短半径水平井侧钻工艺技术分析及对策

刘玉飞，黄毓祥，倪益民，王 尧，张 悦

（中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300452）

1 概述

随着油田开发开采不断深入，大部分油气井已进入到生产中后期，一些低产低效井面临着进一步改造、提升产能的趋势。同时，在一些新发现正在开发的区块中，尤其是裂缝性、溶洞性油藏，由于前期开发对储层的物性和地质油藏边界的认识不够深入，需要新的水平井钻井工艺技术进一步焕发老井产能。短半径水平井侧钻工艺技术作为近几年兴起的一项技术，可大幅度提高油井单井产量，并且可以有效提升原油采收率，同时能降低侧钻进尺，节省钻井工期和成本，是油田老井改造、油藏挖潜和稳产增产的有效手段。

利用短半径水平井钻井技术对已钻无产能的井进行再次利用，在原井眼侧钻短半径水平井，可有效开发老井未受控面积内的储油和剩余油，尤其适合于薄油层，垂直裂缝、稠油、低渗透等油藏的开发，减少钻井投资，具有较高的经济效益和社会效益。对于保障我国能源安全，增储油气产量具有重要的现实意义。

针对短半径水平井侧钻施工过程中的几个方向，包括侧钻施工中柔性钻具的使用、钻具组合优化、造斜钻头优选、井眼轨迹控制、开窗方式选择以及钻井液体系的使用，是短半径侧钻水平井设计与施工的主要问题。

2 侧钻技术要点分析

2.1 柔性钻具的使用

短半径水平井侧钻工艺技术对于提高老油井产能和提高储层的采收率具有较好的作用，由于短半径水平井具有全角变化率大，井眼曲率半径小的特点，目前主要采用高压射流和柔性钻具两种钻井工具。由于高压射流在钻井施工过程中存在着一些难题，如高压射流冲击的井眼尺寸偏小，井眼轨迹控制精度较差，不能按照预定轨迹钻进等诸多缺点，导致柔性钻井工具得到现场不断应用，越来越得到人们的重视。利用柔性钻具实施的短半径水平井侧钻轨迹可以得到控制、侧钻点钻出后井眼可长距离钻进、相对高压射流的方式井眼尺寸更大，同时泄油面积大等特点，尤其是针对薄差储层，沿着储层段持续钻进是短半径水平井侧钻工艺技术的关键，实现水平段的轨迹控制是其重要技术难题，关系到短半径水平井侧钻施工能否顺利施工。

短半径水平井侧钻工艺主要是在老井套管下入斜向器，直接进行套管壁开窗侧钻，它与常规水平井的显著区别是井眼曲率半径较小，井身全角变化率大，常规钻具不能满足此要求，需要采用特殊的柔性钻具来进行钻井，柔性钻具同常规钻具相比，不但具有传递轴向力和扭矩的作用，还具有易弯曲、韧性强，可以控制井眼轨迹在实钻过程中按照设计进行。

短半径水平井进行侧钻时，钻具受较大的侧向力，钻穿套管后，与裸眼井壁摩擦较大，会产生贴边钻进，为尽量保持钻具稳斜钻进，柔性钻具应紧贴井壁，以控制钻井井眼轨迹不会紊乱。井眼尺寸与柔性钻具外径尺寸需要进行优化设计匹配，这样才能更好地稳住柔性钻具，为更稳定地通过造斜段，以减少对造斜段钻具的磨损，同时也需要兼顾岩屑的顺利排出，确保钻具安全钻进，不发生卡钻事故。

2.2 钻具组合优化

短半径水平井侧钻部分井眼要求较高的造斜率，需要在短时间内完成增斜作业，钻具在大井眼曲率井段会产生较大的弯曲应力，容易造成钻具的疲劳损坏。在复合钻进时，钻具旋转，弯曲井段的钻具受交变应力的作用，极易发生疲劳损坏。针对这种情况，施工中每趟钻倒换弯曲井段的钻具位置，避免钻具发生疲劳损坏。根据短半径水平井设计的井眼轨迹，现场施工依据实际情况，合理使用加重钻杆，对增斜段和稳斜段钻具进行优化组合，有利于减小钻具摩阻，增加钻压传递效率。

钻具组合在满足井眼轨迹设计造斜率前提下，加大滑动井段和复合井段的依次施工的连续性，减少长井段的滑动，以降低井眼轨迹所带来的问题。

针对钻具优化组合对于短半径水平井侧钻工艺技术尤为重要，一旦钻具组合不合理，造斜率不满足设计要求会有严重偏离原设计井眼的风险，因此需要对钻具组合进行优选，以确保造斜率符合设计要求，保持井眼轨迹的平滑性，同时为在水平段钻进中，以复合钻进为主，减少滑动钻进，减少偏移轨迹的风险。

2.3 造斜钻头要求

短半径水平井侧钻造斜新井眼通常采用造斜钻头、柔性钻具和常规钻井工具，这种造斜钻具组合通过施加钻压，利用柔性钻具紧靠斜向器的斜面，使柔性钻具压弯迫使钻头侧向切削地层，使井眼偏离原井眼轴线，从而达到造斜的目的。

造斜钻头的设计应加强其侧向切削能力，满足短半径水平井侧钻短时间内的造斜要求。水力参数方面，造斜钻头每个刀翼间应具备喷嘴，喷嘴的喷射方向不同，确保有效清洗井底及刀翼的各个部位，有利于携带岩屑，提高钻速，提升效率。

钻进施工中综合考虑稳定工具面、造斜率、提高机械钻速、减少起下钻次数等因素，根据不同井段采用不同种类的钻头。该组合充分运用每种钻头的不同优点，达到最大使用效果。

2.4 井眼轨迹控制

由于短半径水平井侧钻井眼段具有较高的造斜率，轨迹的优化设计是重要组成部分。因此在进行轨迹设计时，要充分认识储层物性、钻具钻头造斜能力、柔性钻具直径与长度以及钻头大小等因素可能对井眼轨迹所产生的影响，另外还必须考虑有利于油气藏的开发开采。

短水平井的井眼轨迹设计为三段制，即直（开窗）、增（造斜）、稳（水平）。侧钻井眼在钻进过程中，造斜率要求较高，钻井过程中需要对各项参数进行控制，需要确保柔性钻具产生弯曲角度，对井壁形成有效支撑，确保造斜成功。增斜井段造斜率的合理确定是短水平井井眼轨迹设计与施工的关键。

井眼轨迹的初始设计是一口短半径水平井顺利施工的基础。短半径水平井的设计施工不但具有普通水平井的特性，还必须考虑侧钻点的选择、侧钻难易程度、造斜段全角变化率、可作业井段短及井眼尺寸小等特点。还必须考虑有利于油田开发、实现地质设计的要求。而老井多数都存在井斜方位，且方位与新设计方位不一致的情况。因此井眼轨迹通常需要进行三维设计。

由于短半径水平井侧钻三维水平井存在造斜段全角变化率、可作业井段短及井眼尺寸小的特点，因而对井眼轨迹测量的准确性和快速性要求很高。钻具入井后，随钻测量工具要对井眼参数进行实时预测，以便及时调整钻井参数、钻井方式，以求合理选择下一趟入井的钻具组合。井底参数预测不当，就会使井眼轨迹控制难度大大增加，提高了轨迹控制的难度。井底参数预测技术的关键就是对动力钻具造斜率具备精确的收集和控制。

井眼轨迹优化设计包括：①设计轨迹时，需要考虑井场施工条件的限制，做到因地制宜。②设计轨迹应是优化过的达到储层开发要求的最短轨迹，尽可能地减少钻井进尺。③设计轨迹时，应对钻柱扭矩和摩阻力进行钻前模拟，并在合理范围内。

2.5 开窗方式对比

目前常用的套管的开窗方式有两种，一种导斜器开窗，另一种是锻铣套管开窗。

开窗侧钻即利用斜向器和开窗铣锥，在设计侧钻位置将套管磨铣钻穿从而形成开窗点，然后再用侧钻钻具钻出新井眼。该方法可实现坐塞、开窗、侧钻一次成功。导斜器开窗具有钻穿快、工期少的特点，但施工不可控因素较大，特别是短半径水平井，由于导斜器转动造成井眼方位偏差对后期施工影响很大。

锻铣侧钻即在设计开窗位置将一段套管用锻铣工具铣掉，然后在该井段注水泥，再用侧钻钻具定向钻出新井眼。优点是：工艺简单，实施可靠，避免了套管的磁干扰，可用磁性测斜仪器定向钻井，有利于定位。锻铣套管开窗具有安全可靠的特点，缺点是实施时间长，费用高。

对使用导斜器开窗时普遍存在窗口附近泥页岩坍塌、容易卡钻、埋钻具的问题，使用锻铣开窗方法，可提高施工的可靠性。针对锻铣过程中的铁屑清理，锻铣前处理钻井液，以满足携带铁屑要求。锻铣期间，在钻井液回流槽内放置强磁工具，避免铁屑进入循环罐。锻铣结束后，对铁屑进行清理。

2.6 钻井液体系优选

套管开窗期间，由于存在对套管的磨铣钻穿，会产生大量铁屑，因此要求钻井液具有良好的流变性能。造斜段采用全滑动钻进，卡钻的风险较高，如造斜段是泥岩地层，泥岩具有吸水膨胀性，存在井壁失稳垮塌的风险。对于小井眼，由于直径较小导致循环钻井液排量受限，因此要求钻井液具有良好的携砂性、悬浮性、润滑性，低固相含量，触变性好。

钻井液必须要有良好的抑制性、润滑性、流变性和携屑能力，以保证钻井安全及尽量降低对储层的侵入。短半径水平井钻井液具备以下特性：①要考虑保护油气层。钻井液应与储层相适应才能起到保护油气层的作用。②对于泥岩侧钻点易坍塌储层，水平井钻井液在造斜段要求具有良好的携岩能力，同时钻井液粘度、切力不能过低，转速不能过高，以免形成温流冲刷井壁，加剧裸眼段的坍塌。③要有良好的流变性和较强的抑制能力，以保持井眼清洁、不形成岩屑床，为后期的固井和完井作业奠定基础。④要有良好的润滑性，根据钻井液类型，选择添加有效的润滑剂。⑤要有较好的抑制性和滤失性，以免钻井液侵入地层发生污染，便于后期进行测井作业。

3 结论

（1）针对短半径水平井曲率大、造斜段短的特点，结合实钻地层使用柔性钻具、对钻具组合进行优化、合理使用造斜钻头、加强对井眼轨迹的控制、合理选择开窗方式以及优质钻井液体系的选择是提高短半径施工效率的关键。

（2）随着国内钻井工业的发展和对油气井提高采收率的需求，短半径水平井侧钻工艺技术将成为油田增产的主要技术手段之一，但是国内短半径水平井侧钻工艺技术尚处于起步阶段，一些新工具和新工艺和还有待完善，相关技术难题还需要解决。