基于無線隨鉆測量式超短半徑水平井鉆井技術

摘要：為了解決油田開發后期老井產量低、含水高的難題，通過采用小尺寸高彎曲度MWD隨鉆儀器配合高造斜率螺桿的方法，實現了在老井上部井段側鉆出超短半徑水平井，攻關研究大曲率造斜和水平鉆進的技術，通過設計研發小尺寸高彎曲度MWD隨鉆儀器、高造斜率螺桿等專用工具，并結合現場施工要求，創新基于無線隨鉆測量方式的超短半徑水平井鉆井技術。結果表明：該技術具有施工效率高、實時監測井下參數、軌跡控制精度高等優點，可以實現老井剩余油儲層定向挖潛改造，擴大泄油面積，改善油井生產條件，提高采收率。

關鍵詞：螺桿；側鉆；超短半徑；造斜

中圖分類號：TE921.1 " " " " 文獻標志碼：A " " " doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2024.03.008

Ultra-short Radius Horizontal Well Drilling Technology Based on Wireless Follow-Drill Measurement

WANG Chunhua1，3，ZHONG Hui1，ZHENG Dianfu 1，LI Jijun2，DING Minghai2，WANG Changhao3

（1. Daqing Drilling Engineering Company Drilling Engineering Technology Research Institute，Daqing 163413，China；

2. Daqing Drilling and Exploration Engineering Company，Daqing 163413，China；

3. Northeast Petroleum University，Daqing 163318，China）

Abstract： In order to solve the problem of low production and high water content in old wells at the late stage of oilfield development，the ultra-short radius horizontal wells were drilled on the upper well section side of the old wells by adopting the method of small-size and high-curvature MWD follow-drill instrument with high slope-rate screw，and the technology of large-curvature inclination and horizontal drilling was researched. Through the design and development of the small-size and high-curvature MWD follow-drill instrument，high inclination screw and other special tools，and the combination with the design and development of special tools such as small-size and high-curvature MWD drilling instruments and high inclination screws，and the combination with the requirements of field construction，the ultra-short radius horizontal well drilling technology based on the wireless drilling measurement method was developed. The results show that this technology has the advantages of high construction efficiency，real-time monitoring of downhole parameters and high precision of trajectory control，and the indexes have reached the domestic leading technology level，which can realize the directional digging and transformation of the residual oil reservoir in old wells，expand the oil drainage area，improve the production conditions of wells and increase the recovery rate.

Key words： screw；sidetrack；ultra-short radius；syncline

隨著油田的逐步開發，如何利用老井有效地開發剩余油藏已經成為大慶油田亟待解決的問題之一。近年來國內外采用老井上部側鉆出水平井的方式增加泄油面積以提高老井產量，但老井目的層上部隔層普遍存在厚度薄、層系多的問題，因此需要造斜段越短，穿過夾層越少對后期采油影響越少，為此需要采用超短半徑水平井技術。國內外通過水力噴射式、導向彎管式、定向式等多種超短半徑水平井技術［1］，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［2 -4］。2019年大慶油田應用國外超短半徑水平井技術，能夠有效利用老井效率和產量，單井最高可增油7倍左右，對大慶油田老井剩余油藏的經濟合理開發具有積極的意義。目前國內中國石油勘探開發科學研究院、中國石油大學、大港油田、勝利油田、中原油田鉆井院、中國地質大學等都已開展相關技術研究，并部分已進行現場應用。2020年大慶鉆探工程公司開展了超短半徑水平井鉆完井技術研究，研制特殊工具和相應儀器設備，研究安全、有效的現場施工工藝，實現超短半徑鉆井、實現老井重復利用，為油田穩產和降本增效提供有效技術支撐［5-8］。

1 超深短半徑水平井施工難點

1） 曲率半徑小、造斜率高，常規工具儀器無法滿足要求。

超短半徑水平井曲率半徑一般為16 m以內，造斜率高需要達到108 （°）/30m以上，常規的螺桿多為1.5°單彎螺桿，其造斜率一般僅為15 （°）/30 m左右，無法滿足超短半徑井高造斜率要求。

調研國內外斯倫貝謝、貝克休斯、貝威通、22所、六合、中海北方、浙江競聯等多家井下儀器廠家，存在：{1}儀器外徑尺寸大（42 mm），無法滿足114 mm井眼鉆具要求；{2}可適應狗腿度小（50～100（°）/30m），無法滿足超短半徑井高造斜井段要求；{3}大部分廠家未鉆過超短半徑井，儀器無成功案例，需要試驗驗證可行性。因此常規MWD無法滿足要求，國外采用有線儀器進行超短半徑水平井鉆井，通過有線電纜的方式去除了井下儀器的脈沖發生器和電池等部件，減少儀器長度和外徑，以滿足超短半徑井的工況要求。

2） 造斜段短、造斜率高，軌跡控制難度大。

超短半徑水平井造斜段一般為30～80 m，造斜率要求高，由于儀器和螺桿長度的原因，使得測量零長在6 m以上，對軌跡控制影響大，若出現造斜率異常，調整的空間十分受限，極有可能無法按照設計軌跡繼續鉆進，造成井眼報廢，重新側鉆。

3） 井徑小，螺桿尺寸受限，扭矩小鉆速慢。

超短半徑水平井一般為139.7 mm套管開窗，受套管內徑限制，窗口尺寸最大為120 mm，造成側鉆井眼不大于118 mm，受上述井眼限制，螺桿外徑受限，一般不大于89 mm，而長度方面受儀器零長越短越好的要求，需要不大于2.5 m，因此螺桿動力節級數低（1～1.5級），扭矩小（不大于300 N·m），極大地影響機械鉆速，而增加鉆壓又使得螺桿頻繁制動，影響施工效率［9-11］。

4） 小尺寸牙輪壽命低。

由于高造斜率要求，國外采用小尺寸牙輪鉆頭定向造斜，牙輪鉆頭具有工作穩定、反扭矩小、造斜率高的優點，但由于軸承尺寸小，牙輪壽命低（30～60 h）的問題，且國內江鉆等廠家無成熟產品，需要特殊研發，只能使用國外牙輪，價格昂貴。

5） 施工難度大，極易發生井下復雜。

由于狗腿度變化大、井徑小，極易發生上提遇卡、下鉆遇阻、扭矩突然變化、井壁剝落、螺桿制動、井下工具儀器斷裂等復雜事故，施工難度大。

2 超短半徑水平井地質工程一體化技術

結合實際生產難題，深入刨析地質影響及工程難點，通過近3年的持續優化升級，形成了超短半徑水平井地質工程一體化技術。

1） 精細解剖油藏，確定選井、選層標準，提高增油效果。

開展長垣老區中高滲透薩葡油層，外圍低滲透葡萄花油層，外圍特低滲透扶楊油層，海塔盆地復雜巖性儲層等四類儲層油藏精細描述評價，準確分析不同類型油藏剩余油分布規律，進行150余口井評價分析，確定了選井選層標準，并進行地質、儲層動用、單井優化等全方位設計優化，提高改造后增油效果。

2） 優化工程設計提質提效。

建立側鉆水平井油藏方案設計技術流程，如圖1所示，根據選井選層技術標準，通過精細地質研究、動靜結合綜合分析、油藏數值模擬，精準量化井間剩余油、精準優化水平段參數及軌道設計、精準產能預測、精準效益評價等多項分析優化，實現了工程地質緊密結合。

3） 形成地質工程一體化工作流程。

以質量和效益為中心，實現了方案設計、地質分析、油藏評價、鉆井施工、壓裂方案、效果分析等多流程閉環優化，現場依據儲層特征、開采特點等地質情況、結合實際施工情況，實時優化調整軌跡，形成了地質工程一體化技術。

3 超短半徑水平井特殊工具及鉆井技術

首創采用高曲率MWD儀器無線實時監測井斜，配合高造斜螺桿鉆井方式的無線隨鉆測量式超短半徑鉆井技術，可實現高造斜率復合鉆進、長水平段定向復合實時切換等能力，大幅提高鉆井效率。而國外技術是采用有線電纜對接的儀器，每次復合鉆進時需要斷開內部電纜，測量時再下電纜連接，操作較為復雜，目前30 m曲率超短半徑井也向無線式發展。

3.1 研制超短半徑特殊工具

為滿足超短半徑鉆井的要求，自主研發一批特殊鉆井、完井工具，如表1所示，性能指標達到國內領先技術水平。

3.1.1 超短刀翼小尺寸PDC鉆頭

國外超短半徑技術采用牙輪鉆頭造斜，雖然造斜率高、反扭小，但壽命低、成本高。研發超短刀翼小尺寸PDC鉆頭，經三代鉆頭的迭代升級，如圖2所示，國內首次實現PDC鉆頭小井眼高造斜鉆井。

優化設計的超短刀翼鉆頭，冠部高度僅為75 mm，相對常規鉆頭縮短50%，起下鉆順利，有利于定向造斜；采用PDC鉆頭相對牙輪鉆頭機械鉆速快、無活動件、壽命更高、安全性更好；選用非平面切削齒破巖效率更高，強度更高，提速效果。

3.1.2 小尺寸高造斜螺桿系列工具

超短半徑井造斜率要求高，國內北石、大港、立林等專業廠家無法滿足，需要特殊設計研發高造斜螺桿，研制出I、II、III共三型高造斜螺桿，滿足不同曲率超短半徑井需求。

1） 雙彎角高造斜螺桿（I型）。

高造斜需要設計4°以上彎角，常規單彎角螺桿無法在139.7 mm套管內下入，為此設計成兩節螺桿馬達接頭，（下彎點3°、上彎點1°），如圖3所示，造斜率達到60（°）/30m。采用多墊片設計，可根據現場需要調成3、5、7、8 mm墊片，并可進一步提高造斜率，滿足精確控制軌跡要求［12-13］。

2） 雙鉸鏈支撐式高造斜螺桿（II型）。

創新設計具備井壁推靠機構，如圖4所示，可通過鉆井液液力使活塞伸出，推靠井壁形成造斜力；創新設計雙鉸鏈結構，增加近鉆頭鉸鏈，進一步提升彎曲能力和通過性，降低下入卡阻力。采用井口可調節角度的結構，井口調節機構實現不同造斜率，提高工作效率；研發鈦合金萬向軸、球鉸萬向軸兩種機構，提高安全性；設計二級螺桿動力節，輸出扭矩達700 N·m，提高1倍以上；設計安全防掉機構，采用六方防掉板與螺母配合相結合的方式，增加安全可靠性。

3） 可調扶正器高造斜螺桿（III型）。

創新設計高強度結構，實現了大曲率井段復合，達到國內最高指標；創新護色劑可調扶正器結構，可根據不同尺寸精細調整造斜性能；設計高扭矩高壽命定轉子，優化內擺線，噴涂硬質合金涂層，效率提高10％，壓降減小30％；采用鈦合金滾柱式全密封萬向軸，擺動靈活，承受扭矩更大，壽命更長；設計三級安全防掉機構，上、中、下三套防掉，增加安全可靠性。通過以上五項特殊設計，研制成熟兩種規格高造螺桿，理論造斜率193.6 （°）/30m（曲率半徑8.9 m）、實際造斜率達到162.66 （°）/30m、壽命100 h、扭矩700 N·m、可實現高曲率造斜段復合鉆進、造斜+水平一趟鉆，各項指標達到國內領先水平。

3.1.3 高強度萬向鉸接頭

設計研發球頭鉸接機構，下鉆時為活接，保證下入，施加鉆壓后為固定彎角1°，保證造斜；實現了柔性彎曲，并具備密封和傳遞鉆壓、扭矩的功能，抗拉500 kN、扭矩20 kN·m國內最高紀錄，性能可靠，有效提高彎螺桿通過性及造斜率。

3.1.4 柔性鈦合金鉆桿

研選定制了高強度、抗疲勞耐彎曲的無磁鈦合金鉆桿，如圖5所示。優化了加厚過渡帶的結構，提高強度，加厚形式為內平外加厚，采用一次加熱鐓粗成型工藝，減緩了內過渡帶的表面突變，降低了應力集中，提高了鉆桿性能，創新設計了PH6雙梯特種扣鋼接頭，有效提高使用壽命。

3.2 研選并改進小尺寸高彎曲度MWD儀器

超短半徑水平井造斜率高，常規儀器難以滿足要求，前期調研了國內外貝克、哈里伯頓、中天、六合等多家儀器都達不到要求，研選到COMPASS超小井眼MWD儀器，曲率可達108 （°）/30m以上，實現了高曲率無線隨鉆測量鉆進。此外，將COMPASS小尺寸MWD進行了儀器改進優化，儀器增加3節柔性短節，能夠變形、改變方向，增大過流面積，彎曲能力提高67%。

3.3 高造斜定向施工技術

超短半徑水平井存在造斜段短（30～80 m），摩阻大、井徑小、造斜率高等技術難題，在研制上述特殊工具基礎上，進行大量試驗和不斷優化改進，研究高造斜定向數學模型、地層特性對造斜率影響、準確預計反扭角和扭擺定向技術等3項關鍵技術，實現超短半徑安全、優質、高效施工。

3.3.1 建立超短半徑高造斜定向數學模型

超短半徑井螺桿無上穩定器，常規螺桿造斜率計算方法誤差較大，為此綜合螺桿結構、地層特性、鉆進參數、井身幾何形狀等因素，創新建立了“三點繪圖法” 造斜率計算數學模型，通過大量現場試驗與修正，計算的造斜率與實際造斜率誤差較小。

計算模型原理：將螺桿鉆具上部1根鉆具或接頭、螺桿鉆具和鉆頭按實際尺寸（包括長度、外徑、彎點距、墊片厚度、鉆頭外徑等）連接，完成后采用三點畫圓功能，選取管串下部三個點（鉆頭、螺桿墊片和螺桿上部）相切畫圓，該圓半徑即為該螺桿鉆進的曲率半徑，通過曲率半徑可知螺桿造斜率。

建立了修正三點定圓法+偏心墊塊造斜率預測模型：

式中：k為鉆具的幾何造斜率，（°）/30m；γ為結構彎角，（°）；L1為下穩定器到鉆頭的距離，m；L2為彎點到下穩定器的距離，m；LT為上穩定器到鉆頭的鉆具總長度，m；LS為穩定器間的鉆具長度，m；λ為彎點位置影響因子，它反映了彎點位置對鉆具造斜率的影響，無因次。

3.3.2 建立螺桿通過能力計算模型

套管通過能力和不同鉆壓下力學分析如圖6所示。

彎點偏移度h的計算公式為：

強度按照GB3077—2015材料屬性，對95 mm單彎螺桿彎曲強度校核，安全系數1.36gt;1.15滿足要求。

摩阻采用數值模擬研究，根據模擬結果，20～30 kN的鉆壓條件下，可順利通過井眼。著陸+水平段小彎角螺桿通過能力：著陸+水平段選用1.5°單彎螺桿，更換小角度螺桿后，等效為一段鉆柱，強度滿足要求，調整螺桿工具面，循環鉆井液后可通過井眼。運用理論分析+數值模擬方法，從強度、摩阻條件下得出，造斜段（1+3°+墊塊、1+3.5°、1+3.25°），水平段（1.5°）單彎螺桿鉆具均能滿足通過要求。

3.3.3 結合地層特性準確預計反扭角實現精準定向施工

通過精確的計算和施工經驗積累，準確掌握了直井側鉆第一趟鉆盲打段施工規律，準確預估了不同地層和螺桿條件下反扭角的設定，確保方位偏差做到最小，保證了井眼軌跡精確控制［14-15］。

通過精確設計計算和現場施工情況判斷，現已掌握了超短半徑水平井定向施工規律，能夠準確判斷井底鉆頭狀況，對于造斜率過高的螺桿，及時采用扭擺定向工藝，避免頻繁起下鉆，節省鉆進時間，縮短施工周期。

3.4 精準地質分析導向技術

實時監測巖屑，進行巖屑分析及氣測解釋，鉆前應用GeoFacies軟件建立三維地質模型、應用導向軟件建立原始模型建模；鉆中定向段根據實鉆軌跡等現場數據，采用標志層法校對地層構造，確保準確著陸；水平段應用氣測、巖性的對稱性校對地層傾角，實現了儲層精準預測和井眼軌跡實時調整，保證目的層砂巖的有效鉆遇，平均儲層鉆遇率達到97%以上。

3.5 超短半徑優快鉆井技術

不斷優化改進工具，提高工具性能指標，優化現場工藝形成了大慶獨有的如下5項優快鉆井技術。

1） 造斜段復合鉆進技術。

國內外技術多采取左右扭擺控制井斜，但調整有限且風險高，本項目首次實現在臺12-斜28井造斜段能夠復合鉆進可快速降斜，復合9 m后再次增斜順利入靶，大幅提高鉆速，節約鉆井周期2 d，增加了軌跡控制手段。

2） 水平段復合鉆進技術。

國外技術受高曲率和有線式儀器限制，水平段極少復合，采用扭擺鉆進；本項目首次實現18 m曲率半徑水平段大段的復合鉆進，鉆速可達10 m/h以上，大幅提高鉆速和施工效率。

3） 全井鈦合金鉆桿減阻技術

由于超短半徑狗腿度大，尤其是軌跡中出現局部狗腿度大時，摩阻增大，嚴重影響正常施工，上提下放鉆具卡阻，首次實現全井鈦合金鉆桿鉆井，可大幅減少鉆具摩阻，提高鉆井效率。

4） 造斜段+水平段一趟鉆技術。

常規的為造斜段用高造斜螺桿，水平段換1.5°單彎螺桿。研究高性能螺桿配合鈦合金鉆桿，并精確的軌跡控制，保證上部井段井身質量降低摩阻，本項目首次實現一趟鉆技術，用1只螺桿完成造斜段和水平段鉆井。

5） 轉盤驅動鉆井方式。

國外采用動力水龍頭進行超短半徑鉆井，需要安裝特殊設備。通過攻關試驗本項目實現了常規修井機的轉盤驅動超短半徑鉆井，增加滾輪方補芯和加長吊環等，成本更低、效率更高。

4 超短半徑水平井低固相高性能鉆井液

由于井眼尺寸小、曲率高，并鉆遇大段泥巖地層，鉆井液性能要求較高，通過攻關分析攜巖、摩阻、井壁失穩等3方面問題，開展流變性、潤滑性和抑制性的提升，形成了超短半徑水平井鉆井液，具體參數如表2所示，經現場試驗驗證，滿足超短半徑井施工要求。

4.1 流變性優化

利用聚合物類處理劑提高液相粘度和形成空間網狀結構機理，開展聚合物類降濾失劑和增粘劑優選，形成的低固相高性能鉆井液體系動切力為8～15 Pa，動塑比≥0.40，滿足窄間隙環空攜巖要求。

4.2 抑制性優化

為有效解決青山口和泉頭組泥巖地層，易發生水化膨脹和分散、井眼縮徑卡鉆等井壁失穩等問題，采用聚胺類有機抑制劑的質子化銨離子插入粘土晶層原理，以及氯化鉀無機鹽鉀離子晶格固定作用，提高抑制性。配制體系泥巖滾動回收率在95%以上，16 h線性膨脹lt;30%。

4.3 潤滑性優化

針對高曲率造斜段曲率大，小井眼水平段易形成巖屑床堆積，鉆進過程摩阻較高影響機械鉆速的問題，優選出具有非離子型表面活性劑特點的聚合醇類潤滑劑，利用相分離作用形成憎水似油相附著在固相顆粒與鉆具表面，實現潤滑性能提升。配制的鉆井液體系極壓潤滑系數＜0.08，摩阻系數降低率可達85%以上。

5 現場應用情況

目前，現場試驗及推廣應用47口井，最小曲率半徑15.48 m，最長水平段206 m，最短鉆進周期3.2 d，建井周期9 d，單井初期日增油3.1 t，累計增油2.25×104 t。

其中頭臺油田茂加44-斜741井實現超短半徑井首口固井、壓裂，增油效果突出。該井由大慶鉆探井下作業分公司C10655隊施工，鉆達井深1 733 m，靶前位移（入靶點距原井筒）44.82 m，水平段長133 m，最大狗腿度44.17 （°）/30m；砂巖鉆遇率100%；含油鉆遇率100%。本井側鉆措施前日產液0.9 t，日產油0.6 t，含水38.0%，累計產油740 t，采出程度4.5%。2021-05，對FⅡ1層側鉆，進行固井和壓裂（1 400 m3液、150 m3砂），措施后日產液12.5 t、日產油7.5 t，含水37.0%，累計增油 1 964 t。

臺105區塊規模應用超短半徑技術12口井，措施初期平均單井日增油4.8 t，日增液量46.5 t、日增油量13.5 t，累積增油量為9 100 t；預計到2025年累積增油量可達20 000 t，提高采收率1.04%。

6 結論

1） 攻關取得了超短半徑水平井地質工程一體化技術、特殊工具及鉆井技術、完井技術、低固相高性能鉆井液技術等4項創新成果，突破了多項技術壁壘，創造了定向段復合、造斜定向一趟鉆、螺桿造斜率、儀器彎曲度等多項國內領先指標和紀錄，形成了無線隨鉆測量式超短半徑鉆井技術。

2） 創新研發高造斜螺桿、高彎曲完井管串等15項關鍵工具和儀器，形成系列化，滿足不同曲率超短半徑井施工要求，為精準鉆達目標層位、實現剩余油挖潛目的奠定基礎。

3） 實現了超短半徑完井管串全下入、替入完井保護液、固井、分段壓裂工藝，為保護油層、增大泄油面積提供了保障。

4） 制定了超短半徑施工工藝和規范，進行了47口試驗應用累計增油2.25×104 t，增油效果顯著，實現老井剩余油精準定向挖潛改造。

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