短曲率半径水平钻孔取心技术研究及试验

徐峰阳，刘成双，陈 宁

中国石油吉林油田油气工程研究院

0 引言

吉林油田地处松辽盆地［1］，是典型的低渗油田，在经历了50多年的开发后，已进入了中高含水采油期，油田综合含水率大幅提高，产能递减速度快，产生了4 000多口因井下管柱损坏、含水率高、产能低于经济极限等原因而关井的停产井。油田计划利用停产井对油层取心，定量分析长期注水后地层岩石物性变化及油水动态，重新认识地下剩余油的分布规律［2］，确定有利于油田的开发方案，最大限度地提升油田老区剩余油挖掘产量，提高采收率，使油田满足生产要求。现有的取心工具与工艺无法在井筒条件进行取心作业［3-6］，为此，吉林油田开展了短曲率半径水平钻孔取心技术研究与试验。

1 技术概况

1. 1 技术原理

短曲率半径水平钻孔取心技术由超短半径侧钻技术和水平井柔性密闭取心技术集合而成，具有转弯半径小、入靶准确的技术特点［7-9］。在停产井中下入斜向器进行导向，采用开窗钻头在套管壁上进行开窗，通过柔性钻具在设计层位完成高曲率造斜［10-12］，当斜率达到设计要求后进行水平钻进，在钻进至目标层位后，下入密闭取心工具对油层进行取心。根据岩心数据获取的需要，可在同一油层或不同油层内实现多分支取心［13-15］。

1. 2 配套工具

1. 2. 1 可捞斜向器

可捞式斜向器如图1所示。可捞斜向器在作业时使用钻杆直接下入井中指定位置坐封，引导钻杆完成由垂直向水平方向的转变和钻进时的方位角，为精准取心提供准确方向；斜向器斜面涂有耐磨涂层，能在开窗作业时有效保护斜向器斜面，保证倾斜角的稳定。

图1 可捞斜向器

1. 2. 2 开窗铣锥

开窗铣锥如图2所示，该铣锥可顺畅进行开窗作业，并保证窗口边缘光滑，使井下工具通过窗口时不出现卡顿现象，减少对井下工具的磨损，延长井下工具的使用寿命。

图2 开窗铣锥

1. 2. 3 柔性钻具

柔性钻具如图3所示，钻具使用改进型球笼万向节连接，增加扶正环结构，可以降低摩阻，有效提高钻具钻进时的稳定性，具有振动较少、钻进稳定、钻压波动较低、水平偏移小的特点。

1. 2. 4 造斜钻具

造斜钻具如图4所示，由万向节串和导向筛管外壳组成，工具串可以在10 MPa压力下自由弯曲；导向外壳选用35CrMo钢管进行激光切割制成，保证钻具只能单向弯曲，可以满足短曲率半径水平钻孔取心技术的技术要求。

图3 柔性钻具

图4 造斜钻具

1. 2. 5 柔性密闭取心工具

柔性密闭取心工具如图5所示，取心工具内装配自锁式岩心爪，可保证割心整齐、锁心牢固。柔性取心外筒由柔性单元串联组成，柔性单元之间通过万向节结构连接，关节转动灵活，通过自润滑关节轴承和圆锥滚子轴承连接的方式，使内外筒旋转一致，有效保护岩心的完整性。

图5 柔性密闭取心工具

1. 3 技术参数

（1）水平钻孔取心技术的造斜曲率半径为2 ～ 3 m，井眼直径为Ø118 mm，水平钻进50 m，取心范围为3 ～ 50 m。

（2）可捞斜向器的长度为3 m，外径118 mm，坐封压力为20 ～ 22 MPa，打捞时所需的上提力为5 t。

（3）柔性钻具单根长度5 m，外径102 mm，抗拉强度100 t，承受扭矩15 000 N·m，密封压力30 MPa，最小曲率半径为1.5 m。

（4）造斜钻具单根长度7 m，外径108 mm，抗拉强度80 t，承受扭矩13 000 N·m，密封压力20 MPa，最小曲率半径为2 m。

（5）柔性密闭取心工具外径102 mm，抗拉强度80 t，密封压力15 MPa，最小曲率半径2 m，取心直径38 mm，取心长度0.8 ～ 1 m。

1. 4 技术特点

（1）使用超短半径侧钻技术开窗后，会在套管上形成一个大小为20 cm左右的圆形窗口，相对于常规侧钻井形成的长度在3 ～ 5 m的窗口，可将套管的损害降到最低。

（2）短曲率半径水平钻孔取心技术相比于常规定向取心可以更近距离取心，相比于井壁取心可以更远距离取心，取心范围更大，使用更加灵活，可根据要求实现多点取心。

（3）在进行水平井柔性密闭取心时，使用小直径柔性取心工具，可以顺利通过套管进入地层，通过曲率半径2 m的超短半径井眼，实现油层内定点定方位取心。

2 主要工艺流程

2. 1 优选套管开窗位置

根据油层位置、套管接箍位置和侧钻曲率半径长度，选择合理的套管开窗位置。使用测井仪器对作业井套管进行检查，反复核对套管数据，必须选择固井质量达到优良以上井段，尽量避开套管接箍部位，防止在开窗作业中因扭矩较大致使钻铤发生疲劳断裂故障。

2. 2 下入斜向器

将斜向器与钻杆下端相连，通过修井机将斜向器下放至井中预定位置。用陀螺定位仪和电测仪器测试方位和深度，将斜向器调整到目标方位角和深度后进行打压坐封，然后正转丢手，起出斜向器丢手管柱。

2. 3 套管开窗

将开窗钻具下放至预定位置，井口安装旋转密封器。先正循环洗井后使用反循环洗井进行开窗作业，开窗作业完成后，起出钻具。更换铣锥后进行修窗作业，反复在窗口位置修整、提放、旋转顺畅无卡阻后停钻，循环洗井，起出钻具。

2. 4 造斜段钻进

将造斜段钻具下放至预定位置，井口安装井口密封器。下至造斜点深度，校正指重表，做第二次定位工作，确保造斜器工具面与斜向器斜面方向重合，采用反循环方式钻进，当钻进至目标进尺时，造斜工作结束，划眼3次以上至提放顺畅无卡阻，起出钻具。

2. 5 水平段钻进

下入水平段钻具。当下至窗口以上位置时做第三次定位，使用正循环钻进，当水平段钻进至目标进尺后起出钻进管柱。

2. 6 水平段取心

将取心钻头下至水平段目标进尺后进行正循环钻进，根据地层情况合理控制钻压和排量，钻进1 m，起出钻具。

2. 7 回收斜向器

下入斜向器器专用修口铣锥钻具，当下至临近鱼顶位置时缓慢下放管柱，正循环磨钻修口，修口结束后起出管柱。下入斜向器专用打捞工具，当下至临近鱼顶位置时，大排量冲洗鱼顶，并观察负荷及鱼顶位置的变化，打捞成功后起出管柱，完井。

3 现场试验

2018年10月，该项技术在吉林油田XX-01井实施短曲率半径水平钻孔取心技术试验。XX-01井取心目的层为扶余油层，垂深1 152.2 ～ 1 156.4 m。2018年10月19日 ～ 20日，下入Ø118 mm可捞斜向器，并使用陀螺仪测井校深，成功坐封可捞斜向器。10月22日，下入Ø118 mm开窗铣锥进行开窗作业，开窗位置1 149.5 m。10月25日 ～ 29日，下入Ø108 mm造斜钻具进行造斜作业，进尺3.2 m，起出造斜钻具，下入测斜仪进行测斜，方位角10°，井斜角82°。重新下入Ø108 mm造斜段钻具进行造斜作业，进尺5 m。起出造斜钻具，下入测斜仪进行测斜，方位角12°，井斜角90°，造斜作业结束。10月31日，下入Ø102 mm柔性钻具进行水平钻进，钻进15 m进行取心作业，下入Ø102 mm柔性取心工具成功取出直径38 mm、长度800 mm岩心。11月1日完井，水平钻进27 m。

2018年11月，该项技术在吉林油田XX-02井实施短曲率半径水平钻孔取心技术试验。XX-02井取心目的层为扶余油层，垂深1 344.8 ～1 351.2 m。2018年11月19日下入Ø118 mm可捞斜向器，使用陀螺仪测井校深，成功坐封可捞斜向器。11月20日，下入Ø118 mm开窗铣锥进行开窗作业，开窗位置1 343.4 m。11月25日 ～ 27日，下入Ø108 mm造斜钻具进行造斜作业，进尺4 m，下入测斜仪进行测斜，方位角83°，井斜角75°，起出测斜仪继续进行造斜作业，进尺4.5 m，出现卡钻现象，起出造斜钻具，下入测斜仪进行测斜，方位角83°，井斜角85°，造斜作业结束。11月28日 ～ 12月4日，下入Ø102 mm柔性钻具进行水平钻进47 m，取心一次，但未成功。

4 结论

（1）短曲率半径水平钻孔取心技术可以有效利用停产井，其作业周期短，施工方便，可作为剩余油认识手段，为油田进一步开发提供技术支持。

（2）通过短曲率半径水平钻孔取心试验可知，水平段距离较近时效果良好，比较容易获得较完好的岩心样本；当水平段距离较远时，柔性钻具容易损坏。

（3）受地层断层、井斜角变化及裂缝影响因素的影响，井眼轨迹控制难度较大，为了获得理想的井眼轨迹，必须多次测斜，随时调整造斜段进尺。