大斜度井開窗側鉆技術及其在渤海油田的應用

馬立，王昆劍，劉鵬飛，陶林，席江軍，王攀

1.中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司（天津 300452）

2.中海石油（中國）有限公司天津分公司（天津 300459）

渤海油田是中國海上最大的油田，主要通過規模性打樁建造海上生產平臺設施，以集中布置叢式井模式，經濟高效地開發海底油氣藏。因油藏構造特點和空間區域受限的雙重因素，通過加密布置大斜度井、水平井以提高采收率，完善注采井網[1]。隨著渤海油田的持續開發，早期油田逐漸進入開發中后期，在生產平臺槽口有限的條件下，開窗側鉆技術已成為低產低效井綜合治理和剩余儲量動用的主要手段之一[2-4]。由于生產平臺槽口區空間有限，從式井井口間距較小，淺層側鉆井眼防碰風險較高（特別是內排槽口），因此，在中深層大斜度井段實施開窗側鉆成為必然選擇。

1 大斜度井開窗側鉆作業難點

與淺層開窗側鉆相比，中深層大斜度井段開窗側鉆作業存在以下難點：

1）由于長期生產，套管壁不清潔（結蠟或黏附稠油等），易造成斜向器下入遇阻。

2）井眼軌跡復雜，局部狗腿大，造成斜向器通過困難。

3）因腐蝕、磨損等原因，套管內壁磨阻大，且接箍處存在間隙，斜向器下入期間頻繁受阻，易造成鏈接斜向器與銑錐的銷釘產生疲勞而提前剪切。

4）井斜大、懸重輕、井眼摩阻大，即使通過倒裝配重手段將斜向器下入到位，但斜向器坐掛時仍存在壓實和脫手的問題。

5）為確保新老井眼的分離，斜向器工具面角度較大，不僅增加了斜向器坐掛的難度，還存在斜向器“跑位”而造成窗口關閉的風險。

2 大斜度井開窗側鉆技術

2.1 大斜度井套管固井質量檢測

大斜度井因井斜大、軌跡復雜、摩阻大，常規電纜測井儀器滿足不了作業要求；采用PCL（鉆桿輸送測井）方式，需占用鉆機時間，整體成本高，還存在擠傷電纜和損傷儀器的風險。爬行器的發明和應用，克服了電纜測井和PCL測井的弊端，成功解決了大斜度井套管固井質量檢測的難題，為開窗點的選擇提供了可靠的參考依據[5-6]。目前，爬行器可與SBT、CBL等測井儀器串接（圖1），通過電纜傳輸，由地面控制面板控制爬行器工作，推動井下儀器串前行，爬行速度約為5 m/min，理論最大推力400 kg。

圖1 電纜爬行器與測井工具串接組合示意圖

2.2 開窗準備工作

1）根據側鉆井要求選擇合適的斜向器，以滿足鉆井及完井工具最低通過要求為基本原則[7-8]，并核實套管記錄表。

2）現場應至少備用一套斜向器和開窗工具，準備一套專用修窗工具、回收工具和一個打撈母錐。

3）斜向器斜度宜選擇2°～4°/30 m，或根據后續鉆完井作業要求選擇斜度大小，常規造斜率宜在2°～3°斜度。

4）開窗點宜選擇在固井質量良好及穩定地層，宜避開斷層、膨脹性頁巖、鹽層等復雜地層和降斜井段。開窗點位置宜避開全角變化率超過3°/30 m的井段。

5）根據套管表及固井質量測井曲線選擇上下窗口及錨定位置，應避開套管接箍和套管扶正器，上窗口宜離上接箍3～5 m；一旦套管表與測井曲線標注套管接箍位置存在2 m以上較大差異，且不能同時滿足窗口要求的情況下，應以測井數據為準選擇位置。

6）對于中深層套管開窗，通常選擇一趟式開窗工具，特殊情況可考慮采用兩趟式開窗工具。

2.3 刮管、通井作業

對于井斜大、軌跡復雜的井，除進行刮管、洗井作業外，可考慮增加一趟通井作業以保證斜向器及開窗工具的順利下入。

1）通井鉆具組合應模擬斜向器及開窗組合的結構和剛性，兼顧清理井壁的目的。

2）在刮管或通井過程中出現遇阻情況，不可強行下壓通過，應分析原因，考慮調整組合以改變剛性再次嘗試。開窗組合可考慮采用兩趟式，即先下入斜向器，再下入磨銑組合進行開窗。

3）調整鉆具組合后仍無法通過遇阻點，可能存在套管變形或損壞的情況，應考慮變更側鉆方案。

2.4 下斜向器

1）根據選擇的開窗工具制定操作流程及控制措施。

2）斜向器及開窗工具組合的剛性要求保障后續作業下入的鉆具或工具順利通過。

3）提前收集斜向器資料，如銷釘剪切力和斜向器結構圖等。

4）斜向器吊裝時應防磕碰，防止液壓管線損壞和結構變形。

5）下入斜向器時要嚴格控制遇阻噸位，原則上不超過3 t。

6）下鉆時鎖死轉盤，防止鉆具轉動，下放速度不超過0.3 m/s。

7）斜向器及開窗組合通過防噴器及防磨襯套時，為避免發生磕碰，需要緩慢下放。

8）每次接完立柱，緩慢上提，提活之后再緩慢下放，克服鉆具靜摩阻后再正常下鉆，防止對斜向器與銑錐之間的連接銷釘產生過載沖擊，造成銷釘提前剪切。

9）遇阻后，如開泵沖洗，開泵一定要慢，應低泵速打通后再逐漸提高排量，防止壓力集中造成斜向器提前坐掛。

2.5 坐掛斜向器

1）斜向器下到開窗位置，應先上提5～10 m，循環并上下活動，記錄上提下放摩阻。

2）大斜度井扭矩傳遞困難，轉動鉆具找工具面時每次轉動角度不宜超過30°，應操作平穩避免轉過；應避免重復轉動鉆具，以防止提前剪切。

3）使用陀螺找斜向器工具面之后，應在釋放完鉆具組合扭矩后，至少再確認2次；使用MWD定向時，應大幅度上下活動鉆具，釋放扭矩，并多次確認斜向器工具面。

4）坐掛前應測量上提下放懸重，以此作為確認脫手依據。

5）設定開窗工具面時宜選擇高邊位置。

6）大斜度井開窗，通常在穩斜段，建議斜向器工具面擺到左右45°～50°為宜，側鉆時可以采用增斜扭方位的方式實現與老井眼的分離。

7）定向井工程師、開窗工程師及鉆井監督共同確認斜向器坐掛深度及方位。

8）按選用斜向器的操作規程坐掛斜向器并脫手。

2.6 開窗及修窗作業

1）開窗前應提前在返出口放好磁鐵，以便開窗過程中搜集、觀察返出鐵屑，判斷井下磨銑情況。

2）開窗前應記錄上提和下放懸重，并記錄空轉懸重、扭矩相應參數[7-9]。

3）由于老井眼軌跡復雜，扭矩基值大，會出現波動幅度大的現象，大斜度井在開窗過程中應確保銑錐不會蹩壞套管或造成硬卡，設定扭矩上限。

4）從銑錐磨銑斜向器頂部到銑錐底圓與套管內壁接觸開窗的初始階段，應采用低轉速、低鉆壓，推薦鉆壓1～3 t，轉速50 r/min；井口返出鐵屑后，可以按照正常鉆壓和轉速進行磨銑，推薦鉆壓2～5 t，轉速80～120 r/min，并記錄正常磨銑速度，派專人觀察返出鐵屑數量和形狀(表1、圖2）。

圖2 開窗過程及階段劃分示意圖

表1 開窗各階段磨銑參數推薦表

5）在開窗作業過程中，要求操作平穩，送鉆均勻，并做到“少放、勤放”，要隨時注意扭矩變化情況，嚴禁頓鉆、溜鉆，防止井下鉆具事故的發生。注意觀察、收集井口返出的鐵屑、巖屑的形狀和數量，及時了解開窗進程，并根據鐵屑的大小和形狀及時調整參數。

6）當磨銑速度明顯低于正常磨銑速度時需要更換開窗工具。

7）磨銑出死點之前應保持參數穩定，鉆壓不宜超過8 t，防止銑鞋提前滑出窗口。

8）開窗過程中應按照每進尺1 m或者每鉆進30～60 min活動鉆具一次，及時替入高黏度鉆井液攜帶鐵屑。

9）當磨銑鉆進至鉆柱銑出下窗口后，開窗作業基本結束。

10）根據修窗及后續入井鉆具組合需要，鉆一定長度的口袋。

11）開窗作業結束后宜通過改變不同轉速修整上下窗口，停轉及停泵狀態鉆具上提下放無阻掛顯示。

12）在開窗過程中，如遇蹩扭矩，嚴禁帶扭矩上提鉆具。

13）起鉆之前應大排量充分循環，循環不低于2周，以有效清除井筒內鐵屑。

2.7 后續作業注意事項

1）起出磨銑工具，應檢查磨銑工具外徑。當鉆柱銑直徑磨損大于3.2 mm時（或參考服務廠家說明書），應考慮修窗。

2）起下鉆過窗口時應平穩操作，并控制速度不超過0.1 m/s。

3）后續下鉆具組合通過窗口時，馬達鉆具組合應在安全井段調整高邊至開窗工具面方位，遇阻不應超過5 t，否則應起鉆至自由位置后適當調整角度再次嘗試，仍無法有效通過時，應起鉆，下修窗工具重新修整窗口[10-11]。

4）底部鉆具組合通過窗口時，嚴禁旋轉通過；若底部鉆具組合帶馬達，不應開泵，以防鉆頭自轉造成復雜情況。

5）開窗后第一趟鉆應先使用馬達鉆具組合，嚴禁帶放射性隨鉆測井鉆具進行鉆井作業。

3 大斜度井開窗側鉆實例

3.1 C5H1井身結構及套管程序設計

C5H1井身結構及套管程序設計見表2。

表2 C5H1井身結構及套管程序設計

3.2 刮管通井鉆具組合

鉆具組合結構：Φ215.9 mm牙輪鉆頭+Φ165.1 mm浮閥+Φ165.1 mm鉆鋌2根+可旋轉刮管器Φ165.1 mm鉆鋌1根+Φ213 mm扶正器+Φ165.1 mm鉆鋌3根+Φ 165.1 mm震擊器+Φ127 mm加重鉆桿14根。

3.3 斜向器選擇及開窗鉆具組合

C15H1井設計從原井眼Φ244.5 mm技術套管1 912 m深度開窗側鉆，側鉆點井斜78.56°，上部井段全角變化率2.5°～4.5°/30 m，新井眼設計全角變化3°/30 m，選擇使用2.5°斜向器，窗口理論長度5.5 m。

采用一趟式開窗鉆具組合：斜向器+復合開窗磨鞋+Φ165.1 mm鉆鋌1根+循環接頭+Φ165.1 mm非磁鉆鋌1根+Φ171.5 mm測斜工具+Φ165.1 mm非磁鉆鋌1根+Φ165.1 mm鉆鋌6根+Φ127 mm加重鉆桿14根。

3.4 開窗及后續作業簡介

刮管通井結束后，組合一趟式開窗鉆具，下鉆至預定開窗深度1 912 m（上窗口深度），坐掛斜向器，脫手；開窗作業約12 h，開窗參數：鉆壓3～5 t，排量1 600～1 800 L/min，轉速60～110 r/min，泵壓12～14 MPa，扭矩18～26 kN·m；開窗結束，變換不同參數修整窗口至上提下放無阻掛顯示，起出開窗工具，檢查銑錐磨損情況滿足要求。

第一趟采用馬達鉆具組合，順利通過窗口，鉆進至整個底部鉆具組合出窗口；起鉆，更換旋轉導向鉆具組合，鉆進至著陸井深中完。

4 結論

1）與淺層或常規套管開窗作業相比，大斜度井套管開窗作業施工難度更大，操作要求更高，尤其是在很多操作細節方面要求更嚴格。

2）開窗時應嚴格控制參數，防止過早出現銑鞋磨損或“跳窗”現象，盡量提高開窗效率，保證窗口質量。修窗時可通過改變不同轉速，實現對上、下窗口分別修整。

3）后續鉆具組合通過窗口時，遇阻不應超過5 t，否則應起鉆至自由位置后適當調整角度再嘗試；多次遇阻，應考慮重新修整窗口。

4）為保護窗口，馬達鉆具組合應不開泵通過窗口，底部鉆具組合嚴禁旋轉通過窗口。

5）窗口附近容易堆積巖屑，起鉆過窗口前應盡量將窗口附近井段循環干凈。