短半徑水平井側(cè)鉆工藝技術(shù)分析及對策

劉玉飛，黃毓祥，倪益民，王 堯，張 悅

（中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452）

1 概述

隨著油田開發(fā)開采不斷深入，大部分油氣井已進入到生產(chǎn)中后期，一些低產(chǎn)低效井面臨著進一步改造、提升產(chǎn)能的趨勢。同時，在一些新發(fā)現(xiàn)正在開發(fā)的區(qū)塊中，尤其是裂縫性、溶洞性油藏，由于前期開發(fā)對儲層的物性和地質(zhì)油藏邊界的認識不夠深入，需要新的水平井鉆井工藝技術(shù)進一步煥發(fā)老井產(chǎn)能。短半徑水平井側(cè)鉆工藝技術(shù)作為近幾年興起的一項技術(shù)，可大幅度提高油井單井產(chǎn)量，并且可以有效提升原油采收率，同時能降低側(cè)鉆進尺，節(jié)省鉆井工期和成本，是油田老井改造、油藏挖潛和穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)的有效手段。

利用短半徑水平井鉆井技術(shù)對已鉆無產(chǎn)能的井進行再次利用，在原井眼側(cè)鉆短半徑水平井，可有效開發(fā)老井未受控面積內(nèi)的儲油和剩余油，尤其適合于薄油層，垂直裂縫、稠油、低滲透等油藏的開發(fā)，減少鉆井投資，具有較高的經(jīng)濟效益和社會效益。對于保障我國能源安全，增儲油氣產(chǎn)量具有重要的現(xiàn)實意義。

針對短半徑水平井側(cè)鉆施工過程中的幾個方向，包括側(cè)鉆施工中柔性鉆具的使用、鉆具組合優(yōu)化、造斜鉆頭優(yōu)選、井眼軌跡控制、開窗方式選擇以及鉆井液體系的使用，是短半徑側(cè)鉆水平井設(shè)計與施工的主要問題。

2 側(cè)鉆技術(shù)要點分析

2.1 柔性鉆具的使用

短半徑水平井側(cè)鉆工藝技術(shù)對于提高老油井產(chǎn)能和提高儲層的采收率具有較好的作用，由于短半徑水平井具有全角變化率大，井眼曲率半徑小的特點，目前主要采用高壓射流和柔性鉆具兩種鉆井工具。由于高壓射流在鉆井施工過程中存在著一些難題，如高壓射流沖擊的井眼尺寸偏小，井眼軌跡控制精度較差，不能按照預(yù)定軌跡鉆進等諸多缺點，導(dǎo)致柔性鉆井工具得到現(xiàn)場不斷應(yīng)用，越來越得到人們的重視。利用柔性鉆具實施的短半徑水平井側(cè)鉆軌跡可以得到控制、側(cè)鉆點鉆出后井眼可長距離鉆進、相對高壓射流的方式井眼尺寸更大，同時泄油面積大等特點，尤其是針對薄差儲層，沿著儲層段持續(xù)鉆進是短半徑水平井側(cè)鉆工藝技術(shù)的關(guān)鍵，實現(xiàn)水平段的軌跡控制是其重要技術(shù)難題，關(guān)系到短半徑水平井側(cè)鉆施工能否順利施工。

短半徑水平井側(cè)鉆工藝主要是在老井套管下入斜向器，直接進行套管壁開窗側(cè)鉆，它與常規(guī)水平井的顯著區(qū)別是井眼曲率半徑較小，井身全角變化率大，常規(guī)鉆具不能滿足此要求，需要采用特殊的柔性鉆具來進行鉆井，柔性鉆具同常規(guī)鉆具相比，不但具有傳遞軸向力和扭矩的作用，還具有易彎曲、韌性強，可以控制井眼軌跡在實鉆過程中按照設(shè)計進行。

短半徑水平井進行側(cè)鉆時，鉆具受較大的側(cè)向力，鉆穿套管后，與裸眼井壁摩擦較大，會產(chǎn)生貼邊鉆進，為盡量保持鉆具穩(wěn)斜鉆進，柔性鉆具應(yīng)緊貼井壁，以控制鉆井井眼軌跡不會紊亂。井眼尺寸與柔性鉆具外徑尺寸需要進行優(yōu)化設(shè)計匹配，這樣才能更好地穩(wěn)住柔性鉆具，為更穩(wěn)定地通過造斜段，以減少對造斜段鉆具的磨損，同時也需要兼顧巖屑的順利排出，確保鉆具安全鉆進，不發(fā)生卡鉆事故。

2.2 鉆具組合優(yōu)化

短半徑水平井側(cè)鉆部分井眼要求較高的造斜率，需要在短時間內(nèi)完成增斜作業(yè)，鉆具在大井眼曲率井段會產(chǎn)生較大的彎曲應(yīng)力，容易造成鉆具的疲勞損壞。在復(fù)合鉆進時，鉆具旋轉(zhuǎn)，彎曲井段的鉆具受交變應(yīng)力的作用，極易發(fā)生疲勞損壞。針對這種情況，施工中每趟鉆倒換彎曲井段的鉆具位置，避免鉆具發(fā)生疲勞損壞。根據(jù)短半徑水平井設(shè)計的井眼軌跡，現(xiàn)場施工依據(jù)實際情況，合理使用加重鉆桿，對增斜段和穩(wěn)斜段鉆具進行優(yōu)化組合，有利于減小鉆具摩阻，增加鉆壓傳遞效率。

鉆具組合在滿足井眼軌跡設(shè)計造斜率前提下，加大滑動井段和復(fù)合井段的依次施工的連續(xù)性，減少長井段的滑動，以降低井眼軌跡所帶來的問題。

針對鉆具優(yōu)化組合對于短半徑水平井側(cè)鉆工藝技術(shù)尤為重要，一旦鉆具組合不合理，造斜率不滿足設(shè)計要求會有嚴重偏離原設(shè)計井眼的風(fēng)險，因此需要對鉆具組合進行優(yōu)選，以確保造斜率符合設(shè)計要求，保持井眼軌跡的平滑性，同時為在水平段鉆進中，以復(fù)合鉆進為主，減少滑動鉆進，減少偏移軌跡的風(fēng)險。

2.3 造斜鉆頭要求

短半徑水平井側(cè)鉆造斜新井眼通常采用造斜鉆頭、柔性鉆具和常規(guī)鉆井工具，這種造斜鉆具組合通過施加鉆壓，利用柔性鉆具緊靠斜向器的斜面，使柔性鉆具壓彎迫使鉆頭側(cè)向切削地層，使井眼偏離原井眼軸線，從而達到造斜的目的。

造斜鉆頭的設(shè)計應(yīng)加強其側(cè)向切削能力，滿足短半徑水平井側(cè)鉆短時間內(nèi)的造斜要求。水力參數(shù)方面，造斜鉆頭每個刀翼間應(yīng)具備噴嘴，噴嘴的噴射方向不同，確保有效清洗井底及刀翼的各個部位，有利于攜帶巖屑，提高鉆速，提升效率。

鉆進施工中綜合考慮穩(wěn)定工具面、造斜率、提高機械鉆速、減少起下鉆次數(shù)等因素，根據(jù)不同井段采用不同種類的鉆頭。該組合充分運用每種鉆頭的不同優(yōu)點，達到最大使用效果。

2.4 井眼軌跡控制

由于短半徑水平井側(cè)鉆井眼段具有較高的造斜率，軌跡的優(yōu)化設(shè)計是重要組成部分。因此在進行軌跡設(shè)計時，要充分認識儲層物性、鉆具鉆頭造斜能力、柔性鉆具直徑與長度以及鉆頭大小等因素可能對井眼軌跡所產(chǎn)生的影響，另外還必須考慮有利于油氣藏的開發(fā)開采。

短水平井的井眼軌跡設(shè)計為三段制，即直（開窗）、增（造斜）、穩(wěn)（水平）。側(cè)鉆井眼在鉆進過程中，造斜率要求較高，鉆井過程中需要對各項參數(shù)進行控制，需要確保柔性鉆具產(chǎn)生彎曲角度，對井壁形成有效支撐，確保造斜成功。增斜井段造斜率的合理確定是短水平井井眼軌跡設(shè)計與施工的關(guān)鍵。

井眼軌跡的初始設(shè)計是一口短半徑水平井順利施工的基礎(chǔ)。短半徑水平井的設(shè)計施工不但具有普通水平井的特性，還必須考慮側(cè)鉆點的選擇、側(cè)鉆難易程度、造斜段全角變化率、可作業(yè)井段短及井眼尺寸小等特點。還必須考慮有利于油田開發(fā)、實現(xiàn)地質(zhì)設(shè)計的要求。而老井多數(shù)都存在井斜方位，且方位與新設(shè)計方位不一致的情況。因此井眼軌跡通常需要進行三維設(shè)計。

由于短半徑水平井側(cè)鉆三維水平井存在造斜段全角變化率、可作業(yè)井段短及井眼尺寸小的特點，因而對井眼軌跡測量的準(zhǔn)確性和快速性要求很高。鉆具入井后，隨鉆測量工具要對井眼參數(shù)進行實時預(yù)測，以便及時調(diào)整鉆井參數(shù)、鉆井方式，以求合理選擇下一趟入井的鉆具組合。井底參數(shù)預(yù)測不當(dāng)，就會使井眼軌跡控制難度大大增加，提高了軌跡控制的難度。井底參數(shù)預(yù)測技術(shù)的關(guān)鍵就是對動力鉆具造斜率具備精確的收集和控制。

井眼軌跡優(yōu)化設(shè)計包括：①設(shè)計軌跡時，需要考慮井場施工條件的限制，做到因地制宜。②設(shè)計軌跡應(yīng)是優(yōu)化過的達到儲層開發(fā)要求的最短軌跡，盡可能地減少鉆井進尺。③設(shè)計軌跡時，應(yīng)對鉆柱扭矩和摩阻力進行鉆前模擬，并在合理范圍內(nèi)。

2.5 開窗方式對比

目前常用的套管的開窗方式有兩種，一種導(dǎo)斜器開窗，另一種是鍛銑套管開窗。

開窗側(cè)鉆即利用斜向器和開窗銑錐，在設(shè)計側(cè)鉆位置將套管磨銑鉆穿從而形成開窗點，然后再用側(cè)鉆鉆具鉆出新井眼。該方法可實現(xiàn)坐塞、開窗、側(cè)鉆一次成功。導(dǎo)斜器開窗具有鉆穿快、工期少的特點，但施工不可控因素較大，特別是短半徑水平井，由于導(dǎo)斜器轉(zhuǎn)動造成井眼方位偏差對后期施工影響很大。

鍛銑側(cè)鉆即在設(shè)計開窗位置將一段套管用鍛銑工具銑掉，然后在該井段注水泥，再用側(cè)鉆鉆具定向鉆出新井眼。優(yōu)點是：工藝簡單，實施可靠，避免了套管的磁干擾，可用磁性測斜儀器定向鉆井，有利于定位。鍛銑套管開窗具有安全可靠的特點，缺點是實施時間長，費用高。

對使用導(dǎo)斜器開窗時普遍存在窗口附近泥頁巖坍塌、容易卡鉆、埋鉆具的問題，使用鍛銑開窗方法，可提高施工的可靠性。針對鍛銑過程中的鐵屑清理，鍛銑前處理鉆井液，以滿足攜帶鐵屑要求。鍛銑期間，在鉆井液回流槽內(nèi)放置強磁工具，避免鐵屑進入循環(huán)罐。鍛銑結(jié)束后，對鐵屑進行清理。

2.6 鉆井液體系優(yōu)選

套管開窗期間，由于存在對套管的磨銑鉆穿，會產(chǎn)生大量鐵屑，因此要求鉆井液具有良好的流變性能。造斜段采用全滑動鉆進，卡鉆的風(fēng)險較高，如造斜段是泥巖地層，泥巖具有吸水膨脹性，存在井壁失穩(wěn)垮塌的風(fēng)險。對于小井眼，由于直徑較小導(dǎo)致循環(huán)鉆井液排量受限，因此要求鉆井液具有良好的攜砂性、懸浮性、潤滑性，低固相含量，觸變性好。

鉆井液必須要有良好的抑制性、潤滑性、流變性和攜屑能力，以保證鉆井安全及盡量降低對儲層的侵入。短半徑水平井鉆井液具備以下特性：①要考慮保護油氣層。鉆井液應(yīng)與儲層相適應(yīng)才能起到保護油氣層的作用。②對于泥巖側(cè)鉆點易坍塌儲層，水平井鉆井液在造斜段要求具有良好的攜巖能力，同時鉆井液粘度、切力不能過低，轉(zhuǎn)速不能過高，以免形成溫流沖刷井壁，加劇裸眼段的坍塌。③要有良好的流變性和較強的抑制能力，以保持井眼清潔、不形成巖屑床，為后期的固井和完井作業(yè)奠定基礎(chǔ)。④要有良好的潤滑性，根據(jù)鉆井液類型，選擇添加有效的潤滑劑。⑤要有較好的抑制性和濾失性，以免鉆井液侵入地層發(fā)生污染，便于后期進行測井作業(yè)。

3 結(jié)論

（1）針對短半徑水平井曲率大、造斜段短的特點，結(jié)合實鉆地層使用柔性鉆具、對鉆具組合進行優(yōu)化、合理使用造斜鉆頭、加強對井眼軌跡的控制、合理選擇開窗方式以及優(yōu)質(zhì)鉆井液體系的選擇是提高短半徑施工效率的關(guān)鍵。

（2）隨著國內(nèi)鉆井工業(yè)的發(fā)展和對油氣井提高采收率的需求，短半徑水平井側(cè)鉆工藝技術(shù)將成為油田增產(chǎn)的主要技術(shù)手段之一，但是國內(nèi)短半徑水平井側(cè)鉆工藝技術(shù)尚處于起步階段，一些新工具和新工藝和還有待完善，相關(guān)技術(shù)難題還需要解決。