王 恒

(勝利石油管理局鉆井工程技術公司，山東東營 257064)

裸眼側鉆關鍵技術的研究與應用

王 恒

(勝利石油管理局鉆井工程技術公司，山東東營 257064)

裸眼側鉆技術是最常用的鉆井工藝技術之一，但若對側鉆技術不熟悉或側鉆方法單一，往往導致側鉆周期長、損失井段多、工具和儀器損耗大，甚至造成側鉆失敗。分析了裸眼側鉆的幾個關鍵問題;給出了選擇側鉆點的依據(jù);結合井底力學分析模型，評價和優(yōu)選出最佳的側鉆工具;在對比控壓和控時兩種側鉆方式優(yōu)缺點的基礎上，繪制出側鉆方式選擇圖，便于施工人員靈活選擇側鉆工藝。用一口井的側鉆施工實例，闡述了上述關鍵技術的具體應用情況。

鉆井;裸眼側鉆;側鉆方法;側鉆點;側向力

1 問題的提出

裸眼側鉆技術是在鉆井過程中為達到一定的地質或工藝要求，在原井眼的基礎上使用特殊的側鉆工具，控制井身軌跡按照預先設計的軸線偏離原有井眼的工藝技術。廣泛應用于井身質量超標、井下存在難以處理的復雜情況、現(xiàn)有井眼無油氣顯示、需要探明油藏邊界、定向井井眼軌跡達不到設計中靶要求以及其它原因造成的井段報廢等。

裸眼側鉆分裸眼回填水泥側鉆和懸空側鉆兩種。前者以其適用范圍廣、可靠性高、對完井作業(yè)影響小被更廣泛采用，是常規(guī)的鉆井技術之一。然而，由于某些鉆井技術人員對側鉆工藝不熟悉、采用的側鉆方法單一、制定的側鉆方案未考慮地層可鉆性和井眼軌跡等情況，導致側鉆周期長、損失井段大、工具儀器消耗多，甚至多次側鉆也不能偏離原井眼，造成側鉆失敗。因此，有必要在總結現(xiàn)有成功經(jīng)驗的基礎上，對裸眼側鉆技術進行更深入地研究分析，為現(xiàn)場施工提供理論依據(jù)和技術支撐。

2 關鍵技術

2.1 側鉆前的準備

側鉆能否取得成功不僅僅取決于施工過程，還取決于側鉆前的充分準備。很多側鉆失敗正是由于對地層和原井眼信息掌握不全造成的。側鉆前，必須了解原井眼井身結構、井身質量、巖性、地層傾角、鉆頭類型、鉆速、鉆井液性能以及發(fā)生井下復雜事故的位置和原因，并查閱相關鄰井資料，確定該區(qū)塊是否有注水井等可能對施工造成影響的因素。

在此基礎上，依據(jù)原井眼井身軌跡，再結合地質及工程要求初步確定側鉆設計方案。側鉆井段應選在地層均勻、傾角較小、沒有夾層或斷層、可鉆性好、井徑規(guī)則的穩(wěn)定地層。填注水泥塞要求水泥漿稠化時間在300 min以上，保證側鉆點以上有10～20 m膠結好的水泥塞、側鉆井段有50～100 m強度較高的水泥塞。固井候凝48 h后，下鉆探水泥面，鉆水泥塞至預定深度，循環(huán)處理好鉆井液后即可起鉆。

2.2 側鉆點的選擇

側鉆點的選擇是側鉆工藝的一個重要環(huán)節(jié)，也是側鉆成功的重要保證。一般來說，側鉆點的選擇原則有以下幾點。

(1)側鉆點要滿足地質設計和工程設計的要求，有利于后續(xù)施工及完井作業(yè)。

(2)側鉆點應處于穩(wěn)定、可鉆性好的地層，避開斷層和軟硬交錯的井段。

(3)固井質量要好，通常水泥塞的強度用正常鉆壓鉆進不放空，在開泵情況下可承受200 kN以上的靜壓。

(4)避開井眼不規(guī)則和井徑擴大率大的井段。

(5)側鉆點處全角的變化率較大，側鉆方位與原井眼方位有一定角度。

(6)事故井的側鉆點最好選在事故井段100 m以上。

(7)為防止起下鉆具破壞窗口，應避免在鉆桿接箍位置側鉆。

2.3 側鉆工具的優(yōu)選

選擇合適的側鉆工具是側鉆成功的基本保障。常用的側鉆工具有鐘擺鉆具、彎殼體馬達和彎接頭加直馬達。鐘擺鉆具只有降斜作用，適用于高造斜率井段的降斜側鉆;后兩種是實際側鉆中最常采用的鉆具組合。而這兩種側鉆工具的作用原理不同，可細分為側向力側鉆(彎殼體馬達)和側位移側鉆(彎接頭+直馬達)，分別適用于不同的井眼狀況。

彎殼體側鉆工具在井底的模擬受力情況見圖1。圖中假設鉆具處在滑動鉆進狀態(tài)，鉆具不震動，且不考慮鉆頭旋轉切削力的反扭矩作用，可以用靜力學進行分析。

圖1 彎殼體鉆具井下受力狀況分析示意圖

圖1所示單彎殼體鉆具的彎角為δ，井斜為α的情況下的受力情況，單元體A在x，y方向上及扭矩m的受力分析如下:

鉆具組合產(chǎn)生的側向力T=Psinδ，所以側向力隨著彎角的增加而增大。

因鉆具直徑d相對于鉆具長度l1和l2來說很小，故公式(3)可簡化為:

若l1/l21，則彎點距鉆頭和鉆具重心的距離接近，此時受力狀況近似于彎接頭配合直馬達工作的情況;

若l1/l21，說明彎點距鉆頭近，而離鉆具重心很遠，則受力狀況更接近于彎殼體馬達在井底的工作狀態(tài)。

由公式(5)可以看出:在井斜角α一定的情況下，l1/l2越小，側位移越大，但側向力越小;若l1/l2越大，側位移越小，側向力越大，且這種側向力受井斜的影響較大，井斜小，產(chǎn)生的側向力也小，反之側向力會隨著井斜角的增大而明顯增加。

根據(jù)上述力學分析，在深井、硬地層、大井眼、井斜小或井下復雜的情況下，應優(yōu)先選用彎接頭配合直馬達進行側鉆，充分利用其側位移較大、側向力穩(wěn)定、初始造斜率高的特點，迅速形成新井眼，完成側鉆;在井比較淺、地層松軟、井眼尺寸小、井斜大的情況下，利用大角度彎殼體馬達能夠產(chǎn)生較大側向力和連續(xù)造斜率高的特性側鉆，并充分發(fā)揮其能夠旋轉鉆進的優(yōu)勢，一趟鉆完成側鉆和新井眼的施工，提高鉆井效率。

2.4 側鉆方法的確定

通常側鉆工藝采用控時側鉆，即將鉆具下至側鉆位置之前，先調整好馬達工具面，接觸水泥塞頂后，靜置循環(huán)一段時間并在井底造臺階，然后開始控時鉆進。側鉆之初的鉆時一般控制在2～3 h/m，之后依據(jù)返砂情況逐漸減少控時時間，直到恢復正常鉆進。該方法施工工藝簡單、成功率高，特別適用于深井、硬地層、井眼穩(wěn)定的情況，但側鉆時間長、效率低、易發(fā)生溜鉆和鉆具粘卡。

雖然控時側鉆的成功率較高，但并不適合淺井、疏松地層，因為在軟地層長時間控時，很容易造成局部井徑擴大，使側鉆工具失去井壁的支撐，側鉆失敗。在這種情況下，推薦采用控壓側鉆方式，即在掌握水泥塞膠結強度、地層鉆時、掃水泥塞鉆時的前提下，以介于地層和水泥塞之間的鉆壓鉆進。該方法特別適用于水泥膠結強度高于地層的情況，而且側鉆時間短、鉆井效率高，是一種值得推廣的側鉆方法。

可以參照圖2的側鉆曲線選擇合適的側鉆方式。

圖2 側鉆方式選擇圖

2.5 新井眼的判斷與防碰

新井眼的判斷是側鉆技術的一個重要環(huán)節(jié)，也是決定側鉆過程是否結束的重要標志，其主要依據(jù)是鉆屑中地層巖屑與水泥所占比率。判斷新井眼的標志是:

(1)新井眼與老井眼的距離達到或超過一個鉆頭的直徑;

(2)返出巖屑中水泥含量逐漸減少，最終全部為地層砂樣，不含水泥;

(3)鉆進過程中能夠連續(xù)加壓，鉆時與正常情況相似。

新井眼形成后，為防止重新進入老井眼，要特別注意避開事故井段，隨時監(jiān)測井身軌跡，跟蹤鉆進直到新、老井之間的防碰距離＞2 m，重回原井眼的風險才基本排除。若事故井段有“落魚”，為避免其對新井眼造成磁干擾，防碰距離至少要超過4 m，否則新井眼的方位數(shù)據(jù)會受到影響。

3 現(xiàn)場應用實例

某油田F7井直井在鉆至井深3378 m發(fā)生卡鉆事故，處理無效后填井側鉆。井下“落魚”118.37 m，魚頂井深3118.08 m。打水泥塞后，在2900 m處循環(huán)有水泥返出。井身結構、側鉆及“落魚”等基本數(shù)據(jù)見圖3。在系統(tǒng)分析和研究地層信息、原井眼施工數(shù)據(jù)后，根據(jù)地質和工程要求，決定在2950～3020 m選擇一側鉆點，沿現(xiàn)有井眼閉合方位的反方向側鉆。側鉆點附近的錄井曲線見圖4。

圖3 井下復雜情況及井身結構圖

圖4 側鉆點附近的錄井曲線

從圖4中可以看出:2994 m前鉆時較慢且顯示為油層，不適合側鉆;3001 m處巖性穩(wěn)定、鉆時較快，非常適合作為側鉆點。根據(jù)原井眼軌跡數(shù)據(jù)進行的側鉆設計見表1。

表1 側鉆設計軌道

考慮到井比較深、側鉆點井斜小、側鉆要求高，選用2.5°彎接頭配合直馬達的側鉆工具。

鉆具組合為:φ212.7 mm鉆頭+φ172 mm直馬達+φ172 mm彎接頭(2.5°)+φ172 mm短無磁鉆鋌+MWD+φ172 mm無磁鉆鋌+φ172 mm鉆鋌×2根+127 mm加重鉆桿×15根+震擊器+φ127 mm加重鉆桿×2根+φ127 mm鉆桿。

地層鉆時和掃水泥塞鉆時的對比情況見圖5。由圖5可見，地層鉆時高于水泥塞鉆時。對比圖2，該井應采用控時側鉆方法。5 h控時鉆進3 m后，返出的砂樣中地層鉆屑所占比例開始顯著增加，鉆進至3007 m后水泥所占比例 ＜30%，加壓鉆進至3020 m后返出鉆屑全部為地層砂樣，軌跡掃描新、老井眼距離0.38 m，據(jù)此判斷鉆頭已全部鉆入新井眼。此時，井底井斜角1°，方位角80°，起鉆更換單彎螺桿鉆具，復合鉆進至3118 m，井斜角2.9°，方位角71°，防碰距離7.89 m，已無磁干擾影響，側鉆成功。

圖5 地層鉆時和掃水泥塞鉆時對比

4 結論

(1)側鉆是一個復雜的系統(tǒng)工程，能否成功不僅取決于施工過程本身，更需要綜合考慮設計要求、地層性質、固井質量等眾多因素，以選擇合理的側鉆工藝。

(2)在深井、硬地層、大井眼、井斜小的情況下，優(yōu)先選用以側位移為主、側向力為輔的彎接頭配合直馬達進行側鉆;反之，選擇以側向力為主的單彎馬達側鉆。

(3)在地層強度低于水泥強度的情況下，建議優(yōu)先選擇控壓側鉆方式，以提高鉆井時效。施工時必須特別注意避開側鉆失敗的危險區(qū)。

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Research on Key Technology of Sidetracking in Open Hole and the Application

WANG Heng(Drilling Engineering＆Technology Company，Shengli Petroleum Administration，Dongying Shandong 257064，China)

Sidetracking in open hole is one of the most popular drilling technologies.Unknowing sidetracking or only with single sidetracking method，the construction time would be longer，more well sections would be lost with tools and instrument loss，even with failure.Some key problems of sidetracking are studied and discussed in this paper;principles of kickoff point are given and the evaluation of tools and control drilling by time or weight on bit are brought forward.In addition，sidetracking in a well is taken as an example to describe the technologies.

well drilling;sidetracking in open hole;method of sidetracking;kick-off point，side force

TE243

A

1672－7428(2011)10－0026－04

2011－02－16

王恒(1978－)，男(漢族)，河北固安人，勝利石油管理局鉆井工程技術公司定向井公司副主任工程師，地質工程專業(yè)，碩士，從事定向井和水平井的鉆井技術管理工作，山東省東營市德州路136號，whengnet@163.com。