裸眼側(cè)鉆關(guān)鍵技術(shù)的研究與應(yīng)用

王 恒

(勝利石油管理局鉆井工程技術(shù)公司，山東東營(yíng) 257064)

裸眼側(cè)鉆關(guān)鍵技術(shù)的研究與應(yīng)用

王 恒

(勝利石油管理局鉆井工程技術(shù)公司，山東東營(yíng) 257064)

裸眼側(cè)鉆技術(shù)是最常用的鉆井工藝技術(shù)之一，但若對(duì)側(cè)鉆技術(shù)不熟悉或側(cè)鉆方法單一，往往導(dǎo)致側(cè)鉆周期長(zhǎng)、損失井段多、工具和儀器損耗大，甚至造成側(cè)鉆失敗。分析了裸眼側(cè)鉆的幾個(gè)關(guān)鍵問題;給出了選擇側(cè)鉆點(diǎn)的依據(jù);結(jié)合井底力學(xué)分析模型，評(píng)價(jià)和優(yōu)選出最佳的側(cè)鉆工具;在對(duì)比控壓和控時(shí)兩種側(cè)鉆方式優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，繪制出側(cè)鉆方式選擇圖，便于施工人員靈活選擇側(cè)鉆工藝。用一口井的側(cè)鉆施工實(shí)例，闡述了上述關(guān)鍵技術(shù)的具體應(yīng)用情況。

鉆井;裸眼側(cè)鉆;側(cè)鉆方法;側(cè)鉆點(diǎn);側(cè)向力

1 問題的提出

裸眼側(cè)鉆技術(shù)是在鉆井過程中為達(dá)到一定的地質(zhì)或工藝要求，在原井眼的基礎(chǔ)上使用特殊的側(cè)鉆工具，控制井身軌跡按照預(yù)先設(shè)計(jì)的軸線偏離原有井眼的工藝技術(shù)。廣泛應(yīng)用于井身質(zhì)量超標(biāo)、井下存在難以處理的復(fù)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(dá)不到設(shè)計(jì)中靶要求以及其它原因造成的井段報(bào)廢等。

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

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 側(cè)鉆前的準(zhǔn)備

側(cè)鉆能否取得成功不僅僅取決于施工過程，還取決于側(cè)鉆前的充分準(zhǔn)備。很多側(cè)鉆失敗正是由于對(duì)地層和原井眼信息掌握不全造成的。側(cè)鉆前，必須了解原井眼井身結(jié)構(gòu)、井身質(zhì)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(fù)雜事故的位置和原因，并查閱相關(guān)鄰井資料，確定該區(qū)塊是否有注水井等可能對(duì)施工造成影響的因素。

在此基礎(chǔ)上，依據(jù)原井眼井身軌跡，再結(jié)合地質(zhì)及工程要求初步確定側(cè)鉆設(shè)計(jì)方案。側(cè)鉆井段應(yīng)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(shí)間在300 min以上，保證側(cè)鉆點(diǎn)以上有10～20 m膠結(jié)好的水泥塞、側(cè)鉆井段有50～100 m強(qiáng)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(yù)定深度，循環(huán)處理好鉆井液后即可起鉆。

2.2 側(cè)鉆點(diǎn)的選擇

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

(1)側(cè)鉆點(diǎn)要滿足地質(zhì)設(shè)計(jì)和工程設(shè)計(jì)的要求，有利于后續(xù)施工及完井作業(yè)。

(2)側(cè)鉆點(diǎn)應(yīng)處于穩(wěn)定、可鉆性好的地層，避開斷層和軟硬交錯(cuò)的井段。

(3)固井質(zhì)量要好，通常水泥塞的強(qiáng)度用正常鉆壓鉆進(jìn)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(kuò)大率大的井段。

(5)側(cè)鉆點(diǎn)處全角的變化率較大，側(cè)鉆方位與原井眼方位有一定角度。

(6)事故井的側(cè)鉆點(diǎn)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(yīng)避免在鉆桿接箍位置側(cè)鉆。

2.3 側(cè)鉆工具的優(yōu)選

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

彎殼體側(cè)鉆工具在井底的模擬受力情況見圖1。圖中假設(shè)鉆具處在滑動(dòng)鉆進(jìn)狀態(tài)，鉆具不震動(dòng)，且不考慮鉆頭旋轉(zhuǎn)切削力的反扭矩作用，可以用靜力學(xué)進(jìn)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(cè)向力T=Psinδ，所以側(cè)向力隨著彎角的增加而增大。

因鉆具直徑d相對(duì)于鉆具長(zhǎng)度l1和l2來說很小，故公式(3)可簡(jiǎn)化為:

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

若l1/l21，說明彎點(diǎn)距鉆頭近，而離鉆具重心很遠(yuǎn)，則受力狀況更接近于彎殼體馬達(dá)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(cè)位移越大，但側(cè)向力越小;若l1/l2越大，側(cè)位移越小，側(cè)向力越大，且這種側(cè)向力受井斜的影響較大，井斜小，產(chǎn)生的側(cè)向力也小，反之側(cè)向力會(huì)隨著井斜角的增大而明顯增加。

根據(jù)上述力學(xué)分析，在深井、硬地層、大井眼、井斜小或井下復(fù)雜的情況下，應(yīng)優(yōu)先選用彎接頭配合直馬達(dá)進(jìn)行側(cè)鉆，充分利用其側(cè)位移較大、側(cè)向力穩(wěn)定、初始造斜率高的特點(diǎn)，迅速形成新井眼，完成側(cè)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(dá)能夠產(chǎn)生較大側(cè)向力和連續(xù)造斜率高的特性側(cè)鉆，并充分發(fā)揮其能夠旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的優(yōu)勢(shì)，一趟鉆完成側(cè)鉆和新井眼的施工，提高鉆井效率。

2.4 側(cè)鉆方法的確定

通常側(cè)鉆工藝采用控時(shí)側(cè)鉆，即將鉆具下至側(cè)鉆位置之前，先調(diào)整好馬達(dá)工具面，接觸水泥塞頂后，靜置循環(huán)一段時(shí)間并在井底造臺(tái)階，然后開始控時(shí)鉆進(jìn)。側(cè)鉆之初的鉆時(shí)一般控制在2～3 h/m，之后依據(jù)返砂情況逐漸減少控時(shí)時(shí)間，直到恢復(fù)正常鉆進(jìn)。該方法施工工藝簡(jiǎn)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(cè)鉆時(shí)間長(zhǎng)、效率低、易發(fā)生溜鉆和鉆具粘卡。

雖然控時(shí)側(cè)鉆的成功率較高，但并不適合淺井、疏松地層，因?yàn)樵谲浀貙娱L(zhǎng)時(shí)間控時(shí)，很容易造成局部井徑擴(kuò)大，使側(cè)鉆工具失去井壁的支撐，側(cè)鉆失敗。在這種情況下，推薦采用控壓側(cè)鉆方式，即在掌握水泥塞膠結(jié)強(qiáng)度、地層鉆時(shí)、掃水泥塞鉆時(shí)的前提下，以介于地層和水泥塞之間的鉆壓鉆進(jìn)。該方法特別適用于水泥膠結(jié)強(qiáng)度高于地層的情況，而且側(cè)鉆時(shí)間短、鉆井效率高，是一種值得推廣的側(cè)鉆方法。

可以參照?qǐng)D2的側(cè)鉆曲線選擇合適的側(cè)鉆方式。

圖2 側(cè)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(cè)鉆技術(shù)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，也是決定側(cè)鉆過程是否結(jié)束的重要標(biāo)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(biāo)志是:

(1)新井眼與老井眼的距離達(dá)到或超過一個(gè)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(jìn)過程中能夠連續(xù)加壓，鉆時(shí)與正常情況相似。

新井眼形成后，為防止重新進(jìn)入老井眼，要特別注意避開事故井段，隨時(shí)監(jiān)測(cè)井身軌跡，跟蹤鉆進(jìn)直到新、老井之間的防碰距離＞2 m，重回原井眼的風(fēng)險(xiǎn)才基本排除。若事故井段有“落魚”，為避免其對(duì)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(huì)受到影響。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)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(cè)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(jié)構(gòu)、側(cè)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(zhì)和工程要求，決定在2950～3020 m選擇一側(cè)鉆點(diǎn)，沿現(xiàn)有井眼閉合方位的反方向側(cè)鉆。側(cè)鉆點(diǎn)附近的錄井曲線見圖4。

圖3 井下復(fù)雜情況及井身結(jié)構(gòu)圖

圖4 側(cè)鉆點(diǎn)附近的錄井曲線

從圖4中可以看出:2994 m前鉆時(shí)較慢且顯示為油層，不適合側(cè)鉆;3001 m處巖性穩(wěn)定、鉆時(shí)較快，非常適合作為側(cè)鉆點(diǎn)。根據(jù)原井眼軌跡數(shù)據(jù)進(jìn)行的側(cè)鉆設(shè)計(jì)見表1。

表1 側(cè)鉆設(shè)計(jì)軌道

考慮到井比較深、側(cè)鉆點(diǎn)井斜小、側(cè)鉆要求高，選用2.5°彎接頭配合直馬達(dá)的側(cè)鉆工具。

鉆具組合為:φ212.7 mm鉆頭+φ172 mm直馬達(dá)+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(shí)和掃水泥塞鉆時(shí)的對(duì)比情況見圖5。由圖5可見，地層鉆時(shí)高于水泥塞鉆時(shí)。對(duì)比圖2，該井應(yīng)采用控時(shí)側(cè)鉆方法。5 h控時(shí)鉆進(jìn)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(jìn)至3007 m后水泥所占比例 ＜30%，加壓鉆進(jìn)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(shí)，井底井斜角1°，方位角80°，起鉆更換單彎螺桿鉆具，復(fù)合鉆進(jìn)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(cè)鉆成功。

圖5 地層鉆時(shí)和掃水泥塞鉆時(shí)對(duì)比

4 結(jié)論

(1)側(cè)鉆是一個(gè)復(fù)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(shè)計(jì)要求、地層性質(zhì)、固井質(zhì)量等眾多因素，以選擇合理的側(cè)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(cè)位移為主、側(cè)向力為輔的彎接頭配合直馬達(dá)進(jìn)行側(cè)鉆;反之，選擇以側(cè)向力為主的單彎馬達(dá)側(cè)鉆。

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

［1］史洪軍，張琳，許新強(qiáng).裸眼側(cè)鉆鉆井技術(shù)淺析［J］.巖土力學(xué)，2004，26(S1):151 －153.

［2］王忠生，鄒強(qiáng).硬地層定向井中幾種側(cè)鉆方法的靈活應(yīng)用［J］.鉆采工藝，2006，(6):19 －20.

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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(shù)公司定向井公司副主任工程師，地質(zhì)工程專業(yè)，碩士，從事定向井和水平井的鉆井技術(shù)管理工作，山東省東營(yíng)市德州路136號(hào)，whengnet@163.com。