側鉆技術在蘇59-13-XX井的應用與分析

摘" " 要：蘇59-13-XX井設計井深4 968 m，垂深3 675 m，水平段長1 001 m。施工過程中二開鉆進至3 790 m時發生井下復雜情況，需填眼側鉆，綜合考慮井眼軌跡、地層巖性、水泥塞面等，在3 490 m開始側鉆，選擇短保徑、高側向力鉆頭配合立林7LZ165×1.75°螺桿微增斜降方位側鉆，歷時13 h，側鉆井段3 490～3 496.5 m，側鉆進尺6.5 m，側鉆成功，側鉆軌跡平滑，為后續施工創造了良好條件。首先簡要介紹了蘇59-13-XX井基本情況、工程遇到的復雜井況及處理過程，其次詳細論述了側鉆軌跡的設計、PDC鉆頭和BHA優選技術、側鉆作業施工難點、側鉆前準備及具體側鉆施工過程。

關鍵詞：側鉆；水泥塞面；控時；狗腿度

Application and analysis of sidetracking technology in Su 59-13-XX well

WANG Jianmin， LU Jian，SHEN Jiyang

Drilling Branch of CNPC Offshore Engineering Company Limited， Tianjin 300451， China

Abstract：The design depth of the Su59-13-XX well is 4 968 m， with a vertical depth of 3 675 m and a horizontal section of 1 001 m. During the construction process， downhole complex situation occurred when the second-spud drilling reached 3 790 m， requiring sidetracking. After considering factors such as wellbore trajectory， formation lithology， and cement plug， sidetracking started at 3 490 m. A bit of short gauge， high side force was chosen in combination with the Lilin 7LZ165×1.75° screw for micro build-up azimuth-drop sidetracking. The sidetracking took 13 hours， with the sidetracked section from 3 490 to 3 496.5 m， advancing 6.5 m. The sidetracking was successful and the sidetrack trajectory was smooth， creating good conditions for subsequent construction. This paper briefly introduces the basic situation of Su 59-13-XX well， the complex well conditions encountered in the project and the solution. Then， the paper detailly discusses the design of the sidetracking trajectory， selection technology of PDC drill bit and BHA， difficulties of sidetracking operation， preparation before sidetracking， and specific sidetracking construction process.

Keywords：sidetracking; cement plug; time-control drilling; dogleg

1" " 蘇59-13-XX井基本情況

蘇59-13-XX井為川慶鉆探蘇里格項目部署在內蒙古自治區鄂托克前旗昂素鎮的一口水平井，設計表層1 010 m，造斜點3 200 m，入靶點垂深3 659 m，水平段長1 001 m。

該井采用二級套管結構，開鉆前下入導管，封流沙層及疏松易漏黃土層，確保表層施工安全；一開下入244.5 mm套管，封固洛河組上部易垮塌層、飲用水層及漏層，進入穩定地層安定30 m，為下部安全鉆進建立穩定的井口及井眼；二開鉆遇安定、直羅、延安、延長、紙坊、和尚溝、劉家溝、石千峰、石盒子等層位，目的層位為山西，下入139.7 mm套管，按照地質設計要求套管完井。井身結構數據見表1。

2" " 工程復雜情況及處理經過

蘇59-13-XX井為下古二開水平井，該井于2022年7月1日18：00一開，表層深1 011 m，套管下深1 010 m；7月9日19：00二開，7月31日10：00井深3 790 m，井斜69.61°。

7月31日10：00，井隊壓風機損壞，直接起鉆10柱，上下活動鉆具更換壓風機；當天22：40下鉆余10個單根遇阻，接方鉆桿劃眼，劃眼余3根時，上提下放遇阻，反復劃眼效果不明顯，而且劃眼期間鉆井液漏失流量大，約5 m3/h。連夜補充鉆井液，于8月8日下午凝膠堵漏成功，決定起鉆更換通井鉆具組合，累計漏失鉆井液459.8 m3。8月11日20：00下三牙輪帶209 mm扶正器，下鉆到3 530 m時遇阻，開始劃眼；截至8月12日20：00劃眼至3 608 m，再次發生井漏，漏失流量20 m3/h，決定用雙凡爾循環堵漏；8月13日8：00劃眼到3 634 m，測漏速輕微消耗，于是改用三凡爾劃眼，漏失流量15 m3/h，9：00起鉆、堵漏。

8月12日8：00井深3 634 m，井斜54.32°，方位169.73°，劃眼正常，停轉盤下放遇阻，多次緩慢下放至井深3 634 m不能通過，該井在3 375～3 382 m、3 388～3 396 m、3 468～3 472 m、3 513～3 523 m、3 556～3 567 m、3 647～3 664 m、3 732～3 790 m井段存在棕褐色、深灰色泥巖。

8月14日下光鉆桿堵漏，經先前3次承壓堵漏后，只能劃眼到3 634 m，鉆井液比重仍然不能上提，勉強維持在1.27 g/cm3，超過1.27 g/cm3就發生井漏，致使鉆井液柱壓力不能充分平衡地層壓力，為避免發生進一步復雜情況，決定進行側鉆作業。

3" " 側鉆軌跡設計

綜合考慮軌跡需要、地層巖性（見圖1）、井眼規則程度，為保證側鉆作業順利進行，同時給側鉆失敗后進行二次側鉆留有空間，該井側鉆點選在3 490 m。側鉆設計剖面見表2，老井眼軌跡見表3。

4" " PDC鉆頭和BHA優選技術

鉆頭側向切削示意見圖2。PDC鉆頭的結構對其側向切削能力有很大影響，選擇側向切削能力強的鉆頭是該井側鉆成功的關鍵技術之一。

根據Menand[1]等人的研究可知，影響PDC鉆頭側向切削能力的因素包括：主動保徑長度、被動保徑長度、內錐深度、外部結構高度、內錐平均后傾角、外部結構平均后傾角等。在上述影響因素中，保徑長度的影響最大。當保徑長度較長時，鉆頭將主要沿著其軸向方向鉆進，側向切削能力很弱；相反，當保徑長度較短時，在側向力的作用下鉆頭將具有良好的側向鉆進能力，從而有利于側鉆施工。此外，地層硬度對鉆頭的側向切削能力也有很大影響。地層越軟鉆頭側向切削能力越強，地層越硬則越難以側向切削。基于上述分析，結合待鉆地層的硬度，該井優選了一個短保徑PDC鉆頭。

造斜BHA結構設計是該井成功側鉆的第二項關鍵技術。該井軌道設計對BHA的最大造斜率要求達到5.98°/30 m，且隨著井斜角增加，BHA的造斜率逐漸降低，對造斜BHA的要求較高。在實際鉆井過程中，地層因素、鉆頭因素和BHA結構及受力都將影響其造斜能力。為此需要建立一個能夠考慮上述因素的BHA造斜率預測方法。本文基于縱橫彎曲梁方法和平衡趨勢法建立了滿足上述要求的造斜率預測方法。

BHA的鉆具組合模型如圖3所示，其結構為“鉆頭+彎螺桿（帶穩定器）+無磁鉆鋌”。該BHA的等效力學模型見圖4。

將螺桿最大彎角和螺桿-鉆鋌變截面處斷開，新增兩跨，兩截面處附加內彎矩，截面處坐標未知[2]。

從鉆頭至上切點，鉆柱劃分為4跨，含有M1、M2、Y2、M3、Y3、Lt六個未知變量，根據連續性條件可列出5個三彎矩方程，上切點處的邊界條件可提供一個補充方程。求解時先預設一個Lt，進行迭代求解，最后依據邊界條件驗證預設上切點位置是否合理[2]。

由連續性條件得到的5個三彎矩方程為：

[2M1Yu（1）+I1L2I2L1Yu（2）+L2I1L1I2Zu（2）M2-6EI1L1L2Y2=-14q1L21Xu（1）-q2I1L324I2L1Xu（2）-6EI1L1（1L1+1L2）Y1]" " "（ 1 ）

[M1Zu（2）+2M2Yu（2）+I2L3I3L2Yu（3）+6EI2L21L2+1L3Y2+L3I2L2I3Zu（3）M3-6EI2L2L3Y3=-14q2L22Xu（2）-q3I2L334I3L2Xu（3）+6EI2L2（Y1L2-γ）" " （" 2" ）]

[M1L2-1L3+1L2M2+L3P3+P2L2Y2+M3L3-P3Y3L3=" " " " " " " " " " " " "-q3L3+q2L22+P2Y1L3" " " " " " " " " " " " " "（ 3 ）]

[M2Zu（3）-6EI3Y2L23+2M3Yu（3）+I3L4I4L3Yu（4）+6EI3L31L3+1L4Y3=-14q3L23Xu（3）-q4I3L344I4L3Xu（4）+" " " " " " " " " " " 6EI3L4L3L4-L4I3L3I4Zu（4）M4" " " " " " " " " " " " " " "（ 4 ）]

[M2L3-P3Y2L2-1L3+1L4M3+P3L3+P4L4Y3=" " " " " "-q3L3+q4L42+P4Y4L4-M4L4" " " " " " " " " " " " " " "（ 5 ）] 邊界條件：

[θT=θR=i=1NLiK]" " " （ 6 ）

[14q4L44Xu（4）+L242M4Yu（4）+M3Zu（3）=6EI4i=14LiKL4-Y4+Y3]" （ 7 ）

由上述公式組成了單彎下穩鉆具組合的三彎矩方程組，求解出M1、Y1后即可計算出鉆頭的側向力Nb和轉角Aα。

[Nb=-PbY1L1+q1L12+M1L1]" " " （ 8 ）

[Aα=q1L3124EI1Xu（1）+M1L16EI1Zu（1）-Y1L1]" "（ 9 ）

式中：Li為第i跨梁柱的長度，m；Ii第i跨梁柱的慣性矩，cm4；Pi第i跨梁柱的軸向力，kN；qi為第[i]跨梁柱的線重，kg/m；E為彈性模量，kPa；Mi為第i個支座處的內彎矩，kN·m；Yi為第[i]個支座的坐標，m；Xu（i）、Yu（i）、Zu（i）分別為第i跨梁端部轉角的放大因子，無量綱；Nb鉆頭側向力，kN；Aα鉆頭轉角，（°）；θT和θR分別表示上切點處的轉角值和最后一跨梁右端點的轉角值，（°）；K為井眼曲率，°/m；N為鉆柱劃分的總跨數。

通過求解式（1）～式（9）可以獲得作用在鉆頭處的側向力和鉆頭轉角，但僅依靠這兩個因素還不能確定BHA的造斜率，為此需要結合鉆頭-地層相互作用模型。本文借鑒NL鉆頭-地層相互作用模型[1，3]進行造斜率預測。該模型假設地層為橫觀各向同性，定義鉆頭各向異性指數為：（鉆頭側向的鉆速分量/鉆頭側向力分量）/（鉆頭軸向的鉆速分量/鉆頭軸向力分量），鉆頭各向異性指數越大，表征鉆頭各向異性越強。定義地層各向異性指數為：（垂直于層理的鉆速分量/垂直于層理的鉆頭軸向力分量）/（平行于層理的鉆速分量/平行于層理的鉆頭側向力分量），地層各向異性指數越大，表征地層各向異性越弱。

實驗研究和現場應用證明，鉆頭在地層內的運動實質上是鉆頭和地層不斷相互作用，并逐漸趨向平衡的過程。圖5為地層中鉆頭的運動趨勢，在鉆頭處建立一個井底坐標系O1-X1Y1Z1，以鉆頭的實際鉆進方向為X1軸正向，以井眼高邊方向為Z1軸正向，Y1軸的正向由右手定則確定。向量er表征鉆頭的鉆井趨勢方向，將向量er與X1軸的夾角定義為鉆進趨勢角Ar[2]。

鉆進趨勢角Ar的求解過程可以參考文獻[4]。使用鉆井趨勢角預測造斜率的過程為：將預先設計的BHA結構放到某一曲率的井眼中，例如5°/30 m，然后求得此時的鉆進趨勢角，如果此時的鉆進趨勢角為零，則說明其造斜率即為5°/30 m，若不為零，則需要繼續調整假設的井眼曲率，直到鉆進趨勢角為零。上述分析方法被稱為平衡趨勢法[5]。

通過平衡趨勢法分析，獲得上述BHA的造斜率（如圖6所示），可見該BHA最大造斜率超過6°/30 m，可以較好地滿足施工要求。

5" " 側鉆作業

5.1" " 施工難點

1）返出巖屑失真，對側鉆施工造成誤判。由于井眼不規則，同時鉆井液中含有大量堵漏材料，側鉆時撈取的砂樣中水泥、巖屑和堵漏材料交替出現，容易對側鉆進度的準確判斷造成影響，進而影響正常側鉆施工效率。

2）增斜側方位側鉆，施工難度大。該井老井眼為對靶增斜井段，若采用微降斜側方位側鉆，側鉆相對比較容易，而且成功率高，但該井靶前距較小，降斜施工將會造成提前著落，增加后面井段增斜壓力，影響施工效率。

3）側鉆井段狗腿度大，后續井段施工摩阻扭矩大。由于采用角度較大彎螺桿控時滑動施工，側鉆井段通常狗腿度都比較大，從而導致摩阻扭矩大，對于后續井段的施工有不利影響，甚至會嚴重影響機械鉆速和施工周期。

4）鉆井液凈化不好，潤滑性差，黏、托現象嚴重，影響側鉆施工效率。側鉆時控時滑動施工，出現黏、托現象，長時間鉆壓只增不回，須上提活動鉆具。上提下放距離井底30～50 cm繼續控時，不能保證側鉆施工連續性。

5.2" " 側鉆前準備

第一，注水泥過程中留存水泥漿樣品，用于觀察水泥漿凝固程度，便于側鉆時水泥塞承壓判斷。第二，優選、檢查入井工具，選用具有較大側向切削力的PDC鉆頭，檢查并做好螺桿鉆具標記。第三，調整MWD無線儀器隨鉆井斜、方位精度，便于更準確地判斷軌跡；調整開泵序列井斜、方位精度≥3，當側鉆進尺超過定向零長時有利于判斷側鉆效果。第四，處理鉆井液，確保鉆井液潤滑性，側鉆過程中盡可能少活動鉆具，提高側鉆施工效率。

5.3" " 具體側鉆施工

1）光鉆桿鉆具下深3 580 m，注水泥漿8 m3（水泥漿密度1.85～1.90 g/cm3），替漿30.5 m3，理論塞長218 m，理論塞面3 362 m。

2）組合牙輪通井鉆具下鉆，候凝36 h后在3 463 m探到塞面。掃水泥塞至3 490 m，停轉盤，停泵，做承壓實驗，承壓150 kN，穩壓5 min，水泥塞不下移，鉆壓不回，承壓合格。起鉆更換動力鉆具組合：?215.9 mm PDC＋?165 mm 1.75°單彎螺桿（212直扶）＋回壓閥＋MWD+?165 mm無磁鉆鋌×1根＋?127 mm加重鉆桿×10根＋?127 mm普通鉆桿60柱＋?127 mm加重鉆桿×20根＋?127 mm普通鉆桿。

3）下鉆到底，劃眼20～30 min將井眼拉通順，同時加潤滑劑；下放鉆具到距井底1 m時測斜，記錄測斜數據。

4）擺工具面到270°～300°下放到底，在方鉆桿上標出以10 cm為一個單位的格子，便于扶鉆者控時送鉆，開始側鉆施工，正常定向施工（40～60 min/m），定向完不劃眼，直接接單根。

5）根據鉆井液性能和井下情況，制定活動鉆具時間，大約每滑動30 min活動鉆具一次，防止卡鉆，活動鉆具時，將鉆頭提離井底，上提下放過程中嚴格控制速度，每次下放距離井底0.50 m時，對準重力工具面以送鉆方式緩慢接觸井底，嚴禁遛鉆、頓鉆[6]。

6）側鉆過程中，要求全程經過振動篩，每30～40 min撈一包砂樣，同時再找一塊防滲布將撈取的砂樣依次擺開（見圖7），并使用酚酞滴定或使用高倍顯微鏡對比觀察巖屑（見圖8），及時掌握側鉆情況，該井具體側鉆施工情況見表4。當砂樣中巖屑含量達到100%后，鉆頭放到井底開轉盤，不得劃眼，開始復合鉆進，下步不起鉆倒換鉆具，直接進行斜井段后續施工作業。該井側鉆軌跡與老井眼軌跡防碰掃描的垂直、水平投影如圖9、圖10所示。

6" " 結論

1）水平井斜井段填井側鉆，側鉆點選擇盡可能靠上，以緩解斜井段正常施工時的增斜壓力；若側鉆點較低，側鉆時對井斜造成一定的損失，若再遇到入靶點垂深上調，側鉆成功后斜井段正常施工增斜壓力大。

2）耐性控時，切勿急躁，寧慢勿快，確保成功；鉆頭沿著原井眼井壁側鉆施工時，也會刮出少量的地層巖屑，此時若加快側鉆速度，將會對側鉆施工造成“致命”損壞。盡可能緩慢控時滑動鉆進，雖然側鉆施工效率相對較低，但能確保側鉆一次性成功。

3）側鉆進尺超過定向零長時，隨鉆井斜、方位對側鉆施工效果的判斷至關重要。建議側鉆施工前將MWD儀器開泵序列中井斜、方位的精度設置盡可能高，以便能更準確地判斷鉆井軌跡情況。

4）側鉆井段狗腿度較大，為保證后期作業的順利進行，側鉆完成后采用“滑動+復合”的鉆進方式施工，避免驟降又驟增的軌跡出現。

5）鉆頭的側向切削能力對側鉆成功有重大影響，應優選保徑長度短的PDC鉆頭以提高側向切削能力；通過平衡趨勢法進行BHA造斜率的預測對順利施工有重要作用。

參考文獻

[1]" MENAND S，SELLAMI H，SIMON C. PDC bit classification according to steerability[J]. SPE Drilling amp; Completion，2004，19（1）：5-12.

[2]" 王廷，王英杰，馬能量，等. 準噶爾盆地瑪湖地區防斜鉆具組合優化設計[J]. 新疆石油天然氣，2022，18（3）：44-53.

[3]" HO，H S. Prediction of drilling trajectory in directional wells via a new rock-bit interaction model[C]//Proceedings of the Paper presented at the SPE Annual Technical Conference and Exhibition. Dallas，Texas：SPE，1987：83-95.

[4]" XI C，ZHANG W，ZHANG N，et al. Study on factors affecting vertical drilling bottom hole assembly performance and a new bottom hole assembly design method considering formation uncertainties[J]. Frontiers in Energy Research，2022，10：1073135.

[5]" 史玉才，管志川，趙洪山，等.底部鉆具組合造斜率預測新方法[J].中國石油大學學報（自然科學版），2017，41（1）：85-89.

[6]" 王建民，方志學，王明.海洋鉆井淺層側鉆施工實踐與認識[J]. 化工管理，2021（32）：182-183.

作者簡介：

王建民（1987—），男，天津人，工程師，2010年畢業于中國石油大學（北京）電子信息工程專業（電氣方向），目前主要從事定向井、水平井、叢式井的施工、技術支持和相關研究工作。Email：wangjm.cpoe@cnpc.com.cn

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