短半徑水平井側鉆工藝技術分析及對策

劉玉飛，黃毓祥，倪益民，王 堯，張 悅

（中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津 300452）

1 概述

隨著油田開發開采不斷深入，大部分油氣井已進入到生產中后期，一些低產低效井面臨著進一步改造、提升產能的趨勢。同時，在一些新發現正在開發的區塊中，尤其是裂縫性、溶洞性油藏，由于前期開發對儲層的物性和地質油藏邊界的認識不夠深入，需要新的水平井鉆井工藝技術進一步煥發老井產能。短半徑水平井側鉆工藝技術作為近幾年興起的一項技術，可大幅度提高油井單井產量，并且可以有效提升原油采收率，同時能降低側鉆進尺，節省鉆井工期和成本，是油田老井改造、油藏挖潛和穩產增產的有效手段。

利用短半徑水平井鉆井技術對已鉆無產能的井進行再次利用，在原井眼側鉆短半徑水平井，可有效開發老井未受控面積內的儲油和剩余油，尤其適合于薄油層，垂直裂縫、稠油、低滲透等油藏的開發，減少鉆井投資，具有較高的經濟效益和社會效益。對于保障我國能源安全，增儲油氣產量具有重要的現實意義。

針對短半徑水平井側鉆施工過程中的幾個方向，包括側鉆施工中柔性鉆具的使用、鉆具組合優化、造斜鉆頭優選、井眼軌跡控制、開窗方式選擇以及鉆井液體系的使用，是短半徑側鉆水平井設計與施工的主要問題。

2 側鉆技術要點分析

2.1 柔性鉆具的使用

短半徑水平井側鉆工藝技術對于提高老油井產能和提高儲層的采收率具有較好的作用，由于短半徑水平井具有全角變化率大，井眼曲率半徑小的特點，目前主要采用高壓射流和柔性鉆具兩種鉆井工具。由于高壓射流在鉆井施工過程中存在著一些難題，如高壓射流沖擊的井眼尺寸偏小，井眼軌跡控制精度較差，不能按照預定軌跡鉆進等諸多缺點，導致柔性鉆井工具得到現場不斷應用，越來越得到人們的重視。利用柔性鉆具實施的短半徑水平井側鉆軌跡可以得到控制、側鉆點鉆出后井眼可長距離鉆進、相對高壓射流的方式井眼尺寸更大，同時泄油面積大等特點，尤其是針對薄差儲層，沿著儲層段持續鉆進是短半徑水平井側鉆工藝技術的關鍵，實現水平段的軌跡控制是其重要技術難題，關系到短半徑水平井側鉆施工能否順利施工。

短半徑水平井側鉆工藝主要是在老井套管下入斜向器，直接進行套管壁開窗側鉆，它與常規水平井的顯著區別是井眼曲率半徑較小，井身全角變化率大，常規鉆具不能滿足此要求，需要采用特殊的柔性鉆具來進行鉆井，柔性鉆具同常規鉆具相比，不但具有傳遞軸向力和扭矩的作用，還具有易彎曲、韌性強，可以控制井眼軌跡在實鉆過程中按照設計進行。

短半徑水平井進行側鉆時，鉆具受較大的側向力，鉆穿套管后，與裸眼井壁摩擦較大，會產生貼邊鉆進，為盡量保持鉆具穩斜鉆進，柔性鉆具應緊貼井壁，以控制鉆井井眼軌跡不會紊亂。井眼尺寸與柔性鉆具外徑尺寸需要進行優化設計匹配，這樣才能更好地穩住柔性鉆具，為更穩定地通過造斜段，以減少對造斜段鉆具的磨損，同時也需要兼顧巖屑的順利排出，確保鉆具安全鉆進，不發生卡鉆事故。

2.2 鉆具組合優化

短半徑水平井側鉆部分井眼要求較高的造斜率，需要在短時間內完成增斜作業，鉆具在大井眼曲率井段會產生較大的彎曲應力，容易造成鉆具的疲勞損壞。在復合鉆進時，鉆具旋轉，彎曲井段的鉆具受交變應力的作用，極易發生疲勞損壞。針對這種情況，施工中每趟鉆倒換彎曲井段的鉆具位置，避免鉆具發生疲勞損壞。根據短半徑水平井設計的井眼軌跡，現場施工依據實際情況，合理使用加重鉆桿，對增斜段和穩斜段鉆具進行優化組合，有利于減小鉆具摩阻，增加鉆壓傳遞效率。

鉆具組合在滿足井眼軌跡設計造斜率前提下，加大滑動井段和復合井段的依次施工的連續性，減少長井段的滑動，以降低井眼軌跡所帶來的問題。

針對鉆具優化組合對于短半徑水平井側鉆工藝技術尤為重要，一旦鉆具組合不合理，造斜率不滿足設計要求會有嚴重偏離原設計井眼的風險，因此需要對鉆具組合進行優選，以確保造斜率符合設計要求，保持井眼軌跡的平滑性，同時為在水平段鉆進中，以復合鉆進為主，減少滑動鉆進，減少偏移軌跡的風險。

2.3 造斜鉆頭要求

短半徑水平井側鉆造斜新井眼通常采用造斜鉆頭、柔性鉆具和常規鉆井工具，這種造斜鉆具組合通過施加鉆壓，利用柔性鉆具緊靠斜向器的斜面，使柔性鉆具壓彎迫使鉆頭側向切削地層，使井眼偏離原井眼軸線，從而達到造斜的目的。

造斜鉆頭的設計應加強其側向切削能力，滿足短半徑水平井側鉆短時間內的造斜要求。水力參數方面，造斜鉆頭每個刀翼間應具備噴嘴，噴嘴的噴射方向不同，確保有效清洗井底及刀翼的各個部位，有利于攜帶巖屑，提高鉆速，提升效率。

鉆進施工中綜合考慮穩定工具面、造斜率、提高機械鉆速、減少起下鉆次數等因素，根據不同井段采用不同種類的鉆頭。該組合充分運用每種鉆頭的不同優點，達到最大使用效果。

2.4 井眼軌跡控制

由于短半徑水平井側鉆井眼段具有較高的造斜率，軌跡的優化設計是重要組成部分。因此在進行軌跡設計時，要充分認識儲層物性、鉆具鉆頭造斜能力、柔性鉆具直徑與長度以及鉆頭大小等因素可能對井眼軌跡所產生的影響，另外還必須考慮有利于油氣藏的開發開采。

短水平井的井眼軌跡設計為三段制，即直（開窗）、增（造斜）、穩（水平）。側鉆井眼在鉆進過程中，造斜率要求較高，鉆井過程中需要對各項參數進行控制，需要確保柔性鉆具產生彎曲角度，對井壁形成有效支撐，確保造斜成功。增斜井段造斜率的合理確定是短水平井井眼軌跡設計與施工的關鍵。

井眼軌跡的初始設計是一口短半徑水平井順利施工的基礎。短半徑水平井的設計施工不但具有普通水平井的特性，還必須考慮側鉆點的選擇、側鉆難易程度、造斜段全角變化率、可作業井段短及井眼尺寸小等特點。還必須考慮有利于油田開發、實現地質設計的要求。而老井多數都存在井斜方位，且方位與新設計方位不一致的情況。因此井眼軌跡通常需要進行三維設計。

由于短半徑水平井側鉆三維水平井存在造斜段全角變化率、可作業井段短及井眼尺寸小的特點，因而對井眼軌跡測量的準確性和快速性要求很高。鉆具入井后，隨鉆測量工具要對井眼參數進行實時預測，以便及時調整鉆井參數、鉆井方式，以求合理選擇下一趟入井的鉆具組合。井底參數預測不當，就會使井眼軌跡控制難度大大增加，提高了軌跡控制的難度。井底參數預測技術的關鍵就是對動力鉆具造斜率具備精確的收集和控制。

井眼軌跡優化設計包括：①設計軌跡時，需要考慮井場施工條件的限制，做到因地制宜。②設計軌跡應是優化過的達到儲層開發要求的最短軌跡，盡可能地減少鉆井進尺。③設計軌跡時，應對鉆柱扭矩和摩阻力進行鉆前模擬，并在合理范圍內。

2.5 開窗方式對比

目前常用的套管的開窗方式有兩種，一種導斜器開窗，另一種是鍛銑套管開窗。

開窗側鉆即利用斜向器和開窗銑錐，在設計側鉆位置將套管磨銑鉆穿從而形成開窗點，然后再用側鉆鉆具鉆出新井眼。該方法可實現坐塞、開窗、側鉆一次成功。導斜器開窗具有鉆穿快、工期少的特點，但施工不可控因素較大，特別是短半徑水平井，由于導斜器轉動造成井眼方位偏差對后期施工影響很大。

鍛銑側鉆即在設計開窗位置將一段套管用鍛銑工具銑掉，然后在該井段注水泥，再用側鉆鉆具定向鉆出新井眼。優點是：工藝簡單，實施可靠，避免了套管的磁干擾，可用磁性測斜儀器定向鉆井，有利于定位。鍛銑套管開窗具有安全可靠的特點，缺點是實施時間長，費用高。

對使用導斜器開窗時普遍存在窗口附近泥頁巖坍塌、容易卡鉆、埋鉆具的問題，使用鍛銑開窗方法，可提高施工的可靠性。針對鍛銑過程中的鐵屑清理，鍛銑前處理鉆井液，以滿足攜帶鐵屑要求。鍛銑期間，在鉆井液回流槽內放置強磁工具，避免鐵屑進入循環罐。鍛銑結束后，對鐵屑進行清理。

2.6 鉆井液體系優選

套管開窗期間，由于存在對套管的磨銑鉆穿，會產生大量鐵屑，因此要求鉆井液具有良好的流變性能。造斜段采用全滑動鉆進，卡鉆的風險較高，如造斜段是泥巖地層，泥巖具有吸水膨脹性，存在井壁失穩垮塌的風險。對于小井眼，由于直徑較小導致循環鉆井液排量受限，因此要求鉆井液具有良好的攜砂性、懸浮性、潤滑性，低固相含量，觸變性好。

鉆井液必須要有良好的抑制性、潤滑性、流變性和攜屑能力，以保證鉆井安全及盡量降低對儲層的侵入。短半徑水平井鉆井液具備以下特性：①要考慮保護油氣層。鉆井液應與儲層相適應才能起到保護油氣層的作用。②對于泥巖側鉆點易坍塌儲層，水平井鉆井液在造斜段要求具有良好的攜巖能力，同時鉆井液粘度、切力不能過低，轉速不能過高，以免形成溫流沖刷井壁，加劇裸眼段的坍塌。③要有良好的流變性和較強的抑制能力，以保持井眼清潔、不形成巖屑床，為后期的固井和完井作業奠定基礎。④要有良好的潤滑性，根據鉆井液類型，選擇添加有效的潤滑劑。⑤要有較好的抑制性和濾失性，以免鉆井液侵入地層發生污染，便于后期進行測井作業。

3 結論

（1）針對短半徑水平井曲率大、造斜段短的特點，結合實鉆地層使用柔性鉆具、對鉆具組合進行優化、合理使用造斜鉆頭、加強對井眼軌跡的控制、合理選擇開窗方式以及優質鉆井液體系的選擇是提高短半徑施工效率的關鍵。

（2）隨著國內鉆井工業的發展和對油氣井提高采收率的需求，短半徑水平井側鉆工藝技術將成為油田增產的主要技術手段之一，但是國內短半徑水平井側鉆工藝技術尚處于起步階段，一些新工具和新工藝和還有待完善，相關技術難題還需要解決。