海上深部地层超短半径水平井钻井技术的研究及应用

覃建宇，夏环宇，田 峥，张永涛，李 波，刘永峰

（1.中海石油（中国）有限公司深圳分公司，广东深圳 518067；2.中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300452）

超短半径井的井眼曲率半径可以达到4 m 以下，研究的是曲率半径1.5～3.6 m，采用柔性钻具进行造斜和水平段的钻进，水平段进尺最大约100 m 的超短半径水平井。该类井有成本低、着陆段短、侧钻开窗对套管损伤小、易实现多分支等优点。采用此技术，将套管射孔生产井改造成多分支水平井，可以实现对近井地带储层的改造，达到提高油井产量的目的。

目前世界范围内，采用柔性钻具钻进的超短半径水平井的应用较少，在煤层气井[1-3]、海上油田[4]有少量应用，大部分已经成熟应用的超短半径分支水平井[5-12]是利用小钻管、水力/酸液喷射等方式钻进的，不在讨论的范围内。采用柔性钻具钻进的超短半径水平井技术处于发展阶段，有很多难题有待解决。

海上某油田储层埋深3 200 m 左右，有储层岩性致密、地层温度高、岩石强度较高、可钻性差等特点，在该油田应用超短半径技术时，有钻进扭矩预测难度大、高温影响测斜、机械钻速预测困难等挑战，给开发方案的制定造成障碍。目前超短半径水平井在海上油田应用少之又少，更缺乏深层的实钻资料做参考。本文就该技术开展针对性的研究，解决上述问题，为超短半径水平井在海上深层的顺利实施提供保障。

1 海上深层超短半径水平井钻井技术

本文从地质条件及超短半径水平井布置、侧钻点优选和井轨迹设计、钻进扭矩预测、井筒循环温度预测、水平井段机械钻速预测等方面开展研究，为解决超短半径水平井在矿场应用问题提供参考。

1.1 地质条件及超短半径水平井布置

在超短半径水平井设计前，必须要考虑目标油田的地质条件。包括油层厚度、能量驱动方式、岩性、防砂需求等（见表1）。

表1 超短半径水平井适用地质条件表

该油田储层呈平面展开形态，考虑到其平面面积达6 km2，加上储层渗透率低，定向井单井控制范围可能无法波及到油藏边界，可考虑采用水平井生产；油藏在纵向上呈层状、垂向多层分布，采用定向井生产较有优势。综合以上，多分支超短半径水平井可有效结合水平井和定向井的优势，在该油田应用时，既可增加单井控制范围，又可实现多层同时开采。

1.2 侧钻点优选和井轨迹设计

与常规侧钻井一样，超短半径水平井在套管内侧钻涉及到侧钻点优选问题，因超短半径水平井井眼曲率半径短，侧钻点的选择范围非常小；超短半径水平井水平段钻进时自然降斜，无主动控制轨迹能力，所以轨迹设计需要考虑薄储层的穿层问题。

利用钻井完工套管下入数据表及固井SBT 等曲线（见图1），合理设计超短半径水平井造斜段井眼曲率，以避开接箍，且选择有水泥封固位置侧钻。若无法避开水泥封固质量较差位置，则建议处理侧钻点窗口，挤注水泥，给后续安全作业提供保障。

图1 固井SBT 曲线

对较薄的储层，必须设计合适的水平段长以避免穿层引起的底水锥进及出泥等问题。本文根据目前已钻超短半径水平井轨迹数据，分别对在疏松和致密砂岩钻进中，轨迹的垂向偏离进行统计分析，得出超短半径水平井钻进中的降斜规律，并编制超短半径水平井水平段长度在不同储层厚度条件下的推荐范围图版（见图2）。在实际水平段长度设计中，建议轨迹末端距储层底留1 m 左右的垂向距离作为安全余量。

图2 水平段长度确定图版

1.3 钻进扭矩预测

与常规钻井不同，超短半径水平井水平段钻进使用柔性钻具。考虑到柔性钻具与井壁接触点位多，再加上这类井极小的井眼曲率半径，导致钻具所受扭矩较大，有较高失效风险。在设计中，必须加以考虑。

柔性钻具在井下的状态难以预测，令超短半径水平井钻井过程中的扭矩预测变得困难，目前无成熟的方法可供借鉴。本文采用“上部软件校核+下部实钻数据拟合”的方法，即在常规井段采用成熟软件校核结果，在造斜和水平段采用实钻数据拟合的方式，将两者叠加进行全井段的扭矩预测，得到较为准确的预测结果。

对于水平段扭矩，在特定储层、井眼尺寸、钻具组合条件下，柔性钻具扭矩可以用水平段进尺表示：

式中：V-扭矩，kN·m；A-常数，kN；B-常数，kN·m；x-水平段进尺，m。

利用实钻数据拟合，可以得到结果（见图3），根据结果，超短半径水平井水平段长100 m 时，钻进扭矩增加约18 kN·m。

图3 水平段钻进扭矩拟合结果

1.4 井筒循环温度预测

超短半径水平井水平段轨迹数据目前无法随钻测量。该数据通常在钻井结束后，靠投入特制测量短节获得。因短节耐温为120 ℃，在高温深井中应用有所限制，本文提出了水平段钻进循环+停钻循环降温的方法，保证井底温度满足测量短节耐温要求。考虑整个钻井过程，建立符合超短半径水平井钻井测斜工序的井筒温度场预测模型，并通过软件计算测斜工况开始时的井筒温度，保证轨迹数据顺利获取（见图4）。

图4 井筒温度预测结果

1.5 水平井段机械钻速预测

经济性评价是油田开发的一项重要工作，对超短半径水平井钻井，涉及到钻井工期和费用的评估。由于海上深层无此类井应用案例，水平段机械钻速预测困难，钻井工期测算难度大。本文利用目前该油田常规水平井深层实钻数据，结合超短半径水平井浅层机械钻速资料，建立简化计算超短半径水平井水平段钻进机械钻速的模型，为工期和费用预算提供参考。

根据国内外文献[13-16]，目前通常将机械钻速表示成钻压、钻速、钻头比水功率、井底压差的函数关系式如下：

式中：v-机械钻速，m/h；k、λ、α、β-系数或者指数系数，无量纲；W-钻压与钻头直径的比，kN/mm；n-钻头钻速，1/min；Nc-钻头水功率与钻头直径的比，kW/mm；Δp-井底压差，MPa。

在常规水平井和超短半径水平井使用相同钻头的情况下，可不考虑钻头比水功率、井底压差的差别，所以有下式：

式中：下标p、O-超短半径水平井和常规井。

根据文献[13]，参数α、λ 的取值范围为0.6～2.8 和0.4～1.9，根据实钻参数，α′、λ′参数分别有取值范围为0～2.65 和0～4.75，再根据现有的超短半径水平井和常规井相关资料（见表2），利用试算法分别赋值α′，可求得λ′和K′，最终求得机械钻速平均数为1.14 m/h。

表2 实钻参数表

2 技术应用案例

某油田有一口套管生产井需要进行超短半径水平井改造。储层为致密砂岩，储层温度137 ℃，老井套管尺寸为244.5 mm，其他信息（见表3）。

表3 老井基本信息

根据以上基础数据，利用上节相关方法进行计算，可以得到该井超短半径水平井设计关键参数（见表4），有了表中数据，即可开展钻完井设计方案的编制。

表4 超短半径水平井设计关键参数表

3 结论

（1）在特殊地质条件下，超短半径水平井可有效结合水平井和定向井的优势，即可增加单井控制范围，又可实现多层同时开采，是一种开发新思路。

（2）结合实钻参数的超短半径水平井分段扭矩预测技术利用了不同超短半径水平井造斜、水平段轨迹参数一致性较高的特点，将水平段扭矩量化处理，在现场扭矩预测时可参考性强。

（3）“水平段钻进循环+停钻循环”可有效解决超短半径水平井水平段无法测斜问题，为高温储层超短半径水平井轨迹测量难题提供了可行的方案。

（4）利用常规水平井深层实钻数据，结合超短半径水平井浅层机械钻速资料，建立了超短半径水平井水平段机械钻速预测模型，可为超短半径水平井工期预测提供依据。