聶 臻， 于 凡， 黃根爐， 李 偉， 梁奇敏

（1. 中國石油集團科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 100083；2. 中國石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，山東青島 266580）

Sadi 油藏為伊拉克H 油田主力油藏之一，埋深2 600.00 m 左右，平均孔喉半徑0.01～10.00 μm，厚度約50.00 m，滲透率0.1～1.3 mD，孔隙度16%～19%，屬特低滲透、中等孔隙度的碳酸鹽巖油藏[1]，已鉆2 口水平井，日產(chǎn)油量均低于41.0 t。根據(jù)中東地區(qū)同類油藏的開發(fā)經(jīng)驗[2-6]，擬在Sadi 油藏鉆一口魚骨狀多分支先導(dǎo)試驗井，以探索該油藏的合理開發(fā)方式。目前，魚骨井井眼布置方案的優(yōu)選方法是，利用根據(jù)油藏工程建立的理論模型計算不同井眼布置方案下的產(chǎn)量[7-14]，以產(chǎn)量最高的方案為最優(yōu)井眼布置方案。但該井眼布置方案優(yōu)選方法既沒考慮魚骨井分支井眼長度、分支井眼與主井眼的夾角、分支井眼間的間距以及分支井眼數(shù)量等對油井產(chǎn)量的影響；也沒考慮實際魚骨井鉆井能力，如主井眼及分支井眼的極限鉆深、鉆井難度與風(fēng)險、成本等。因此，筆者以Sadi 油藏條件為基礎(chǔ)，開展地質(zhì)-油藏-工程一體化條件下的魚骨井井眼布置方案研究，將魚骨井井眼布置方案與鉆井工程和地質(zhì)油藏工程緊密結(jié)合，根據(jù)現(xiàn)場魚骨井的極限鉆井能力，在降低鉆井風(fēng)險、保證安全施工和節(jié)約鉆井成本的條件下，優(yōu)選出產(chǎn)能最高的魚骨井井眼布置方案，一方面為油藏工程師最終的布井提供思路，另一方面保證現(xiàn)場鉆井的順利實施。

1 井眼布置方案優(yōu)選思路

確定魚骨井井眼布置方案時綜合考慮地質(zhì)、油藏和工程因素，其核心目的是在魚骨井極限鉆深下，探索具有較高單井產(chǎn)量且鉆井風(fēng)險可控的魚骨井井眼布置方案。主要技術(shù)思路是：1）在常規(guī)定向鉆具組合條件下，根據(jù)現(xiàn)場鉆井技術(shù)水平和水平井井身結(jié)構(gòu)，計算魚骨井主井眼和分支井眼的極限延伸能力，確定出主分井眼和支井眼的最大長度；2）以魚骨井極限鉆深為約束，利用油藏數(shù)模軟件Eclipse 分析魚骨井分支井眼數(shù)量、分支井眼長度、主井眼與分支井眼夾角、相鄰分支井眼的間距等因素對油井產(chǎn)量的影響；3）根據(jù)分析結(jié)果制定魚骨井不同井眼布置方案，再利用Sadi 油藏的物性參數(shù)，計算出不同井眼布置方案在相同時間內(nèi)的累計產(chǎn)油量；4）根據(jù)魚骨井的鉆井難度建立以鉆井時間為基礎(chǔ)的鉆井風(fēng)險模型，評價不同井眼布置方案下的鉆井風(fēng)險和鉆井成本；5）綜合分析對比不同魚骨井井眼布置方案的累計產(chǎn)油量與鉆井時間，確定最佳魚骨井井眼布置方案。

2 Sadi 油藏魚骨井極限鉆深分析

H 油田鉆遇地層及壓力系統(tǒng)較為復(fù)雜，1 350.00～1 910.00 m 井段鉆遇的 Lower Fars 地層為異常高壓鹽膏層，地層壓力系數(shù)達到2.15，該地層下部碳酸鹽巖地層壓力系數(shù)為1.10～1.36，并含有多套不穩(wěn)定的異常疏松砂巖，易垮塌的頁巖、泥灰?guī)r、泥巖等夾層，局部存在裂縫、孔洞、瀝青等。根據(jù)鉆遇地層及地層壓力情況，Sadi 油藏水平井采用五開井身結(jié)構(gòu)：φ508.0 mm 表層套管下至井深150.00 m，封固淺層疏松漏失地層；φ339.7 mm 技術(shù)套管下至井深1 350.00 m左右，封固Lower Fars 高壓鹽膏層以上的地層；φ244.5 mm 技術(shù)套管下至井深1 926.00 m 左右，封固Lower Fars 高壓鹽膏層；φ177.8 mm 油層套管下至Sadi B1 地層頂部；φ152.4 mm 水平井眼穿過MB1—MB2 層，長度約800.00 m，采用篩管完井。

2.1 魚骨井極限鉆深的確定方法

根據(jù)Sadi 油藏魚骨井井身結(jié)構(gòu)的要求，主要采用以下方法進行魚骨井主井眼、分支井眼的極限鉆深計算，為魚骨井井眼布置方案提供依據(jù)。

1）確定計算參數(shù)，包括井眼軌道（主井眼、分支井眼）、鉆具組合（螺桿）、井眼直徑、摩阻系數(shù)、鉆壓、鉆頭扭矩和鉆井液密度，以魚骨井主井眼及鉆進最困難的最遠分支井眼作為主井眼、分支井眼的基本井眼軌道，主井眼、分支井眼的極限鉆深為基本井眼軌道沿井眼方向的最大延伸長度。

2）將魚骨井主井眼、分支井眼沿井眼方向延伸，每延伸一次后利用鉆井設(shè)計軟件Landmark 進行約束條件下的計算。約束條件包括：最大扭矩小于鉆機輸出額定扭矩，最大扭矩小于鉆柱抗扭強度，井口有效軸向力大于0，最大有效軸向力小于鉆柱抗拉強度，最大綜合應(yīng)力小于管柱材料屈服強度，最大交變應(yīng)力小于疲勞極限，水力參數(shù)約束，完井管柱順利下入等，驗證各項參數(shù)是否處于許用范圍內(nèi)。

3）當主井眼、分支井眼在某一井深不能滿足全部約束條件中的任一約束條件時，即認為當前井深為魚骨井的極限鉆深。

4）分別計算魚骨井主井眼、分支井眼在水平方向的長度，并將其作為優(yōu)選魚骨井井眼布置方案的第一個參考因素。

2.2 主井眼、分支井眼軌道參數(shù)

以Sadi 油藏水平井相關(guān)參數(shù)為魚骨井設(shè)計基礎(chǔ)，其井眼軌跡數(shù)據(jù)見表1。將水平井水平段視為魚骨井主井眼的一部分，魚骨井主井眼可沿井眼方向延伸至極限鉆深，分支井眼可沿主井眼兩側(cè)鉆成。

在主井眼中設(shè)計一分支井眼作為分支井眼極限鉆深分析的基礎(chǔ)井眼軌道，該分支井眼在主井眼井深3 000.00 m 處開窗，其井眼軌跡數(shù)據(jù)見表2。

由于主井眼采用篩管完井，魚骨井形狀選用上魚骨狀，分支井眼由增斜扭方位段、降斜扭方位段和穩(wěn)斜段組成，分支井眼可沿穩(wěn)斜段井眼方向延伸至極限鉆深。

表 1 Sadi 油藏魚骨井主井眼軌跡數(shù)據(jù)Table 1 Main wellbore trajectory data of fishbone well in Sadi reservoir

表 2 Sadi 油藏魚骨井第三分支井眼軌跡數(shù)據(jù)Table 2 Well trajectory data of the third branch of fishbone well in Sadi reservoir

2.3 主井眼極限鉆深分析

以ZJ70 型鉆機的鉆井能力為基礎(chǔ)，以Sadi 油藏水平井φ152.4 mm 井眼典型定向鉆具組合（φ152.4 mm鉆頭+φ120.7 mm 螺桿（1.0°彎角）+φ88.9 mm 無磁加重鉆桿×1 根+LWD+φ88.9 mm 無磁加重鉆桿×1 根+φ88.9 mm 鉆桿+φ101.6 mm 鉆桿×15 根+φ120.7 mm鉆鋌×54 根+φ120.7 mm 震擊器+φ88.9 mm 加重鉆桿×15 根+φ101.6 mm 鉆桿）為例，計算主井眼從井深3 645.00 m 處沿井眼方向延伸時，每次延伸后的最大扭矩、井口有效軸向力、最大有效軸向力、最大綜合應(yīng)力、疲勞比、壓降、完井管柱有效軸向力等力學(xué)參數(shù)，并進行約束條件判斷。結(jié)果顯示：當主井眼延伸至井深3 985.00 m 時，最大扭矩（9.50 kN·m） 小于 鉆機輸出額定扭矩（80.00 kN·m），井口有效軸向力（500.00 kN）大于 0 kN，最大有效軸向力（500.00 kN ）小于鉆柱抗拉強度（2 400.00 kN），最大綜合應(yīng)力（510.00 MPa）小于管柱屈服強度（720.00 MPa），疲勞比（0.36）小于1.00，壓降（26.30 MPa）小于27.00 MPa，完井管柱有效軸向力（230.00 kN）大于0 kN，各力學(xué)參數(shù)在危險截面深度處的數(shù)值均滿足判定條件。這表明，主井眼延伸至井深3 985.00 m 時，鉆井施工處于安全狀態(tài)，主井眼可能并未鉆至極限井深。當主井眼延伸至井深3 995.00 m 時，首次在井深2 160.00 m處出現(xiàn)綜合應(yīng)力大于管柱屈服強度的情況，判斷該井深（3 995.00 m）已超出主井眼的極限鉆深。綜合以上計算結(jié)果，Sadi 油藏魚骨井主井眼的極限鉆深為3 985.00 m。

2.4 分支井眼極限鉆深分析

除進行完井管柱有效軸向力判斷以外，分支井眼極限鉆深采用與主井眼極限鉆深相同的方法和鉆井參數(shù)進行計算。結(jié)果表明，當分支井眼延伸至井深3 949.00 m 時，最大扭矩（9.70 kN·m）小于 鉆機輸出額定扭矩（80.00 kN·m），井口有效軸向力（450.00 kN）大于 0 kN， 最大有效軸向力（450.00 kN ）小于鉆柱抗拉強度（2 400.00 kN），最大綜合應(yīng)力（164.00 MPa）小于管柱屈服強度（720.00 MPa），疲勞比（0.32）小于 1.00，壓降（26.50 MPa）小于 27.00 MPa，所有的計算參數(shù)均滿足約束條件。當分支井眼延伸至井深3 959.00 m 時，首次在井深約2 160.00 m 處出現(xiàn)綜合應(yīng)力大于管柱屈服強度的情況，判斷該井深（3 959.00 m）已超出分支井眼的極限鉆深。因此，Sadi 油藏魚骨分支井井眼極限鉆深為3 949.00 m。

上述計算結(jié)果表明，Sadi 油藏魚骨井的主井眼極限鉆深為3 985.00 m，最大水平段長度為1 141.96 m；分支井眼的極限鉆深為3 949.00 m，最大水平段長度為828.56 m。

3 魚骨井參數(shù)對Sadi 油藏產(chǎn)能的影響

3.1 Sadi 油藏魚骨井Eclipse 模型的建立

Sadi 油藏屬特低滲透、中等孔隙度的碳酸鹽巖油藏，油藏非均質(zhì)性強，油藏孔隙度及滲透率實際數(shù)據(jù)見表3。

為避免在分析單因素對魚骨井產(chǎn)能影響時受油藏非均質(zhì)性的影響，使用Eclipse 軟件分析了魚骨井主要參數(shù)對產(chǎn)能的影響。將Sadi 油藏簡化為均質(zhì)油藏，滲透率及孔隙度采用平均值進行計算，平均滲透率取1.00 mD，平均孔隙度取15.0%。在分析魚骨井不同井眼布置方案對產(chǎn)能的影響時，為體現(xiàn)不同魚骨井的真實產(chǎn)量，滲透率及孔隙度采用原始測井數(shù)據(jù)進行計算，以盡量保證模擬結(jié)果與實際情況相符。根據(jù)目前Sadi 油藏的開發(fā)方式及產(chǎn)量，產(chǎn)能分析設(shè)置為定液生產(chǎn)（178 t/d），將30 年累計產(chǎn)油量作為評價魚骨井產(chǎn)能高低的標準。

表 3 Sadi 儲層不同層系巖石物理性質(zhì)Table 3 Petrophysical properties of different strata in the Sadi reservoir

3.2 魚骨井主要參數(shù)對產(chǎn)能的影響

在Sadi 油藏主井眼、分支井眼極限鉆深條件下，根據(jù)國內(nèi)外實際魚骨井鉆井參數(shù)的調(diào)研結(jié)果，確定了較為通用的魚骨井參數(shù)取值范圍，見表4。在模擬過程中為得到單因素較為理想的產(chǎn)能模擬結(jié)果，當改變其中任一影響因素時，其余影響因素的取值不變。

表 4 Sadi 魚骨井關(guān)鍵參數(shù)取值范圍Table 4 Value scope of key parameters for Sadi fishbone wells

3.2.1 分支井眼數(shù)量

分支井眼長度600.00 m、分支井眼與主井眼夾角30°、相鄰分支井眼的間距70.00 m 固定不變，模擬魚骨井分支井眼數(shù)量對魚骨井30 年累計產(chǎn)油量的影響，結(jié)果如圖1 所示。從圖1 可以看出，隨著分支井眼增多，魚骨井30 年累計產(chǎn)油量呈線性增大。

圖 1 分支井眼數(shù)量對魚骨井產(chǎn)能的影響Fig.1 Influence of the number of branch holes on the productivity of fishbone wells

3.2.2 分支井眼長度

分支井眼5 個、分支井眼與主井眼夾角30°、相鄰分支井眼的間距70.00 m，模擬分支井眼長度對魚骨井30 年累計產(chǎn)油量的影響，結(jié)果如圖2 所示。從圖2 可以看出，隨著分支井眼長度增加，魚骨井30 年累計產(chǎn)油量呈線性增大。

3.2.3 主井眼與分支井眼夾角

分支井眼5 個、相鄰分支井眼的間距70.00 m，分支井眼長度600.00 m 固定不變，模擬主井眼與分支井眼夾角對魚骨井30 年累計產(chǎn)油量的影響，結(jié)果如圖3 所示。從圖3 可以看出，魚骨井30 年累計產(chǎn)油量隨主井眼與分支井眼夾角增大而增大，但當主井眼與分支井眼夾角增至30°后，增大趨勢開始變緩。

圖 2 分支井眼長度對魚骨井產(chǎn)能的影響Fig. 2 Influence of branch hole length on the productivity of fishbone wells

圖 4 相鄰分支井眼的間距對魚骨井產(chǎn)能的影響Fig. 4 The influence of the spacing between adjacent branch holes on the productivity of fishbone wells

圖 3 主井眼與分支井眼夾角對魚骨井產(chǎn)能的影響Fig. 3 The influence of the included angle between the main wellbore and branch hole on the productivity of fishbone well

3.2.4 相鄰分支井眼的間距

分支井眼5 個、主井眼與分支井眼間夾角30°，分支井眼長度600.00 m 固定不變，模擬相鄰分支井眼的間距對魚骨井30 年累計產(chǎn)油量的影響，結(jié)果如圖4 所示。從圖4 可以看出，隨相鄰分支井眼的間距增大，魚骨井30 年累計產(chǎn)油量增大，但增大趨勢逐漸變緩。

由上述模擬結(jié)果可知，隨著分支井眼數(shù)量、長度，主井眼與分支井眼間夾角，相鄰分支井眼的間距增加，魚骨井產(chǎn)能均增大，但隨著主井眼與分支井眼間夾角和相鄰分支井眼的間距增大，魚骨井產(chǎn)能的增大趨勢變緩。

根據(jù)以上分析結(jié)果，綜合考慮極限鉆深和造斜率等因素，主井眼與分支井眼夾角和相鄰分支井眼的間距不宜過大，所以在制定魚骨井井眼布置方案時，應(yīng)將分支井眼數(shù)量及其長度作為主要優(yōu)選參數(shù)，由于主井眼與分支井眼夾角和相鄰分支井眼的間距增大到一定程度后對產(chǎn)能影響較小，故確定魚骨井主井眼與分支井眼夾角為30°，相鄰分支井眼的間距為70.00 m。

4 魚骨井井眼布置方案的優(yōu)選

4.1 Sadi 油藏魚骨井井眼布置方案及產(chǎn)能預(yù)測

以極限鉆深和單因素產(chǎn)能影響分析為基礎(chǔ)，按以下步驟優(yōu)選出較為合理的魚骨井井眼布置方案：

1）主井眼和分支井眼均采用極限鉆深，主井眼水平段長度為1 100.00 m，將魚骨井主井眼及分支井眼的軌跡數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Eclipse 軟件中；

2）固定魚骨井主井眼與分支井眼夾角為30°，相鄰分支井眼的間距為70.00 m；

3）每增加一個分支井眼，為保證魚骨井井底部分支井眼處于極限長度范圍內(nèi)，魚骨井所有分支井眼長度均減去相鄰分支井眼的間距；

3）將分支井眼數(shù)量及其長度作為主要優(yōu)選參數(shù)，主井眼與分支井眼夾角和相鄰分支井眼的間距固定不變。

采用上述步驟[15-19]，制定了7 套魚骨井井眼布置方案：方案1，為3 分支井眼，分支井眼長度800.00 m；方案2，為4 分支井眼，分支井眼長度730.00 m；方案3，為5 分支井眼，分支井眼長度660.00 m；方案4，為6 分支井眼，分支井眼長度590.00 m；方案5，為7 分支井眼，分支井眼長度520.00 m；方案6，為8 分支井眼，分支井眼長度450.00 m；方案7，為9 分支井眼，分支井眼長度370.00 m。各方案主井眼與分支井眼間夾角均為30°，相鄰分支井眼的間距均為70.00 m。各方案主井眼與分支井眼的分布如圖5 所示。

圖 5 極限鉆深條件下的魚骨井井眼布置方案Fig.5 The arrangement scheme of fishbone wellbores under extreme drilling depth

將不同方案的魚骨井井眼軌跡導(dǎo)入Eclipse軟件，采用表3 中的Sadi 油藏物性數(shù)據(jù)，模擬各方案30 年累計產(chǎn)油量，結(jié)果如圖6 所示。從圖6 可以看出：采用方案2 的Sadi 油藏魚骨井的累計產(chǎn)油量最大。

圖 6 魚骨井不同井眼布置方案下30 年累計產(chǎn)油量Fig.6 Cumulative oil production in 30 years under different arrangement schemes of fishbone well

4.2 不同井眼布置方案的鉆井難度分析

在魚骨井鉆井過程中，魚骨井每一段軌跡的鉆井要求、鉆井難度與風(fēng)險是不同的。每一分支的鉆進過程為主井眼復(fù)合鉆進、懸空側(cè)鉆、分支井眼增斜扭方位段滑動鉆進、分支井眼降斜扭方位段滑動鉆進、分支井眼穩(wěn)斜段復(fù)合鉆進等（見圖7）[20-24]。在這些鉆進階段中，分支井眼懸空側(cè)鉆、增斜扭方位段滑動鉆進、分支井眼降斜扭方位段滑動鉆進等階段的鉆井難度及風(fēng)險較高，鉆進時間也更長，且隨著分支井眼增多，側(cè)鉆點及分支井眼也增多，鉆井難度、風(fēng)險及成本也相應(yīng)增加。

圖 7 魚骨井主井眼和分支井眼軌跡示意Fig.7 Trajectories of the main wellbore and branch hole in fishbone wells

為直觀反映不同鉆進階段的鉆井難度，以鉆井時間為基礎(chǔ)，建立了魚骨井在不同鉆進階段的鉆井風(fēng)險及成本計算模型，以評價魚骨井不同井眼布置方案的鉆井難度、風(fēng)險及成本：

式中：tt為魚骨井純鉆時間，h；n 為分支井眼數(shù)量，個；tm為主井眼鉆進時間，h；lzx為分支井眼增斜扭方位段總長度，m；lfw為分支井眼穩(wěn)斜段總長度，m；lm為主井眼總長度，m；vs為滑動鉆進鉆速，m/h；vf為復(fù)合鉆進鉆速，m/h。

根據(jù)現(xiàn)場實鉆資料，Sadi 油藏魚骨井鉆井過程中，扭方位滑動鉆進鉆速為3.00 m/h，復(fù)合鉆進鉆速為6.00 m/h，懸空側(cè)鉆鉆速為1.00 m/h。以此為基礎(chǔ)，利用式（1）計算不同魚骨井井眼布置方案所需的純鉆進時間，結(jié)果如圖8 所示。從圖8 可以看出，采用方案1 的Sadi 油藏魚骨井的鉆井時間最短，即鉆井風(fēng)險與成本最低。

圖 8 魚骨井不同井眼布置方案下的鉆進時間Fig.8 Drilling time of fishbone wells with different wellbore arrangement schemes

由圖7 和圖8 可知：在使用典型螺桿鉆具組合的極限鉆深條件下，Sadi 油藏魚骨井采用方案1、方案2 和方案3 布置井眼，鉆井風(fēng)險和成本相對較低；采用方案2、方案3 和方案1 布置井眼的魚骨井，產(chǎn)能相對較高。綜合比較后認為，在Sadi 油藏條件下，魚骨井宜采用方案2 和方案1 布置井眼，這樣既可以取得較高的產(chǎn)能，又可以大大降低鉆井風(fēng)險和成本。

5 結(jié) 論

1）綜合考慮地質(zhì)、油藏、工程條件，確定了魚骨井主井眼與分支井眼極限鉆深的判定方法，分析了魚骨井主要技術(shù)參數(shù)和魚骨井不同井眼布置方案對魚骨井累計產(chǎn)油量的影響規(guī)律，建立了魚骨井不同井眼布置方案鉆井難度及風(fēng)險的評價方法。

2）模擬計算表明，在主井眼與分支井眼夾角30°、相鄰分支井眼的間距70.00 m 的條件下，3 分支井眼、分支井眼長為800.00 m 和4 分支井眼、分支井眼長為730.00 m 時，Sadi 油藏魚骨井具有較高的產(chǎn)油量、較低的鉆井風(fēng)險和成本。

3）研究表明，地質(zhì)、油藏與工程相互制約，只有三者相互配合，才能使魚骨井順利完井，并獲得最佳的開發(fā)效果。

4）以魚骨井的關(guān)鍵指標作為優(yōu)選魚骨井井眼布置方案的主要目標，將魚骨井主井眼與分井眼極限鉆深、產(chǎn)油能力、鉆井風(fēng)險與成本作為優(yōu)選過程中的參考因素，形成了Sadi 油藏魚骨井井眼布置方案優(yōu)選方法。該方法同樣可以適用于其他油田，可根據(jù)不同油藏特征、鉆具組合、鉆井風(fēng)險與成本等條件設(shè)置不同計算參數(shù)，優(yōu)選出開發(fā)效益最大化的魚骨井井眼布置方案。