裸眼悬空侧钻技术在东海XX低渗气田的实践分析

李 乾，秦丙林，王家航，熊振宇，马海燕，王宏民

（中国石化上海海洋油气分公司，上海 200120）

东部海域的油气资源主要富集于花港组和平湖组地层，储层埋藏较深且多为中低渗储层。XX低渗气田是东海近几年新开发的气田，该气田部署了多口多分支水平井以提高对低渗透率储层的动用程度。多分支水平井相较于常规定向井和和水平井，能够最大限度地沟通油气流通道，增大泄流面积和地层导流能力，从而提高单井产量，该技术非常适合于低渗气田的开发。

悬空侧钻技术是成功实施多分支水平井的关键，本文基于悬空侧钻技术及XX低渗气田X6井悬空侧钻的现场应用情况，分析了影响悬空侧钻成功实施的关键因素，总结了悬空侧钻成功实施的相关经验。

1 XX低渗气田特征

XX低渗气田构造位于东海陆架盆地西湖凹陷三潭深凹，是一个大型凹中隆背斜圈闭。XX低渗气田油气层主要分布在花港组H3～H12层，埋深为3 100～4 250 m。

1.1 地质分层情况

钻井及地震信息揭示了XX低渗气田地质分层情况（表1）。

表1 XX低渗气田地质分层情况

1.2 构造特征

XX低渗气田属于挤压背斜构造，总体上具有形态比较完整且埋藏相对较深的低幅度反转背斜构造的特征，平面上构造轴呈NNE向展布，纵向上构造高点继承性发育。浅部地层（H6以上）背斜形态完整，表现为圈闭面积大、幅度高的特征，且断裂不发育；深部地层（H6以下）断裂较发育，背斜形态由于受断层切割而不完整，圈闭表现为面积小且幅度低的特征（图1）。

图1 XX低渗气田构造特征（H5）

1.3 储层特征

岩心和壁心物性分析资料表明，H3～H6储层孔隙度为3%～19.8%，平均13.2%，渗透率为0.046×10–3～244×10–3μm2，平均16.8×10–3μm2，属于中孔中渗–低孔低渗储层；H7～H12储层孔隙度为2.1%～13.0%，平均8.5%，渗透率为0.017×10–3～1.960×10–3μm2，平均0.250×10–3μm2，属于特低孔特低渗储层。

2 悬空侧钻技术

XX低渗气田主要开发层位为花港组上段H3～H6层，H4d、H5、H6层为主力气藏，孔隙度及渗透率都很低，如采用定向井或常规水平井开采产能较低；为满足产能要求，提高低渗储量动用程度，需要考虑多分支水平井。水平分支井成功实施的主要技术难点在于悬空侧钻技术，该技术是一种在不注水泥塞、不下斜向器的情况下，在侧钻点直接进行侧钻施工的技术，可以节约注水泥、候凝等操作的时间，减少相应的材料费用。

2.1 悬空侧钻技术原理

将重力工具面摆在井眼低边或者30°左右，使钻具具有较强的降斜趋势，利用工具的重力作用并结合钻头的侧向切削作用，在井眼的低边钻出新的井眼轨道。新井眼初始形成阶段采用控时钻进方式，直至新老井眼间夹墙厚度达到安全要求[1–2]。

2.2 侧钻位置选择

多分支水平井悬空侧钻位置的选择，除了常规侧钻方式的要求外，还要满足以下条件：①侧钻点要优选狗腿度变化大、井径扩大率低的井段，保证钻头具有足够的侧向切削力；②侧钻点10 m范围内，主井眼的井眼轨迹应为增斜段，有利于提高新老井眼分离速度，避免选择在降斜的井段侧钻，导致侧钻井眼与老井眼难以分离；③推荐采用旋转导向工具进行悬空侧钻，如采用马达侧钻，侧钻点最好优先选择在距离套管鞋100 m左右，防止托压影响侧钻成功率。

2.3 井眼轨道设计

为提高水平段钻进时的井壁稳定性，在主、分支井眼轨道设计时，井眼轨道设计应尽量沿水平最小主地应力方向进行。

悬空侧钻需要长时间划槽、造台阶以及控时钻进，上部第一造斜段附近的钻柱长时间在同一位置反复旋转，容易产生钻具疲劳。因此，在井眼轨道设计时，要尽量减小上部第一造斜段的狗腿度。不同狗腿度条件下的钻柱疲劳系数的对比如图2所示，根据分析，第一造斜段的狗腿度应尽量小于2.50°/30 m，确保钻柱疲劳系数小于1，以降低钻具疲劳刺漏风险。

图2 不同狗腿度对应的钻具疲劳系数

采用悬空侧钻技术，在实际施工时考虑到井眼安全以及钻具重入问题，应先钻分支井眼，再回撤至侧钻点侧钻主支井眼。为了提高悬空侧钻成功率，分支井眼的轨道应在钻至设计侧钻点前10 m左右迅速增斜并扭方位，人为制造一个长20 m左右的局部大狗腿段以利于后续低边侧钻主支，狗腿度以5.00°～7.00°/30 m为宜，这样可以使分支井眼与主支井眼的井斜角及方位角的差值在较短的井眼长度内达到最大，从空间上来看，主支井眼相较于分支井眼呈下垂趋势，有利于后续钻具重入。

2.4 侧钻工具选择

目前，海上主要使用旋转导向工具进行悬空侧钻，一般不推荐采用马达。使用旋转导向工具侧钻时，钻柱可以保持全程旋转，利于将岩屑携带出来，保证井眼清洁，且能够有效防止粘卡事故的发生。

东海使用的旋转导向工具主要有斯伦贝谢公司的PD工具、Xceed工具，哈利伯顿公司的GP工具以及贝克休斯公司的AutoTrack工具。其中Xceed和GP工具为指向式旋转导向工具，PD和AutoTrack工具为推靠式旋转导向工具。

推靠式旋转导向工具在侧钻开始阶段需要借助于井壁的反作用实现侧向切削造斜，受地层和井眼情况制约较大。另外，侧钻出去后，在初期夹墙还较薄的情况下，推靠式旋转导向工具的侧向推靠力对夹墙会有一定程度的伤害，尤其是在软地层侧钻时，夹墙强度较低，很容易被破坏而导致侧钻失败。因此，裸眼悬空侧钻推荐采用指向式旋转导向工具。

2.5 侧钻钻头选择

钻头对井壁的作用力可简单分为垂向和横向两个方向的作用力。其中垂向作用力决定了侧钻井眼的井斜方向，横向作用力决定了侧钻井眼的方位方向。悬空侧钻主要依靠重力来实现侧钻井眼与原井眼的分离，应重点关注垂向作用力。影响钻头垂向作用力的两个主要因素是钻头冠部轮廓形状和钻头保径结构。

针对钻头冠部轮廓，影响钻头侧切力的因素主要是内锥角和冠部长度。一般内锥角越大、冠部长度越短，钻头侧向切削能力越强，越有利于钻头侧切造斜。这主要是冠部轮廓会降低钻头受到的地层侧向约束力，使钻头前进方向更容易改变，钻头侧向切削能力得到加强[3]。

国外学者研究发现[4]，在施加侧向力时，钻头保径结构几乎消耗了所有的侧向力，其中被动保径结构消耗了大部分，钻头剖面只消耗了不到1%的侧向力。一般认为钻头侧钻造斜能力与钻头保径结构的长度成反比，为了提高钻头侧向切削能力，钻头保径长度要短一些。但保径长度也不能太短，否则会影响钻头的工作稳定性，造成井眼不规则有台阶，影响井眼质量。根据东海PDC钻头使用经验，钻头保径长度可按照如下公式计算得到：

式中：L为钻头保径长度，m；t为钻头外径与保径结构径向差，m；k为设定造斜率，°/m。

根据上述分析，裸眼悬空侧钻所选用的钻头应具有以下特点：①大内锥角度短冠部轮廓，短保径结构长度；②钻头外圈要有侧向齿以提高钻头侧向切削能力。

2.6 钻头侧切力

在悬空侧钻作业的初始阶段，将重力工具面摆在井眼低边，此时下部的井底钻具组合（BHA）受力情况如图3所示。钻头处的侧向切削力F3是由下部BHA的重力G及钻具变形后与井壁的接触力F1和F2共同提供。

图3 下部BHA受力情况

利用钻井软件对钻头侧切力随井径扩大率变化的关系进行模拟计算，结果如图4所示。由图4可见，井径扩大率从0增加到15%，钻头侧切力迅速降低，之后随着井径扩大率的增加，钻头侧切力降低并不明显。因此，应优先考虑在井径扩大率小的井段进行悬空侧钻。

图4 钻头侧切力随井径扩大率的变化

对钻头侧切力随井斜角变化的关系进行模拟计算，结果如图5所示。由图5可见，钻头侧切力随井斜角的增加而增加，井斜越大越有利于悬空侧钻。

图5 钻头侧切力随井斜角的变化

对悬空侧钻时钻头侧切力与BHA弯角之间的关系进行模拟计算，结果如图6所示。由图6可见，钻头侧切力与BHA弯角度数成正相关性，因此，如悬空侧钻点附近地层强度较高，应选择造斜率较高的指向式旋转导向工具或者大弯角马达。

图6 钻头侧切力随BHA弯角的变化

2.7 夹墙

在悬空侧钻过程中，侧钻出的新井眼与老井眼之间会产生夹墙，随着新老井眼分离程度的不断增加，夹墙会持续增厚。保证夹墙稳定不坍塌直接关乎到侧钻的成功实施以及后续的钻具重入作业。相关学者认为新老井眼之间的夹墙在侧钻点附近存在明显的应力集中区域，此处夹墙失稳的风险最高[5]。随着新老井眼之间夹角增加，夹墙的应力集中程度降低，应力集中区域缩小，夹墙稳定性提高。综上所述，为了提高夹墙的稳定性，在满足钻具起下顺畅的条件下，尽量增大侧钻的狗腿度，有利于夹墙的稳定，可以保证侧钻有较高的成功率。

2.8 悬空侧钻作业流程

总体来看，目前国内外悬空侧钻采用的工艺基本类似[6–12]，施工工艺基本为：划槽+造台阶+控时钻进。根据国内外相关作业参数，通常利用1.0～3.0 h进行划槽作业，划槽时长视地层强度而定，造台阶通常采用定点循环1.0～2.0 h完成，控时钻进阶段要控制好钻进速度。根据现场作业经验，一般初期采用0～0.3 m/h的速度钻进，钻进一定距离后逐步提高钻进速度至1.0～1.5 m/h，之后视钻压情况确定是否正常钻进。整个悬空侧钻过程要严格按照划槽、造台阶、控时钻进三个施工步骤，同时注意控时钻进时的参数变化。

3 悬空侧钻技术在XX低渗气田的实践

XX低渗气田进行过多次悬空侧钻，为保证侧钻成功率，侧钻工具选用指向式旋转导向工具Xceed和GP，钻头选用φ50 mm短保径长度的PDC钻头。X6井进行了三次悬空侧钻，其中分支a井眼和分支b井眼的第二次侧钻成功，分支b井眼的第一次侧钻失败。以该井分支b井眼的两次侧钻为例，对悬空侧钻工艺的应用进行实例分析。

3.1 井身结构情况

X6井的钻井顺序依次为先钻分支a井眼至4 588.00 m，然后回撤至4 010.00 m进行侧钻，钻分支b井眼至5 033.35 m，然后回撤至4 248.00 m进行侧钻，侧钻失败后重新在4 300.00 m进行侧钻，钻主支井眼至4 845.00 m。两个分支井眼均为裸眼完钻，具体井身结构情况如图7所示。

图7 X6井井身结构示意图

3.2 悬空侧钻作业

X6井的分支b井眼两次悬空侧钻作业参数如表2所示。

表2 X6井分支b井眼两次悬空侧钻作业参数

3.2.1 X6井分支b井眼第一次悬空侧钻

X6井分支b井眼第一次悬空侧钻点设计之初设定在4 300.00 m，根据实钻录井显示，4 300.00 m附近为泥岩，岩石硬度较高，因此将侧钻点调整到4 248.00 m。在4 245.00～4 259.00 m井段，实钻井眼轨迹井斜角从88.11°升至89.62°，方位角由30.44°降至29.65°，局部狗腿角为3.50°/30 m。

在侧钻点4 248.00 m前一单根开始摆工具面划槽钻进，划槽至侧钻点后，定点循环造台阶，之后开始控时钻进，钻速为0.3～1.2 m/h。控时钻进期间，观察侧钻井眼连斜与老井眼井斜差值最大仅为0.65°（表3），始终未能拉开差距，在4 264.30 m处，新老井眼井斜基本一致且井眼方位差距不大，分支b井眼第一次悬空侧钻作业失败。

表3 X6井分支b井眼第一次悬空侧钻井眼轨迹情况

3.2.2 X6井分支b井眼第二次悬空侧钻

第一次侧钻失败后，下移侧钻点，选取原先设计的4 300.00 m为侧钻点。X6井分支b井眼前期在4 294.00～4 322.00 m井段钻进时，旋转导向工具全力增斜，该处井斜由89.00°增至92.85°，局部狗腿度为7.00°/30 m。

如表4所示，为了提高侧钻成功率，增加了前期划槽和定点循环造台阶的时间，使钻头对井眼低边进行充分切削。自4 300.00 m开始控时钻进，新老井眼井斜差持续增大，钻速由0.3 m/h增加至1.5 m/h，钻至4 317.95 m时井斜差6.01°，计算夹墙厚度约为0.6 m，分支b井眼第二次悬空侧钻作业成功。

表4 X6井分支b井眼第二次悬空侧钻井眼轨迹情况

3.3 悬空侧钻施工要点

3.3.1 合理选择侧钻点

X6井分支b井眼第一次侧钻时，根据实际录井情况，设计侧钻点4 300.00 m处为泥岩。考虑到一般侧钻点尽量要选择在砂岩段，因此，重新选择4 248.00 m作为侧钻点，分支b井眼在4 245.00～4 259.00 m井段局部狗腿度为3.50°/30 m，较小的狗腿度不利于侧钻（图8），导致侧钻失利。

图8 X6井分支b井眼两次悬空侧钻点附近连斜情况

X6井分支b井眼第二次侧钻时，原定侧钻点为4 300.00 m，所以前期X6井分支b井眼在4 294.00～4 322.00 m处预留了一段局部狗腿7.0°/30 m的井段，为分支b井眼悬空侧钻做好了一个上斜坡，利于钻头低边切削侧钻（图8）。

利用有限元分析法建模，对分支b井眼两次悬空侧钻过程中的钻头侧切力进行模拟计算，结果如表5。

表5 X6井分支b井眼两次悬空侧钻钻头侧切力计算

从侧切力模拟结果来看，第二次侧钻的钻头侧切力明显高于第一次，更有利于悬空侧钻的成功实施。从这两次侧钻的结果来看，第一次侧钻原井眼与分支井分离效果差，后期甚至有与原井眼重合的趋势，第二次侧钻控时钻进期间与原井眼分离效果明显。因此，原井眼在计划侧钻点附近主动造斜坡对于侧钻很有效果，局部狗腿建议增至5.00°～7.00°/30 m。

3.3.2 提高侧钻排量

对于指向式旋转导向工具，排量越大造斜能力越强，分支b井眼第一次侧钻在划槽和定点循环以及控时钻进期间排量为1 900 L/min，而第二次侧钻排量为2 100 L/min。在工具额定工作排量范围内，尽量选择高排量进行侧钻作业，充分释放旋转导向工具的造斜能力。

3.3.3 控制侧钻机械钻速

X6井分支b井眼第一次侧钻时控时钻进期间的机械钻速情况如表6所示。从表6可以看出，在井眼分离趋势没有变大，且井斜没有连续降低之前，提高机械钻速可能导致分支井眼与原井眼的分离程度越来越小。因此，必须是在分支井眼与原井眼分离程度越来越大且井斜出现连续下降之后才考虑慢慢提高机械钻速，确保侧钻一次成功。

表6 X6井分支b井眼第一次侧钻控时钻进机械钻速

3.3.4 合理判断新老井眼分离趋势

判断井眼是否分离，分离度是否变大主要是通过对比与原井眼的井斜差以及夹墙厚度，通常井斜差值为3.0°左右时钻头基本全部进入侧钻井眼，夹墙厚度大于钻头直径时，基本确定侧钻成功。另外，在砂岩段侧钻可通过气测值变化，在泥岩段钻进通过扭矩波动情况来判断钻头切入新地层的程度，确定井眼分离情况。

3.4 悬空侧钻分支井眼实施效果

X6井设计开采H5层，在未进行任何增产措施情况下直接自喷投产，产量相比于XX低渗气田其他常规水平井有明显提高，充分发挥了多分支水平井在低渗油气田的应用优势。实际产量对比情况如表7所示，表中孔隙度、渗透率和含气饱和度数据为测井解释值，产量全部换算为气当量。

表7 多分支水平井X6井与常规水平井产量对比

4 结论

（1）采用裸眼悬空侧钻技术，考虑到井眼安全以及钻具重入问题，应先钻分支井眼，再回撤至侧钻点进行主支井眼的侧钻作业。针对悬空侧钻井在井眼轨道设计时，上部第一造斜段的狗腿度以不大于2.50°/30 m为宜，防止钻柱发生疲劳刺漏。

（2）为了提高悬空侧钻成功率，分支井眼的轨道应在钻至设计侧钻点之前迅速增斜并扭方位，人为制造一个20 m左右的局部大狗腿段以利于后续低边侧钻主支，局部狗腿角推荐5.00°～7.00°/30 m。

（3）悬空侧钻推荐采用指向式旋转导向工具，尽量选择高排量进行侧钻作业，释放旋转导向工具造斜能力。

（4）悬空侧钻钻头侧切力与BHA弯角和井斜角成正比，与井径扩大率成反比。为保证侧钻成功率，在满足施工安全前提下，尽量提高钻头侧切力。

（5）控时钻进期间，在新老井眼分离趋势越来越大且井斜出现连续下降时才考虑慢慢提高机械钻速，确保侧钻成果。