动性以满足润滑性方面的需要。

3 钻井技术措施

3．1 井身轨迹优化设计和预测技术

井身轨迹的设计难点在于定向井段造斜率高、可控井段短、井眼直径小等，其优化设计是短半径水平井技术的重要组成部分［7］。K－190S井身轨迹优化前后数据对比见表1和表2，通过对比数据可看出，井身轨迹优化设计的优点在于：①侧钻出窗口后预留25m 的稳斜井段，避开套管磁干扰；②设计初始狗腿度由18°／30m 调整至24．3°／30m，使靶前位移由100．84m 增至214．53m，即进A 靶前增加近80m稳斜段，降低了由于动力钻具和地层变化带来的造斜率变化的风险，提高中靶的精确度和地质找油的准确性。轨迹预测技术［8］是根据当前的钻具组合、最新的测斜数据以及测斜零长的施工记录，准确对当前井斜方位进行预测。K－190S 井采用Compass 软件进行轨迹的预测和计算，实现了井身轨迹的准确入靶。

表1 原设计井身轨迹数据表

表2 优化后井身轨迹数据表

3．2 井身轨迹控制技术

短半径水平井侧钻后的井身轨迹控制，主要依靠井下动力钻具配合随钻测量系统（MWD／LWD）测量仪器完成。具体措施主要包括以下几方面［9］：

1）根据钻进井段的实际造斜率情况，合理调整螺杆弯度，确保实现预定的造斜率。斜井段选用高度数单弯螺杆，以避免出现前期井斜小，工具面不稳造成的造斜率过低于螺杆理论造斜率；水平段采取复合钻进与滑动钻进相结合的钻进方式，选用低度数单弯螺杆，降低扭矩。

2）根据井身轨迹设计及地层需要，合理选择测量工具（MWD／LWD），实时跟踪地层变化，做到轨迹及时控制、及时调整，保证实钻轨迹在最佳的油层位置穿行。

3）为保证大井斜角下钻压的有效传递，当井斜角大于30°时，采用柔性倒装钻具组合，并随着增斜井段的增加，不断补充增斜井眼内的斜坡钻杆长度，使加重钻杆始终处于直井段的套管内，以减少钻柱摩阻，保证钻压的有效传递。

3．3 摩阻扭矩分析技术

短半径水平井与常规中长半径水平井相比，曲率变化大，钻具在上提下放及旋转和滑动钻进过程中，其扭矩和摩阻大，对钻井产生不利影响。因此，短半径水平井钻井如何充分的估算和减少摩阻扭矩是设计和施工应考虑的重要问题之一［10］。施工过程中，利用先进的Landmark软件实时计算井眼轨道摩阻扭矩，及时掌握和监测造斜井段小尺寸钻杆屈曲状况，对不同井段、不同地层情况，有针对性地调整钻进参数、钻井液性能，避免钻柱的 “自锁”。

3．4 MWD＋伽马地质导向技术

MWD＋伽马地质导向技术是MWD 无线随钻仪在井眼井斜、方位、工具等定向参数测量的基础上，加以应用自然伽马地层参数测量功能［11］。地质人员利用测量的地层自然伽马值及时分析地层岩性变化，进行地层对比，指导定向工程师轨迹调整，为地质决策提供科学参考。

3．5 安全钻井技术

侧钻短半径水平井钻井的主要风险是钻具黏卡、井底落物等复杂问题。为此，要做好以下几方面工作：

1）严格控制造斜钻具的下钻速度，防止损坏螺杆和钻头。

2）随着水平位移的增大，岩屑床的堆积越来越严重，因此钻井中要进行划眼和及时短程起下钻［12］。在水平段施工中，每钻进一个单根应及时进行划眼，以保持井壁光滑；每钻进40～50m，进行一次短程起下钻，一旦发现上提下放困难，立即开泵循环，直至正常。

3）定向钻进时，出现脱压、钻压不回情况时及时活动钻具，防止黏卡。

4）控制牙轮钻头的使用寿命，单牙轮钻头在高转速、高造斜率和侧向力的工况下，钻头会磨损严重，牙轮轴承先期磨损。在实际施工中，根据地层岩性、机械钻速等因素综合分析，防止出现钻头零件掉井事故发生［13］。

4 现场施工过程

4．1 开窗段

钻具组合：XZ－118铣锥＋∅105mm 钻铤×18．31m＋转换接头＋∅73mm 钻杆。

钻井参数：保持在5～10kN 内以确保蹩跳不严重为宜；磨铣钻进1m 左右操作平稳后，可加压至20～50kN，排量10～15L／s。

选择斜向器铣锥磨铣开窗，一次性开窗成功，开窗井段为1160～1164m。开窗完成后，下入直螺杆复合钻进至1185m，使套管与新井眼间夹壁墙增厚，为下一步定向钻进提供保障。

4．2 斜井段

钻具组合：∅120mm 单牙轮钻头＋∅95mm （1．22～2．44°）动力钻具＋∅105mm 回压阀＋∅105mm座键接头＋∅105mm 铍铜＋∅73mm 钻杆×100～400m＋∅105mm 钻铤×4 根＋∅73mm钻杆。

滑动钻进参数：钻压20～30kN，排量10～13L／s，泵压13～16MPa。

旋转钻进参数：钻压5～15kN，排量10～13L／s，泵压13～16MPa。

钻井液性能：密度1．11～1．12g／cm3，漏斗黏度45～52s，失水量4．0mL／30min，含砂质量分数0．2%～0．3%。

斜井段从1185m 开始定向钻进，初始选用2．44°单弯马达，在控制好井身轨迹的情况下，避免局部狗腿度过大，降低了下步作业的施工风险。随着井斜角的增大，狗腿度也随之增大，避免出现连续的高狗腿度，后续依次选用2、1．22°单弯马达滑动钻进。钻进至井深1413m，井斜85．2°，开始复合钻进，掌握复合钻进趋势（1～3°／30m 增斜），及时对井身轨迹数据进行计算处理，按预测指导实际施工。通过预测复合钻进可以满足中A 靶需要，因此控制钻进参数复合钻进至A 靶。

4．3 水平段

钻具组合：∅120mm 单牙轮钻头＋∅95mm （1．22°）动力钻具＋∅105mm 回压阀＋∅105mm 座键接头＋∅95mm 无磁钻铤＋∅73mm 钻杆×400m＋∅105mm 钻铤×4根＋∅73mm 钻杆。

滑动钻进参数：钻压20～30kN，排量9～10L／s，泵压15～16MPa。旋转钻进参数：钻压5～15kN，排量9～10L／s，泵压15～16MPa。

钻井液性能：密度1．12g／cm3，漏斗黏度45～52s，失水量4．0mL／30min，含砂质量分数0．2%。

进入水平段后，复合钻进井斜1～3°／30m 增斜，方位前期右漂，后期左漂。实钻数据显示，该钻具组合的造斜能力较高，每个单根定向钻进3～4m，造斜率达到4～5°／30m。采取复合与滑动相结合的钻进方式，适当控制钻压，增加划眼次数，以放缓井斜增长。

4．4 技术应用效果评价

K－190S井通过应用套管开窗侧钻短半径水平井钻井工艺技术，大大提高了钻井效率，恢复了老井的产能，获得了良好的效益。为后续老井开发提供了宝贵的借鉴经验。从K－190S井高效、高质完钻来看，各项技术取得了良好的效果，主要表现在以下几方面：①K－190S井设计最大造斜率在24．3°／30m，实钻造斜率在25．41～30．42°／30m 之间，与前期同类型井相比，采取高造斜率，入A 靶前设计一段稳斜段避免了因地层变化造成的造斜率失常和提高了地质找油的准确性。②短半径水平井轨迹控制精度。由于K－190S井造斜率高，且存在11～12m 的仪器零长，实钻中稍有疏忽可能会影响后续工作的被动，严重导致填井，因此实钻中不仅要求轨迹准确中靶，同时也要求井身轨迹尽可能光滑。K－190S井实钻轨迹光滑顺畅，轨迹精确中靶，完成技术指标如表3所示。