側鉆的關鍵技術分析與研究

劉子松

（中國煤炭地質總局 第二水文地質隊，河北 邢臺 054000）

1 概 況

側鉆是為了特殊的工藝需要，在原有井眼軌跡（直井、斜井、水平井均可） 的基礎上，使用特殊的側鉆工具，使鉆頭的鉆進軌跡按照預先的設計偏離原井眼軌跡的過程。側鉆井一般分為兩類，即裸眼側鉆和套管開窗側鉆。裸眼側鉆又分為兩類，分別是水泥回填側鉆和懸空側鉆。一般來說，鉆孔事故處理、設計分支鉆孔以及油田的老舊及低產油井都需要側鉆。本文對鉆井過程中為避開落魚（圖1） 而進行的水泥回填側鉆提出一些見解。

圖1 避開落魚側鉆Fig.1 Sidetracking avoiding falling fish

2 側鉆技術

2.1 選擇側鉆點

要在一口井內側鉆，首先要測量鉆孔井斜。有條件的可以下入帶無磁鉆鋌的常規鉆具，用電子多點投測儀投測；沒有電子多點投測儀，可在裸眼中用常規測井儀器進行測量，數據處理后確認井眼的真實狀態。根據測量鉆孔井眼軌跡，結合鉆孔地層層位，選擇最佳側鉆點。一般選擇地層相對較軟，鉆時較快的層段，并且要依據測斜數據做出待鉆井眼設計。

2.2 注入水泥

側鉆點選定后，可根據鉆孔井眼尺寸及需注水泥塞長度，計算需要水泥量。為保證水泥塞的硬度，一般選擇42.5 級普通硅酸鹽水泥，將水泥漿比重調至1.9 g/cm3，注入孔內，高出側鉆點10 m左右。候凝72 h，下鉆修塞至側鉆點深度，靜壓10 t 以上不掉鉆，說明水泥塞質量很好，滿足側鉆要求。起出鉆具，準備下入側鉆鉆具。

2.3 側鉆鉆具組合

側鉆鉆具組合沒有固定的組合模式，可根據側鉆的難易程度科學合理應用。一般情況下，在側鉆點井斜較大時，用反摳側鉆會相對容易；如果在井斜不大的孔內側鉆，例如在事故鉆孔內避開落魚側鉆，要鉆出新井眼相對來說就要困難很多。

根據實際情況的不同，常用的側鉆組合一般有2 種，即彎接頭+直螺桿鉆具組合和定向直接頭+單彎螺桿鉆具組合，例如采用1.5°彎接頭+直螺桿的鉆具組合，或者采用直接頭+1.75°或者2°單彎螺桿的鉆具組合。

如果以上2 種鉆具組合側鉆效果均不理想，那么考慮第三種組合方法，即彎接頭+單彎螺桿鉆具組合。如采用1.5°彎接頭+1.25°單彎螺桿鉆具組合，彎接頭和單彎螺桿的角度可根據需要選擇。但角度過大會產生2 個后果，一是彎度過大下鉆會造成困難；二是鉆出的新井眼全角變化率較大，給下步鉆探施工造成困難，因此建議彎接頭和彎螺桿角度不大于2°。這種鉆具組合在側鉆時孔內有2 個支點，側鉆成功率要高很多。但是這種鉆具組合必須滿足一個要求，就是彎接頭所在的工具面和單彎螺桿所在的工具面，在鉆具上緊后，這2 個工具面不能存在比較大的角差，最好控制在30°以內，而且越小越好（圖2），保證2 個彎朝向同一個方向。

圖2 鉆具角差示意圖Fig.2 Drilling tool angle difference

調整角差的辦法是在彎接頭和單彎螺桿間加入墊片，墊片為厚度小于1 mm 的不銹鋼板，現場臨時制作。開始先不加墊片，鉆具上緊后，看2 個工具面角差差多少，如果角差在30°以內，不加墊片更好；如果角差超過30°，必須加墊片，則把墊片表面擦干凈，墊片之間不要夾雜任何硬質顆粒物，加入墊片后，用液壓大嵌緊扣，墊片壓實；若角差仍不合適，可增減墊片作為調整，直至鉆具角差合適為止。

由于側鉆過程需鉆壓很小，而且鉆具剛性越小，側鉆越容易成功。因此，側鉆鉆具組合除1 根無磁鉆鋌以外，不需要再增加鉆鋌，無磁鉆鋌以上全部為加重鉆桿或者普通鉆桿均可。

以216 mm 孔徑為例。

彎接頭+直螺桿鉆具組合：φ216 mm 牙輪鉆頭+φ172 mm 直螺桿+φ172 mm 1.5°彎接頭+φ172 mm 定向直接頭+φ172 mm 無磁鉆鋌×1 根+φ114 mm 鉆桿若干。

直接頭+彎螺桿鉆具組合：φ216 mm 牙輪鉆頭+φ172 mm 1.75°單彎螺桿+φ172 mm 定向直接頭+φ172 mm 無磁鉆鋌×1 根+φ114 mm 鉆桿若干。

彎接頭+彎螺桿鉆具組合：φ216 mm 牙輪鉆頭+φ172 mm 1.25°單彎螺桿+φ172 mm 1.5°彎接頭+φ172 mm 定向直接頭+φ172 mm 無磁鉆鋌×1 根+φ114 mm 鉆桿若干。

2.4 下入側鉆鉆具

無論是哪種側鉆鉆具組合，因為角度都很大，下鉆過程都不一定很順利，尤其彎接頭+彎螺桿鉆具組合。在下鉆之前，確保鉆孔暢通無阻，還要保證鉆具水眼清潔干凈，在井口開泵測試螺桿鉆具及定向儀器，確認一切正常后方可下鉆。下鉆過程中如遇阻，不得用螺桿鉆具劃眼，不能開泵硬壓，可慢慢轉幾個方向，緩慢試下。如果仍然下不去，則起出鉆具，改用常規鉆具通井，正常后重新下側鉆鉆具。

2.5 擺放工具面

工具面的擺放有兩種，磁北工具面（Magnetic Mode） 和高邊工具面（High Side Mode） （圖3）。一般情況下，當側鉆點井斜角α＜6°時，選擇磁北工具面；當側鉆點井斜角α＞6°時，選擇高邊工具面。目前使用的無線隨鉆測斜儀MWD，以井斜角α＝6°為臨界點，能夠在2 個工具面間自動切換。無論選擇哪種工具面，在實際側鉆過程中，每種工具面仍然有2 種側鉆方式。

圖3 高邊工具面示意圖Fig.3 High edge tool surface

2.5.1 斜面法扭方位

在扭方位過程中保持裝置方位角不變，采用反摳的方法，這樣鉆出的井眼處在空間一個斜平面上，這種扭方位方法稱為斜面法扭方位，斜面法扭方位較容易鉆出新井眼。例如，在一口井中，側鉆點井斜角α＝4.5°，方位角θ＝112°。因為井斜角α＜6°，所以用磁北工具面定向。如果用斜面法扭方位，定向角為磁北ω＝112°+180°，儀器顯示為MT292°，即向井斜相反的方向反摳。

如果側鉆點井斜角α＝8.5°，因為井斜角α＞6°，這時無論方位角多大，都用高邊工具面定向。如果用斜面法扭方位，定向角為高邊180°，儀器顯示為HT180°，為全力降井斜，也就是反摳，這時新井眼的方位角不改變（圖4）。這種斜面法扭方位鉆出的新井眼處在空間的一個斜平面上。

圖4 全力降斜Fig.4 Full force declination

2.5.2 柱面法扭方位

在扭方位過程中保持裝置角不變，這樣鉆出的井眼是處在空間的柱面上，既有井斜角的變化，又有方位角的變化，這種扭方位方法稱為柱面法扭方位。

在上例中，側鉆點井斜角α＝4.5°，方位角θ＝112°。如果用柱面法扭方位，定向角為磁北工具面角ω＝112°+（90°～180°之間任意角度），如MT247°，這時新井眼為降斜、增方位；還可以為磁北工具面角ω＝112°+（180°～270°之間任意角度），如MT23°，這時新井眼為降斜降方位。如果側鉆點井斜角α＝8.5°，用柱面法扭方位，高邊工具面為高邊工具面角ω＝90°～180°之間任意角度，如HT135°（圖5 高邊0～180°），這時新井眼為降斜增方位；或者高邊工具面角ω＝180°～270°之間任意角度，如HT225°，這時新井眼為降斜降方位。新鉆出的井眼在井斜角α 減小的同時，方位角θ 也在增大或減小，新井眼處在空間的柱面上。

圖5 高邊工具面0～180°變化情況Fig.5 High edge tool surface change of 0~180°

在擺放工具面之前，還需明確2 個概念，即安置角和反扭角。安置角是安置工具面角的簡稱，在定向造斜和扭方位作業時，當啟動井下動力鉆具之前，將工具面安置的位置，以工具面角表示，即為安置工具面角。反扭角是使用井下馬達進行定向造斜或扭方位時，因動力鉆具反扭矩的作用，啟動前的工具面與啟動后的工具面之間的夾角，反扭角總是使工具面逆時針轉動（圖6）。因此，安置角＝定向角+反扭角，這里定向角與上面提到的裝置角是同一個概念。因為在整個側鉆過程中，要求給動力鉆具加很小的鉆壓，所以反扭角不會很大，根據鉆具的長度及剛度，適當考慮5°～10°即可。

圖6 反扭角產生示意圖Fig.6 Diagram of anti-torsion angle

鉆具下到孔底后，如果余尺較短，最好加入一短鉆桿，使余尺大于10 m，目的是盡量避免在側鉆過程中間加尺。因為側鉆中間加尺需提起鉆具，然后再下放鉆具，這一過程可能導致裝置角發生改變，而且下鉆過程中還可能導致好不容易鉆出的臺階垮塌，延長側鉆時間，嚴重的可能導致側鉆失敗。

2.6 側鉆過程

工具面擺好后，就可以開泵側鉆施工了，側鉆過程是靠控制鉆時來完成的。如果是在第四系、第三系等較軟地層中側鉆，側鉆成功率會很高，整個控制過程也會簡單的多。如果在硬地層側鉆，對鉆時的控制是相當嚴格的。

在堅硬地層側鉆施工，常規的做法是開始的2 m，每米鉆時5 h；第3、4、5 m，每米鉆時4 h；第6、7、8 m，每米鉆時3 h；第9、10 m，每米鉆時2 h；鉆進10 m 共計35 h。當然，鉆時并不是一成不變的，可根據側鉆出新井眼情況及時加以調整，總之不可操之過急。

側鉆過程中，送鉆一定要均勻，可在鋼絲繩卷筒側板上用粉筆均勻的畫上標記，在方鉆桿上也畫上標記。這樣，司鉆可以兩面兼顧，緩慢均勻送鉆。同時每10 min 撈一次巖粉，洗凈查看，根據巖粉中水泥顆粒與沙子顆粒比例的變化，判斷新井眼的鉆出情況，實時調節鉆時（圖7）。

圖7 巖粉中水泥顆粒及沙子顆粒的變化Fig.7 Changes of cement and sand particles in rock powder

在側鉆過程中，如果遇到突然停電，或者泥漿泵突然損壞等意外情況，短時間內不要拉動鉆具。因為側鉆過程進尺是非常緩慢的，尤其在前半段，泥漿中的含沙量非常少，不可能造成埋鉆事故，因此不要輕易拉動鉆具。如果中途必須提鉆，如中間需要加尺，或者螺桿鉆具損壞需更換等，那么下鉆時最后接近孔底的0.5 m，一定要在10～30 min 放到孔底，然后才能開泵，以免下鉆過急造成新臺階坍塌而前功盡棄。

至于側鉆出新井眼的深度，由于鉆頭到測斜儀器測點有超過12 m 的長度是測不到的，這時要準確判斷側鉆井底井斜，在保證側鉆成功的前提下，控制全角變化率（俗稱狗腿嚴重度） 是關鍵，以利于下部定向和鉆井作業的順利實施。一般來講，當巖粉中沙子的比例超過90%，標志著側鉆已經成功，再按規定鉆時鉆進5～6 m 就可以起鉆了。

2.7 起鉆卸掉彎接頭

側鉆結束，鉆具慢慢提起，起過側鉆點后，可正常起鉆。起出鉆具，只卸掉彎接頭，還用原來的單彎螺桿鉆具，螺桿鉆具上緊后，重新測量鉆具角差，井口開泵測試螺桿鉆具及儀器正常后下鉆。下至接近側鉆點時，開泵，將工具面調整到側鉆時的工具面，關泵，然后緩慢下至孔底。

為鞏固側鉆成果，仍按原側鉆工具面，以每米不小于1 h 的鉆時再定向鉆進2 m，然后改為復合鉆進。這時可以適當加壓，如果加壓后鉆具跳動很大，且進尺緩慢，說明鉆具在新井眼中，查看巖粉全為沙粒，說明側鉆成功。復合鉆進一單根后，測量井斜，這時的測斜數據就是新井眼的井斜數據，同原井眼井斜數據相比較，井斜角α 和方位角θ 將有不同的變化。然后再復合鉆進一單根，起鉆，根據正常的鉆井需要，可以加入鉆鋌，開始正常鉆探施工。

3 結 語

側鉆前選擇最佳側鉆點，高質量做好水泥塞，根據實際需要，科學、合理組合側鉆鉆具，做好待鉆井眼設計，做到精準控制鉆時，注意每一個施工細節，才能有效提高側鉆效率，更好為鉆探施工服務。