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水平段悬空侧钻理论研究及应用探索

发表时间：2020/1/16 来源：《文化时代》2019年17期作者：程召

[导读] 随着钻井技术发展的日新月异，水平井钻探已经成为了气田开发的主要手段，相比较常规的定向井井型，水平井有着巨大的优势，采收效果也是常规定向井的数倍。伴随着开发程度的深入，目的层靶区的地质情况越来越复杂，地层突变和歼灭情况愈来愈常见，有时会由于储层非均质性较强而钻遇过多泥岩，注水泥回填侧钻不但造成巨大的经济损失，增加钻井周期及井下安全风险，而且会对储层造成污染，为了保证储层钻遇率，提高储层采收率并减少污

摘要：随着钻井技术发展的日新月异，水平井钻探已经成为了气田开发的主要手段，相比较常规的定向井井型，水平井有着巨大的优势，采收效果也是常规定向井的数倍。伴随着开发程度的深入，目的层靶区的地质情况越来越复杂，地层突变和歼灭情况愈来愈常见，有时会由于储层非均质性较强而钻遇过多泥岩，注水泥回填侧钻不但造成巨大的经济损失，增加钻井周期及井下安全风险，而且会对储层造成污染，为了保证储层钻遇率，提高储层采收率并减少污染，水平段裸眼悬空侧钻已经广泛的应用于各大油田。
        关键词：悬空侧钻；裸眼；钻头；螺杆；轨迹


引言：目前，在低渗透油气藏和非常规油气藏的勘探开发中，长水平段水平井已经成为增加储层裸露面积，提高油气藏开发效率的主要井型，水平段在储层中的有效延伸是长水平段水平井成功的关键。但是由于储层地质变化的不可预见性，导致经常可能钻遇泥岩或其它非油气藏层，影响单井产量和采收率。因此，当油气层有效延伸率过低及考虑井下安全问题，不得不回填水平段而重新钻进时，我们可以采用裸眼悬空侧钻技术来重新锁定储层，从钻井工艺上最大限度的降低经济损失，而且可以避免对油气藏造成污染，起到保护油气藏的作用。本文运用“修正三点定圆法”对螺杆几何特征和井径进行分析，并对牙轮钻头和PDC钻头的侧钻优缺点进行了对比，明确了各因素对侧钻效果的影响，结合高桥4-34H1井现场施工实例分析，对该区块施工的同类水平井有一定的借鉴意义。
        1悬空侧钻技术原理
        水平段悬空侧钻技术，就是在水平段内方位基本保持不变的情况下，不注入高密度水泥、脱离原井眼钻进的工艺技术，其工作原理是依靠钻具的自身重量及单弯螺杆钻具的工具面，让钻头在井眼的低边钻出一个新井眼，当新井眼形成后，再改变方位使井眼轨迹与原井眼分开，然后再逐渐增斜或者调整方位，来满足轨迹控制的需要或者满足地质导向的要求，恢复正常钻进。两个井眼彻底分开后，悬空侧钻作业结束。
        2侧钻点的选择
        选择侧钻点要考虑易于侧钻和下一步侧钻成功后井眼轨迹控制的问题，最大限度地保证轨迹在目的层内穿行，确保钻遇率达到要求的范围。根据现场施工经验，水平段悬空侧钻的侧钻点一般选在目的层油气显示较好的砂岩层段，首先该地层井径扩大率一般不大于15%，为侧钻成功提供理论支持（如图1）；其次砂岩层段相比其它地层的稳定性高很多，降低了侧钻施工中井下事故风险。

表1标黄处为高桥4-34H1井的侧钻点
        204 3930.87 85.8 36.62
205 3940.44 88.88 37.43
206 3950.01 89.32 38.41
207 3959.59 86.75 35.77
208 3969.16 84.59 34.36
209 3978.74 85.14 34.27
210 3988.95 85.36 35.33
211 3998.51 85.71 35.77

        图1井径扩大率和侧钻能力的关系


        3侧钻钻头的优选
        大量的使用数据表明，PDC钻头定向时的造斜率往往低于牙轮钻头，这主要是由于使用PDC 钻头定向时工具面不稳所致。以往的侧钻施工中，一般都使用工具面更加稳定的牙轮钻头，确保侧钻施工的成功效率。但是随着PDC钻头的技术创新，其工具面稳定程度不亚于牙轮钻头，而且PDC钻头有着纯钻时间长、机械钻速高、井下安全系数高等牙轮钻头不可比拟的优势。故此，越来越多的侧钻井都选用保径较短的6刀PDC钻头来施工。高桥4-34H1井选用的就是胜利盛辉厂家型号为M616KS的PDC钻头，取得了理想的效果。如图2图3

        图2盛辉M616KS钻头侧面

        图3盛辉M616KS钻头正面

        本趟钻施工井段3950-3991米，进尺41米。地层：石盒子，纯钻53.5小时，平均机速0.77米/小时。滑动进尺23米（占56.1%），滑动时间49小时，滑动机速0.47米/小时。复合进尺18米，复合时间4.5小时，复合机速4米/小时。
        4侧钻钻具结构的优选
        高桥4-34H1井采用的悬空侧钻钻具组合：
        Φ152.4mmPDC+Φ127mm7LZ127*1.5o+Φ120mm回压阀+MWD-SUB+Φ120mmNMDC+311-HLST39（母）SUB+Φ101.6mmHWDp*3柱+Φ101.6mmDp*60柱+Φ101.6mmHWDp*12柱+Φ101.6mmDp
        该井于6月15日18：00进行侧钻作业，侧钻点3950米，6月17日18：00井深3973米，测点：3960/86.24/35.77，预测井底隔墙3.46米，侧钻成功，接单根复合钻进。
        4.1钻头与螺杆稳定器之间距离的影响
        螺杆稳定器与钻头面之间的距离对工具的侧钻能力有明显的影响，下图4为Ф216mm井眼中螺杆稳定器与钻头间的距离和工具造斜能力的关系。由于讨论侧钻的关系，下文将把工具造斜能力直接表述为侧钻能力。

        图4螺杆稳定器与钻头间的距离对侧钻能力的影响
        螺杆稳定器与钻头间的距离过小时由于下部钻具形变小，产生的侧向力也小；随着距离的増加，侧向力快速增大，当距离超过某一临界值后，侧向力作用力矩的增加慢于力臂的增加，侧向力逐渐减小。从图4可见，当螺杆稳定器与钻头距离在1.5米左右时的侧钻能力最强。
        4.2钻具切点位置的影响
        假设井眼直径Ф216mm，钻头距螺杆稳定器距离1.5m，弯点到螺杆稳定器的距离0.8m，弯度1.5°，螺杆本体外径Ф172mm。

        图5钻具切点位置对侧钻能力的影响
        图5显示，随着钻具切点（与井壁的接触点）的降低，侧钻能力显著增加。因此可采用降低切点的方式提高侧钻效果。降低切点一般有増大钻压和减小井底钻具组合刚度两种手段，但是经典的井底动力钻具造斜模型和实际施工表明，增大钻压会明显加快滑动钻速，降低造斜效果，因此采用无磁抗压钻杆代替无磁钻铤降低钻具刚性的方法更合理。
        4.3螺杆稳定器直径的影响
        假设井眼直径Ф216mm，钻头距螺杆稳定器距离1.5m，弯点到螺杆稳定器的距离0.8m，弯度1.5°，螺杆本体外径Ф172mm。

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        图6 螺杆稳定器直径对侧钻能力的影响
        随着螺杆稳定器直径的增大，单弯螺杆的侧钻能力随之增强，但是增强效果一般。当稳定器直径从Ф213mm减小到Ф211mm时侧钻能力降低不到5%，降低绝对值也仅有0.3°/30m左右。但是，现场使用中一定要密切关注稳定器偏磨程度和导流槽的位置，偏磨严重和导流槽位置不当将严重影响螺杆稳定器的有效直径，明显降低侧钻效果。
        5悬空侧钻的施工步骤及注意事项
        水平段悬空侧钻施工一般分为3个步骤进行：
        5.1划槽子造台阶工作
        划槽子的操作要点是保持工具面稳定，均匀下放钻具，切忌猛刹猛放，直到将此段井眼划顺畅为止。
        5.2控时限压钻进
        控时限压钻进的操作要点是保持钻压为0，控时均匀钻进，保持工具面稳定，尽量避免转动转盘和大幅度活动钻具，随着进尺的增加，可逐步地加少许钻压及稍微提高钻进速度，同时密切注意砂样变化，判断侧钻成功与否。
        5.3窗口修复工作
        窗口修复工作的操作要点是当确定侧钻成功后，并且两井之间夹壁墙具有一定厚度时，上提钻具将钻头提出窗口，然后慢速下放，判断钻头顺利进入新井眼后，开动转盘旋转钻具划眼，将窗口加以修复扩大，反复多次重复上述工作，直至钻具能够自动顺利进入新井眼。

        高桥4-34H1井于6月15日下钻划眼至3940米开始划槽子造台阶，调整工具面至200±10度，下放速度控制在20分钟/米，为正式施工作准备。划至3950米开始正式侧钻，控时钻进，钻速控制在10cm/25-30min，在钻杆上画好刻度和方入，方便均匀送钻。侧钻施工中，服务技术人员紧盯在现场，严密监控反馈技术施工情况，及时调整参数，历经48小时施工，预测井底隔墙3.46米，侧钻成功。如表2标黄

表2新井眼与老井眼距离
        参考井
        测深
        （m）参考井
        垂深
        （m）参考井
        北坐标
        （m）参考井
        东坐标
        （m）中心距
        （m）
3900.00 3602.69 186.99 754.84 0.00
3930.00 3606.04 211.60 771.66 0.00
3960.00 3606.66 235.45 789.84 0.39
3990.00 3606.36 259.29 808.04 3.46
4020.00 3606.40 283.02 826.40 5.87
4050.00 3606.69 307.11 844.27 7.65
4080.00 3607.07 331.10 862.28 9.22
4110.00 3607.30 355.18 880.17 10.94

        5.4侧钻过程中的注意事项
        5.4.1悬空侧钻施工前，必须在侧钻点前50米大排量循环，清扫井底，清除岩屑床。
        5.4.2悬空侧钻控时钻进时，必须处理好钻井液性能，保证其润滑性和稳定性，严防滑动钻进中发生粘卡。
        5.4.3提前预算井眼轨迹，防止轨迹失控。
        5.4.3整个侧钻过程中要求所有设备运转正常。
        5.4.4侧钻过程中，严格按照技术参数，平稳操作，技术人员旁站监督指导，，不允许私自调整技术参数。
        6结论及建议
        6.1侧钻点应尽可能选在稳定的砂岩地层，避免井径扩大削弱侧钻工具的侧钻能力。合理的侧钻点是悬空侧钻成功的重中之重。
        6.2侧钻施工时可使用无磁抗压钻杆代替无磁钻铤，减少螺杆以上钻具的刚度，降低钻具切点。
        6.3调整好钻井液性能，防止托压造成经常性的活动钻具，优质性能的钻井液是悬空侧钻成功的保障。
        6.4为防止后期下钻进入原井眼中，后续施工下钻至侧钻点前30米，控制下放速度，观察指重表变化情况，必要时提前转好工具面，缓慢下放至新井眼。

        6.5现有的测斜仪器零长较长，轨迹可调整余地小，井眼轨迹预算的准确性要求高。



        参考文献：
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