垂直鉆井技術(shù)在直井側(cè)鉆中的應(yīng)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(zhǔn)噶爾盆地西部隆起哈山山前構(gòu)造帶上部署的一口重點(diǎn)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(shù)，很好地解決了山前高陡構(gòu)造既防斜又打快的矛盾，但在后期中完作業(yè)中由于井下掉塊卡鉆必須填井側(cè)鉆。通過分析地層巖性特點(diǎn)和不同側(cè)鉆技術(shù)的適應(yīng)性，制定了4種側(cè)鉆方案，最終首次采用垂直鉆井技術(shù)進(jìn)行側(cè)鉆，很好地處理了井下落魚無法打撈的問題。

1 側(cè)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(shí)，開泵循環(huán)上提下放無顯示，啟動(dòng)轉(zhuǎn)盤，扭矩正常，開轉(zhuǎn)盤下放鉆具至井深2 022.00 m，扭矩明顯升高，出現(xiàn)蹩鉆現(xiàn)象，停轉(zhuǎn)盤上提鉆具時(shí)遇卡。上提下放仍未解卡，確定為鉆具卡死。計(jì)算卡點(diǎn)位置為2 018.86 m，層位石炭系，卡點(diǎn)巖性為深灰色玄武巖。現(xiàn)場(chǎng)分析認(rèn)為掉塊導(dǎo)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(jié)構(gòu)：?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?yàn)椋?1)對(duì)石炭系地層用常規(guī)鉆(1 841～2 037 m)打出的井眼認(rèn)識(shí)不充分，測(cè)井后直接采用大尺寸扶正器通井，風(fēng)險(xiǎn)性大；(2)該鉆具組合下鉆通井，有遇阻顯示應(yīng)及時(shí)起鉆更換鉆具組合，而井隊(duì)下放劃眼時(shí)開泵排量過大，達(dá)到46 L/s(大排量極易導(dǎo)致掉塊上返填塞扶正器間隙，造成憋泵和蹩鉆)，且轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤有扭矩波動(dòng)時(shí)未及時(shí)停轉(zhuǎn)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(qiáng)扭(扭矩由8.7 kN·m增加至26.1 kN·m)，造成故障無法挽回，進(jìn)而導(dǎo)致卡鉆。

2 垂直鉆井技術(shù)在側(cè)鉆中的應(yīng)用

2.1 側(cè)鉆方案

由于井下落魚經(jīng)多次打撈無法全部取出，從而決定進(jìn)行側(cè)鉆，制定以下裸眼側(cè)鉆方案。

(1)通過地錨斜向器側(cè)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(dǎo)向功能側(cè)鉆出新井眼［1］。這種側(cè)鉆工藝主要用于套管內(nèi)定向側(cè)鉆，分支井也用這種方法進(jìn)行裸眼側(cè)鉆，其特點(diǎn)是側(cè)鉆方位可控，且側(cè)鉆后有一定的井斜或者方位變化，側(cè)鉆成功率高。

(2)動(dòng)力鉆具懸空側(cè)鉆［2］，是在原井眼一定位置選定側(cè)鉆點(diǎn)，根據(jù)測(cè)斜結(jié)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(fù)滑動(dòng)在低端形成鍵槽和臺(tái)階，然后適當(dāng)加壓直到形成新井眼。其特點(diǎn)是不需要注水泥塞、候凝等時(shí)間。

(3)動(dòng)力鉆具側(cè)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(chǔ)上，依靠水泥的支撐，通過動(dòng)力鉆具控時(shí)定向鉆進(jìn)側(cè)鉆出新井眼。其特點(diǎn)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(cè)鉆需要，是目前普遍采用的一種裸眼側(cè)鉆工藝技術(shù)。

(4)垂直鉆井鉆具側(cè)鉆，根據(jù)本井為直井的特點(diǎn)以及落魚處井斜接近2°的實(shí)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(tǒng)側(cè)鉆的方案，注水泥封固至指定位置，然后利用垂直鉆井系統(tǒng)的糾斜能力，通過控時(shí)鉆進(jìn)打出新眼，完成側(cè)鉆。

2.2 方案對(duì)比和分析

HSH2井位于哈山山前構(gòu)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(gè)哈山地區(qū)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(jī)械鉆速低等問題，對(duì)各方案需要進(jìn)行對(duì)比分析。

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

(2)動(dòng)力鉆具懸空側(cè)鉆主要問題在于造臺(tái)階，對(duì)于本井由于井斜問題，整個(gè)鉆具對(duì)于側(cè)鉆沒有承壓點(diǎn)，且地層硬度大可鉆性差，側(cè)鉆成功率過低，不適用。

(3)動(dòng)力鉆具側(cè)鉆對(duì)于本井是一個(gè)可行的方案，但是該方法為了保證側(cè)鉆成功必須從井斜和方位上與老井錯(cuò)開一段距離，同時(shí)復(fù)合鉆進(jìn)時(shí)井斜控制難度更大，這樣就需要多次滑動(dòng)鉆進(jìn)降斜，從而影響鉆井速度。

(4)垂直鉆井系統(tǒng)側(cè)鉆的原理是：垂直鉆井系統(tǒng)外筒上均勻分布有一定數(shù)量的的液壓柱塞，在鉆進(jìn)過程中，系統(tǒng)的測(cè)斜模塊將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到的井斜參數(shù)傳遞給控制模塊,當(dāng)井斜角達(dá)到一定范圍時(shí)，糾斜指令通過控制模塊傳遞至液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)，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(chǎn)生一個(gè)指向井斜低邊的側(cè)向力，在該側(cè)向力的作用下達(dá)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(shí)鉆進(jìn)即可成功側(cè)鉆，同時(shí)利用垂直鉆井自身優(yōu)勢(shì)可以在保證井斜同時(shí)保持較高的機(jī)械鉆速。

綜合上述原因，準(zhǔn)備采用垂直鉆井技術(shù)側(cè)鉆的方案。

2.3 垂直鉆井技術(shù)側(cè)鉆模型

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

側(cè)向力為

鉆頭轉(zhuǎn)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(wěn)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(wěn)定系數(shù)；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(diǎn)的軸向載荷，kN；y0和yl分別指鉆頭和第1穩(wěn)定器的中心點(diǎn)的縱坐標(biāo)，m。

式(1)和(2)中，PB、q和M1與井斜角正相關(guān)，因此側(cè)向力和鉆頭轉(zhuǎn)角與井斜角正相關(guān)。對(duì)于垂直鉆井系統(tǒng)，井斜角越大其側(cè)向力和鉆頭轉(zhuǎn)角越大，降斜能力越強(qiáng)，從而實(shí)施側(cè)鉆的成功率越高。另一方面，側(cè)向力和鉆頭轉(zhuǎn)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(shù)密切相關(guān)，因此，在實(shí)際施工過程中需要對(duì)鉆井參數(shù)和鉆具組合進(jìn)行優(yōu)化以達(dá)到最優(yōu)的側(cè)鉆效果。

2.4 側(cè)鉆方案優(yōu)化及施工

HSH2井的井身結(jié)構(gòu)和側(cè)鉆前的井眼軌跡如圖1和圖2所示。側(cè)鉆的關(guān)鍵是側(cè)鉆點(diǎn)和側(cè)鉆井段的選擇以及鉆具組合的優(yōu)選和鉆井參數(shù)優(yōu)化。

2.4.1 側(cè)鉆井段的選擇

要提高垂直鉆井系統(tǒng)側(cè)鉆成功率必須提高側(cè)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(cè)鉆，因此垂直鉆井系統(tǒng)側(cè)鉆及鉆進(jìn)井段為1 893～2 022 m，其中1 893～1 942 m為控時(shí)側(cè)鉆井段，1 942～2 022 m為正常鉆進(jìn)井段，共5趟鉆。

圖1 HSH2井井身結(jié)構(gòu)Fig.1 Casing program of Well HSH2

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

2.4.2 鉆具組合優(yōu)選和鉆井參數(shù)優(yōu)化

應(yīng)用Wellplan軟件對(duì)垂直鉆井系統(tǒng)的造斜能力進(jìn)行分析，從而對(duì)鉆具組合和鉆井參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，最終確定了不同井段的側(cè)鉆方案，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施。

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

鉆井參數(shù)：鉆壓 0～20 kN(控時(shí))、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(huán)泵壓13.5 MPa，鉆進(jìn)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(dòng)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?guī)r、褐灰色玄武巖。

(2)側(cè)鉆后井段。完全進(jìn)入新井眼后，開始加壓鉆進(jìn)1 942～2 022 m，進(jìn)尺80 m，主要巖性為褐色凝灰?guī)r、褐灰色玄武巖，鉆井液不變。鉆井參數(shù)：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(tǒng)+?428 mm扶正器+?241.3 mm濾網(wǎng)短節(jié)+?228.6 mm減震器+?228.6 mm鉆鋌+731×630轉(zhuǎn)換接頭+?203.2 mm浮閥+?203.2 mm鉆鋌+631×410轉(zhuǎn)換接頭+柔性短節(jié)+隨鉆震擊器+?177.8 mm鉆鋌+?127 mm加重鉆桿+411×520轉(zhuǎn)換接頭+?139.7 mm鉆桿。

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

圖3 HSH2井側(cè)鉆井段井斜對(duì)比Fig.3 Deviation angle comparison between different sidetracking sections of Well HSH2

從應(yīng)用情況看，使用垂直鉆井技術(shù)一般可以將井斜控制在0.2°以內(nèi)，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(qū)今后鉆井過程中建議綜合空氣鉆井和垂直鉆井系統(tǒng)糾斜，減少垂直鉆井系統(tǒng)服務(wù)時(shí)間，從而綜合控制井斜，提高鉆井速度。從垂直鉆井系統(tǒng)側(cè)鉆應(yīng)用效果來看，從1 893 m以后開始產(chǎn)生新井眼，側(cè)鉆成功，后續(xù)井段通過垂直鉆井系統(tǒng)的降斜作用，直至一開完鉆井斜控制在0.1°以內(nèi)，為后續(xù)鉆井作業(yè)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3 結(jié)論及建議

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

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

(3)在哈山地區(qū)等高硬度、高研磨性、可鉆性差的火成巖地層直井段鉆進(jìn)過程中，如果發(fā)生事故或者其他特殊情況必須側(cè)鉆時(shí)，因?yàn)榈貙訌?qiáng)度與水泥石強(qiáng)度的差異，常規(guī)側(cè)鉆手段都會(huì)對(duì)后期的作業(yè)造成一定的影響，而使用垂直鉆井技術(shù)不但能夠提高側(cè)鉆成功率，而且能夠很好地控制井斜，為以后施工奠定基礎(chǔ)。