超短半徑側鉆水平井鉆完井技術研究與應用

鐘 暉

（大慶鉆探工程公司鉆井工程技術研究院，黑龍江大慶 163413）

1 概述

近年來國內外開展了水力噴射式、導向彎管式、定向式等多種超短半徑水平井技術，能大幅提高油井產量和采收率，對油田老井剩余油藏的經濟合理開發具有積極的意義。

針對油田開發后期老井產量遞減、剩余儲量開采困難等問題，為滿足油田剩余油挖潛的迫切需求，2020年初在大慶油田公司、鉆探工程公司成立超短半徑攻關項目組，克服疫情影響，加緊技術攻關，開展鉆完井工藝、工具和儀器技術攻關研究，研制出高造斜率雙彎導向螺桿、高彎曲度T型篩管等20余項關鍵技術，成功應用15口井，初步形成了水平段可達200m以上的超短半徑水平井鉆完井綜合配套技術，為油田老井挖潛增油提供了新的技術手段。

2 小曲率半徑、高造斜率定向施工技術

超短半徑水平井靶前距離小、造斜率高，如何實現超短半徑定向鉆井成為該項技術的關鍵，為此開展了如下特殊工具及工藝研究：

2.1 研制小尺寸高造斜率的雙彎螺桿，實現了50°/30m 造斜率要求

設計2-7/8″（?73mm）雙彎角螺桿（見圖1），上部設計有鉸接式定向接頭，滿足了高彎曲角度的螺桿下入要求；采用1°+3°雙彎角結構，進一步提高螺桿造斜率（理論2.33°/m）；可根據現場需要調成3mm、5mm、7mm、8mm墊片，并可進一步提高造斜率和更好地滿足造斜要求。通過軟件計算及室內試驗，小螺桿最大的允許拉力可達420kN。

圖1 小尺寸高造斜率雙彎螺桿結構示意圖

2.2 研制雙鉸鏈螺桿，進一步提升造斜率

該型螺桿采用單向定向彎角鉸接結構。只能往一個方向彎，這樣可以避免上下鉸接頭角度相反的情況發生，避免擺方位穩不住或者不起方位的情況發生。同時設計井口可調節角度的結構，如在鉆井過程中需要調整彎角角度無需更換螺桿，并在井口就可完成調試，節省作業時間，提高工作效率（見圖2）。針對鈦合金萬向軸的斷裂，采用技術更為成熟的球鉸萬向軸。沒有了徑向擺動的力，從而大大降低斷軸的情況發生。為進一步增加防掉機構安全可靠性，改為大螺桿采用的六方防掉板與螺母配合相結合的方式，大大降低了脫扣的風險。

圖2 單向鉸接示意圖

2.3 特殊研制小尺寸PDC鉆頭，速度快、壽命高、安全可靠

優化設計的短刀翼小尺寸PDC 鉆頭，相對常規鉆頭冠部高度縮短50%，起下鉆順利，有利于定向造斜，機械鉆速快，壽命更高，無活動件，安全性更好，至目前15 口井現場應用30 只PDC 鉆頭，鉆頭出井基本完好，滿足定向和水平段鉆井要求。針對現場試驗中紫紅色泥巖鉆速慢的問題，研制了非平面齒PDC鉆頭，鉆速提高20%（見圖3）。

圖3 小尺寸PDC鉆頭實物圖

2.4 特殊定制高強度、高柔性的鈦合金鉆桿

該鈦合金鉆桿具有較高的力學性能，屈服強度更大，現場試驗時造斜和水平段全采用該鉆桿，滿足了超短半徑井的柔性和強度要求，并有效保證現場施工安全，并配備了無牙痕液壓鉗，有效保護了鈦合金鉆桿接頭。

2.5 研選超小尺寸MWD儀器，能適應高造斜率現場要求

超短半徑水平井的造斜率高，采用常規儀器難以滿足要求，國外采用有線濕接頭對接電纜的隨鉆儀器，國內各家儀器的技術參數還都達不到要求，研選到COMPASS 超小井眼MWD 儀器，外徑34.8mm，可承受最大狗腿度108°/30m，共施工15口井，下井76趟次，基本滿足超短半徑水平井現場施工要求，能夠無線隨鉆測量，實時上傳數據，工作穩定，操作簡便，尤其是可實現連續施工，源17-斜108 井一趟鉆完成造斜段，兩趟鉆完成150m水平段，鉆速最高達到6m/h。

3 超短半徑井高狗腿度井段完井管串下入技術

常規篩管無法下入，國外公司也嘗試柔性篩管、割縫篩管等多種完井管串，但仍有大部分井下篩管困難，為此特殊設計完井管串，以實現超短半徑完井工藝要求。

3.1 設計具有T型限位槽割縫篩管

當正向時可以彎曲，轉彎半徑為9m，滿足超短半徑井高造斜井段下入要求；當反向時不可彎曲，管體上的T 型筋接觸割縫產生拉力，保證反向時篩管處于平直狀態（見圖4）；因此既能彎曲又具有更高的強度，提高篩管的下入能力，在源29-5 井下入了80.9m 割縫篩管，臺8-斜36 井水平段下入了46.3m 割縫篩管，臺5-斜35井水平段下入100m特殊篩管，下入順利。

圖4 T型限位槽割縫篩管結構示意圖

3.2 研究新型暫堵完井管串

為進一步提高完井管串下入能力和安全可靠性，以滿足超短半徑完井的要求；研究新型暫堵完井管串（如圖5 所示），管串組合：?73mm 引鞋+?73mm 新型暫堵篩管（80.9m）+遇水膨脹封隔器+液壓丟手+?73mm鉆桿。

圖5 新型暫堵完井管串組合示意圖

將管串鉆孔后攻絲，將可溶螺釘把所有螺孔堵死，能夠滿足下鉆循環要求。通井時按照完井管串設計要求，通井管串下部連接相應長度暫堵篩管進行通井，通井到底后，通過丟手機構將相應長度暫堵篩管及通井簡易鉆頭留置井底，可溶螺釘在一定時間溶解后，管內、外通道打開，滿足后續抽采作業進液需求。

4 現場施工工藝

（1）通井、洗井及刮壁：下通徑規和刮壁器對老井眼套管進行通徑和熱洗井，并對開窗點位置進行套管刮壁。

（2）坐封斜向器：下斜向器，測伽馬磁定位校深、陀螺儀定方位并打壓坐封斜向器。

（3）套管開窗：下開修窗銑錐磨銑套管開窗，窗口內徑120mm，窗口長3m。

（4）造斜鉆進：孔徑114.3mm，采用無磁鈦合金鉆桿（MWD）+雙彎螺桿馬達鉆進。

（5）水平鉆進：增加動力水龍頭復合鉆進，MWD隨鉆測井控制軌跡，水平鉆進100m 以上，孔徑98.4～114.3mm。

（6）完井：篩管完井。

4.1 套管開窗工藝

大慶鉆探自研TKC-118 斜向器，雙向六卡瓦底部錨和鎖緊機構，具有強度高、操作簡便、安全可靠等特點，斜面角度3°、斜面長度1.7m，該開窗工藝已在油田累計使用50口井以上。

鉆具組合：?116mm斜向器+陀螺定位接頭+?73mm短鉆桿+?73mm鉆桿+?73mm短鉆桿。

套管開窗作業步驟：

（1）套管內清洗通井、刮壁施工；

（2）斜向器坐掛作業；

（3）套管開窗作業。

開窗磨銑注意事項：輕壓慢轉方式磨銑出均勻接觸面，改用中壓磨銑；磨銑中若出現刮卡，應提起反復劃銑，直至無阻卡現象；磨銑完畢，充分循環，直至返出物中無鐵屑后起鉆。

4.2 造斜鉆進

采用2-7/8″[?73mm×(1°+3°)]雙彎角螺桿配合?114.3mm PDC 鉆頭進行造斜段鉆進，上部連接小MWD儀器可實現實時井底參數監控，并使用鈦合金鉆桿實現高彎曲井段的傳遞鉆壓扭矩。鉆進參數：鉆壓5～15kN，排量5～10L/s。

工序：

（1）連接螺桿馬達，用泥漿進行功能測試，正常后，停泵。

（2）連接、安裝MWD儀器，開泵測試儀器。（3）測量、標記角差（包括陀螺定位接頭）。

（4）接鉆頭下鉆。下鉆過程中大鉤處于解鎖自由轉動狀態，當馬達通過開窗位置時要平穩，如果鉆具不能通過，不可猛烈下放，可嘗試轉動一定角度下放。

4.3 水平鉆進

采用2-7/8″(?73mm×1.5°)單彎角螺桿配合?114.3mm PDC鉆頭進行水平段鉆進，上部連接小MWD儀器可實現實時井底參數監控，并使用鈦合金鉆桿實現高彎曲井段的傳遞鉆壓扭矩。鉆進參數：鉆壓10～30kN，轉速0～50r/min，排量5～10L/s。

工序：

（1）連接螺桿馬達和MWD 儀器及鈦鉆桿，以不同排量對螺桿和儀器進行地面測試。

（2）測量角差，按設計鉆具組合連接鉆頭下鉆，保持大鉤處于解鎖自由轉動狀態。

（3）每10柱灌漿一次，繼續下鉆到窗口頂部之上。

（4）過窗口要下放平穩，不可猛提猛放，遇阻可嘗試旋轉一定角度下放。

（5）以滑動模式鉆軟著陸井段12m左右，然后以滑動或旋轉模式鉆進3-7/8″水平段，依據定向井設計，現場每0.5m 撈取地質砂樣，按定向井工程師的指令鉆井到設計井深。每鉆進2 個單根需要泵入1m3稠漿清洗井眼以確保井眼干凈。

（6）上下活動鉆具觀察懸重，反復活動鉆柱以確保鉆柱不受壓，下放鉆柱到自然懸重。

（7）繼續起2-7/8″鉆具組合，立回2-7/8″鉆桿柱。

4.4 完井

推薦采用水平井篩管完井方式完井。井眼準備:

（1）組合通井洗井鉆具組合。

（2）繼續下鉆到完鉆井深。（3）用高粘完井液洗井眼。

（4）用活性完井液替出鉆井液。

（5）起鉆，立回2-7/8″鉆柱桿。

通井鉆具組合：3-7/8″鉆頭+2-3/8″鈦鉆桿+變扣接頭+2-7/8″鉆桿。

完井鉆具組合：?73mm套管引鞋+?73mm繞絲篩管+遇水膨脹封隔器+液壓丟手+?73mm鉆桿。

工序：

（1）組合下部完井工具；

（2）下入2-7/8″鉆桿到窗口頂部之上；

（3）連接動力水龍頭?；瑒酉路磐昃M合通過造斜段并送達設計深度；

（4）投球，憋壓，打開丟手工具；

（5）上提鉆具，從丟手接頭中退出；

（6）起鉆，甩下2-7/8″鉆桿和上部丟手接頭。

5 現場應用情況

目前，完成15 口井現場應用，其中最短鉆進周期5.5d，最長水平段206m、最高砂巖鉆遇率100%、最大狗腿度70°/30m，最小靶前位移31.2m，水平段實現全部下入特制篩管的目標，鉆進周期呈明顯縮短趨勢。

已投產8 口井，累計產液9309.2t，累計產油3084t，相對原井產油量提高1.6～11.2倍，增油效果明顯，尤其是茂加44-斜741井，實現了首口超短半徑井壓裂施工改造，日產油達到6.72t，為頭臺油田薄差儲層挖潛找到了新途徑。

6 總結

大慶鉆探自主研發的超短半徑水平井技術，實現了40m 曲率半徑、200m 水平段長的技術指標，研制研選出側鉆開窗工具、高造斜率螺桿、鈦合金鉆桿、超小尺寸MWD 儀器、新型篩管等一系列工具儀器，滿足現場施工要求，實現了老井剩余油增產改造，增油1.6～11.2 倍，增油效果明顯；下步將加大技術攻關，不斷提升技術指標和施工能力，為油田剩余油挖潛，老井提產提效提供支持。