Key Technologies for Drilling and Completing Shallow Slim Hole Sidetracking Horizontal Wells in the Jidong Oilfield
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摘要: 为解决冀东油田浅层ϕ139.7 mm套管开窗侧钻水平井存在的钻井泵压高、机械钻速低、油水层封隔效果差、油井投产后含水上升快等问题，选用了可以降低钻井泵压的ϕ79.4 mm非标钻杆，试用了能给钻头柔性加压的小尺寸水力加压提速工具，选用了ϕ95.3 mm非标套管、采用了膨胀悬挂尾管筛管顶部注水泥完井技术，并制定了提高侧钻小井眼固井质量的技术措施，形成了适用于冀东油田浅层小井眼侧钻水平井的钻井完井关键技术。该技术在冀东油田5口浅层高含水油藏侧钻水平井进行了应用，与未应用该技术的邻井相比，试验井泵压得到了有效控制，机械钻速提高了24.6%，钻井周期缩短了14.1%，同时解决了小井眼窄间隙井眼封隔差的问题，实现了对水平段水层的封隔和侧钻窗口处的密封，避免了对后期采油生产的影响。试验结果表明，冀东油田浅层小井眼侧钻水平井钻井完井关键技术能够提高小井眼侧钻水平井的机械钻速、缩短钻井周期和有效分隔油水层，提速提效效果显著，具有较好的推广应用价值。Abstract: In order to solve the technical difficulties of sidetracking with ϕ139.7 mm casing in shallow horizontal wells of the Jidong Oilfield, which included high pumping pressure, low ROP, poor oil-water layers isolation effect, and rapid rise of water cut after the oil well was put into production, etc., many countermeasures were taken. Those technologies include adoption of ϕ79.4 mm non-standard drill pipe to lower the mud pump, adoption of a small size hydraulic pressurization and speed-up tool that can flexibly pressurize the drill bit to increase the ROP, selection of ϕ95.3 mm non-standard casing, adoption of the top cementing completion with expansive suspension liner and screen liner, and formulation of technical measures to improve the cementing quality of slim hole sidetracking. The key technologies for drilling and completion of shallow slim hole sidetracked horizontal wells in the Jidong Oilfield was thus formed. These technologies were tested in 5 shallow sidetracking horizontal wells with high water-cut in the Jidong Oilfield. Compared with adjacent wells without adoption of these technologies, the pumping pressure was effectively controlled, the ROP was increased by 24.6%, the drilling cycle was shortened by 14.1%. At the same time, the poor sealing problem of the slim hole with a narrow gap was solved, and the isolation of the aquifers in horizontal section and seal of the sidetracking window was achieved, by which the impact on the later oil production was avoided. The test results showed that the proposed key technologies could effectively increase the ROP in the slim hole sidetracking in horizontal wells, shorten the drilling cycle and isolate oil and water layers. With good effect in speed-up and efficiency improvement, the technologies have a high potential for popularization and application.
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Keywords:
- sidetracking horizontal well /
- slim hole /
- completion method /
- liner hanger /
- cementing quality /
- Jidong Oilfield
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水平井已成为开发各类油藏的主要技术手段之一，但地层水的侵入严重影响了水平井技术优势的发挥。因此，采用水平井开发油气时，如果产水，需要确定出水层，以控制出水，提高水平井的开发效果。近年来，国内外在水平井找水方面进行大量的研究工作，但未形成成熟有效的技术方法。目前，国内外水平井找水方法大致分为2类：一是采用爬行器或水力输送的电缆仪器测试找水，该方法受井筒条件及漏失等复杂情况的影响，测试仪器有时难以下到目的井段，成功率低；二是采用拖动式封隔器找水，主要应用于分段射孔完井的水平井，其找水周期长，可靠性和稳定性差，容易出现找水管柱阻卡现象[1–2]。另外，这2类找水方法的费用较高，难以大规模应用。为此，笔者选取5种由中子照射产生的自然界中不存在的同位素，利用同位素标记物相互不干扰且易于识别的特性，研发了油管输送标记物，形成了油管输送标记物分段找水技术，现场试验3井次，找水准确率100%。
1. 油管传输标记物找水原理
模拟试验发现，同位素固体标记物的溶解速度与产出水流速和测量时间呈线性关系。根据这种线性关系，采用地面试验，测量得到的不同流速下、单位时间内同位素固体标记物的溶解速率K为常数。由此得到同位素标记物特征含量强度与流量的关系为：
M=KQ (1) 式中：M为标记物特征含量强度，s–1；K为溶解速率；Q为流量，m3。
实际测试中，选取A、B和C等3种同位素标记物进行测试，从产出液体中可以检测到不同标记物的能谱峰面积（特征含量强度）MA，MB和MC，由于流经底部标记物的流量QC为油井在测试时间内的总流量，为已知量，利用式（1）可求得KC，根据强度的比值求得KA和KB，从而求得经过标记物A和B时的流量QA和QB，最终得到油井不同井段的产水剖面。
2. 同位素标记物
2.1 标记物元素选取
根据水平井多段测试的需要，考虑标记元素的丰度、标记元素间γ峰值的干扰和制备难度等因素，选取了5种自然界中不存在的同位素作为标记物元素。这5种标记物元素是通过中子照射产生的，其热中子捕获截面较大、半衰期可控且易于制备，并具有独特的γ射线强度和特征（见表1），容易检测识别[3]，不同标记元素的γ峰值不会相互干扰，且与地层中天然同位素γ峰值的间距明显，便于能谱仪器检测和识别，适用于各类储层。
表 1 5种同位素标记物及其性能参数Table 1. Five isotope markers and their performance parameters序号 标记元素 半衰期/d γ能量/keV 绝对强度，% 母核（n，γ） 1 8637Rb（铷） 18.631 1 077.000 8.64 8537Rb 2 5124Cr（铬） 27.703 320.083 9.87 5024Cr 3 10344Ru（钌） 39.260 610.330 5.76 10244Ru 4 5926Fe（铁） 44.495 1 291.590 43.20 5826Fe 5 9541Nb（铌） 35.000 765.780 99.79 9540Zr 2.2 标记物的制备
标记物元素粉末与某可溶盐载体粉末混合磨细后，采用粉末冶金工艺将混合物料加压烧结成致密材料，将标记物元素固态化，粉末颗粒间通过滑动扩散、再结晶和熔焊等物理化学过程成为一种分布均匀且具有一定孔隙度的标记物，其具有独特的化学组成、物理性能和特点：
1）选择性标记，只溶于水，不溶于油；
2）稳定性好，其水溶液显中性，不受地层水矿化度的影响，与地层流体配伍性较好；
3）在温度不高于200 ℃、压力不高于50 MPa的环境下为惰性，基本不受高温高压的影响；
4）产出液体中的标记物测量精度可达10–10 g。
2.3 标记物安全性评价
标记物通过特殊工艺制备，标记物元素的半衰期都较短，一般小于60 d，即60 d后其活度将衰减50.00%，一年后衰减98.44%。另外，标记物出厂时的活度较低，为105 Bq，按国家法规为豁免级别。现场使用时液体中的放射性活度为1 Bq/L，而海水中天然放射性40 K的活度约为4 Bq/L，因此在测试期间，地层产出液中标记物形成的放射性活度基本处于环境最低水平，对人员和环境的影响可以忽略。
3. 标记物释放装置与测试管柱
3.1 标记物释放装置的研制
为了保证固体标记物能在井下实时测试，首先要将测试装置顺利下至水平井段，其次要克服下入时修井液对标记物溶解的影响，最后要确保测试装置顺利打开。因此，采用具有限压打开结构的滑套作为标记物释放装置（见图1），将标记物安装在滑套内，与常用采油管柱连接下入井中[4–5]。
标记物释放装置的结构及性能参数：本体最大外径93.0 mm，最小内径25.0 mm，长度810.0 mm；工作温度20～220 ℃，滑套打开压力5～15 MPa，抗拉强度大于60 kN。
3.2 测试管柱及工艺
测试管柱主要由采油泵、套压阀、封隔器、标记物释放装置和水平井专用球座组成（见图2）。具有定比例溶解特征（随水体流速定比例溶解释放）的固体标记物5A、5B和5C下至井下不同位置[6]，油井正常生产后，生产测试联作管柱会使产出水沿“产层—管外环空—井底—油管—地面”流动，并流经3种标记物。在地面测量采出液中所携带标记物的种类及其特征含量，并对其进行分析，以确定水平井的出水部位，计算出产水量。
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图 2 测试管柱结构示意1. 采油泵；2. 套压阀；3. 封隔器；4. 释放装置；5A、5B、5C. 标记物；6. 油管；7. 水平井专用球座Figure 2. Schematic diagram of test string4. 现场试验
水平井油管传输标记物分段找水技术在大港油田试验了3井次，均获得成功，找水准确率达100%，为后期水平井采取卡、堵水措施提供了准确的依据。下面以孔X井为例介绍该技术的现场试验情况。
孔X井为大港油田孔二南断块的一口生产水平井，完钻井深1 616.00 m，目的层为馆陶组，采用筛管完井方式，表层套管下深498.00 m，油层套管下深1 612.00 m，其中分级箍位于1 420.98～1 422.86 m井段，筛管完井井段1 444.00～1 612.10 m。该井投产以来含水率一直稳定在91.0%左右，日产油量3.2 t。2017年6月含水率突然升至100%，为确定出水层位，进行了水平井油管传输标记物分段找水技术试验。
首先下入带有A、B、C和D等4种标记物的测试管柱，标记物D下至井深1 451.25 m处，监测油层套管是否存在漏失和管外分隔器、分级箍及水泥环是否存在密封不严的问题；标记物C下至井深1 527.00 m处，监测水平段跟端是否出水；标记物B下至井深1 565.40 m处，监测出水部位是否为水平段中部；标记物A下至井深1 598.00 m处，监测水平段趾端是否出水。然后从套管加压至12 MP，打开井下测试装置。最后下入ϕ70.0 mm抽油泵生产24 h，生产过程中连续检测产出液中的标记物8 h，检测完成后对检测数据进行分析。
孔X井生产过程中对产出液中标记物的检测结果如图3所示，图中D2，C5，B1和A6分别为标记物D、C、B和A的检测结果。
对图3中标记物的信号强度进行归一化处理，滤除井下噪声信号后，根据信号强度分量定量计算出流经各标记物的产水量，绘制该井的产水剖面，结果如图4所示。从图4可以看出：测试井段累计产水量28.0 m3，其中井深1 451.25 m以浅井段的累计产水量约25.0 m3，由此可初步判断井深1 451.25 m以浅为主力产水部位。
由于该井的16#层（1 442.00～1 449.00 m井段）为低产油层，分析认为大量产出水应来自管外封隔器上部的水层。由于长期开采或作业等原因，造成套漏或套管外水窜，从而使该井含水率突然升至100%。为确定该井是否存在套漏并进行卡堵水作业，对筛管以上套管进行二次验证，进行了双封隔器分段试压及氧活化测试作业，证实1 394.00～1 407.00 m井段存在套漏，套漏点在14#和15#水层，套漏点吸水量为12 m3/h（11 MPa）。采用封隔器卡封漏点后恢复生产，日产油量约1.5 t，与卡水前相比产量较低，分析认为主要是卡水封隔器密封性能差所致。再次采用化学堵剂进行定位封堵作业[7]，作业后经过7 d排液，恢复生产，日产油量3.5 t，含水率90%。截至目前，该井产油、产液量一直保持稳定，降水增油效果明显。
5. 结论与建议
1）由于水平井油管传输标记物分段找水技术采用油管传输标记物，因此可利用常规修井设备将测试管柱下入井眼轨迹复杂的水平井段内，大幅降低了水平井分段找水的作业难度。
2）水平井油管传输标记物分段找水技术采用同位素固态封装、载体释放，不需要电缆供电和上传信号，摆脱了电缆测试方法的诸多限制，且标记物通过特殊工艺制备，达到国家法规规定的豁免级别。
3）该技术目前只在3口采用有杆泵的水平井进行了试验，建议在采用电动潜油泵、螺杆泵的水平井进行试验，以提高该技术的适用性。
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图 1 小尺寸水力加压提速工具的结构
Figure 1. Structural diagram of small size hydraulic pressurization and speed-up tool
表 1 2种规格钻杆的施工泵压
Table 1 Pumping pressures of drill pipe with two specifications
井深/m 排量/（L·s−1） 泵压/MPa ϕ73.0 mm钻杆 ϕ79.4 mm钻杆 1 700 8 17.91 15.09 1 900 19.86 15.58 2 100 21.48 16.38 2 300 23.12 17.34 2 500 24.73 18.36 
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表 2 不同尺寸套管作为完井尾管的优缺点
Table 2 Advantages and disadvantages of taking casing with different sizes as completion liner
管体外径/
mm管体内径/
mm接箍外径/
mm环空间隙/
mm对后期生产作业的影响 101.6 86.0 104.0 8.2 受井眼曲率影响，存在不能安全下入的风险，环空间隙小，水泥环薄 95.3 82.3 108.0 11.4 可以安全下入，采用“筛管+顶部注水泥”完井方式的井可用ϕ60.3 mm地质钻杆钻盲板 88.9 76.0 108.0 14.5 由于内径小，采用“筛管+顶部注水泥”完井方式的井没有适用于钻盲板的钻杆 73.0 62.0 89.5 22.5
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表 3 膨胀式尾管悬挂器膨胀前后的主要参数
Table 3 The key parameters of expansive hanger before and after expansion
条件 规格 外径/mm 内径/mm 悬挂器长度/m 胶筒外径/mm 悬挂力/kN 密封压差/MPa 膨胀前 ϕ139.7 mm×ϕ95.3 mm 108.0 94.5 4 112 500 50 膨胀后 118.5 105.5
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表 4 小井眼侧钻水平井钻井完井关键技术应用情况
Table 4 Application of key technologies for slim hole sidetracking horizontal wells
井号 井深/
m裸眼段长度/
m水平段长度/
m泵压/
MPa机械钻速/
（m·h−1）钻井周期/
d固井优质率，
%产液量/
（m3·d−1）产油量/
（t·d−1）含水率，
%CPA1 2 300.00 650 150 14～16 5.64 18.12 100 12.10 10.61 12.30 CPA2 2 181.00 531 205 15～16 6.12 13.42 100 8.96 6.78 24.33 CPA3 2 317.00 467 143 14～15 6.04 12.38 100 9.07 7.29 19.63 CPA4 2 236.00 759 167 15～16 6.58 15.56 100 6.54 5.38 17.74 CPA5 2 183.00 668 189 13～14 5.98 15.94 100 7.29 6.51 10.70 邻井 2 235.00 689 176 16～18 4.82 13.21 86 6.89 3.21 53.41
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表 5 钻井提速技术应用效果对比
Table 5 Application effect of drilling speed-up technology
井号 施工井段/m 钻井液密度/
（kg·L−1）钻井排量/
（L·s−1）泵压/MPa 进尺/m 机械钻速/
（m·h−1）钻井周期/d 备注 CPA2 1 650.00～2 181.00 1.11～1.15 7～9 15～16 531 6.12 13.42 应用提速技术 CPB1 1 700.00～2 206.00 1.11～1.15 6～8 18～20 506 4.89 19.65 未用提速技术 CPB2 1 680.00～2 198.00 1.11～1.15 7～9 19～22 518 5.03 18.56
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