懸空側鉆在哈法亞油田水平井中的應用技術

李武生 尹曉明 胡冬良

摘要：本文回顧了懸空側鉆技術的理論知識，著重介紹在多分支水平井中的懸空側鉆工藝，側鉆點的選擇，側鉆過程的控制，側鉆是否成功的驗證方法。通過在伊拉克哈法亞油田XX井現場施工作業，提出懸空側鉆工藝的關鍵技術，對于中東地區大型碳酸鹽儲層的重油采用多分支水平井的低成本開發，提速，提效具有重要的借鑒或指導作用。

關鍵詞：懸空側鉆;側鉆點;多分支水平井;哈法亞油田;重油

0 引言

針對伊拉克哈法亞油田地質構造復雜，鹽膏巖層發育良好，重油采收率低等特點，多分支水平井在增大油藏的裸露面積，提高采收率，改善油流動態剖面，降低錐進效益，提高重油泄油效果，縱向調整油藏的開采，同時減少無效井段，降低開發成本等諸多優點，因而越受越受到投資方的青睞[1]。同時，哈法亞油田的第一口分支水平井獲得日產原油1638m?，與單支水平井初產相比增長了2倍，經濟效益顯著。但在分支井施工中，懸空側鉆技術起著至關重要的作用，本文就懸空側鉆工藝相關知識做一介紹，結合XX井現場應用，提出懸空側鉆技術要領，對后續懸空側鉆井的高效開發具有一定的現場指導意義。

1懸空側鉆的理論介紹

懸空側鉆就是在不打水泥塞的裸眼內進行井眼方向中途改變的側鉆技術，在分支井作業垂直方向上的重力作用來實施。從施工難度上來看，側鉆點處井斜越大越容易，井眼曲率越中懸空側鉆技術普遍應用以保障鉆井任務順利完成。懸空側鉆技術主要依靠側鉆鉆具組合在大越有利側鉆。另外，實施懸空側鉆的地層應該具有良好的可鉆性及穩定性。同時，為減少分支井連接段的應力集中情況，改善其力學穩定性，降低井壁周圍的Von Mises應力，主、分支井眼的夾角應設計為40～60°[2]。

1.1 懸空側鉆點的選擇及側鉆前的準備[3]

（1）首先要考慮側鉆點附近的井眼狀況：井下情況正常，無掉塊和坍塌，鉆具上提下放摩阻較小。如選定的側鉆點摩阻扭矩較大，側鉆之前要充分活動鉆具，循環劃眼處理，將鉆柱所受的扭矩徹底釋放，確保水平段井眼清潔，無掛卡，無遇阻現象后側鉆。

（2）側鉆點的位置和井斜，

選擇合適的側鉆點是實施懸空側鉆的第一步，也是側鉆成功的先決條件[4]。側鉆點巖性穩定，且可鉆性好，地層穩定井段，在選擇側鉆點時，應選擇井徑變化較小的地方，依靠鉆具的變形來增大側向力[5]。同時側鉆點應選擇在增斜，穩斜或者反向方位調整井段，并至少保留15m穩斜或增斜段，一定要避免在降斜井段懸空側鉆。側鉆點的方位變化不能與主井眼的方位變化一致。根據哈法亞油田地質特性，哈法亞油田分支井眼裸眼側鉆關鍵技術，分支初始井段盡量縮短，形成分支井眼上翹、主井眼下垂的軌跡形態，是保證裸眼懸空側鉆分支井段及分支連接井段井壁穩定及主、分支井眼軌跡控制與安全鉆進的關鍵。

（3）根據側鉆點實際情況和彎螺桿鉆具的造斜能力選擇合適的造斜工具，以提高側鉆的成功率，側鉆是要將工具面擺放在以微降井斜同時扭方位的位置上，是底部鉆具在出新井眼過程中始終與井壁接觸，同時，在鉆桿能夠順利通過井眼的前提下，采用較大的造斜率進行側鉆更有利于分支段的井壁穩定[6]。

（4）側鉆鉆頭應選擇側鉆專用的聚晶金剛石SST 型強造斜鉆頭，易于形成新井眼[7]。

（5）側鉆施工前與地質導向師充分溝通，了解地質導向是的意圖，導向師預測好待鉆區20～30m的地層傾角，側鉆成功后及時調整井斜，防止側鉆過程中降斜導致出層。

（6）選擇高性能的定向工具提高井眼質量與鉆井速度，如使用Agitator[8]、Thruster 等液力推進器，將鉆具的靜摩擦轉變為動摩擦，以形成近沖擊和振動，減少鉆具摩擦和緩解鉆具托壓;同時對側鉆鉆具組合BHA進行鉆具校核，側鉆前調整鉆具至保證本立柱剩余鉆具不少于20m，防止接立柱時誤操作導致側鉆失敗。

1.2 懸空側鉆過程分析

無論在什么地方側鉆，保證側鉆成功是首要條件，其次是滿足該地區對懸空側鉆成功后微降井斜或者不降井斜的軌跡要求。主支井眼鉆進時要預留一定的調整段或者微增井段，尤其是鉆進至設計側鉆點附近時，要可以控制軌跡，保留15m的井斜平穩段或增斜段，方位上可以反向操作，側鉆過程如下：

在分支造斜點前3～5m井段進行劃槽作業。劃槽作業時，要根據實鉆井眼的造斜方向選擇合適的工具面，一般使用左150～右150°之間的工具面對下井壁進行劃槽作業3～5次。劃槽作業過程中要根據井口以上鉆具做好鉆具標記，確定劃槽作業井底的確切位置，保證每次均勻劃槽作業的結束點位置精確，統一，以免形成臺階遭到意外的破壞。

（1）合理控時懸空側鉆前4m，是形成理論上懸空側鉆初始降斜的開始，也稱為刻蝕初始階段，也是造臺階初始階段，應施加較小鉆壓[9-10]。這一部分懸空側鉆進尺工具面不需要進行調整，工具面一側向偏下為主，同時根據地層可鉆性來嚴格選擇控時鉆進的速度，此時的鉆壓基本顯示為0。

（2）合理控時懸空側鉆4～6m時，這一階段新井眼將逐漸形成，已經具備小幅度調整工具面及逐步過渡至增斜分離井眼的能力，是懸空側鉆過程中開始由降斜向穩斜，增斜分離井眼的重要操作點，可根據需要調整工具面，調整范圍最好控制住10°/次左右，調整時工具面逐步變化不能過急求快。

（3）控時懸空側鉆6m后，新井眼與老井眼已經基本分離，完整的夾壁墻逐漸形成?？?/p>

以進一步放開對工具面的控制范圍，根據軌跡要求調整工具面，逐步縮短控時鉆進。受限于測量儀器的測量盲區，通常在側鉆11～12m 即可根據儀器數據判斷井眼變化趨勢，確定側鉆成功后，取消控時鉆進，正常滑動鉆進，進一步加強夾壁墻的厚度。一般在普通的泥巖或者灰巖以及砂巖中，1.5倍井眼尺寸的夾壁墻，而煤層中為3倍井眼尺寸的夾壁墻。此點作為滑動與轉動的分界點，側鉆全部結束。

（4）側鉆結束需要轉動鉆進新井眼時要精心操作，應以低轉速，小鉆壓均勻鉆進，保證新形成的夾壁墻不被破壞。

1.3懸空側鉆是否成功的判別方法

對于懸空側鉆是否成功的判別一般有一下幾種方法：

（1）承壓測試。在懸空側鉆作業過程中，承壓測試時比較常用的手段。經過劃槽作業后下井壁已可以形成初始的臺階面，在隨后實施的3m左右的控時側鉆后，即可上提鉆具，用停泵下壓的方式進行臺階面的承壓實驗。靜承測試的操作要精細，一定要注意活動鉆具時不能轉動，以保證工具面的方向和側鉆時相同，下壓鉆具要輕緩，觸碰井底后判斷是否明顯遇阻，遇阻鉆壓10～40KN即可，不能用大鉆壓測試，以免臺階面受到破壞。

（2）鉆進時根據工具面判斷。在使用螺桿鉆具懸空側鉆時，鉆頭吃壓后工具面正常擺動。側鉆提速后的鉆進過程中，如果形成了有效的臺階面將會觀察到工具面的變化規律。

（3）根據返砂量變化判斷。懸空側鉆的鉆時慢，通過返砂量來判斷新井眼的形成比較困難。但是在提速后的側鉆井段中，可對出砂量是否逐漸增多來進行正確識別，從而來判斷是否形成新井眼。

（4）根據軌跡數據來判斷。分支水平井的懸空側鉆一般不允許用過長的井段來進行側鉆，因此常規的測量工具在側鉆結束前因為較長的測量盲區將很難提供有效的數據支持。但是近鉆頭測斜儀器將為懸空側鉆作業提供有力的幫助。

2 XX井現場施工

該井是由BH-XX鉆井隊在伊拉克哈法亞油田承鉆的一口四開雙分支水平井，該井設計造斜點2400m，側眼（上眼）設計井深3954.35m，主眼（下眼）設計井深4138.19m，由渤海鉆探定向井公司提供軌跡控制技術服務，該井首先鉆完側眼至井深3955m中完。主眼需根據側眼的實鉆軌跡進行懸空側鉆作業來完成。

2.1XX井設計簡介

哈法亞油田的Mishrif儲層分支井采用5 開的井身結構，具體井身結構如圖1所示，側眼井的剖面設計如表1所示。側眼（上眼）水平段長801m（3155m～3956m），主眼（下眼）水平段長962m（3176m～4138m）。

2.2 XX井側鉆井眼的剖面設計

根據側眼套管數據（3166m.177.8mm）以及甲方要求的主眼著陸的井深，優選側鉆點，其主眼（下眼）剖面設計如表2所示。

該側鉆點選擇有以下幾點理由：

第一，根據側眼的軌跡數據，選擇的側鉆點附近的軌跡是處于增斜增方位井段，側鉆井眼與老井眼逆向，對于懸空側鉆依靠重力產生的降斜施工來說極其有利，側鉆工具面在140L。

第二，側鉆點處地層巖性穩定，可鉆性強，井徑規則。查閱該井在側鉆鉆進中，3176～3190m，復合鉆進平均鉆時在10m/h，巖性為灰巖，井徑為7.2英寸（四開為6寸井眼），井眼擴大率小，井眼規則。

2.3 XX井側鉆井眼鉆具組合優化

根據設計造斜率3.26°/30m，選擇1.5°單彎且較短的4級無扶正器等壁厚127mm馬達，滿足理論上的1.5倍的造斜率需求。同時為了配合定向工具面穩定，選用5刀翼Smith PDC（D1513UPX）鉆頭，該鉆頭排屑槽深，復合片尺寸小，布齒密度高且保徑齒較多，耐磨性能好而機械鉆速較低，有利于側鉆。為了增強井底鉆具組合的剛性，為下井壁提供更好的向下的側向力，增加一柱加重鉆桿。防止托壓現象導致側鉆效果不佳，加入NOV生產的Agitator工具，同時倒裝鉆具，具體鉆具組合如下：

2.4 XX井側主眼（下眼）側鉆過程

懸空側鉆主井眼過程中，按照劃槽、造臺階和控時鉆進3 個步驟進行[11]。，最后通過承壓實驗等措施來鑒別側鉆是否成功，具體如下。

2.4.1 劃槽作業（3169～3176m）

為了最大化的減少側鉆點處的摩阻扭矩，提前為側鉆井眼造型，首先執行拉槽作業，具體步驟如下：

第一充分循環井眼，上下活動鉆具，將工具面調整至側鉆工具面135L，鎖定頂驅。

第二在鉆桿上做好標記，防止下放鉆具過多破壞新造的臺界面。

第三劃槽速度一般在50～60m/h，根據井深及地層可鉆性的不同，劃槽時間不同，本井劃槽2小時。

第四鑒于套管下深3166m，本井選取劃槽井段3169～3176m.

2.4.2 造臺階，控時側鉆井段（3176～3186m）

（1）控時側鉆第1m鉆時為4h，但在本井側鉆前0.5m時，工具面很不穩定，分析原因是由于1.5°螺桿側鉆工具面與老井眼方向向逆，側眼造型未形成，但隨著控時鉆進至3176.5m以后，工具面逐漸穩定。

（2）第2m控時3.5h，控時鉆進1.7m后開始有10～20°反扭角，切記，每次調整反扭角時以10°每次最佳，防止反扭角過大破壞剛造的臺階面。此時泵業也增加20PSI.

（3）第3m 鉆時3.5h，反扭角增大，鉆壓1噸，第4m時反扭角增大至40°，鉆壓增加值2噸.

（4）隨后根據動態井斜、方位、反扭角和泵壓等參數的變化來逐漸提高鉆時。控時鉆進至3184m時出現托壓現象，托壓至4噸，且反扭角達到50°，泵壓上升40～50PSI，更進一步說明鉆頭已經完全進入新井眼。此時開始正?；瑒鱼@進，鉆時1m/h，鉆進至3186m時，泵壓上漲50～80PSI，返砂量明顯增多，根據動態井斜方位數據變化（如表3）可以初步確定側鉆成功。

根據懸空側鉆井眼實測數據做防碰掃描結果如表4所示，可以看出定向前3m尤為重要，處于造臺階階段，要精細施工，嚴格控時。

2.4.3 懸空側鉆成功的識別（3186～3201m）

雖然從反扭角、鉆壓、泵壓以及巖返出量等參數的變化，但是最可靠的方法是承壓實驗和后續的測斜數據。本井滑動側鉆至井深3186m后，做承壓實驗，具體如下：

第一：上提鉆具，將工具面調整至側鉆工具面。