超短半径水平井钻井轨迹优化设计及应用

孙龙飞，王晓鹏，高 斌，张启龙，林 海

[ 1.中海石油（中国）有限公司天津分公司 天津 300450；2.海洋油气高效开发重点实验室 天津 300450 ]

0 引 言

随着海上部分油田进入开发中后期,开展低产低效井治理改造和实现稳产增产是当前开发面临的主要问题［1］。通过结合油藏剩余油分布，利用超短半径水平井钻井技术增大油层泄油面积、解除近井地带污染是目前较为经济、有效的改造措施［2］。

超短半径水平井钻井技术分为径向高压水射流和机械式钻进超短半径钻井技术。高压水射流钻井利用高压射流冲蚀的方式，在储层径向钻出多个不同方向的水平井眼，以增大油藏暴露面积。但应用该技术所钻的水平井井眼直径较小，轨迹不平滑，且井眼易坍塌堵塞，导致产量降低［3-4］。针对该问题，本文介绍了基于特制柔性钻具的机械式超短半径水平井钻井技术，该技术可实现曲率半径不大于3.6 m、水平钻进长度60～100 m、孔眼直径114～152 mm和方位误差±3°、井斜误差±1°的技术指标，具有钻速高、周期短、成本低的优势。

1 超短半径水平井钻井技术

1.1 技术原理

超短半径水平井钻井技术采用特制的柔性钻具及配套的开窗、造斜、钻进工具，并配合相应的轨迹控制技术，可实现储层内开窗、造斜和钻进的全部过程。其核心结构为柔性钻具，钻具内部设置定向杆，以保证造斜轨迹稳定，造斜钻进时，严格控制钻压，使工具保持弯曲状态，通过精确控制钻进进尺来达到设计的井斜和方位。

1.2 适用范围和优势

超短半径水平井钻井技术适用于井网密集且常规侧钻存在防碰风险的低产低效井治理，在储层段开窗钻进，可节省进尺，且无需固井。可实现薄层和高部位剩余油开发挖潜，对低渗储层、边底水活跃、裂缝发育断块且无法压裂的油层可进行有效改造。同时，该项技术对作业设备能力要求较低，海上平台常规修井机均可满足作业需求［5］，并配合裸眼及柔性筛管完井方式［6-7］，具有钻速高、周期短、成本低的优势。

2 超短半径水平井钻井轨迹优化设计

2.1 选井选层方法

针对油藏适用性和工程可实施性，进行选井选层，如图1所示。根据油藏需求，首选油层连续、厚度大，且平面上分布稳定、见水见效方向明确、剩余油分布认识清楚的层位。

图1 选井选层流程图Fig.1 Flow chart of well selection and layer selection

根据超短半径水平井钻井技术要求和实施条件，海上平台施工需满足：①储层厚度L≥2 m；②作业井深H≤3 500 m（TVD）；③作业温度T≤150 ℃；④开窗要求，满足原轨迹方位左右摆动90°以内，避开泥岩段和套管接箍，且固井质量较好；⑤水平钻进井斜要求，80°＜Inc＜105°。

2.2 井眼轨迹优化设计

根据柔性钻具的造斜能力利用Compass设计软件，造斜率选择范围为16°～30°/m，在保证造斜需求前提下，尽量选择较低的造斜率设计轨迹，从而降低后续完井管柱的下入风险。侧钻方位角与原井眼方位角尽量一致，以减少扭方位。造斜段长度控制在3～6 m，水平段长度根据井斜、方位和油层厚度控制在80～100 m。

参考油藏靶点，在Compass软件中设定合适的开窗点深度，造斜率设定为480°/30 m，采用两段制，即增—稳模式，选中靶点，并生成轨迹。根据T型井钻井技术要求和实施条件，判断轨迹是否具有可实施性，若难以实施，则需调整靶点,然后重新设计轨迹，如表1所示。

表1 井眼轨迹数据Tab.1 Borehole trajectory data

3 钻具组合优化设计及施工要求

超短半径钻井施工包含套管开窗、造斜钻进和水平钻进3个过程，并分别对应不同的钻具组合。在实际应用中，摩阻扭矩过大是影响造斜成功和限制水平钻进长度的主要因素。因此，在保证造斜率和井眼清洁的前提下，通过优化柔性钻具外径、长度及弯角角度，使柔性钻具在井眼内姿态稳定，减少与井壁的摩擦，从而降低摩阻扭矩。

采用几何定圆法分析柔性钻具造斜钻进过程，得到柔性单元的弯转角度α，长度与曲率半径的关系见图2。

图2 柔性钻具造斜原理图Fig.2 Schematic diagram of deflection of flexible drilling tool

其中：R为造斜段曲率半径，m；L为单节柔性钻具长度，m；α为弯转角度。

钻进过程中，需保持柔性钻具在井眼内姿态稳定，以减少摩阻扭矩。在柔性钻具不产生弯曲变形的情况下，通过曲率半径为R的井眼，如图3所示，在三角形OAB中满足以下条件。

图3 柔性钻具姿态示意图Fig.3 Attitude diagram of flexible drilling tool

柔性钻具长度与井眼间隙、井眼直径的关系如下：

在满足柔性钻具强度和井眼清洁情况下，针对9-5/8″（244.475 mm）套管开窗侧钻，曲率半径R设定为3.6 m，设计柔性钻具外径d为133 mm，长度L为0.15 m，最大弯转角度4.5°，井眼间隙为19 mm，钻头直径D为152 mm。通过对柔性钻具的优化，既降低了摩阻扭矩，又保证了施工安全。

开窗施工过程中，必须操作平稳、匀速送钻，根据砂样中的铁屑形状、数量，及时调整钻进参数，以确保开窗质量。造斜过程中，严格控制钻进参数，始终保持钻压，精确控制进尺，以实现着陆的井斜和方位。水平钻进过程中，必须随时关注返出岩屑和钻压、扭矩变化情况，确保轨迹在油层内穿行。

4 现场应用效果

超短半径水平井钻井技术在海上油田某井成功应用，实现了井眼曲率半径3.6 m、直径152 mm、水平段长60 m，采用优质筛管结合砾石充填完井。作业完成后，产能测试显示，该井从作业前的16.7 m3/d增长至95.1 m3/d，比作业前产量提高了5.7倍，充分证明了超短半径水平井钻井技术对低产低效井储层改造、稳产增产的推动作用。

5 结 论

我国海上部分油田为疏松砂岩油藏，剩余油充足，平均厚度大于2 m。通过超短半径水平井钻井技术，可充分利用老井眼，能够以低成本优势实现剩余油挖潜，从而提高单井产量。随着该技术应用日益增多，需要研发配套的轨迹测量控制工具，以保证钻井工具在油层内钻进。另外，需要开展配套的完井方式和完井工具的优化研究，从而形成超短半径水平井钻完井一体化技术［8］。