白 璟，張 斌，張超平

(1川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術研究院2中國石油天然氣集團公司鉆井工程技術試驗基地3中國石油西南油氣田分公司川中油氣礦)

利用小井眼鉆井技術實現(xiàn)老井再利用、事故井復蘇、老井加深，能夠發(fā)掘更多的油氣資源，也可以去開發(fā)一些過去認為沒有開發(fā)價值的油藏。采用小井眼側鉆或繼續(xù)加深鉆進形成的定向井或水平井為有效開發(fā)新油藏、進入微觀未波及油層提供了機會，是應對因深層、復雜地層鉆井事故或復雜、老井產(chǎn)能衰減或停產(chǎn)、地質(zhì)目標鉆探失利等因素帶來小井眼鉆井難題的有效手段，能夠有效避免鉆井工程報廢，提高老井利用率、恢復油田生產(chǎn)力，大幅降低鉆井成本、減少環(huán)保壓力，有效解放復雜地層條件下的深層油氣資源，小井眼定向鉆進技術將在后期顯現(xiàn)出強大的生命力。

一、小井眼定向鉆井技術現(xiàn)狀

目前國內(nèi)外一般將超深井的井深范圍界定為6 000～9 000 m，對小井眼井的定義歸納起來主要有4種:①井徑小于215．9 mm;②全井90%的井徑都小于177．8 mm;③井徑小于152．4 mm;④井徑小于該地區(qū)常規(guī)井［1－2］。對于 ?120 mm及以上井眼尺寸的小井眼定向井和水平井鉆井均具有成熟的工具和裝備，但對于?120 mm以下尺寸鉆井配套工具和工藝還不成熟。因此對于超小井眼可以按照以下標準來對其定義:①井徑小于120 mm;②需要采用非常規(guī)的工具才能完成的小井眼。

國內(nèi)外關于小井眼、超小井眼鉆井的案例報道很多。SlimDrill、UPAC、BP、Total Exploration、Amoco等公司已經(jīng)成功地在Plungar地區(qū)、Texas、Oklahoma、Prudhoe等地區(qū)，在 ?127 mm～?139．7 mm套管內(nèi)采用套管開窗或加深鉆進的方式，完成了數(shù)百口的小井眼鉆井，作業(yè)井深在2 000～3 000 m左右，作業(yè)費用較新鉆井得到大幅縮減。其中BP公司在Prudhoe海灣完成的小井眼，單井成本縮減達80%的基礎上，還發(fā)現(xiàn)了過去被認為沒有開發(fā)價值的新油層。

國內(nèi)大量開展小井眼鉆井的主要是大慶油田、大港油田、遼河油田、中原油田等一些老油田和老油區(qū)。這些油田普遍采取在?127 mm或?139．7 mm套管內(nèi)進行套管開窗或段銑，再利用斜向器與老井眼分離，選擇?118 mm或?120 mm的小直徑鉆頭進行小井眼鉆井［3－7］，作業(yè)井深普遍在4 000 m左右。

對于超小井眼定向鉆井國內(nèi)目前還處于探索階段，大港油田采用連續(xù)油管進行開窗側鉆和定向鉆井試驗，但由于連續(xù)油管本身的井眼延伸能力限制及定向鉆井配套工具不成熟，目前還未取得實質(zhì)進展。對于超深超小井眼鉆探在塔里木油田應用較多，主要是在?127 mm套管內(nèi)采用定向開窗的方式開展?104 mm超小井眼鉆井，作業(yè)井深普遍在7 000 m左右，但由于能夠?qū)嵱糜诔罹鄣男〕叽鏜WD和螺桿鉆具缺乏配套，自2011年以來累計實施的40余口?104 mm井眼均是采用盲打的方式完成，獲得工業(yè)油氣流的井占比不到50%。

二、技術優(yōu)勢與難點

小井眼和超小井眼鉆井與常規(guī)井眼相比，主要體現(xiàn)在經(jīng)濟性、環(huán)保性和適應性幾個方面?，F(xiàn)階段國內(nèi)在開展超深小井眼、超小井眼鉆井過程中，還存在一些技術和裝備上難以徹底解決的難題［8－11］。

(1)由于小井眼鉆井、固井、測井、測試、修井、采油、鉆具等各方面應用于小井眼的設備、施工工藝及工具與常規(guī)井眼相比不夠成熟，小井眼鉆井對井身結構設計、鉆機選型、鉆頭及取心鉆頭設計、鉆井液設計等關鍵技術和裝備的要求更加嚴格。

(2)小井眼鉆井由于其間隙小、鉆柱尺寸小的特點，較大的摩阻扭矩情況下定向鉆井困難、水平延伸能力差。同時由于整體鉆柱強度低，對小井眼鉆完井的安全性提出了挑戰(zhàn)。

(3)由于井筒尺寸和環(huán)空間隙與常規(guī)井眼的區(qū)別，活動鉆具和排量變化對當量密度的影響更大，因此井控問題也是當前小井眼鉆井的一項重要技術問題。

(4)當前成熟的小井眼、超小井眼定向儀器和工具還很缺乏，鉆井過程中缺少有效的軌跡監(jiān)控手段，不利于小井眼的高效實施。

(5)對于超深超小井眼定向鉆井，由于機泵能力和老井井身結構的限制，井眼清潔是一大難題，鉆井設計過程中需要對水力學參數(shù)進行系統(tǒng)分析和優(yōu)化，確保工藝的適應性。

三、定向鉆井配套工具與技術

1．小接頭鉆桿

為了克服連續(xù)油管鉆井系統(tǒng)抗拉強度對深井作業(yè)的限制，可以采用小接頭鉆桿開展深井超小井眼定向鉆井，推薦使用的小接頭鉆桿尺寸主要為?60.3 mm、?73 mm，其接頭外徑分別為76．2 mm、88．9 mm，性能參數(shù)對比見表1。

表1小接頭鉆桿性能參數(shù)對比數(shù)據(jù)表

2．超小尺寸定向工具

根據(jù)井眼尺寸大小，?114 mm～?120 mm井眼尺寸的超深小井眼，可以采用?88．9 mm的定向工具。鉆具組合為:鉆頭+?88．9 mm單彎高溫馬達+?88．9 mm浮閥+?88．9 mm MWD/LWD+?73 mm小接頭鉆桿+?88．9 mm鉆桿。

為根本解決超深超小井眼定向鉆井的問題，需要為?114 mm以下井眼配套超小尺寸MWD或LWD工具，并根據(jù)井眼情況配套使用?79 mm～?89 mm的高溫馬達。目前已經(jīng)在?88．9 mm LWD工具的基礎上成功改型了一種?79．4 mm的LWD工具，該工具采用旋轉(zhuǎn)閥式脈沖器，能夠適應175℃及172 MPa的工作環(huán)境。

3．超小尺寸螺桿鉆具

由于超小尺寸螺桿鉆具目前主要應用于完井工作，因此必須設計長壽命大扭矩超小尺寸螺桿鉆具，以適應深井超小井眼定向鉆井條件，超小尺寸螺桿鉆具參數(shù)見表2。在螺桿鉆具設計過程中可以通過以下手段提高其綜合性能:①采用抗高溫橡膠制造定子，提高螺桿鉆具抗溫性能;②采用硬橡膠定子制造工藝提高螺桿鉆具承載能力;③通過彎點強化的方法提高彎點承載能力，提高螺桿鉆具的安全性;④根據(jù)井眼尺寸和造斜率設計螺桿鉆具彎角，提高超小井眼鉆井的安全性和通過性能。

4．作業(yè)能力分析

現(xiàn)以某油田ZGA井為分析對象，該井原為一口?152．4 mm井眼完鉆的直井，完鉆井深6 330 m，?127 mm油層套管下入井段為5 600～6 300 m。由于該井產(chǎn)能衰減，需要利用該井眼在?127 mm套管內(nèi)開窗側鉆，鉆成一設計靶點垂深6 303 m、水平位移840 m、井深6 980 m的超深超小井眼水平井。

表2超小尺寸螺桿鉆具參數(shù)設計表

設計開窗側鉆點為5 830 m，造斜段平均造斜率5．2°/30 m，以88．7°井斜穩(wěn)斜穿行靶區(qū)500 m。設計定向鉆井鉆具組合:?104 mm PDC鉆頭+?82 mm 1.5°單彎螺桿+浮閥+?79 mm無磁鉆鋌+?79 mm過渡接頭+?79 mm MWD懸掛短節(jié)+?79 mm MWD保護短節(jié)+?73 mm斜坡鉆桿1 530 m+轉(zhuǎn)換接頭+?88.9 mm斜坡鉆桿5 434 m，設定裸眼段摩阻系數(shù)為3.0，套管內(nèi)摩阻系數(shù)為2．0，采用三維水平井管柱力學與水力學分析系統(tǒng)進行評估，確定方案的理論可行性。

通過如圖1、圖2、圖3的各項理論分析，證明在鉆機和上部鉆具能夠配套、超小尺寸高溫MWD及高溫螺桿鉆具能夠正常工作的情況下，該方案滿足完成超深超小井眼定向鉆井的管柱力學和水力學要求，具備鉆成一定長度水平位移的水平井能力。

圖1鉆柱力學摩阻分析圖

圖2鉆柱力學扭矩分析圖

圖3水力學分析圖

四、發(fā)展建議

近年來國內(nèi)在塔里木油田、新疆油田、川渝油氣田、塔河油田、普光氣田、元壩氣田等油田相繼鉆成了大批超深井，形成了較為成熟的深井優(yōu)快鉆井技術和系列裝備，但是對于深層的定向鉆井技術、特別是井深6 000～9 000 m的?104 mm～?114 mm井眼，超小井眼定向鉆井技術和裝備仍是一大難題。為滿足后期油田超深老井的改造問題，應在?79．4 mm高溫高壓超小尺寸MWD、?80 mm高溫長壽命螺桿鉆具、系列減阻工具開展技術攻關，形成一套具有自主知識產(chǎn)權的超深超小井眼定向鉆井裝備，解決深井超深井老井改造困難、超深小井眼水平井地質(zhì)導向和延伸困難等難題，滿足我國超深油氣資源的勘探開發(fā)需求。結合現(xiàn)階段深井超小井眼的作業(yè)現(xiàn)狀，從技術和裝備的發(fā)展角度提出以下幾點建議:

(1)努力完成超深超小井眼定向儀器的裝配。目前國外的?79．4 mm超小井眼MWD/LWD工具還處于試驗階段，還需要對其在深井環(huán)境下的適應能力進行評價和改進，國內(nèi)現(xiàn)階段還不具備生產(chǎn)抗溫180℃以上、抗壓175 MPa以上的高溫高壓超小尺寸MWD/LWD工具的能力，因此需要在優(yōu)選國外超小井眼MWD/LWD工具的同時，應積極著手國產(chǎn)設備的研制。

(2)加強高溫超小螺桿鉆具的升級。小尺寸螺桿目前主要是用于完井工作中，而用于定向鉆井的大扭矩小尺寸螺桿鉆具的穩(wěn)定性和使用壽命是制約深井超小井眼定向鉆井時效的主要因素，需要對現(xiàn)有螺桿鉆具制造工藝進行改進和升級，滿足高溫深井的作業(yè)需要。

(3)加快超深超小井眼定向鉆井的現(xiàn)場應用步伐。深井條件下的超小井眼鉆井主要難點在于鉆柱疲勞破壞、定向鉆井系統(tǒng)的穩(wěn)定性及井眼清潔問題，定向井和水平井的作業(yè)能力還停留在理論分析階段，需要結合現(xiàn)場應用情況形成相應的深井超小井眼鉆井工藝，滿足安全鉆井的需要。

(4)若需完成更大位移的水平井或大位移井，需要對高溫超小尺寸水力振蕩器、水力牽引器等減阻工具進行技術攻關。