垂直鉆井技術在直井側鉆中的應用

馬永乾 唐志軍 邵茹 牛洪波 曹向峰

勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院

HSH2井是準噶爾盆地西部隆起哈山山前構造帶上部署的一口重點深探井。該井在施工過程中，?444.5 mm井眼鉆遇大段的推覆體地層，在最易斜的井段采用了垂直鉆井技術，很好地解決了山前高陡構造既防斜又打快的矛盾，但在后期中完作業中由于井下掉塊卡鉆必須填井側鉆。通過分析地層巖性特點和不同側鉆技術的適應性，制定了4種側鉆方案，最終首次采用垂直鉆井技術進行側鉆，很好地處理了井下落魚無法打撈的問題。

1 側鉆前卡鉆處理及卡鉆原因分析

HSH2井鉆至一開井深2 022.00 m，在下鉆通井至井深2 012.00 m時，開泵循環上提下放無顯示，啟動轉盤，扭矩正常，開轉盤下放鉆具至井深2 022.00 m，扭矩明顯升高，出現蹩鉆現象，停轉盤上提鉆具時遇卡。上提下放仍未解卡，確定為鉆具卡死。計算卡點位置為2 018.86 m，層位石炭系，卡點巖性為深灰色玄武巖。現場分析認為掉塊導致扶正器處卡死。

為處理卡鉆，采用震擊153次(未解卡)下反扣鉆桿倒扣成功。最終落魚結構：?445 mm鉆頭+接頭+?440 mm扶正器+?228.6 mm鉆鋌×1根。落魚長度7.42 m，魚頂位置2 014.58 m。

分析卡鉆原因為：(1)對石炭系地層用常規鉆(1 841～2 037 m)打出的井眼認識不充分，測井后直接采用大尺寸扶正器通井，風險性大；(2)該鉆具組合下鉆通井，有遇阻顯示應及時起鉆更換鉆具組合，而井隊下放劃眼時開泵排量過大，達到46 L/s(大排量極易導致掉塊上返填塞扶正器間隙，造成憋泵和蹩鉆)，且轉動轉盤有扭矩波動時未及時停轉盤，造成扭矩由8.7 kN·m迅速上升至17.0 kN·m，后又大力上提(拉力由600 kN增加至2 075 kN)和強扭(扭矩由8.7 kN·m增加至26.1 kN·m)，造成故障無法挽回，進而導致卡鉆。

2 垂直鉆井技術在側鉆中的應用

2.1 側鉆方案

由于井下落魚經多次打撈無法全部取出，從而決定進行側鉆，制定以下裸眼側鉆方案。

(1)通過地錨斜向器側鉆，具體做法是在原井中下入地錨斜向器，以斜向器為支撐，通過斜向器的導向功能側鉆出新井眼［1］。這種側鉆工藝主要用于套管內定向側鉆，分支井也用這種方法進行裸眼側鉆，其特點是側鉆方位可控，且側鉆后有一定的井斜或者方位變化，側鉆成功率高。

(2)動力鉆具懸空側鉆［2］，是在原井眼一定位置選定側鉆點，根據測斜結果，將工具面定在與老井眼方位相反的方向上，通過吊打或者反復滑動在低端形成鍵槽和臺階，然后適當加壓直到形成新井眼。其特點是不需要注水泥塞、候凝等時間。

(3)動力鉆具側鉆［1,3-4］，是在原井眼一定位置注水泥后填井，在了解水泥石抗壓能力基礎上，依靠水泥的支撐，通過動力鉆具控時定向鉆進側鉆出新井眼。其特點是可靠性好，成功率高，后期施工難度小，適用于各種不同情況側鉆需要，是目前普遍采用的一種裸眼側鉆工藝技術。

(4)垂直鉆井鉆具側鉆，根據本井為直井的特點以及落魚處井斜接近2°的實際情況，考慮以后井斜控制的難度，提出了使用垂直鉆井系統側鉆的方案，注水泥封固至指定位置，然后利用垂直鉆井系統的糾斜能力，通過控時鉆進打出新眼，完成側鉆。

2.2 方案對比和分析

HSH2井位于哈山山前構造帶，且地層基本都處于二疊—石炭系，巖性以大段火成巖為主。在整個哈山地區鉆井過程中都存在著地層傾角大、控制井斜困難、地層硬度大破碎困難、機械鉆速低等問題，對各方案需要進行對比分析。

(1)地錨斜向器雖然側鉆成功率高，但是對于直井而言，由于其彎角較大，側鉆成功后需要進一步的降斜施工等措施，考慮到該地區本來地層傾角大，井斜控制難度大，且機械鉆速低，因此降斜多增加了鉆井周期，同時費用較高，不適用。

(2)動力鉆具懸空側鉆主要問題在于造臺階，對于本井由于井斜問題，整個鉆具對于側鉆沒有承壓點，且地層硬度大可鉆性差，側鉆成功率過低，不適用。

(3)動力鉆具側鉆對于本井是一個可行的方案，但是該方法為了保證側鉆成功必須從井斜和方位上與老井錯開一段距離，同時復合鉆進時井斜控制難度更大，這樣就需要多次滑動鉆進降斜，從而影響鉆井速度。

(4)垂直鉆井系統側鉆的原理是：垂直鉆井系統外筒上均勻分布有一定數量的的液壓柱塞，在鉆進過程中，系統的測斜模塊將實時監測到的井斜參數傳遞給控制模塊,當井斜角達到一定范圍時，糾斜指令通過控制模塊傳遞至液壓執行機構，柱塞在液壓力的作用下沿井眼高邊方向伸出，在井壁的反方向力作用下，產生一個指向井斜低邊的側向力，在該側向力的作用下達到降斜的作用［5］，從而利用原井斜較大和水泥承壓，通過少量的控時鉆進即可成功側鉆，同時利用垂直鉆井自身優勢可以在保證井斜同時保持較高的機械鉆速。

綜合上述原因，準備采用垂直鉆井技術側鉆的方案。

2.3 垂直鉆井技術側鉆模型

目前已有了較成熟的自動垂直鉆井系統底部鉆具組合的力學模型，可以分析直井和斜直井眼中自動垂直鉆井系統底部鉆具組合的受力特征和造斜性能［6］。

側向力為

鉆頭轉角為

式中，PB為鉆壓，kN；Q為第1跨梁柱所受的集中力，kN；q1為第1跨梁柱因重力作用而受的均布載荷，kN；L1為第1跨梁柱中集中力到第1穩定器的距離，m；c為第1跨梁柱中鉆頭到橫向集中力的距離，m；M1為第1跨梁柱所受的左端力偶，N·m；k為井身曲線的曲率，(°)/m；u1為第1跨梁柱的穩定系數；X(u1)、Y(u1)、Z(u1)分別為第1跨梁柱的放大因子；EI1為第1跨梁柱的抗彎剛度，N·m2；Pl為第1跨梁柱中點的軸向載荷，kN；y0和yl分別指鉆頭和第1穩定器的中心點的縱坐標，m。

式(1)和(2)中，PB、q和M1與井斜角正相關，因此側向力和鉆頭轉角與井斜角正相關。對于垂直鉆井系統，井斜角越大其側向力和鉆頭轉角越大，降斜能力越強，從而實施側鉆的成功率越高。另一方面，側向力和鉆頭轉角與鉆具組合特別是底部鉆具組合中的扶正器的位置尺寸以及鉆壓等參數密切相關，因此，在實際施工過程中需要對鉆井參數和鉆具組合進行優化以達到最優的側鉆效果。

2.4 側鉆方案優化及施工

HSH2井的井身結構和側鉆前的井眼軌跡如圖1和圖2所示。側鉆的關鍵是側鉆點和側鉆井段的選擇以及鉆具組合的優選和鉆井參數優化。

2.4.1 側鉆井段的選擇

要提高垂直鉆井系統側鉆成功率必須提高側向力，因此需要選擇井斜較大的井段。從圖2可知，原井眼在1 900～1 950 m井斜增加較快，適合側鉆，因此垂直鉆井系統側鉆及鉆進井段為1 893～2 022 m，其中1 893～1 942 m為控時側鉆井段，1 942～2 022 m為正常鉆進井段，共5趟鉆。

圖1 HSH2井井身結構Fig.1 Casing program of Well HSH2

圖2 HSH2井側鉆前井眼軌跡Fig.2 Well trajectory of Well HSH2 before the sidetracking

2.4.2 鉆具組合優選和鉆井參數優化

應用Wellplan軟件對垂直鉆井系統的造斜能力進行分析，從而對鉆具組合和鉆井參數進行了優化，最終確定了不同井段的側鉆方案，并進行了現場實施。

(1)側鉆井段。鉆具組合：?444.5 mm牙輪鉆頭+ ?241.3 mm垂直鉆井系統+ ?428 mm扶正器+?241.3 mm濾網短節+ ?228.6 mm減震器+ ?228.6 mm鉆鋌+731×630轉換接頭+ ?203.2 mm浮閥+?203.2 mm鉆鋌+631×410轉換接頭+ ?177.8 mm震擊器+ ?177.8 mm鉆鋌+ ?127 mm加重鉆桿+411×520轉換接頭+ ?139.7 mm鉆桿。

鉆井參數：鉆壓 0～20 kN(控時)、40～70 kN(判斷出新眼)，排量 2 364～2 500 L/min，鉆頭提離井底空載循環泵壓13.5 MPa，鉆進泵壓14.0 MPa。

鉆井液性能：密度1.18 g/cm3，黏度190 s，塑性黏度61 mPa·s，動切力31 Pa，初終切8/20 Pa，中壓失水2.4 mL，固相含量9%，含砂量0.3%，pH值10。

主要巖性：褐色凝灰巖、褐灰色玄武巖。

(2)側鉆后井段。完全進入新井眼后，開始加壓鉆進1 942～2 022 m，進尺80 m，主要巖性為褐色凝灰巖、褐灰色玄武巖，鉆井液不變。鉆井參數：鉆壓120～140 kN，排量 44 L/s，泵壓 14.5 MPa。

鉆具組合：?444.5 mm牙輪鉆頭+?241.3 mm垂直鉆井系統+?428 mm扶正器+?241.3 mm濾網短節+?228.6 mm減震器+?228.6 mm鉆鋌+731×630轉換接頭+?203.2 mm浮閥+?203.2 mm鉆鋌+631×410轉換接頭+柔性短節+隨鉆震擊器+?177.8 mm鉆鋌+?127 mm加重鉆桿+411×520轉換接頭+?139.7 mm鉆桿。

從1 893 m開始，控時鉆進3 m，之后鉆壓漸漸從0增到20 kN鉆至1 903 m，撈砂結果顯示砂樣中水泥達到了60%～70%。自1 903 m開始控壓鉆進，井斜漸漸降低，鉆進到1 923.02 m井斜為1.22°，砂樣中水泥降低到了40%，側鉆井段新眼、老眼井斜情況如圖3所示。從測斜結果可以看出，從1 900 m以后井斜相差越來越大，說明側鉆成功。

圖3 HSH2井側鉆井段井斜對比Fig.3 Deviation angle comparison between different sidetracking sections of Well HSH2

從應用情況看，使用垂直鉆井技術一般可以將井斜控制在0.2°以內，有效解決了井斜控制問題，但是由于其使用成本過高，使用受限，在該地區今后鉆井過程中建議綜合空氣鉆井和垂直鉆井系統糾斜，減少垂直鉆井系統服務時間，從而綜合控制井斜，提高鉆井速度。從垂直鉆井系統側鉆應用效果來看，從1 893 m以后開始產生新井眼，側鉆成功，后續井段通過垂直鉆井系統的降斜作用，直至一開完鉆井斜控制在0.1°以內，為后續鉆井作業打下了堅實的基礎。

3 結論及建議

(1)哈山山前構造帶由于地層傾角大，自然造斜能力強，火成巖埋深淺，井段長，巖石可鉆性差，用常規鉆井技術會產生井斜控制與鉆井效率之間的矛盾。

(2)采用垂直鉆井技術有效地控制了井斜，機械鉆速較高，但是使用費用過高，建議采用空氣鉆結合垂直鉆井技術、空氣動力鉆具糾斜等技術綜合提速和控制井斜。

(3)在哈山地區等高硬度、高研磨性、可鉆性差的火成巖地層直井段鉆進過程中，如果發生事故或者其他特殊情況必須側鉆時，因為地層強度與水泥石強度的差異，常規側鉆手段都會對后期的作業造成一定的影響，而使用垂直鉆井技術不但能夠提高側鉆成功率，而且能夠很好地控制井斜，為以后施工奠定基礎。