小井眼開窗側(cè)鉆及偏心鉆頭擴眼技術(shù)在國外某油田的應(yīng)用

安海洋 梁 華

（中海油田服務(wù)股份有限公司天津分公司，天津 300350）

0 引言

小井眼開窗側(cè)鉆技術(shù)是在側(cè)鉆井、定向井、水平井及小井眼井基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一項綜合性鉆井技術(shù)，偏心鉆頭擴眼技術(shù)是靠鉆具旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力帶動偏心鉆頭沖擊破碎井壁，從而擴大井眼的擴眼技術(shù)。

我國部分陸地油田率先從20世紀80年代起進行了試探性研究，但是在小尺寸井眼方面的套管開窗技術(shù)應(yīng)用相對較晚，直到1997年大港油田的官50-9KH井完成了國內(nèi)油田第一口小井眼開窗側(cè)鉆水平井。

該國外油田位于FQ區(qū)塊，第三系以上為巨厚鹽膏層，其鹽下地層為裂縫性碳酸鹽巖，區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力復(fù)雜。據(jù)相關(guān)文獻報道，已鉆直井井下出現(xiàn)的復(fù)雜情況和事故平均為3.76起/井。FQ-19井是FQ區(qū)塊的一口直井。該井設(shè)計井深4323.13m，設(shè)計垂深4226.1m，在6-5/8”尾管內(nèi)開窗側(cè)鉆，并在5-5/8”井眼進行側(cè)鉆及定向鉆進。該井在下4.5"尾管期間有723m長的尾管靜置在裸眼段內(nèi)，卡鉆風險極大，這在國外某油田的鉆完井史上也屬首例。該井利用小井眼開窗側(cè)鉆技術(shù)、井眼軌跡控制技術(shù)，偏心鉆頭擴眼及固井工藝技術(shù)，順利完成非常規(guī)井眼5-5/8"井眼的鉆進及固井作業(yè)，降低了作業(yè)風險，節(jié)省了作業(yè)成本，值得進一步推廣應(yīng)用。

1 主要鉆井技術(shù)措施

1.1 套管開窗側(cè)技術(shù)

開窗位置的選擇至關(guān)重要，并對開窗成功與否與整口井的后期完井生產(chǎn)起決定性作用，在綜合考慮作業(yè)設(shè)計施工難度、井下裸眼段鉆進深度、套管接箍位置和固井質(zhì)量等因素下。盡量避開膨脹頁巖、鹽巖及堅硬地層，最理想的是在質(zhì)地較均勻的地層，便于鉆頭能較好地吃入新地層，形成新井眼。經(jīng)多方專家及實地技術(shù)人員的考量，該井開窗側(cè)鉆點選擇在3578m處，井斜0°，方位181.32°。

側(cè)鉆前必須準備好穩(wěn)固的人工井底，斜向器下入需要穩(wěn)固的人工井底作為支撐，在3800m～3650m注入水泥塞，下鉆探水泥塞面3658m，在2855m～3598m進行刮管作業(yè)，下入橋塞至座封位置3578.69m，打壓座封，脫手后下壓10t，驗證橋塞座封成功，關(guān)閉BOP，對橋塞試壓20.685MPa，合格。

該技術(shù)主要分為套管段銑開窗和下斜向器磨銑開窗兩種。由于套管段銑時間長、費用高，且對段銑井段要求較高，目前已很少使用。隨著市場上各種開窗工具的出現(xiàn)，以及新型導(dǎo)向器入井后坐掛可靠性的越來越穩(wěn)定，下斜向器磨銑套管進行井下開窗作業(yè)也越來越普遍。

考慮陸地鉆機及開窗工具費用成本，該次FQ-19S井采用了分兩趟鉆的勝利開窗工具。

作業(yè)程序：第一趟先下斜向器，第二趟組合開窗銑錐進行開窗作業(yè)。

目前主要有陀螺定向和MWD定向兩種。用MWD定向的優(yōu)勢在于它不受井斜角大小的限制，實現(xiàn)一趟鉆定位，節(jié)省時間，缺點是對井斜比較小的井段開窗時，由于絕大部分隨鉆測斜儀器（MWD）都是通過測量地球磁場的三軸矢量來計算當前井下工具的裝置角，所以在窗口附近進行側(cè)鉆施工時，儀器容易受到磁場干擾。陀螺儀的特點是不受外加磁場干擾，可在套管內(nèi)、生產(chǎn)油管和鄰井套管的磁場影響下正常工作。

送入斜向器時，下鉆要平穩(wěn)，遇阻不超過30kN，避免提前坐掛，下鉆期間不開泵，防止提前座封。

開窗技術(shù)參數(shù)控制：①磨窗。鉆壓1t～5t，轉(zhuǎn)速60r/min～100r/min，排量到 1.0m3/min～1.5m3/min。鉆 4m 裸眼口袋，配制高黏稠漿20m3，由于上部為9.625"套管，因此需要充分高黏稠漿，用以攜帶開窗鐵屑。返出槽處安放條形強磁，每半小時清理一次，收集所有返出的鐵屑并稱重。②修窗。停泵、停轉(zhuǎn)后，并在確認磨鞋各個方位通過窗口阻掛不超過1t～2t后起鉆，磨鞋起出后確認磨損量在1/8"以內(nèi)，銑錐出井后，測量磨損情況，磨損小于1/8"，滿足作業(yè)要求。

1.2 造斜段井眼控制技術(shù)

小井眼開窗成功后，對窗口的保護一直是重中之重。鑒于工具的限制，開窗與鉆進分開進行，在開窗成功后，先用常規(guī)鉆具鉆進30m左右領(lǐng)眼，保證后續(xù)造斜鉆具的扶正器處于窗口下部，不在窗口轉(zhuǎn)動，防止破壞窗口，鉆進30m結(jié)束后不進行倒劃眼，保護窗口?？紤]后續(xù)下4.5"尾管作業(yè)，須保證造斜段的全角變化率，避免出現(xiàn)局部全角變化率過大的情況。第二趟鉆具需要利用馬達造斜鉆具，為保證造斜率，采用1.22°彎角馬達進行造斜鉆進，盡快完成新老井眼分離，當新老井眼分離3m、地層巖屑占比大于90%方時可加壓鉆進。

在FQ-19S井施工過程采取以下措施。1）采取勤劃少劃的方式，保證井眼軌跡平滑，前期加密測斜，每單根進行一次測斜，確認地層自然變化及馬達造斜率。2）多遍劃眼倒劃眼修整井壁。3）針對易坍塌巖層短，起下鉆采用“一通二開三劃眼”方式。4）循環(huán)采用錯點循環(huán)，避免局部出現(xiàn)臺階。5）采用重稠漿清潔井眼。

1.3 穩(wěn)斜段偏心鉆頭擴眼技術(shù)

小井眼鉆井作業(yè)有環(huán)控間隙小、壓耗高、鉆井中存在卡鉆、下尾管時存在卡尾管的風險，固井質(zhì)量難以保證。查詢相關(guān)研究表明：利用擴孔技術(shù)加大側(cè)鉆井段套管與井眼間的環(huán)空間隙，把小井眼固井難題轉(zhuǎn)化為寬間隙的常規(guī)固井問題，利用成熟的常規(guī)固井技術(shù)提高固井質(zhì)量是延長側(cè)鉆井油井壽命的有效方法。雙心鉆頭的切削刃和本體固結(jié)在一起，不含運動件，具有很高的可靠性，能夠承受大鉆壓，配合螺桿可以獲得較高鉆速；對鉆井液固含量和堵漏劑無特殊要求，可適用于多種地層。為保證FQ-19S井的作業(yè)安全，穩(wěn)斜段優(yōu)選5-1/2"～6-1/8"偏心鉆頭擴眼鉆進至完鉆深度，偏心鉆頭的使用在該油田屬于首次。

如圖1所示，偏心鉆頭擴眼的工作原理主要是靠鉆具旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力帶動偏心鉆頭沖擊破碎井壁，從而擴大井眼。領(lǐng)眼直徑是由領(lǐng)眼刀翼切削地層產(chǎn)生的井眼直徑，擴眼直徑是由擴眼刀翼切削在鉆頭旋轉(zhuǎn)過程中切削地層產(chǎn)生的井眼直徑，偏心鉆頭擴眼孔徑為領(lǐng)眼鉆頭軸心距擴眼刀翼最大外輪廓值。

圖1 偏心鉆頭結(jié)構(gòu)示意圖

偏心鉆頭較常規(guī)PDC鉆頭在穩(wěn)定性上有一定的差距，綜合考慮擴眼需求及該區(qū)塊灰?guī)r可鉆性，配合螺桿鉆具，選擇鉆進參數(shù)如下：轉(zhuǎn)速30r/min～40r/min，鉆壓1t～5t，泵壓10MPa～12MPa，不帶螺桿鉆具選擇鉆進參數(shù)：轉(zhuǎn)速90r/min～110r/min，鉆壓 3t～7t，泵壓 8MPa～10MPa。見表1。

表1 鉆井參數(shù)表

FQ-19S井共使用4趟鉆具組合鉆進，組合如下。

1#鉆具組合：5-5/8"PDC鉆頭+浮閥+5-3/8"扶正器+4-3/4"鉆鋌×6+3-1/2"加重鉆桿×9+4-3/4"震擊器+3-1/2"加重鉆桿P×5。鉆進井段3578.80m～3610m，井眼長度31.2m，鉆領(lǐng)眼。

2#鉆具組合：5-5/8"PDC鉆頭+5"馬達+4-3/4"浮閥+5-1/4"扶正器+4-3/4"非磁鉆鋌+4-3/4"HOC（測井儀器）+3-1/2"非磁鉆桿P+4-3/4"定位接頭+3-1/2"加重鉆桿×9+4-3/4"震擊器+3-1/2"加重鉆桿×5。鉆進井段3610m～3935m，井眼長度325m，造斜鉆進。

3#鉆具組合：5-1/2"×6-1/8"偏心鉆頭+5"馬達+4-3/4"浮閥+4-3/4"非磁鉆鋌+4-3/4"HOC（測井儀器）+3-1/2"非磁鉆桿+3-1/2"加重鉆桿×9+4-3/4"震擊器+3-1/2"加重鉆桿×5。鉆進井段3935m～4104m，井眼長度169m，偏心鉆頭擴眼鉆進。

4#鉆具組合：5-1/2"×6-1/8"偏心鉆頭+4-3/4"浮閥+4-3/4"鉆鋌+5-3/8"扶正器+4-3/4"非磁鉆鋌+4-3/4"HOC+3-1/2"非磁鉆桿+3-1/2"加重鉆桿×9+4-3/4"震擊器+3-1/2"加重鉆桿×5。鉆進井段4104m～4300m，井眼長度196m，偏心鉆頭擴眼鉆進。

FQ-19S井鉆進使用4趟鉆具組合，分別為開窗后鉆領(lǐng)眼、造斜鉆進及偏心鉆頭擴眼鉆進。FQ-19S井PDC鉆頭與偏心鉆頭應(yīng)用情況對比見表2。

表2 PDC鉆頭與偏心鉆頭應(yīng)用情況對比

如圖2所示，從4趟鉆具組合鉆進的井眼段，根據(jù)實際測井井徑對比，偏心鉆頭鉆進井段井眼擴眼明顯，能夠達到定向井井眼擴眼的要求，比常規(guī)PDC鉆頭井眼擴大接近30.48cm，該井穿越多個地層層位，從上至下依次為Shiranish-Hartha-Sadi-Tanuma-Khsib-MA-MB11-MB12-MB21-MC11-MC12，上部以泥巖為主，下部以灰?guī)r為主，井眼的擴大為后續(xù)順利下入4.5"尾管及滿足尾管固井質(zhì)量的要求提供了有力保障。

圖2 井徑測量結(jié)果對比圖

1.4 尾管固井措施

該井尾管固井、套管程序見表3。

表3是FQ-19S井套管程序，在6-5/8"套管開窗，進行5-5/8"井眼鉆進，下入4-1/2"尾管。

表3 套管程序

FQ-19S井下尾管及固井存在以下風險：裸眼長723m，存在下不到位風險；環(huán)空間隙小，存在卡尾管風險；循環(huán)時存在憋壓，環(huán)空堵塞風險；壓力窗口窄、裸眼段長，存在漏失風險。

由于受到小井眼開窗側(cè)鉆的影響，小井眼固井施工工藝技術(shù)的難度較大，小井眼中套管與井壁間環(huán)空間隙小，水泥漿頂替效果差，很難獲得預(yù)期的固井質(zhì)量，1987—1989年完成的小井眼井固井合格率僅為83.33%，優(yōu)質(zhì)率為16.67%。

針對下尾管及固井存在的風險，在充分考慮安全生產(chǎn)的條件下，經(jīng)綜合考量現(xiàn)場，采取如下技術(shù)措施。1）穩(wěn)斜段采用偏心鉆頭擴眼，增大井眼直徑，減小下尾管摩阻，降低頂替環(huán)空壓耗。2）通井使用近滿眼雙扶正器進行通井，保證井眼順暢。FQ-19S井穿越地層層位較多，包括易剝落垮塌井段Tanuma及Sadi，針對相關(guān)地層，采用兩趟通井鉆具達到井眼順暢的目的。使用PDC鉆頭+雙扶正器底部鉆具組合，在保證底部組合剛性的同時，也能保證在劃眼井段鉆頭具備一定的切削能力。同一趟組合中扶正器遵循下大上小，兩趟通井的雙扶正器尺寸總體遵循尺寸逐步遞增原則，通井過程中采用分段處理方式驗證井眼。兩趟通井鉆具都采用雙扶正器，按由小到大的方式進行，在保證鉆具的安全情況下使井眼通暢。3）使用重稠漿清掃井眼，提高鉆井液攜帶性，確保井眼內(nèi)潔凈。4）采用可旋轉(zhuǎn)尾管掛，當下尾管出現(xiàn)遇阻時，可采用旋轉(zhuǎn)模式下入。5）下尾管前，裸眼段墊潤滑性高的封閉漿，既能減小尾管在裸眼段的摩阻，又能有效支撐井壁。6）由于懸掛器回接筒與上層套管環(huán)空間隙只有2mm，該井使用低黏度、高流變隔離液，防止出現(xiàn)環(huán)空憋堵，固井全過程控制壓力小于漏失壓力。

2 技術(shù)應(yīng)用效果

該井5-5/8"井段鉆進中存在裸眼穩(wěn)斜段長、下尾管摩阻大的問題，采用偏心鉆頭擴眼，解決了此問題。

裸眼段長，存在尾管下不到位風險，鉆進時使用偏心鉆頭擴眼、通井采用近滿眼雙扶正器，并使用可旋轉(zhuǎn)尾管掛，有效解決了此問題。

環(huán)空間隙小，存在環(huán)空堵塞憋壓風險，調(diào)整鉆井液性能穩(wěn)固井壁，采用有效通井手段，并用重稠漿清潔井眼，確保井下無沉砂，解決了環(huán)空憋堵的問題。

為確保固井質(zhì)量，先使用偏心鉆頭擴眼，再在固井過程中通過泵注優(yōu)質(zhì)泥漿及優(yōu)化隔離液、沖洗液來控制井底當量不高于漏失當量，并通過軟件模擬來控制循環(huán)頂替排量，在滿足要求的前提下最大程度地提高循環(huán)排量和循環(huán)時間。固井全程控制壓力小于漏失壓力，降低水泥漿與隔離液黏度，避免發(fā)生漏失與橋堵。最終成功完成固井并且固井質(zhì)量合格。

通過采取偏心鉆頭擴眼、軌跡控制、固井技術(shù)措施等，固井取得良好效果，固井質(zhì)量如圖3所示。

圖3 固井質(zhì)量圖

3 結(jié)論

該文針對國外某油田小井眼開窗容易卡鉆、井眼軌跡控制難度大及下入4.5"尾管阻卡風險高等技術(shù)難題，提出了小井眼開窗工藝、定向段軌跡控制、偏心鉆頭擴眼及固井工藝等系列技術(shù)措施，并通過在FQ-19井的應(yīng)用，順利完成了非常規(guī)井眼5-5/8"井眼的鉆進及固井作業(yè)，降低了作業(yè)風險，節(jié)省了作業(yè)成本。

小井眼套管開窗側(cè)鉆結(jié)合偏心鉆頭擴眼技術(shù)，可以有效實現(xiàn)非常規(guī)鉆井技術(shù)，減少因井眼尺寸小帶來的一系列井下復(fù)雜情況的發(fā)生，提高鉆井速度，降低作業(yè)成本，提高固井質(zhì)量，對油田后期開發(fā)有較好的應(yīng)用及推廣價值。