垂直钻井技术在直井侧钻中的应用

马永乾 唐志军 邵茹 牛洪波 曹向峰

胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院

HSH2井是准噶尔盆地西部隆起哈山山前构造带上部署的一口重点深探井。该井在施工过程中，Ø444.5 mm井眼钻遇大段的推覆体地层，在最易斜的井段采用了垂直钻井技术，很好地解决了山前高陡构造既防斜又打快的矛盾，但在后期中完作业中由于井下掉块卡钻必须填井侧钻。通过分析地层岩性特点和不同侧钻技术的适应性，制定了4种侧钻方案，最终首次采用垂直钻井技术进行侧钻，很好地处理了井下落鱼无法打捞的问题。

1 侧钻前卡钻处理及卡钻原因分析

HSH2井钻至一开井深2 022.00 m，在下钻通井至井深2 012.00 m时，开泵循环上提下放无显示，启动转盘，扭矩正常，开转盘下放钻具至井深2 022.00 m，扭矩明显升高，出现蹩钻现象，停转盘上提钻具时遇卡。上提下放仍未解卡，确定为钻具卡死。计算卡点位置为2 018.86 m，层位石炭系，卡点岩性为深灰色玄武岩。现场分析认为掉块导致扶正器处卡死。

为处理卡钻，采用震击153次(未解卡)下反扣钻杆倒扣成功。最终落鱼结构：Ø445 mm钻头+接头+Ø440 mm扶正器+Ø228.6 mm钻铤×1根。落鱼长度7.42 m，鱼顶位置2 014.58 m。

分析卡钻原因为：(1)对石炭系地层用常规钻(1 841～2 037 m)打出的井眼认识不充分，测井后直接采用大尺寸扶正器通井，风险性大；(2)该钻具组合下钻通井，有遇阻显示应及时起钻更换钻具组合，而井队下放划眼时开泵排量过大，达到46 L/s(大排量极易导致掉块上返填塞扶正器间隙，造成憋泵和蹩钻)，且转动转盘有扭矩波动时未及时停转盘，造成扭矩由8.7 kN·m迅速上升至17.0 kN·m，后又大力上提(拉力由600 kN增加至2 075 kN)和强扭(扭矩由8.7 kN·m增加至26.1 kN·m)，造成故障无法挽回，进而导致卡钻。

2 垂直钻井技术在侧钻中的应用

2.1 侧钻方案

由于井下落鱼经多次打捞无法全部取出，从而决定进行侧钻，制定以下裸眼侧钻方案。

(1)通过地锚斜向器侧钻，具体做法是在原井中下入地锚斜向器，以斜向器为支撑，通过斜向器的导向功能侧钻出新井眼［1］。这种侧钻工艺主要用于套管内定向侧钻，分支井也用这种方法进行裸眼侧钻，其特点是侧钻方位可控，且侧钻后有一定的井斜或者方位变化，侧钻成功率高。

(2)动力钻具悬空侧钻［2］，是在原井眼一定位置选定侧钻点，根据测斜结果，将工具面定在与老井眼方位相反的方向上，通过吊打或者反复滑动在低端形成键槽和台阶，然后适当加压直到形成新井眼。其特点是不需要注水泥塞、候凝等时间。

(3)动力钻具侧钻［1,3-4］，是在原井眼一定位置注水泥后填井，在了解水泥石抗压能力基础上，依靠水泥的支撑，通过动力钻具控时定向钻进侧钻出新井眼。其特点是可靠性好，成功率高，后期施工难度小，适用于各种不同情况侧钻需要，是目前普遍采用的一种裸眼侧钻工艺技术。

(4)垂直钻井钻具侧钻，根据本井为直井的特点以及落鱼处井斜接近2°的实际情况，考虑以后井斜控制的难度，提出了使用垂直钻井系统侧钻的方案，注水泥封固至指定位置，然后利用垂直钻井系统的纠斜能力，通过控时钻进打出新眼，完成侧钻。

2.2 方案对比和分析

HSH2井位于哈山山前构造带，且地层基本都处于二叠—石炭系，岩性以大段火成岩为主。在整个哈山地区钻井过程中都存在着地层倾角大、控制井斜困难、地层硬度大破碎困难、机械钻速低等问题，对各方案需要进行对比分析。

(1)地锚斜向器虽然侧钻成功率高，但是对于直井而言，由于其弯角较大，侧钻成功后需要进一步的降斜施工等措施，考虑到该地区本来地层倾角大，井斜控制难度大，且机械钻速低，因此降斜多增加了钻井周期，同时费用较高，不适用。

(2)动力钻具悬空侧钻主要问题在于造台阶，对于本井由于井斜问题，整个钻具对于侧钻没有承压点，且地层硬度大可钻性差，侧钻成功率过低，不适用。

(3)动力钻具侧钻对于本井是一个可行的方案，但是该方法为了保证侧钻成功必须从井斜和方位上与老井错开一段距离，同时复合钻进时井斜控制难度更大，这样就需要多次滑动钻进降斜，从而影响钻井速度。

(4)垂直钻井系统侧钻的原理是：垂直钻井系统外筒上均匀分布有一定数量的的液压柱塞，在钻进过程中，系统的测斜模块将实时监测到的井斜参数传递给控制模块,当井斜角达到一定范围时，纠斜指令通过控制模块传递至液压执行机构，柱塞在液压力的作用下沿井眼高边方向伸出，在井壁的反方向力作用下，产生一个指向井斜低边的侧向力，在该侧向力的作用下达到降斜的作用［5］，从而利用原井斜较大和水泥承压，通过少量的控时钻进即可成功侧钻，同时利用垂直钻井自身优势可以在保证井斜同时保持较高的机械钻速。

综合上述原因，准备采用垂直钻井技术侧钻的方案。

2.3 垂直钻井技术侧钻模型

目前已有了较成熟的自动垂直钻井系统底部钻具组合的力学模型，可以分析直井和斜直井眼中自动垂直钻井系统底部钻具组合的受力特征和造斜性能［6］。

侧向力为

钻头转角为

式中，PB为钻压，kN；Q为第1跨梁柱所受的集中力，kN；q1为第1跨梁柱因重力作用而受的均布载荷，kN；L1为第1跨梁柱中集中力到第1稳定器的距离，m；c为第1跨梁柱中钻头到横向集中力的距离，m；M1为第1跨梁柱所受的左端力偶，N·m；k为井身曲线的曲率，(°)/m；u1为第1跨梁柱的稳定系数；X(u1)、Y(u1)、Z(u1)分别为第1跨梁柱的放大因子；EI1为第1跨梁柱的抗弯刚度，N·m2；Pl为第1跨梁柱中点的轴向载荷，kN；y0和yl分别指钻头和第1稳定器的中心点的纵坐标，m。

式(1)和(2)中，PB、q和M1与井斜角正相关，因此侧向力和钻头转角与井斜角正相关。对于垂直钻井系统，井斜角越大其侧向力和钻头转角越大，降斜能力越强，从而实施侧钻的成功率越高。另一方面，侧向力和钻头转角与钻具组合特别是底部钻具组合中的扶正器的位置尺寸以及钻压等参数密切相关，因此，在实际施工过程中需要对钻井参数和钻具组合进行优化以达到最优的侧钻效果。

2.4 侧钻方案优化及施工

HSH2井的井身结构和侧钻前的井眼轨迹如图1和图2所示。侧钻的关键是侧钻点和侧钻井段的选择以及钻具组合的优选和钻井参数优化。

2.4.1 侧钻井段的选择

要提高垂直钻井系统侧钻成功率必须提高侧向力，因此需要选择井斜较大的井段。从图2可知，原井眼在1 900～1 950 m井斜增加较快，适合侧钻，因此垂直钻井系统侧钻及钻进井段为1 893～2 022 m，其中1 893～1 942 m为控时侧钻井段，1 942～2 022 m为正常钻进井段，共5趟钻。

图1 HSH2井井身结构Fig.1 Casing program of Well HSH2

图2 HSH2井侧钻前井眼轨迹Fig.2 Well trajectory of Well HSH2 before the sidetracking

2.4.2 钻具组合优选和钻井参数优化

应用Wellplan软件对垂直钻井系统的造斜能力进行分析，从而对钻具组合和钻井参数进行了优化，最终确定了不同井段的侧钻方案，并进行了现场实施。

(1)侧钻井段。钻具组合：Ø444.5 mm牙轮钻头+ Ø241.3 mm垂直钻井系统+ Ø428 mm扶正器+Ø241.3 mm滤网短节+ Ø228.6 mm减震器+ Ø228.6 mm钻铤+731×630转换接头+ Ø203.2 mm浮阀+Ø203.2 mm钻铤+631×410转换接头+ Ø177.8 mm震击器+ Ø177.8 mm钻铤+ Ø127 mm加重钻杆+411×520转换接头+ Ø139.7 mm钻杆。

钻井参数：钻压 0～20 kN(控时)、40～70 kN(判断出新眼)，排量 2 364～2 500 L/min，钻头提离井底空载循环泵压13.5 MPa，钻进泵压14.0 MPa。

钻井液性能：密度1.18 g/cm3，黏度190 s，塑性黏度61 mPa·s，动切力31 Pa，初终切8/20 Pa，中压失水2.4 mL，固相含量9%，含砂量0.3%，pH值10。

主要岩性：褐色凝灰岩、褐灰色玄武岩。

(2)侧钻后井段。完全进入新井眼后，开始加压钻进1 942～2 022 m，进尺80 m，主要岩性为褐色凝灰岩、褐灰色玄武岩，钻井液不变。钻井参数：钻压120～140 kN，排量 44 L/s，泵压 14.5 MPa。

钻具组合：Ø444.5 mm牙轮钻头+Ø241.3 mm垂直钻井系统+Ø428 mm扶正器+Ø241.3 mm滤网短节+Ø228.6 mm减震器+Ø228.6 mm钻铤+731×630转换接头+Ø203.2 mm浮阀+Ø203.2 mm钻铤+631×410转换接头+柔性短节+随钻震击器+Ø177.8 mm钻铤+Ø127 mm加重钻杆+411×520转换接头+Ø139.7 mm钻杆。

从1 893 m开始，控时钻进3 m，之后钻压渐渐从0增到20 kN钻至1 903 m，捞砂结果显示砂样中水泥达到了60%～70%。自1 903 m开始控压钻进，井斜渐渐降低，钻进到1 923.02 m井斜为1.22°，砂样中水泥降低到了40%，侧钻井段新眼、老眼井斜情况如图3所示。从测斜结果可以看出，从1 900 m以后井斜相差越来越大，说明侧钻成功。

图3 HSH2井侧钻井段井斜对比Fig.3 Deviation angle comparison between different sidetracking sections of Well HSH2

从应用情况看，使用垂直钻井技术一般可以将井斜控制在0.2°以内，有效解决了井斜控制问题，但是由于其使用成本过高，使用受限，在该地区今后钻井过程中建议综合空气钻井和垂直钻井系统纠斜，减少垂直钻井系统服务时间，从而综合控制井斜，提高钻井速度。从垂直钻井系统侧钻应用效果来看，从1 893 m以后开始产生新井眼，侧钻成功，后续井段通过垂直钻井系统的降斜作用，直至一开完钻井斜控制在0.1°以内，为后续钻井作业打下了坚实的基础。

3 结论及建议

(1)哈山山前构造带由于地层倾角大，自然造斜能力强，火成岩埋深浅，井段长，岩石可钻性差，用常规钻井技术会产生井斜控制与钻井效率之间的矛盾。

(2)采用垂直钻井技术有效地控制了井斜，机械钻速较高，但是使用费用过高，建议采用空气钻结合垂直钻井技术、空气动力钻具纠斜等技术综合提速和控制井斜。

(3)在哈山地区等高硬度、高研磨性、可钻性差的火成岩地层直井段钻进过程中，如果发生事故或者其他特殊情况必须侧钻时，因为地层强度与水泥石强度的差异，常规侧钻手段都会对后期的作业造成一定的影响，而使用垂直钻井技术不但能够提高侧钻成功率，而且能够很好地控制井斜，为以后施工奠定基础。