順北1-4H井超深小井眼短半徑水平井鉆井技術

劉仕銀

（中石化西北油田分公司石油工程監督中心，新疆輪臺841600）

順北1-4H井是西北油田分公司部署在順托果勒低隆北緣的一口超深小井眼短半徑水平井，設計完鉆井深8049.63m，實際完鉆井深8049.50m。該井以海相一間房組為目的層，造斜點井深7475m，靶點垂深7561.96m，水平位移481.43m。平均造斜率19.69°/30m，最大造斜率30.83°/30m，該井創?120.6mm小井眼斜深最深紀錄（井身結構見表1）。

1 主要技術難點

表1 順北1-4H井井身結構

1.1 工具失效概率高

井底靜止溫度達到160℃以上，對MWD隨鉆測斜儀工作環境影響嚴重，導致定向儀器提前失效，儀器故障率顯著增加。同時普通螺桿耐高溫能力差，使用一段時間后，螺桿定子膠皮就開始老化脫膠，易造成井下螺桿故障[1]。

1.2 鉆具安全系數低

受井身結構影響，技術套管井眼尺寸小，四開定向段采用88.9mm+101.6mm鉆具組合，S135鋼級101.6mm一級鉆桿最大抗拉強度1848kN，鉆具強度低，復雜情況下處理能力相對較弱。

1.3 井眼軌跡控制難度大

（1）小尺寸鉆具超過7400m，鉆桿柔性相對較大，定向鉆具工作狀態可控性差，工具面擺放或長時間穩定較困難。

（2）設計增斜段增斜率為23.98°/30m,增斜段調控余地小,同時造斜率高、狗腿度大，導致鉆具與井壁之間的摩阻大，存在“托壓”的情況，滑動鉆進鉆壓傳遞困難,巖屑床也不易清除[2-3]。

（3）區域地層均質性差，可能存在硅質團塊等，95mm小螺桿鉆具使用率不高，造斜規律不易掌握。

（4）無線測量數據傳至地面信號衰減快，地面解碼難度大，加之隨鉆測斜測量數據存在滯后問題，井下實際造斜規律難以實時掌握，要求技術人員必須具有較高的預見性[1-4]。

1.4 鉆井液性能要求高

鉆井液高溫穩定性、流變性、潤滑性、攜巖要求高，維護難度大。同時深部地層定向段、水平段水嘴巖屑床的形成，泵排量小的影響，井眼凈化難度大[3-4]。

2 鉆井工具校核及優選

2.1 鉆具強度校核

2.1.1 鉆具性能對比

采用120.65mm鉆頭鉆進時，若選用API標準鉆桿，只能選用73.03mm鉆桿，工區對常規88.9mm鉆桿進行了改進（見表2）。

2.1.2 非標小鉆具強度校核

表2 小尺寸鉆桿性能對比表

（1）鉆具組合：120.65mmBit+95mm單彎螺桿+105mm無磁鉆鋌（1根）+f105mm MWD短節+105mm無磁鉆鋌（1根）+88.9mmDP（接箍外徑108mm）+88.9mm加重鉆桿×45根+88.9mm鉆桿+101.6mm鉆桿（接箍外徑127mm）。

（2）摩阻、扭矩分析條件：鉆頭扭矩2000N·m；復合鉆進鉆壓30kN；滑動鉆進鉆壓20kN；鉆井液密度1.30g/cm3；鉆井液塑性粘度 20m Pa·s；鉆井液動切力8Pa；套管內摩擦系數0.25，裸眼段摩擦系數0.30。

（3）88.9mm非標鉆桿使用期間最大的疲勞因數為0.62，鉆具出現疲勞斷裂的風險較小（見圖1）。

圖1 88.9mm與73.03mm鉆桿疲勞因子對比

2.1.3 排量泵壓計算

在鉆頭水眼12.7mm×4的條件下，考慮到螺桿和MWD的壓降，在排量9L/s時，循環壓耗達到19.98MPa（見圖2），根據計算排量達到9.3L/s即可滿足井眼清潔要求（見圖3）。

圖2 88.9mm鉆具組合下的排量、泵壓

圖3 最小排量與井斜關系

2.2 鉆頭優選

奧陶系灰巖地層巖性均一，抗壓強度70～180MPa，可鉆性級值5～7。結合塔河油田同尺寸小井眼側鉆水平井的經驗（見表3），優選百斯特生產的M 0864鉆頭，該鉆頭針對高抗壓強度中硬地層設計，采用弧線形6刀翼，長拋物線型，低摩阻長保徑能有效防止鉆頭回旋，提高了定向時工具面的穩定性，有利于井眼軌跡控制。鉆頭采用8mm齒，有利于低鉆壓下切入地層，并且有利于鉆進時的穩定性，降低粘滑效應。

2.3 定向儀器選擇

表3 120.65mm PDC鉆頭機械鉆速統對比表

定向儀器選擇主要考慮儀器抗溫、抗壓及配合鉆鋌尺寸能否滿足施工要求。無磁懸掛短節外徑不能大于105mm，抗溫必須滿足175℃，抗壓必須大于100MPa。結合工區據工區備貨情況，優選斯倫貝謝SLIMPULSEG5和APS公司的MWD（見表4）。

2.4 螺桿優選

表4 小井眼高溫儀器參數表

120.65mm井眼使用95mm螺桿單邊間隙為12.83mm，能夠有效降低鉆進復雜風險。立林、德州及北石螺桿能夠滿足PDC鉆頭定向鉆進需要（見表5）。抗溫螺桿為150℃及180℃兩種規格，螺桿選擇需注意抗溫匹配問題，避免高溫螺桿橡膠未及時膨脹導致動力不足。

表5 國內主要廠家95mm螺桿基本參數表

3 井眼軌跡設計及優化

3.1 井身剖面優化設計

井身剖面優化設計必須注意3方面問題：

（1）設計軌跡必須滿足現場施工條件的限制。

（2）設計軌跡應當是滿足各種設計要求下的最短軌跡。

（3）設計軌跡的鉆柱扭矩和摩阻力應當相對最小[5]。

圖4 超深小井眼定向水平井井身剖面優選

由于定向造斜垂距小于95m，為降低初始造斜難度和滿足軌跡控制要求，優選雙增剖面（圖4）。同時鉆具組合在滿足設計造斜率前提下，加大滑動井段和復合井段的交錯施工的連續性，避免長井段的滑動，以降低井眼軌跡所帶來的摩阻問題。

3.2 井眼軌跡控制要點

定向鉆進時利用WMD測斜儀器加密測斜，及時對軌跡進行監控。實鉆中應充分考慮到現場施工中地層巖性的不確定性，造斜段前期造斜率走設計上線，為施工留有余量。應根據不同施工段的目的、結合地層特點，選擇不同角度的動力鉆具[6]。

3.3 各井段鉆具組合及參數優化

3.3.1 增斜段

?120.65mm PDC+95mm 螺桿（2.25°）+231×DS310+單流閥+OA接頭+88.9mm無磁鉆鋌+懸掛短節+OA接頭+88.9mm非標鉆桿×15根+旁通閥+211×DS310+88.9mm非標鉆桿×84根+DS311×310+88.9mm加重鉆桿×27根+88.9mm鉆桿×393根+311×ST 390+101.6mm非標鉆桿。該井段采用控時定向鉆進，鉆壓控制在5～20kN。

3.3.2 穩斜段

?120.65mmPDC+95mm螺桿（1.5°）+單流閥+OA接頭+88.9mm無磁鉆鋌+懸掛短節+OA接頭+88.9mm非標鉆桿×55根+旁通閥+211×DS310+88.9mm非標鉆桿×132根+DS311×310+88.9mm加重鉆桿×27根+88.9mm鉆桿×393根+311×ST 390+101.6mm非標鉆桿×105根+ST 391×HT 400+101.6mm非標鉆桿。該井段以復合鉆進為主，滑動鉆進為輔，鉆壓控制在20～40kN。

4 鉆井液技術

一間房地層以灰巖為主，井壁相對穩定，鉆井液重點工作為如何防止定向鉆進過程中托壓的發生，保證鉆井液潤滑性能是該井段的重點工作。在實際操作過程中，采用聚磺混油鉆井液體系。在鉆井液中一次性混入6%的原油提高鉆井液潤滑性，后期根據定向情況及時補充原油，原油量可達到8%～10%，減少托壓情況發生，保證定向施工連續性。鉆井液性能：密度1.27g/cm3，粘度47～50s，API失水3.8m L，HTHP12m L/160℃，原油6%～10%。膠液維護配方：3.5%坂土+0.4%NaOH+0.3%KPAM+1.5%～2%SMP-2+1.5%～2%SPR。

5 順北1-4H實鉆情況

順北1-4H井2016年6月5日16：35從7475m開始定向施工，至2016年7月4日6：40復合鉆至井深8049.5m發生失返性漏失完鉆。定向井段共計8趟鉆，其中定向第二趟鉆因地層含硅質鉆頭提前破壞，定向第三趟及第五趟工具面波動幅度及振動數值均較高儀器損壞。在井深超過7900m以后，定向工具面調整難度逐漸增大。順北1-4H井按設計要求全角變化率、水平位移、井眼軌跡基本符合設計要求（圖5）。

6 結論及建議

圖5 順北1-4H井井身軌跡跟蹤圖

（1）超深小井眼短半徑水平井定向施工工具選擇配套及軌跡控制要求高，要合理地選擇井身剖面，在施工中應及時、合理調整，確保軌跡圓滑，狗腿度滿足要求，為下步施工提供良好的井身條件。

（2）隨著水平位移和井深的增加，定向鉆井摩阻增加，井深較小時未發生曲屈，實鉆過程無巖屑床，優化泥漿性能及時將井下巖屑返出。

（3）為提高小井眼定向鉆井鉆具安全和位移延伸，建議井口配套G105×114.3mm×12.7mm鉆桿，極限深度可增加至8450m，水平位移延伸至880m。