蘇北盆地小井眼側(cè)鉆井關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用

樊繼強(qiáng)， 王 委， 陳小元， 黃志安

（中石化華東石油工程有限公司江蘇鉆井公司，江蘇揚(yáng)州 225261）

老井眼套管開窗側(cè)鉆是各油田降本增效的主要措施之一。與常規(guī)井相比，套管開窗側(cè)鉆可節(jié)約鉆機(jī)費(fèi)用25%～50%，個別區(qū)塊甚至可節(jié)約75%[1]，且98%的井側(cè)鉆后產(chǎn)能較高[2]。蘇北盆地經(jīng)過40 余年的勘探與開發(fā)，部分油田已進(jìn)入開發(fā)中后期，因各種原因造成的報廢井、停產(chǎn)井、低產(chǎn)井越來越多，而且蘇北盆地原油開發(fā)成本較高，因此加大套管內(nèi)開窗側(cè)鉆井的布置力度更為迫切。

蘇北盆地96% 以上的開發(fā)井采用φ139.7 mm油層套管，油層段為小井眼，而在小井眼開窗側(cè)鉆，對鉆井液的封堵性、抑制性、攜巖性、潤滑性，以及井下工具、固井質(zhì)量等的要求較高[3-4]。國外從20 世紀(jì)60 年代、國內(nèi)從20 世紀(jì)末開始進(jìn)行側(cè)鉆井研究[5]，發(fā)展至今已完成了大量的側(cè)鉆井，但可用于小井眼的工具不多，且受排量等鉆井參數(shù)限制，不僅機(jī)械鉆速低，而且隨著裸眼段長度增加，井眼清潔困難、井下摩阻扭矩大、固井質(zhì)量難以保證等問題仍然沒有解決。2005—2011 年，蘇北盆地側(cè)鉆井的現(xiàn)場施工發(fā)現(xiàn)[6]，由于小尺寸鉆頭及動力鉆具優(yōu)選難，導(dǎo)致機(jī)械鉆速較低，鉆井周期相對較長，復(fù)雜時效也居高不下。

為此，筆者通過套管開窗方案設(shè)計、開窗工具優(yōu)選、井眼軌跡調(diào)整與控制、巖屑床清除、個性化鉆頭設(shè)計、鉆井液體系優(yōu)選及固井技術(shù)優(yōu)化等措施，形成了蘇北盆地小井眼側(cè)鉆井關(guān)鍵技術(shù)，并在9 口井進(jìn)行了成功應(yīng)用，達(dá)到了提速提效的目的。

1 小井眼側(cè)鉆井技術(shù)難點(diǎn)

近年來，蘇北盆地側(cè)鉆井均采用φ117.5 mm 鉆頭在φ139.7 mm 套管內(nèi)開窗，側(cè)鉆點(diǎn)平均井深1 437.75 m，側(cè)鉆后平均井深2 144.53 m（最深達(dá)3 271.00 m）；裸眼段長700.00～800.00 m，最長877.00 m；機(jī)械鉆速2.12 m/h，鉆井周期25.88 d，復(fù)雜時效6.3%。側(cè)鉆井鉆井資料分析認(rèn)為，存在的主要鉆井技術(shù)難點(diǎn)為：

1）井眼軌道復(fù)雜，控制難度大。蘇北盆地側(cè)鉆井三維井眼軌道多，中靶要求高，防碰難度大。隨著井斜角增大，摩阻、扭矩增大，托壓嚴(yán)重，工具面不穩(wěn)定，井眼軌跡控制難度進(jìn)一步加大。例如，側(cè)周32-11A 平1 井與鄰井的最近距離僅為1.50 m，防碰平行井段長達(dá)120.00 m；2 022.00～2 228.00 m 井段的井斜角大于80°，方位角從10.84°增至57.85°（變化近50°）。入窗前，大井斜井段出現(xiàn)巖屑床沉積，導(dǎo)致摩阻、扭矩增大；采用的φ73.0 mm 鉆桿柔性大，易出現(xiàn)螺旋屈曲，鉆壓施加十分困難，嚴(yán)重影響了定向鉆進(jìn)效率。

2）井下復(fù)雜情況多，鉆井周期長。由于環(huán)空間隙小，井下工具尺寸小，鉆井參數(shù)優(yōu)化受限，導(dǎo)致循環(huán)攜巖效果不佳、機(jī)械鉆速低和裸眼段浸泡時間長，造成復(fù)雜時效居高不下。例如，側(cè)永22-2 井全井機(jī)械鉆速僅1.37 m/h，鉆井周期46.29 d，超出設(shè)計49%；側(cè)沙20-46 井存在“糖葫蘆”井段，電測遇阻，先后通井8 次，損失時間198 h；側(cè)閔3-1 井因出現(xiàn)井下復(fù)雜情況，鉆井時間損失640 h。

3）固井質(zhì)量難以保證。φ95.2 mm 尾管入井后的理論環(huán)空間隙僅為11.2 mm，小于常規(guī)固井所要求的最小間隙19.0 mm。環(huán)空間隙小，套管居中度差，固井時窄邊難以驅(qū)替，易發(fā)生竄槽；環(huán)空流動阻力大，懸掛器卡瓦處截流面積小，循環(huán)泵壓高，易堵造成井漏；排量受限，頂替效率難以保證，不易達(dá)到紊流，固井施工時間長，易發(fā)生水泥漿早凝現(xiàn)象；油氣層活躍，易發(fā)生油、氣、水等地層流體竄流；水泥漿用量小，密度不易控制[7-9]。

2 小井眼側(cè)鉆井關(guān)鍵技術(shù)

2.1 套管開窗方案和工具

套管開窗時，若坐掛處有雜物或套管不規(guī)則，會導(dǎo)致斜向器坐掛失??；開窗點(diǎn)無水泥或水泥封固質(zhì)量較差，易在窗口處出現(xiàn)井眼失穩(wěn)、漏失等情況。因此，一般先在預(yù)定位置及方位安放斜向器，起出送入工具后再下入復(fù)合式銑錐，2 趟鉆完成。若井眼較淺，可在1 d 時間內(nèi)完成；若井眼較深，需要2 d左右才能完成套管開窗。

確定側(cè)鉆點(diǎn)時，選擇井斜角小和地層穩(wěn)定的井段，避開接箍和封隔器，在滿足中靶條件的前提下盡量多利用老井眼段；開窗點(diǎn)以淺套管應(yīng)無變形、破損和漏失；窗口位置套管外水泥環(huán)封固良好；對水泥返高低的特殊井，先射孔擠水泥或開窗后憋壓擠水泥。開窗前，先刮管通井，使用刮管器在斜向器坐掛位置上下50.00 m 范圍內(nèi)反復(fù)刮削2～3 次，以確保斜向器正常坐掛。

側(cè)鉆點(diǎn)在井深2 500.00 m 以淺的井，采用先下斜向器、再下復(fù)合銑錐的常規(guī)方式；側(cè)鉆點(diǎn)在井深2 500.00 m 以深的井，選用一體化開窗工具，該工具主要由復(fù)合銑錐、卡瓦液壓錨定式斜向器、銷釘及液壓管線等組成，其工作原理如圖1 所示。復(fù)合銑錐與斜向器通過銷釘聯(lián)接，液壓管線從銑錐水眼處引出后，與斜向器卡瓦相連；一體化開窗工具組合下到預(yù)定位置后，按設(shè)計方向擺放斜向器、坐掛，緩慢下壓15～20 kN，剪斷領(lǐng)眼銑刀與斜向器之間的聯(lián)接銷釘，重新校正井深后開始開窗。

圖 1 一體化開窗工具工作原理示意Fig. 1 Working principle of integrated windowing tool

開窗時，先輕壓磨銑，鉆壓5～10 kN，轉(zhuǎn)速60～65 r/min；磨銑出均勻的接觸面后，改用中壓磨銑，鉆壓10～30 kN，轉(zhuǎn)速50～60 r/min。磨銑時注意觀察返出的鐵屑形狀及大小，防止鐵屑纏繞銑刀。磨銑完成后可再鉆進(jìn)3.00～5.00 m 裸眼段，起鉆前大排量循環(huán)，打稠漿掃塞，清除井內(nèi)鐵屑，直至無鐵屑返出后起鉆，一趟鉆完成坐斜向器、開窗及修窗作業(yè)，可節(jié)約一趟起下鉆時間。

2.2 井眼軌跡調(diào)整和控制及巖屑床清除措施

根據(jù)原井井眼軌跡、靶點(diǎn)坐標(biāo)、完鉆垂深和工具的造斜能力等，設(shè)計造斜點(diǎn)、井身剖面和井眼曲率，優(yōu)化井眼軌道。開窗點(diǎn)以淺使用陀螺測斜儀復(fù)測老井井眼軌跡數(shù)據(jù)，以避免套管磁性對測斜儀的影響，開窗成功后繼續(xù)鉆進(jìn)20.00～30.00 m，然后進(jìn)行定向作業(yè)。造斜率一般控制在（15°～25°）/100m，并優(yōu)選螺桿鉆具，以實(shí)現(xiàn)連續(xù)導(dǎo)向鉆進(jìn)、準(zhǔn)確中靶。井網(wǎng)密集區(qū)塊要注意防碰繞障，提前預(yù)測井眼軌跡的延伸趨勢，及時進(jìn)行防碰掃描，小于安全距離時要及時調(diào)整井眼軌跡。

為降低井下作業(yè)風(fēng)險，采用簡化鉆具組合：φ117.5 mm 鉆頭+φ95.2 mm×（1.00°～1.75°）單彎螺桿+ MWD 短節(jié)+φ88.9 mm 無磁承壓鉆桿+φ73.0 mm加重鉆桿×18 根+配合接頭+φ73.0 mm 鉆桿；水平井采用倒裝鉆具組合：φ117.5 mm 鉆頭+φ95.2 mm×（1.00°～1.75°）單彎螺桿+ MWD 短節(jié)+φ88.9 mm 無磁承壓鉆桿+φ73.0 mm 鉆桿×30 根（根據(jù)需要調(diào)整）+φ73.0 mm 加重鉆桿×18 根+配合接頭+φ73.0 mm鉆桿。

定向鉆進(jìn)時控制全角變化率在設(shè)計值以內(nèi)，逐漸增大井斜角至穩(wěn)斜段，然后減少井眼軌跡調(diào)整次數(shù)，保證井眼平滑；每次滑動鉆進(jìn)結(jié)束后劃眼1～2 次；若出現(xiàn)扭矩大、送鉆困難、滑動鉆進(jìn)工具面不穩(wěn)定和托壓嚴(yán)重等問題，及時采取短起下鉆、適當(dāng)增大排量、用稠漿清掃井筒、倒裝鉆具及使用螺旋清砂鉆桿等措施清除巖屑床。

螺旋清砂鉆桿是在常規(guī)鉆桿管體或加重鉆桿管體外側(cè)增加了幾組有一定深度、導(dǎo)程較長、截面形狀特殊的多頭螺旋槽，鉆桿高速旋轉(zhuǎn)時，螺旋槽的大截面可使靠近井壁處的流體擁有更高的動能，尤其是在下井壁附近產(chǎn)生更強(qiáng)的渦流，對沉積于下井壁的巖屑床能產(chǎn)生更有效的沖刷和清除效果，如圖2 所示。螺旋清砂鉆桿的長度、公扣、母扣均與常規(guī)鉆桿相同。該鉆桿一般安放在井斜角大于30°的井段，200.00 m 左右安放一根，每次安放2～3 根，可有效提高井筒清砂效果。

圖 2 螺旋清砂鉆桿與井壁環(huán)空的流體流動情況Fig. 2 Fluid flowing among the annulus of spiral sand removal drill pipe and borehole

2.3 個性化PDC 鉆頭設(shè)計

單牙輪鉆頭壽命短，不適合用于連續(xù)導(dǎo)向鉆進(jìn)，且其機(jī)械鉆速較低（如三垛組—戴南組地層滑動鉆進(jìn)時的機(jī)械鉆速僅1.0 m/h 左右）。大部分井側(cè)鉆后要立即定向，要求鉆頭具有較強(qiáng)的攻擊性和良好的定向效果。為此，設(shè)計了φ117.5 mm KSD1642GR 型和KSD1352GR 型2 種PDC 鉆頭。

φ117.5 mm KSD1642GR 型PDC 鉆頭用于定向鉆進(jìn)井段短、長穩(wěn)斜段快速鉆進(jìn)。該鉆頭采用定向特征擊碎線設(shè)計，調(diào)整切削齒后傾角，以便在保證鉆頭攻擊性的同時，提高其定向能力；同時，增加副刀翼布齒數(shù)量，以提高鉆頭的穩(wěn)定性；配有4 個可換噴嘴，以滿足不同壓降需要；采用一體式短刀翼結(jié)構(gòu)，以提高鉆頭的定向效果。（見圖3）。

圖 3 φ117.5 mm KSD1642GR 型PDC 鉆頭Fig. 3 φ117.5 mm KSD1642G PDC bit

φ117.5 mm KSD1352GR 型PDC 鉆頭是針對定向工具面不穩(wěn)定、定向難度較大的鉆井工況而設(shè)計的，具有較強(qiáng)的攻擊性。該鉆頭內(nèi)錐齒后傾角較大，在定向鉆進(jìn)時能較好地控制扭矩波動；鼻部、肩部和齒的后傾角較小，以使鉆頭具有較強(qiáng)的整體攻擊性；采用3 個φ10.0 mm、2 個φ12.0 mm 固定噴嘴，同時減小刀翼的寬度，以保證每個刀翼上的切削齒都能得到良好的清洗和冷卻；采用主動保徑、短保徑，以具有較好的定向效果（見圖4）。

圖 4 φ117.5 mm KSD1352GR 型PDC 鉆頭Fig. 4 φ117.5 mm KSD1352GR PDC bit

2.4 鉆井液體系優(yōu)選

針對蘇北盆地側(cè)鉆井環(huán)空間隙小、環(huán)空壓耗大，對鉆井液攜巖、懸浮、潤滑、觸變及低固相等性能要求高的特點(diǎn)，為滿足小井眼施工對鉆井液強(qiáng)抑制性、強(qiáng)封堵性和潤滑性能等的要求，通過鉆井液性能試驗(yàn)，優(yōu)選了胺基聚合物鉆井液體系，其配方為：5.0% 膨潤土漿+1.0% 銨鹽+ 0.2% PAV-LV+0.3%M M C A+0.1% D S-3 0 1+0.2% N H-1+1.0%NH-EPL1+1.0%RHJ-1+ 2.0%FT-388+1.5%～2.0% LXJ-1+加重劑。其中，NH-EPL1 是一種高效極壓減摩劑，分子中含有能夠與礦物、鉆具表面產(chǎn)生化學(xué)吸附的基團(tuán)，能形成有機(jī)膜，增加吸附性，增強(qiáng)潤滑性能；同時，在一定溫度和壓力條件下，形成的有機(jī)膜能夠覆蓋在鉆具和鉆頭表面，起到減摩降阻的作用。

2.5 固井技術(shù)優(yōu)化

通過綜合對比、配方篩選以及降濾失劑、減阻劑和稠化時間的優(yōu)化試驗(yàn)，形成了適用于蘇北盆地小井眼固井的防竄增韌水泥漿，其主要配方為：HYG 水泥+1.5% 降濾失劑JS-12+2.0% 減阻劑JS-13+0.5%消泡劑JS-19。對該配方進(jìn)行了室內(nèi)復(fù)核試驗(yàn)：水灰比0.44、密度1.9 kg/L，高溫高壓濾失量44 mL，61 ℃、25 MPa 條件下稠化時間為260 min；82 ℃條件下養(yǎng)護(hù)24 h，水泥石強(qiáng)度達(dá)28.4 MPa，滿足固井要求。

為提高套管居中度、降低套管下入風(fēng)險，選用了φ95.2 mm 液壓變徑套管扶正器。該扶正器主要由中心管、液缸、銷釘、扶正片和止退環(huán)等組成（見圖5），配有專用膠塞及碰壓座（見圖6）。由于該扶正器變徑前直徑與套管相同，不會增加下入阻力；同時，該扶正器可靠性好，變徑后居中力大，在10 MPa壓力下的最小居中力不小于10 kN，不會提前膨脹；下到位后，固井前采用液壓脹開，可用于井徑擴(kuò)大率不大于15%的情況，具有自鎖機(jī)構(gòu)，膨脹后不會回縮，并且膨脹后不影響環(huán)空過流面積。

圖 5 φ95.2 mm 液壓變徑套管扶正器的結(jié)構(gòu)Fig. 5 Structure of φ95.2 mm casing centralizer with hydraulic variable diameter

圖 6 膠塞及碰壓座剖面圖Fig. 6 Profile of rubber plug and bump pressure seat

為進(jìn)一步提高防氣竄能力，選用了遇水自膨脹封隔器[10-12]。該封隔器主要由中心管、膨脹橡膠及金屬擋環(huán)等組成，如圖7 所示。中心管外徑95.2 mm，膠筒外徑114.0 mm，可封隔φ118.0～φ145.0 mm 井眼；橡膠采用聚合物材料，水進(jìn)入聚合物材料中使橡膠持續(xù)膨脹，達(dá)到封隔層間的目的。

圖 7 遇水自膨脹封隔器結(jié)構(gòu)示意Fig. 7 Schematic diagram of water-swelling packer

固井時，由于水泥漿用量少，使用具有二次攪拌功能的水泥車，將密度控制在設(shè)計要求范圍內(nèi)。優(yōu)化不同階段的排量，注水泥段按最大排量設(shè)計：替漿段到達(dá)平衡點(diǎn)之前，保持紊流狀態(tài)；到達(dá)平衡點(diǎn)之后，若井下條件好，則保持紊流狀態(tài)；若井下條件不好，為防止憋堵，調(diào)整為平板型層流。隔離液穿過主要層段的接觸時間為5～10 min。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

蘇北盆地小井眼側(cè)鉆井關(guān)鍵技術(shù)在該盆地9 口井進(jìn)行了應(yīng)用。應(yīng)用效果表明，相比同區(qū)塊井況相近的其他井，平均完鉆井深增加428.59 m，進(jìn)尺增加94.36 m，平均機(jī)械鉆速提高125.3%，鉆井周期縮短45.8%，復(fù)雜時效下降87.0%，固井質(zhì)量合格率100%，取得了顯著的提速提效效果。應(yīng)用井施工情況及應(yīng)用效果見表1。

表 1 應(yīng)用井情況及效果Table 1 Conditions of application wells and the effect

CF83-7 井的原井F83-7 井為定向井，完鉆井深3 502.00 m，φ139.7 mm 油層套管下深3 494.92 m，水泥返至井深2 191.20 m，先后在、等10 個層段采油，含水率均在90% 以上，產(chǎn)油量在1.0 t/d 以下。為挖掘F83 塊東部E2d1高部位剩余油，決定對F83-7 井側(cè)鉆，側(cè)鉆后為CF83-7 井。開窗側(cè)鉆點(diǎn)井深2 275.00 m，井斜角20.49°，該側(cè)鉆點(diǎn)在水泥返高以下。側(cè)鉆井設(shè)計為“增—穩(wěn)”井身剖面，最大井斜角30.36°，2 個靶區(qū)半徑均為10.0 m。該井的主要特點(diǎn)是地層可鉆性差、斜井段長、靶區(qū)半徑小和井眼軌跡控制難度大。

開窗側(cè)鉆前先通井刮管，下入斜向器，測量方位后坐掛，下壓后倒扣丟手；下入φ117.5 mm 銑錐，鉆具組合為φ117.5 mm 銑錐+φ105.0 mm 鉆鋌×2 根+φ73.0 mm 加重鉆桿×19 根+φ73.0 mm 鉆桿。從井深2 275.00 m 開始鉆至井深2 285.00 m，完成開窗及修窗工作。

裸眼段鉆進(jìn)時，下入定向鉆具φ117.5 mm PDC鉆頭+φ95.2 mm×1.50°單彎螺桿+φ105.0 mm MWD 短節(jié)+φ88.9 mm 無磁承壓鉆桿+φ73.0 mm 加重鉆桿×14 根+φ73.0 mm 鉆桿。為防止套管磁性對儀器產(chǎn)生影響，復(fù)合鉆至井深2 290.00 m 時開始定向，鉆至井深2 609.00 m 時井斜角、方位角均偏小，短起下15 柱后滑動鉆進(jìn)19.18 m，井斜角從25.22°增至31.29°，方位角從311.28°增至317.38°，繼續(xù)鉆至井深3 100.00 m 時完鉆，井斜角降至14.83°，順利中靶，靶心距在7.00 m 以內(nèi)。

該井使用胺基聚合物鉆井液鉆進(jìn)，最高密度1.18 kg/L，開始時漏斗黏度為39 s，之后逐漸提高到52 s，攜巖性能良好；用MMCA 和NH-1 增強(qiáng)鉆井液的抑制性，用FH-96 和FT-388 增強(qiáng)鉆井液的防塌、封堵性，改善了濾餅質(zhì)量，確保了井壁穩(wěn)定；加入極壓減摩劑NH-EPL1，鉆井液黏滯系數(shù)不大于0.10，井下摩阻、扭矩正常。

CF83-7 井采用1 只KSD1642GR 型PDC 鉆頭完成全井進(jìn)尺825.00 m，機(jī)械鉆速9.36 m/h，鉆機(jī)月速2 662.61 m/（臺·月），純鉆時效39.0%，復(fù)雜時效為0。蘇北盆地小井眼套管開窗側(cè)鉆井實(shí)現(xiàn)了“1 只PDC 鉆頭、1 根螺桿、1 趟鉆鉆達(dá)設(shè)計完鉆井深，電測1 次性成功”的“四個一”目標(biāo)，同時創(chuàng)造了同類井鉆井周期最短、機(jī)械鉆速最高的紀(jì)錄。

4 結(jié)論與建議

1）小井眼側(cè)鉆井要在滿足中靶條件的前提下合理選擇側(cè)鉆點(diǎn)，兼顧側(cè)鉆點(diǎn)處水泥封固質(zhì)量良好、上部套管完好及盡量多利用老井眼的原則。

2）蘇北盆地小井眼間隙較小，通過優(yōu)化井眼軌道、采取井眼軌跡調(diào)整和控制措施、使用新型高效PDC 鉆頭及水力清砂與機(jī)械清砂相結(jié)合的方式，可進(jìn)一步提高機(jī)械鉆速、降低井下摩阻扭矩，達(dá)到安全快速鉆進(jìn)的目的。

3）采用胺基聚合物鉆井液，配合使用高效極壓減摩劑NH-EPL1，能滿足蘇北盆地小井眼側(cè)鉆井井壁穩(wěn)定、井眼凈化及潤滑防塌等要求，大幅度減少井下故障的發(fā)生，建議進(jìn)行推廣。

4）針對蘇北盆地油水同層、易氣竄和對固井質(zhì)量要求較高的情況，在采用防竄增韌水泥漿的同時，使用小尺寸液壓變徑套管扶正器提高套管居中度、使用遇水自膨脹封隔器提高防竄能力，從而達(dá)到提高固井質(zhì)量的目的，建議在類似井推廣。