大港油田长新5磨铣套管救援井设计与实践

付友义, 周洪林, 陈佳杰

(1中国石油大港油田分公司 2中国石油渤海钻探工程有限公司)

大港油田长5井在2012年12月9日解堵作业时井口发生爆炸，61 m和96 m井深处为套管断裂点，三层套管全部错断移位，井口处于失控状态，经多次井口修复找不到原井眼导致作业失败。为消除安全风险，决定钻长新5救援井，钻穿事故井油层套管及内部的油管，注水泥封堵。实施前调研国外Scientific Drilling International公司被动静磁场跟踪系统MagTrac，Vector Magnetics公司的主动测距Wellspot TM系列电磁场定位测距救援井技术，以上技术无钻穿套管的成功案例[1-7]。2013年在国内采用国外MagTrac技术实施了一口救援井案例[8]，贴近落鱼底沿老井眼钻至盖层中下部位置后下套管固井，然后分段射孔挤水泥封堵，该井施工周期长，技术服务费高。因此，决定采用磁感应定位技术实施长新5救援井，克服在中深层位置对接套管的不确定性误差、双层管柱扩碰磨铣难度等因素的影响，应用随钻磁感应精准定位技术，反演修正磁异常空间位置，通过多次调整弯螺杆工作状态，实现两井交汇，消除安全隐患。

一、救援井设计

1. 设计思路

由于事故井设计碰撞点在井深3 625 m处，计算不确定椭圆长轴半径为7.1 m，而随钻被动磁测距的有效探测距离仅为2 m。因此，先钻三段制试碰井眼，初步确定目标井套管位置，降低不确定椭圆误差对实钻轨迹的影响。在钻井过程中采用MWD被动磁感应技术探测事故井套管的磁干扰，如未监测到磁干扰，填井钻下一个靶点的试碰井眼；若发现磁干扰则填井，实施五段制小井斜的找碰井眼，钻至事故井套管的异常磁干扰区域后，采用随钻磁引导技术引导钻头实现碰撞，碰撞成功后进行磨铣、井眼连通、注水泥作业。

2. 井眼设计

由于随钻探测出套管在不同方向的水平磁场变化值波动较大，将直接影响救援井设计轨迹方位和能否及时探测出异常磁场。室内实验研究表明，正南、西南、东南方向的水平磁场异常值较高，容易探测到套管的磁干扰。因此，救援井口根据地面条件，碰撞轨迹方向设计在事故井偏南173.99°，在事故井井深3 500～3 650 m、方位32°～47°的位置，与目标井套管交叉。

在事故井长5井的油层段以上选择三个点，作为救援井试碰的靶点T1A、备用T1B、T1C靶点，垂深分别为3 618.54 m、3 568.54 m、3 518.54 m。第一试碰井眼钻至靶点T1A，如发现事故井套管磁场干扰确定套管位置后，侧钻实施磁引导找碰轨迹；未发现干扰则填眼继续侧钻T1B、T1C靶点探寻磁干扰。

试碰井眼T1A轨迹，造斜点3 230 m，造斜率2.4°/30 m，最大井斜12.61°，完钻井深3 625.5 m。两个备用靶点轨迹的井斜、方位相同，目标垂深、造斜点、位移不同。长新5救援井Ø339.7 mm表层套管下深500 m，Ø244.5 mm技术套管下深2 910 m封砂一段地层，三开Ø215.9 mm井眼钻至碰撞点与事故井井口连通后注水泥封堵(见图1)。

图1 长新5救援井钻井轨迹示意图

二、关键技术

室内实验表明，Ø139.7 mm套管在不同方向的被动磁感应距离有所不同，最高4 m，最低2 m，地下数千米地层中金属磁性元素及钻井液的存在减弱了套管磁感应距离。因此，需在特定方向上设计救援井轨迹，采用随钻MWD探测直至发现异常磁干扰，反演修正计算距离和方向后填井，微调方向及位移指向目标井套管。救援井关键技术包括试碰井眼设计、磁异常距离确定、套管磁定位、磁感应定位引导、碰撞磨铣及钻井液技术。

1. 试碰井眼设计

以三段制小井斜(11°～12°)接近事故井靶点探寻磁干扰。该轨迹与目标井套管相交，相对于大井斜可能发现磁异常的井段更长，实钻中加密测点有利于及时发现磁场异常。

2. 磁异常距离确定

在标准大地磁场的地面试验，将Ø139.7 mm单根套管入井9 m，采用磁测量工具对露出地表的管材进行测量，在地面八个不同方向和距离布置测点，测量测点的磁场异常值。参考国内仪器磁通门精度，取大于标准大地磁场0.5 μT(微特斯拉)为异常标准，实测数据中垂直磁异常有效距离为3 m，水平磁场异常有效距离为4 m。通过确定不同方向磁异常变化值，可初步反演修正正钻井与套管的距离。而实钻中钻井液、地层金属元素对套管磁场存在屏蔽现象，表现为不同地层磁导率值要小于真空磁导率，因此需要根据经验数据进行反演修正，距离定位精度为0.5 m。

3. 套管磁定位

石油套管可产生大于大地磁场强度的异常磁场，随钻磁感应定位技术是通过随钻MWD探测工具密集测量，对实钻磁分量中的异常水平磁分量数据进行回归反演，确定测点处事故井套管的相对位置。救援井位于事故井北方向，且为小井斜，异常水平磁干扰对真实方位影响较小，2 m内方位计算误差小于5%。

4. 磁感应引导技术

采用MWD随钻被动探测事故井套管的磁场参数，确定有效的磁场异常后，使用磁分量异常值反演出事故井套管的相对位置，引导钻头轨迹前进。长5井所在地区的大地磁场强度标准值为53.7 μT，地磁倾角标准值为57.9°，设定测量磁场强度或磁倾角与标准值变动±1%范围为正常，1%～2%为异常，超过2%为严重异常。救援井测点发现事故井磁感应异常后，根据垂直、水平磁场异常变化数据反演修正计算事故井的距离及方向，引导救援井轨迹方向。当测点的水平磁异常变化值达高峰，垂直磁异常变化值相对平缓时，则判定距目标套管大约0.5 m。经多个测点的反演修正计算判断套管的相对位置，用弯螺杆扭方位或调整井斜去找碰套管，成功后换PDC钻头扩碰磨铣，实现两井的交汇连通。

5. 碰撞磨铣

采用牙轮钻头+螺杆钻具用于轨迹调整，工具面摆放较为容易，且钻头与套管碰撞时反应明显，易于司钻发现井下异常。考虑到牙轮钻头磨铣作业中易发生牙轮掉落，且牙轮钻头切削端面不如PDC钻头规则，无法形成规则的交汇窗口。因此，使用牙轮钻头找碰成功后，起钻更换PDC钻头进行窗口扩碰磨铣。

6. 钻井液性能

由于救援井的井底连通窗口容易发生堵塞，因此磨铣过程中随时调整好钻井液的黏度、切力等性能，满足井壁稳定和携砂要求[9]。另外，洗井常用的高黏度、高切力钻井液会增加流动阻力，窗口磨铣成型后，应降低钻井液黏度、切力，充分循环打通井下通道，如未连通可关封井器反复憋压加速连通。观察到事故井返出钻井液后，方可进行注水泥封堵作业。

三、救援井实施

救援井于2019年1月28日一开，1月31日二开，2月15日三开，3月3日试碰井眼钻至井深3 583 m发现磁异常，继续钻进至3 625 m未碰到事故井套管，打水泥塞填眼侧钻。3月11日在井深3 065 m进行侧钻，3月25日2∶20在井深3 586 m碰撞成功，3月26日下入PDC钻头磨铣至3 587.60 m，起钻注水泥封堵。救援井井身结构：Ø444.5 mm×486 m+Ø339.7 mm×484.77 m+Ø311.1 mm×2 931 m+Ø244.5 mm×2 928.49 m+Ø215.9 mm×3 625 m。

1. 试碰轨迹控制

2月25日18∶00在井深3 227.29 m开始造斜，钻进中在测点3 583.80 m、3 585.73 m、3 588.79 m、3 598.47 m、3 603.11 m探测到有效磁干扰，在测点3 583.80 m、3 585.73 m、3 588.79 m分别出现了最大磁异常变化值-1.48 μT、-1.92 μT、-1.65 μT，计算异常比值为3.86%、5.02%、4.31%(见表1)，均超过了严重磁异常2%的标准，通过反演修正计算套管磁干扰方向，在救援井方位线右60°～80°区域，计算得到与事故井套管相距1.3 m。受MWD 18 m探测工具盲区影响，判断与事故井套管的最近距离点已过，钻至3 625 m填眼侧钻。

表1 试碰井眼与事故井磁定位数据

2. 找碰轨迹控制

以试碰井眼3 585 m为目标点，轨迹方位线向右平移1.3 m，采用五段制轨迹设计在3 566 m降直，与事故井套管形成顺行缠绕的方式，逐渐接近目标实现引导碰撞。在3 065～3 078 m井段使用弯接头+直螺杆侧钻成功，后下入单弯螺杆+PDC组合，钻至井深3 540 m发现磁场异常，判断已进入目标井套管磁异常区域，起钻换牙轮钻头，钻具组合改为刚性碰撞组合。

通过分析磁感应异常数据，调整磁引导碰撞轨迹，反演修正计算出救援井位于事故井套管右侧。为验证计算的准确性，向左侧调整方位再次确认计算，在测点3 536.50 m处垂直异常值为1.94 μT，超出标准值4.37%，经计算与事故井套管相距小于1.5 m，位于右63°(表2)，向左侧增斜向小扭方位。

表2 长新5井磁感应引导碰撞数据

钻进至测点3 546.22 m后增斜至2.5°，此时方位由171°降至154°，钻至测点3 549.00 m数据表明磁感应异常信号逐渐减弱，钻头穿过套管井并位于左侧，磁测距离为1.5 m。

继续向右调整方位由154°扭至180°，钻进至测点3 569 m，水平磁感应强度再次经历了由弱变强达到峰值的过程(见表2)，通过反演修正计算事故井套管位于救援井轨迹下方相距0.5 m，水平异常差值为-2.57 μT，判断救援井已贴近事故井套管，决定降斜实现两井相碰。

滑动钻进至3 586.00 m，无进尺、蹩泵、转动钻进扭矩上升，钻具出现规律性的蹩跳，采用60 r/min转速磨铣至3 586.50 m，钻井液漏失21 m3，找碰套管成功。25日4∶00起钻，11∶30钻具起至2 803.00 m关封井器，长5事故井井口涌出钻井液。

井深3 587 m录井钙元素含量由4.57%上升至7.31%。起出牙轮钻头HJT437G，1号牙轮断齿2个，2号牙轮断齿2个，3号牙轮断齿4个，都为中排齿断，巴掌有划痕，表明钻头钻破长5井套管。

3. 磨铣窗口

下入MD9441H PDC钻头扩碰磨铣，用时2 h磨铣进尺1.1 m，结束井深3 587.60 m。起出PDC钻头牙齿完全磨平，使用强磁铁收集铁屑近2.5 kg，计算洞穿套管应产生2.18 kg铁屑，说明钻头已钻穿长5井Ø139.7 mm油层套管及内部Ø73 mm油管，具备注水泥封堵作业条件，决定实施封堵作业。

4. 注水泥封堵

下光钻杆至技术套管2 700 m注水泥，注冲洗液9 m3，领浆59 m3，尾浆45 m3，替钻井液30 m3，环空反挤3 m3。替钻井液17 m3时、长5井井口开始返出水泥浆，施工结束返出水泥浆大于10 m3。3月29日下钻探水泥塞，塞面深度为2 981.3 m，完成了长5井的隐患治理。

四、结论

(1) 根据随钻MWD水平和垂直分量的磁场变化规律，可判断套管磁场空间位置，当水平磁异常值达相对峰值时，说明已贴近事故井套管，此时可调整螺杆状态实现与事故井套管的对接交汇。

(2) 随钻磁引导为被动测距控制技术，测量范围受地层和钻井液及磁源方向影响，有效探测距离受限，应用此技术宜先确定救援井方向，优化三段制小井斜试碰井眼轨迹，探测到套管异常磁场位置后，用磁引导技术指引钻头进行碰撞。

(3) 牙轮钻头控制轨迹及井下找碰对接优势明显，井口能够第一时间观察到井下碰撞。