大港油田長新5磨銑套管救援井設計與實踐

付友義, 周洪林, 陳佳杰

(1中國石油大港油田分公司 2中國石油渤海鉆探工程有限公司)

大港油田長5井在2012年12月9日解堵作業時井口發生爆炸，61 m和96 m井深處為套管斷裂點，三層套管全部錯斷移位，井口處于失控狀態，經多次井口修復找不到原井眼導致作業失敗。為消除安全風險，決定鉆長新5救援井，鉆穿事故井油層套管及內部的油管，注水泥封堵。實施前調研國外Scientific Drilling International公司被動靜磁場跟蹤系統MagTrac，Vector Magnetics公司的主動測距Wellspot TM系列電磁場定位測距救援井技術，以上技術無鉆穿套管的成功案例[1-7]。2013年在國內采用國外MagTrac技術實施了一口救援井案例[8]，貼近落魚底沿老井眼鉆至蓋層中下部位置后下套管固井，然后分段射孔擠水泥封堵，該井施工周期長，技術服務費高。因此，決定采用磁感應定位技術實施長新5救援井，克服在中深層位置對接套管的不確定性誤差、雙層管柱擴碰磨銑難度等因素的影響，應用隨鉆磁感應精準定位技術，反演修正磁異常空間位置，通過多次調整彎螺桿工作狀態，實現兩井交匯，消除安全隱患。

一、救援井設計

1. 設計思路

由于事故井設計碰撞點在井深3 625 m處，計算不確定橢圓長軸半徑為7.1 m，而隨鉆被動磁測距的有效探測距離僅為2 m。因此，先鉆三段制試碰井眼，初步確定目標井套管位置，降低不確定橢圓誤差對實鉆軌跡的影響。在鉆井過程中采用MWD被動磁感應技術探測事故井套管的磁干擾，如未監測到磁干擾，填井鉆下一個靶點的試碰井眼；若發現磁干擾則填井，實施五段制小井斜的找碰井眼，鉆至事故井套管的異常磁干擾區域后，采用隨鉆磁引導技術引導鉆頭實現碰撞，碰撞成功后進行磨銑、井眼連通、注水泥作業。

2. 井眼設計

由于隨鉆探測出套管在不同方向的水平磁場變化值波動較大，將直接影響救援井設計軌跡方位和能否及時探測出異常磁場。室內實驗研究表明，正南、西南、東南方向的水平磁場異常值較高，容易探測到套管的磁干擾。因此，救援井口根據地面條件，碰撞軌跡方向設計在事故井偏南173.99°，在事故井井深3 500～3 650 m、方位32°～47°的位置，與目標井套管交叉。

在事故井長5井的油層段以上選擇三個點，作為救援井試碰的靶點T1A、備用T1B、T1C靶點，垂深分別為3 618.54 m、3 568.54 m、3 518.54 m。第一試碰井眼鉆至靶點T1A，如發現事故井套管磁場干擾確定套管位置后，側鉆實施磁引導找碰軌跡；未發現干擾則填眼繼續側鉆T1B、T1C靶點探尋磁干擾。

試碰井眼T1A軌跡，造斜點3 230 m，造斜率2.4°/30 m，最大井斜12.61°，完鉆井深3 625.5 m。兩個備用靶點軌跡的井斜、方位相同，目標垂深、造斜點、位移不同。長新5救援井?339.7 mm表層套管下深500 m，?244.5 mm技術套管下深2 910 m封砂一段地層，三開?215.9 mm井眼鉆至碰撞點與事故井井口連通后注水泥封堵(見圖1)。

圖1 長新5救援井鉆井軌跡示意圖

二、關鍵技術

室內實驗表明，?139.7 mm套管在不同方向的被動磁感應距離有所不同，最高4 m，最低2 m，地下數千米地層中金屬磁性元素及鉆井液的存在減弱了套管磁感應距離。因此，需在特定方向上設計救援井軌跡，采用隨鉆MWD探測直至發現異常磁干擾，反演修正計算距離和方向后填井，微調方向及位移指向目標井套管。救援井關鍵技術包括試碰井眼設計、磁異常距離確定、套管磁定位、磁感應定位引導、碰撞磨銑及鉆井液技術。

1. 試碰井眼設計

以三段制小井斜(11°～12°)接近事故井靶點探尋磁干擾。該軌跡與目標井套管相交，相對于大井斜可能發現磁異常的井段更長，實鉆中加密測點有利于及時發現磁場異常。

2. 磁異常距離確定

在標準大地磁場的地面試驗，將?139.7 mm單根套管入井9 m，采用磁測量工具對露出地表的管材進行測量，在地面八個不同方向和距離布置測點，測量測點的磁場異常值。參考國內儀器磁通門精度，取大于標準大地磁場0.5 μT(微特斯拉)為異常標準，實測數據中垂直磁異常有效距離為3 m，水平磁場異常有效距離為4 m。通過確定不同方向磁異常變化值，可初步反演修正正鉆井與套管的距離。而實鉆中鉆井液、地層金屬元素對套管磁場存在屏蔽現象，表現為不同地層磁導率值要小于真空磁導率，因此需要根據經驗數據進行反演修正，距離定位精度為0.5 m。

3. 套管磁定位

石油套管可產生大于大地磁場強度的異常磁場，隨鉆磁感應定位技術是通過隨鉆MWD探測工具密集測量，對實鉆磁分量中的異常水平磁分量數據進行回歸反演，確定測點處事故井套管的相對位置。救援井位于事故井北方向，且為小井斜，異常水平磁干擾對真實方位影響較小，2 m內方位計算誤差小于5%。

4. 磁感應引導技術

采用MWD隨鉆被動探測事故井套管的磁場參數，確定有效的磁場異常后，使用磁分量異常值反演出事故井套管的相對位置，引導鉆頭軌跡前進。長5井所在地區的大地磁場強度標準值為53.7 μT，地磁傾角標準值為57.9°，設定測量磁場強度或磁傾角與標準值變動±1%范圍為正常，1%～2%為異常，超過2%為嚴重異常。救援井測點發現事故井磁感應異常后，根據垂直、水平磁場異常變化數據反演修正計算事故井的距離及方向，引導救援井軌跡方向。當測點的水平磁異常變化值達高峰，垂直磁異常變化值相對平緩時，則判定距目標套管大約0.5 m。經多個測點的反演修正計算判斷套管的相對位置，用彎螺桿扭方位或調整井斜去找碰套管，成功后換PDC鉆頭擴碰磨銑，實現兩井的交匯連通。

5. 碰撞磨銑

采用牙輪鉆頭+螺桿鉆具用于軌跡調整，工具面擺放較為容易，且鉆頭與套管碰撞時反應明顯，易于司鉆發現井下異常。考慮到牙輪鉆頭磨銑作業中易發生牙輪掉落，且牙輪鉆頭切削端面不如PDC鉆頭規則，無法形成規則的交匯窗口。因此，使用牙輪鉆頭找碰成功后，起鉆更換PDC鉆頭進行窗口擴碰磨銑。

6. 鉆井液性能

由于救援井的井底連通窗口容易發生堵塞，因此磨銑過程中隨時調整好鉆井液的黏度、切力等性能，滿足井壁穩定和攜砂要求[9]。另外，洗井常用的高黏度、高切力鉆井液會增加流動阻力，窗口磨銑成型后，應降低鉆井液黏度、切力，充分循環打通井下通道，如未連通可關封井器反復憋壓加速連通。觀察到事故井返出鉆井液后，方可進行注水泥封堵作業。

三、救援井實施

救援井于2019年1月28日一開，1月31日二開，2月15日三開，3月3日試碰井眼鉆至井深3 583 m發現磁異常，繼續鉆進至3 625 m未碰到事故井套管，打水泥塞填眼側鉆。3月11日在井深3 065 m進行側鉆，3月25日2∶20在井深3 586 m碰撞成功，3月26日下入PDC鉆頭磨銑至3 587.60 m，起鉆注水泥封堵。救援井井身結構：?444.5 mm×486 m+?339.7 mm×484.77 m+?311.1 mm×2 931 m+?244.5 mm×2 928.49 m+?215.9 mm×3 625 m。

1. 試碰軌跡控制

2月25日18∶00在井深3 227.29 m開始造斜，鉆進中在測點3 583.80 m、3 585.73 m、3 588.79 m、3 598.47 m、3 603.11 m探測到有效磁干擾，在測點3 583.80 m、3 585.73 m、3 588.79 m分別出現了最大磁異常變化值-1.48 μT、-1.92 μT、-1.65 μT，計算異常比值為3.86%、5.02%、4.31%(見表1)，均超過了嚴重磁異常2%的標準，通過反演修正計算套管磁干擾方向，在救援井方位線右60°～80°區域，計算得到與事故井套管相距1.3 m。受MWD 18 m探測工具盲區影響，判斷與事故井套管的最近距離點已過，鉆至3 625 m填眼側鉆。

表1 試碰井眼與事故井磁定位數據

2. 找碰軌跡控制

以試碰井眼3 585 m為目標點，軌跡方位線向右平移1.3 m，采用五段制軌跡設計在3 566 m降直，與事故井套管形成順行纏繞的方式，逐漸接近目標實現引導碰撞。在3 065～3 078 m井段使用彎接頭+直螺桿側鉆成功，后下入單彎螺桿+PDC組合，鉆至井深3 540 m發現磁場異常，判斷已進入目標井套管磁異常區域，起鉆換牙輪鉆頭，鉆具組合改為剛性碰撞組合。

通過分析磁感應異常數據，調整磁引導碰撞軌跡，反演修正計算出救援井位于事故井套管右側。為驗證計算的準確性，向左側調整方位再次確認計算，在測點3 536.50 m處垂直異常值為1.94 μT，超出標準值4.37%，經計算與事故井套管相距小于1.5 m，位于右63°(表2)，向左側增斜向小扭方位。

表2 長新5井磁感應引導碰撞數據

鉆進至測點3 546.22 m后增斜至2.5°，此時方位由171°降至154°，鉆至測點3 549.00 m數據表明磁感應異常信號逐漸減弱，鉆頭穿過套管井并位于左側，磁測距離為1.5 m。

繼續向右調整方位由154°扭至180°，鉆進至測點3 569 m，水平磁感應強度再次經歷了由弱變強達到峰值的過程(見表2)，通過反演修正計算事故井套管位于救援井軌跡下方相距0.5 m，水平異常差值為-2.57 μT，判斷救援井已貼近事故井套管，決定降斜實現兩井相碰。

滑動鉆進至3 586.00 m，無進尺、蹩泵、轉動鉆進扭矩上升，鉆具出現規律性的蹩跳，采用60 r/min轉速磨銑至3 586.50 m，鉆井液漏失21 m3，找碰套管成功。25日4∶00起鉆，11∶30鉆具起至2 803.00 m關封井器，長5事故井井口涌出鉆井液。

井深3 587 m錄井鈣元素含量由4.57%上升至7.31%。起出牙輪鉆頭HJT437G，1號牙輪斷齒2個，2號牙輪斷齒2個，3號牙輪斷齒4個，都為中排齒斷，巴掌有劃痕，表明鉆頭鉆破長5井套管。

3. 磨銑窗口

下入MD9441H PDC鉆頭擴碰磨銑，用時2 h磨銑進尺1.1 m，結束井深3 587.60 m。起出PDC鉆頭牙齒完全磨平，使用強磁鐵收集鐵屑近2.5 kg，計算洞穿套管應產生2.18 kg鐵屑，說明鉆頭已鉆穿長5井?139.7 mm油層套管及內部?73 mm油管，具備注水泥封堵作業條件，決定實施封堵作業。

4. 注水泥封堵

下光鉆桿至技術套管2 700 m注水泥，注沖洗液9 m3，領漿59 m3，尾漿45 m3，替鉆井液30 m3，環空反擠3 m3。替鉆井液17 m3時、長5井井口開始返出水泥漿，施工結束返出水泥漿大于10 m3。3月29日下鉆探水泥塞，塞面深度為2 981.3 m，完成了長5井的隱患治理。

四、結論

(1) 根據隨鉆MWD水平和垂直分量的磁場變化規律，可判斷套管磁場空間位置，當水平磁異常值達相對峰值時，說明已貼近事故井套管，此時可調整螺桿狀態實現與事故井套管的對接交匯。

(2) 隨鉆磁引導為被動測距控制技術，測量范圍受地層和鉆井液及磁源方向影響，有效探測距離受限，應用此技術宜先確定救援井方向，優化三段制小井斜試碰井眼軌跡，探測到套管異常磁場位置后，用磁引導技術指引鉆頭進行碰撞。

(3) 牙輪鉆頭控制軌跡及井下找碰對接優勢明顯，井口能夠第一時間觀察到井下碰撞。