李紅星 郭驍 李思洋 張菲菲

1.中海油田服務(wù)股份有限公司；2.長江大學(xué)

SAGD技術(shù)全稱蒸汽輔助重力泄油，是開發(fā)超稠油的一項(xiàng)前沿技術(shù)，該技術(shù)技術(shù)原理：從稠油油藏頂部附近的水平井將蒸汽注入油藏來加熱稠油，加熱后的原油和蒸汽冷凝液從油藏底部的水平井產(chǎn)出。SAGD技術(shù)已經(jīng)在委內(nèi)瑞拉、加拿大、美國等國稠油主要產(chǎn)區(qū)廣泛應(yīng)用，尤其在加拿大地區(qū)，SAGD技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用［1］，總?cè)债a(chǎn)油超過5 000 t/d。然而，由于加拿大地區(qū)的稠油儲層普遍分布在300 m以內(nèi)的淺垂深地層，為方便開采，過去SAGD井常常使用斜井鉆機(jī)進(jìn)行鉆井，開采成本極高。面對如今持續(xù)動蕩的國際油價，降低稠油開采成本迫在眉睫。優(yōu)化SAGD技術(shù)能夠使稠油開發(fā)成本大幅度降低［2］，其中重要的舉措之一是利用直井鉆機(jī)代替斜井鉆機(jī)進(jìn)行SAGD作業(yè)，使鉆機(jī)和井口裝置常規(guī)化；另一種方法是采用注汽井和生產(chǎn)井共享一個井口，大幅度節(jié)省油田地面場地面積。但是，上述降本增效途徑需要突破幾個關(guān)鍵鉆完井技術(shù)難題，包括：造斜點(diǎn)淺，入泥20 m開始造斜，且設(shè)計(jì)井眼軌道造斜率較高，需要達(dá)到10～13.5(°)/30 m；直井段淺，鉆具和管柱沒有足夠的重力；在井口狹小空間，注汽井與生產(chǎn)井在水平段保持并行5 m鉆進(jìn)時，同時在注汽井進(jìn)行鉆進(jìn)作業(yè)和在生產(chǎn)井進(jìn)行磁導(dǎo)向(Ranging)作業(yè)；大水垂比的井眼延伸及井眼軌跡控制［3］；高造斜率井眼軌跡的測井、固井質(zhì)量保證及套管的下入等。為了驗(yàn)證直井鉆機(jī)鉆淺垂深SAGD井的可行性，中海油服和Nexen公司在中海油服新疆實(shí)鉆試驗(yàn)基地進(jìn)行了一對SAGD井KS3-D1-1h(生產(chǎn)井)和井KS3-D1-2h(注汽井)的實(shí)鉆試驗(yàn)作業(yè)，證明了用直井鉆機(jī)鉆淺垂深SAGD井是可行的。

1 關(guān)鍵技術(shù)

1.1 共享井口井身結(jié)構(gòu)

為了節(jié)省油田建造面積，降低油田開發(fā)成本，在采用SAGD開采稠油時，將注汽井與生產(chǎn)井共享一個井口。這種設(shè)計(jì)給SAGD鉆完井帶來兩大難點(diǎn)：一是注汽井與生產(chǎn)井防碰難度增大，二是在狹小的井口區(qū)域，要實(shí)現(xiàn)注汽井的鉆井作業(yè)和在生產(chǎn)井中的磁導(dǎo)向作業(yè)同時進(jìn)行，狹小的井口區(qū)域必須保證磁導(dǎo)向儀器通過測井車用電纜能有效下入，見圖1。

圖1共享井口井身結(jié)構(gòu)Fig.1 Sharing-wellhead casing program

新疆實(shí)鉆試驗(yàn)是根據(jù)中海油NEXEN公司在加拿大當(dāng)?shù)氐挠蜕坝吞锏牡貙忧闆r、井身結(jié)構(gòu)完全不變拿到新疆來進(jìn)行多項(xiàng)技術(shù)可行性驗(yàn)證，在NEXEN油田垂深100～110 m處有冰川層，必須要封固?244.5 mm套管，在NEXEN油砂油田，這層套管是必須的。

在NEXEN稠油油田開發(fā)中，SAGD井組的設(shè)計(jì)按照生產(chǎn)井井口與注汽井井口并行排列，排距為25 m，相鄰生產(chǎn)井或注汽井的井口距為10 m，一般每個井組設(shè)計(jì)15～20對井。為了節(jié)省油田地面建設(shè)費(fèi)用，采用共享井口，在?749.3 mm導(dǎo)管中下入兩套?339.7 mm套管(分別預(yù)制有造斜裝置)用于生產(chǎn)井和注汽井作業(yè)，同時達(dá)到滿足入泥20 m進(jìn)行中曲率半徑(造斜率15(°)/30 m)造斜需要的技術(shù)驗(yàn)證；水平段極限延伸驗(yàn)證(本井最大水垂比達(dá)到7.1)；?177.8 mm套管及篩管的下入及篩管損傷情況分析；SAGD井組水平段并行鉆進(jìn)1 000 m軌跡控制情況驗(yàn)證：在注汽井鉆井作業(yè)時，同時在生產(chǎn)井篩管中進(jìn)行磁導(dǎo)向作業(yè)的可行性驗(yàn)證(主要是驗(yàn)證井口防噴器組空間是否影響磁導(dǎo)向作業(yè))。

1.2 淺層造斜

隨著SAGD高造斜率井眼鉆完井技術(shù)在油砂油或稠油開采中推廣和應(yīng)用，對于目的層垂深僅為200～300 m左右著陸的油層，鉆井時，造斜點(diǎn)一般在入泥15～25 m，且造斜率需要達(dá)到6～9(°)/30 m，該位置地層一般為黃土層，沒有膠結(jié)，常規(guī)造斜工具很難滿足較高造斜率的要求［4-5］。為了解決上述技術(shù)問題，本文提供了一種淺層造斜工具。

鉆具組合中螺桿鉆具采用2°彎角，實(shí)現(xiàn)了在松軟、沒有膠結(jié)地層(如黃土層)的初始井段提供具有較大斜面角的導(dǎo)斜面，初始造斜鉆進(jìn)30 m的造斜率約8.9(°)/30 m，淺層造斜測斜數(shù)據(jù)見表1。

表 1淺層造斜測斜數(shù)據(jù)Table 1 Kicking off and deviation data of shallow formation

1.3 高造斜率軌跡控制

為了實(shí)現(xiàn)用直井鉆機(jī)代替斜井鉆機(jī)實(shí)施SAGD井鉆完井作業(yè)，SAGD井組必須垂直開鉆，不像斜井鉆機(jī)具有初始井斜。因此鉆至著陸點(diǎn)需要更高的造斜率，一般需要達(dá)到10～15(°)/30 m，同時滿足鉆具組合通過套管的要求，本實(shí)鉆試驗(yàn)采用了特殊設(shè)計(jì)的低彎點(diǎn)距螺桿鉆具，該低彎點(diǎn)距螺桿鉆具與常規(guī)螺桿鉆具結(jié)構(gòu)尺寸對比如圖2所示。

圖2低彎點(diǎn)距螺桿鉆具與常規(guī)螺桿鉆具結(jié)構(gòu)尺寸對比圖Fig.2 Structural size comparison between the screw drill tool with low bent point distance and the conventional

根據(jù)“修正的三點(diǎn)定圓法”［6］計(jì)算單彎螺桿鉆具造斜率見表2。

從表2可以看出，1.75°螺桿鉆具可以滿足高造斜率［5］要求，實(shí)鉆試驗(yàn)中，平均造斜率達(dá)到13.50 (°)/30 m，最大造斜率達(dá)到14.83(°)/30 m。

表2計(jì)算單彎螺桿鉆具造斜率Table 2 Calculated buildup rate of single-bend screw drill tool

1.4 精準(zhǔn)井眼軌跡控制和磁導(dǎo)向鉆井

為了保證SAGD井組注汽井與水平井在水平段保持5 m的垂向間距并行鉆進(jìn)900 m，在注汽井鉆井作業(yè)時，在鉆具組合鉆頭上部接強(qiáng)磁接頭，在生產(chǎn)井中通過測井車用電纜下入帶爬行器的磁導(dǎo)向儀器組合，磁導(dǎo)向儀器每次先行爬行30 m左右，通過測量強(qiáng)磁接頭的磁場強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)磁導(dǎo)向，計(jì)算出鉆頭位置與生產(chǎn)井軌跡的相對位置關(guān)系，然后通過在注汽井的定向鉆進(jìn)軌跡控制，保持兩井水平段并行鉆進(jìn)［7］。當(dāng)強(qiáng)磁接頭逐漸靠近探管，Z軸進(jìn)入信號盲區(qū)，信號幅值逐漸降低；且強(qiáng)磁接頭處于探管正上方，Z軸信號幅值最低；隨著強(qiáng)磁接頭遠(yuǎn)離探管，Z軸離開信號盲區(qū)，信號幅值逐漸增大。實(shí)鉆過程中磁導(dǎo)向測量磁場信號如圖3所示。

圖3磁導(dǎo)向強(qiáng)磁接頭磁場信號Fig.3 Magnetic field signal of magneticallyoriented strong magnetic joint

實(shí)鉆試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)井眼軌跡控制，水平段控制在設(shè)計(jì)線上0.44 m、下0.27 m、左0.86 m、右1.17 m的目標(biāo)范圍內(nèi)；實(shí)現(xiàn)了精確的磁導(dǎo)向鉆進(jìn)，上下兩口井的水平段控制在4.55～5.44 m范圍內(nèi)并行鉆進(jìn)900 m。

1.5 優(yōu)質(zhì)鉆井液性能

實(shí)鉆試驗(yàn)中面臨的主要鉆井液問題如下：地層膠結(jié)疏松，容易發(fā)生漏失；井眼的水平段長，井壁容易失穩(wěn)；狗腿度大，轉(zhuǎn)速受限，水平段井眼清潔存在很大挑戰(zhàn)；軌跡復(fù)雜,井下摩阻扭矩大。因此，鉆井液必須保持良好的潤滑性能、封堵性能和較低的ECD［8］。實(shí)鉆試驗(yàn)中，采用了合適的鉆井液密度，保持物理平衡，增加鹽含量，降低活度；加入封堵劑，控制排量、固相和流變性能；加入 3%左右的LUBE，0.5%～1%固體大球PF-BLA B，0.5%石墨GRA，高效潤滑材料，保持裸眼摩擦系數(shù)達(dá)到0.2～0.24。實(shí)鉆過程中通過多次短起下，清除巖屑床，修整井壁，降低井底ECD值，控制鉆井液流態(tài)，注意保持鉆井液動切力的穩(wěn)定，防止動切升高影響ECD。

1.6 大水垂比井眼延伸及套管下入

生產(chǎn)井KS3-D1-1h完鉆井深2 003.48 m，垂深251.46 m，最大井斜90.80°，水平段長1 311 m，水平位移1 763.88 m，水垂比達(dá)到7.02；注汽井KS3-D1-2h完鉆井深1 583.00 m，垂深246.74 m，最大井斜90.74°，水平段長900 m，水平位移1 363.60 m，水垂比達(dá)到5.53。

經(jīng)過軟件分析計(jì)算，定向鉆進(jìn)時，螺桿鉆具滑動鉆進(jìn)的最大井深為850 m；為保證?177.80 mm套管管柱順利下到底，需要提供15 kN的壓力；為保證油管管柱能下到底，需要提供72 kN的下壓力。實(shí)鉆試驗(yàn)過程中，通過倒裝加重鉆桿和鉆鋌提供鉆壓，使定向滑動作業(yè)持續(xù)進(jìn)行，通過頂驅(qū)下壓裝置提供下壓力和低速旋轉(zhuǎn)套管使套管下入［9］。

2 實(shí)鉆試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)井基本情況

試鉆井的基本地質(zhì)情況如表3所示，主要以泥砂巖為主，地層膠結(jié)疏松。生產(chǎn)井井眼軌跡如表4所示，注汽井井眼軌跡設(shè)計(jì)如表5所示。

表 3實(shí)鉆地層基本地質(zhì)情況Table 3 Basic geological situations of the actually drilled formations

表 4 KS3-D1-1h井井眼軌跡設(shè)計(jì)Table 4 Hole trajectory design of Well KS3-D1-1h

2.2 試驗(yàn)井鉆具組合及鉆井參數(shù)設(shè)計(jì)

2.2.1 實(shí)鉆試驗(yàn)一開施工情況

KS3-D1-1h井，?939.80 mm井眼施工鉆具組合：?939.8 mm牙輪鉆頭×0.86 m+?228.6 mm變扣×0.80 m+?203 mm鉆鋌×8.93 m+?127.00 mm變扣×0.78 m+?127.00 mm加重鉆桿×18.68 m。鉆進(jìn)至22.7 m中完，下入?812.8 mm導(dǎo)管至22.7 m，固井水泥返出至地面。

KS3-D1-2h井，?749.3 mm井眼施工鉆具組合：?749.3 mm牙 輪 鉆 頭×0.86 m+?228.6 mm變 扣×0.80 m+?203 mm鉆鋌×8.93 m+?127.00 mm變扣×0.78 m+?127.00 mm加重鉆桿×183.03 m。鉆井參數(shù)：鉆壓10～30 kN,轉(zhuǎn)速20～30 r/min，排量2 200～2 800 L/min。鉆進(jìn)至42.2 m中完，短起下，下入?339.7 mm預(yù)置造斜工具+?339.7 mm套管。

表 5 KS3-D1-2h井井眼軌跡設(shè)計(jì)Table 5 Hole trajectory design of Well KS3-D1-2h

KS3-D1-1h 井下至42.2 m，預(yù)置方向340°；KS3-D1-2h井下至37.2 m，預(yù)置方向50°，共享井口見圖4。

圖4試驗(yàn)井共享井口實(shí)拍圖Fig.4 Photo of the sharing wellhead of the test well

2.2.2 共享井口?311.5 mm井眼施工情況

鉆水泥塞鉆具組合：?311.15 mm牙輪鉆頭×0.33 m+?203 mm變扣×0.84 m+?203 mm鉆鋌×2(17.71 m)+?127 mm變 扣×0.78 m+?127 mm HWDP加重鉆桿×27.58 m，鉆水泥塞至38 m，預(yù)置造斜工具斜面處。

正常鉆進(jìn)鉆具組合：?300 mmPDC鉆頭×0.37 m(噴嘴：?32 mm×3+?20 mm×1)+?203 mm低彎點(diǎn)螺桿鉆具×6.72 m(2°彎角，彎點(diǎn)距1.17 m，?295 mm扶正套)+ ?266.7 mm扶正器×1.63 m+?203PM×2.73 m+?203 mm FE×3.96 m+?203 mmPWD×2.27 m+?203 mm HOC×3.05 m+?203 mm定向接頭×0.62 m+變扣接頭×0.78 m+ ?127.00 mm加重鉆桿×164.85 m。

鉆井參數(shù)：排量1 500～1 900 L/min，鉆壓20～30 kN；旋轉(zhuǎn)參數(shù)：轉(zhuǎn)速10 r/min，鉆壓20 kN，排量1 700 L/min。

實(shí)測預(yù)置造斜工具可提供3°以上的井底初始井斜，螺桿初始滑動造斜率8.9(°)/30 m，以單根為單位滑動造斜、測斜，提高軌跡描述精度?；瑒诱急?5%～80%即可滿足設(shè)計(jì)6.5(°)/30 m。KS3-D1-1h井于129 m中完，KS3-D1-2h井124.66 m中完，下入?244.5 mm套管順利到位。?311.5 mm井眼有磁干擾井段復(fù)測陀螺，保證測斜數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。

2.2.3 KS3-D1-1h井?215.9 mm井眼施工情況

鉆水泥塞鉆具組合：?215.9 mm牙輪鉆頭×0.24 m+?165.1 mm浮閥接頭×0.9 m+?165.1 mm鉆鋌×55.22 m+?127 mm加重鉆桿×27.65 m，鉆具鉆水泥塞至新地層，做地層承壓試驗(yàn)。

高造斜率段鉆進(jìn)鉆具組合：?215.9 mm牙輪鉆頭×0.24 m+?172 mm螺桿鉆具×7.44 m(1.75°彎角)+?172mm PM×2.75 m+?172 mm FE×7.08 m+?172 mm PWD×2.47 m+?172 mm懸掛短節(jié)×2.94 m+?165.1 mm浮閥接頭×0.78 m+?127 m加重鉆桿×84.47 m+?165.1 mm震擊器×10.44 m+?127 mm加重鉆桿×327.61 m。

滑動鉆進(jìn)參數(shù)：鉆壓20～30 kN，排量1 600～1 800 L/min；旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)參數(shù)：鉆壓20～30 kN，排量1 600～1 800 L/min，轉(zhuǎn)速20 r/min。

以單根為單位滑動造斜、測斜，提高軌跡描述精度。設(shè)計(jì)10.4(°)/30 m段進(jìn)尺164.2 m，滑動鉆進(jìn)132.5 m，占比80.7%。最大狗腿度14.07(°)/30 m，最小狗腿度7.3(°)/30 m，平均狗腿度10.1(°)/30 m，軌跡滿足設(shè)計(jì)需求。

著陸扭方位鉆進(jìn)鉆具組合：?215.9 mm牙輪鉆頭×0.24 m+?172 mm螺 桿 鉆 具×8.17 m(1.25°彎角)+?172 mm PM×2.75 m+?172 mm FE×7.08 m+?172 mm PWD×2.47 m+?172 mm懸掛短節(jié)×3.01 m+?165.1 mm浮閥接頭×0.78 m+?127 mm加重鉆桿×84.47 m+?165.1 mm震擊器×10.44 m+?127 mm加重鉆桿×84.47 m+?127 mm鉆桿。

滑動鉆進(jìn)參數(shù)：鉆壓50～60 kN，排量1 800～2 000 L/min；旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)參數(shù)：鉆壓20～30 kN，排量1 800～2 000 L/min，轉(zhuǎn)速40～50 r/min。以單根為單位滑動造斜、測斜，提高軌跡描述精度。扭方位著陸段進(jìn)尺390 m，滑動鉆進(jìn)254.3 m，占比65.2%，平均狗腿度4.6(°)/30 m。

通過多次短起下，清潔井眼，降低當(dāng)量循環(huán)密度，上移加重鉆桿組合倒裝鉆具，提供足夠的鉆壓，整個鉆進(jìn)區(qū)間的鉆具結(jié)構(gòu)及ECD變化見表6。

為了保證KS3-D1-1h井水平段軌跡平滑，按照勤調(diào)少調(diào)原則，鉆進(jìn)至2 003.48 m完鉆，實(shí)鉆水垂比達(dá)到7.02∶1。短起下后通井，使用鉆桿傳輸測量著陸點(diǎn)以上井徑，使用下套管加壓裝置，下套管至1 998.55 m。固井，候凝，移井架至KS3-D1-2h井，不占井口，使用爬行器拖帶測固井質(zhì)量儀器測固井質(zhì)量。

2.2.4 KS3-D1-2h井?215.9 mm井眼施工情況

KS3-D1-1h井不占用井口下入磁導(dǎo)向探管。磁導(dǎo)航儀器串設(shè)計(jì)為：?48 mm探管×1.25 m+電纜頭+爬行器。因KS3-D1-2h防噴器組會遮蓋KS3-D1-1h井口，縱向空間長度太短，阻擋爬行器及磁導(dǎo)向工具進(jìn)入井內(nèi)。在套管頭與防噴器之間增加升高管，升高防噴器組2 m，給磁導(dǎo)向工具入出井留出足夠縱向空間，見圖5。

圖5井口改造簡易圖Fig.5 Sketch of wellhead reconstruction

KS3-D1-2h井?215.9 mm井眼鉆水泥塞、增斜段、扭方位著陸段鉆具組合與KS3-D1-1h井相同。

高狗腿度增斜段進(jìn)尺 150.19 m，滑動鉆進(jìn) 129.3 m，占比86%，最大狗腿度14.83(°)/30 m,最小狗腿度10.6(°)/30 m,平均狗腿度12.7(°)/30 m,扭方位段著陸段進(jìn)尺398 m，滑動鉆進(jìn)230.61 m，占比57.94%，平均狗腿度4.44 (°)/30 m。鉆進(jìn)至636 m起鉆，起鉆更換磁導(dǎo)向組合。磁導(dǎo)向鉆具組合：?215.9 mm牙輪鉆頭×0.24 m+?165.1 mm強(qiáng)磁接頭×0.39 m+?172 mm常規(guī)螺桿鉆具×8.17 m(1.25°彎角，彎點(diǎn)距1.5 m，扶正套外徑213 mm)+?172 mm PM×2.75 m+?172 mm FE×7.08 m+?172 mm PWD×2.47 m+?172 mm懸掛短節(jié)×2.94 m+?165.1 mm浮閥接頭×0.69 m+?127 mm加重鉆桿×84.47 m+?127 mm鉆桿。

始終保持KS3-D1-1h井磁導(dǎo)航探管在2井軌跡前引導(dǎo)鉆進(jìn)施工。KS3-D1-2h井每鉆完3單根KS3-D1-1h井下電纜一次，在KS3-D1-2h井錄數(shù)據(jù)期間，KS3-D1-1h井電纜靜止等待；KS3-D1-2h井每鉆完一根，上提出鉆盤，按2 m/min勻速下放，錄取一次數(shù)據(jù)，鉆臺上由專人負(fù)責(zé)使用對講機(jī)每米報一次深度數(shù)據(jù)，磁導(dǎo)向工程師完成數(shù)據(jù)錄入工作，根據(jù)計(jì)算位置關(guān)系指導(dǎo)定向井工程師按指定方向鉆進(jìn)。

在636～1 340 m井段磁導(dǎo)向引導(dǎo)鉆進(jìn)17個位置點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)精確磁導(dǎo)向。

2.3 井徑測量方法

KS3-D1-1h井井深200 m井斜達(dá)到50°狗腿度設(shè)計(jì)10.4(°)/30 m，常規(guī)測井方法下入困難。使用鉆桿傳輸測井完成著陸段以上井徑測量。

2.4 高狗腿度井段固井及固井質(zhì)量測量方法

分級箍以上每根套管加一個半鋼套管扶正器，保證套管居中；采用單級，領(lǐng)、尾漿固井；尾漿采用聚合物水泥漿體系，密度1.90 g/cm3，領(lǐng)漿采用聚合物水泥漿體系，密度1.75 g/cm3，水泥漿返至地面。領(lǐng)漿裸眼附加量5%，尾漿裸眼附加量50%。實(shí)鉆完成后，不占用井口，采用爬行器拖帶SBT測固井質(zhì)量儀器測量固井質(zhì)量，固井質(zhì)量良好。

3 結(jié)論

(1)在中海油服新疆實(shí)鉆試驗(yàn)基地，用直井鉆機(jī)代替斜井鉆機(jī)鉆一對淺垂深目的層的SAGD井組的鉆完井作業(yè)實(shí)鉆試驗(yàn)成功，可以投入實(shí)際生產(chǎn)使用。其中，在共享井口中實(shí)現(xiàn)了鉆井與磁導(dǎo)向作業(yè)同步進(jìn)行。

(2)在同類型SAGD井組鉆井中提供范例，探索了直井鉆機(jī)鉆一對淺垂深目的層的SAGD井組的可能性，優(yōu)化SAGD鉆井技術(shù)，降低稠油開發(fā)成本，值得推廣應(yīng)用。

(3)本方法僅對淺垂深目的層有效，實(shí)際應(yīng)用條件有所限制。