大斜度井开窗侧钻技术及其在渤海油田的应用

马立，王昆剑，刘鹏飞，陶林，席江军，王攀

1.中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司（天津 300452）

2.中海石油（中国）有限公司天津分公司（天津 300459）

渤海油田是中国海上最大的油田，主要通过规模性打桩建造海上生产平台设施，以集中布置丛式井模式，经济高效地开发海底油气藏。因油藏构造特点和空间区域受限的双重因素，通过加密布置大斜度井、水平井以提高采收率，完善注采井网[1]。随着渤海油田的持续开发，早期油田逐渐进入开发中后期，在生产平台槽口有限的条件下，开窗侧钻技术已成为低产低效井综合治理和剩余储量动用的主要手段之一[2-4]。由于生产平台槽口区空间有限，从式井井口间距较小，浅层侧钻井眼防碰风险较高（特别是内排槽口），因此，在中深层大斜度井段实施开窗侧钻成为必然选择。

1 大斜度井开窗侧钻作业难点

与浅层开窗侧钻相比，中深层大斜度井段开窗侧钻作业存在以下难点：

1）由于长期生产，套管壁不清洁（结蜡或黏附稠油等），易造成斜向器下入遇阻。

2）井眼轨迹复杂，局部狗腿大，造成斜向器通过困难。

3）因腐蚀、磨损等原因，套管内壁磨阻大，且接箍处存在间隙，斜向器下入期间频繁受阻，易造成链接斜向器与铣锥的销钉产生疲劳而提前剪切。

4）井斜大、悬重轻、井眼摩阻大，即使通过倒装配重手段将斜向器下入到位，但斜向器坐挂时仍存在压实和脱手的问题。

5）为确保新老井眼的分离，斜向器工具面角度较大，不仅增加了斜向器坐挂的难度，还存在斜向器“跑位”而造成窗口关闭的风险。

2 大斜度井开窗侧钻技术

2.1 大斜度井套管固井质量检测

大斜度井因井斜大、轨迹复杂、摩阻大，常规电缆测井仪器满足不了作业要求；采用PCL（钻杆输送测井）方式，需占用钻机时间，整体成本高，还存在挤伤电缆和损伤仪器的风险。爬行器的发明和应用，克服了电缆测井和PCL测井的弊端，成功解决了大斜度井套管固井质量检测的难题，为开窗点的选择提供了可靠的参考依据[5-6]。目前，爬行器可与SBT、CBL等测井仪器串接（图1），通过电缆传输，由地面控制面板控制爬行器工作，推动井下仪器串前行，爬行速度约为5 m/min，理论最大推力400 kg。

图1 电缆爬行器与测井工具串接组合示意图

2.2 开窗准备工作

1）根据侧钻井要求选择合适的斜向器，以满足钻井及完井工具最低通过要求为基本原则[7-8]，并核实套管记录表。

2）现场应至少备用一套斜向器和开窗工具，准备一套专用修窗工具、回收工具和一个打捞母锥。

3）斜向器斜度宜选择2°～4°/30 m，或根据后续钻完井作业要求选择斜度大小，常规造斜率宜在2°～3°斜度。

4）开窗点宜选择在固井质量良好及稳定地层，宜避开断层、膨胀性页岩、盐层等复杂地层和降斜井段。开窗点位置宜避开全角变化率超过3°/30 m的井段。

5）根据套管表及固井质量测井曲线选择上下窗口及锚定位置，应避开套管接箍和套管扶正器，上窗口宜离上接箍3～5 m；一旦套管表与测井曲线标注套管接箍位置存在2 m以上较大差异，且不能同时满足窗口要求的情况下，应以测井数据为准选择位置。

6）对于中深层套管开窗，通常选择一趟式开窗工具，特殊情况可考虑采用两趟式开窗工具。

2.3 刮管、通井作业

对于井斜大、轨迹复杂的井，除进行刮管、洗井作业外，可考虑增加一趟通井作业以保证斜向器及开窗工具的顺利下入。

1）通井钻具组合应模拟斜向器及开窗组合的结构和刚性，兼顾清理井壁的目的。

2）在刮管或通井过程中出现遇阻情况，不可强行下压通过，应分析原因，考虑调整组合以改变刚性再次尝试。开窗组合可考虑采用两趟式，即先下入斜向器，再下入磨铣组合进行开窗。

3）调整钻具组合后仍无法通过遇阻点，可能存在套管变形或损坏的情况，应考虑变更侧钻方案。

2.4 下斜向器

1）根据选择的开窗工具制定操作流程及控制措施。

2）斜向器及开窗工具组合的刚性要求保障后续作业下入的钻具或工具顺利通过。

3）提前收集斜向器资料，如销钉剪切力和斜向器结构图等。

4）斜向器吊装时应防磕碰，防止液压管线损坏和结构变形。

5）下入斜向器时要严格控制遇阻吨位，原则上不超过3 t。

6）下钻时锁死转盘，防止钻具转动，下放速度不超过0.3 m/s。

7）斜向器及开窗组合通过防喷器及防磨衬套时，为避免发生磕碰，需要缓慢下放。

8）每次接完立柱，缓慢上提，提活之后再缓慢下放，克服钻具静摩阻后再正常下钻，防止对斜向器与铣锥之间的连接销钉产生过载冲击，造成销钉提前剪切。

9）遇阻后，如开泵冲洗，开泵一定要慢，应低泵速打通后再逐渐提高排量，防止压力集中造成斜向器提前坐挂。

2.5 坐挂斜向器

1）斜向器下到开窗位置，应先上提5～10 m，循环并上下活动，记录上提下放摩阻。

2）大斜度井扭矩传递困难，转动钻具找工具面时每次转动角度不宜超过30°，应操作平稳避免转过；应避免重复转动钻具，以防止提前剪切。

3）使用陀螺找斜向器工具面之后，应在释放完钻具组合扭矩后，至少再确认2次；使用MWD定向时，应大幅度上下活动钻具，释放扭矩，并多次确认斜向器工具面。

4）坐挂前应测量上提下放悬重，以此作为确认脱手依据。

5）设定开窗工具面时宜选择高边位置。

6）大斜度井开窗，通常在稳斜段，建议斜向器工具面摆到左右45°～50°为宜，侧钻时可以采用增斜扭方位的方式实现与老井眼的分离。

7）定向井工程师、开窗工程师及钻井监督共同确认斜向器坐挂深度及方位。

8）按选用斜向器的操作规程坐挂斜向器并脱手。

2.6 开窗及修窗作业

1）开窗前应提前在返出口放好磁铁，以便开窗过程中搜集、观察返出铁屑，判断井下磨铣情况。

2）开窗前应记录上提和下放悬重，并记录空转悬重、扭矩相应参数[7-9]。

3）由于老井眼轨迹复杂，扭矩基值大，会出现波动幅度大的现象，大斜度井在开窗过程中应确保铣锥不会蹩坏套管或造成硬卡，设定扭矩上限。

4）从铣锥磨铣斜向器顶部到铣锥底圆与套管内壁接触开窗的初始阶段，应采用低转速、低钻压，推荐钻压1～3 t，转速50 r/min；井口返出铁屑后，可以按照正常钻压和转速进行磨铣，推荐钻压2～5 t，转速80～120 r/min，并记录正常磨铣速度，派专人观察返出铁屑数量和形状(表1、图2）。

图2 开窗过程及阶段划分示意图

表1 开窗各阶段磨铣参数推荐表

5）在开窗作业过程中，要求操作平稳，送钻均匀，并做到“少放、勤放”，要随时注意扭矩变化情况，严禁顿钻、溜钻，防止井下钻具事故的发生。注意观察、收集井口返出的铁屑、岩屑的形状和数量，及时了解开窗进程，并根据铁屑的大小和形状及时调整参数。

6）当磨铣速度明显低于正常磨铣速度时需要更换开窗工具。

7）磨铣出死点之前应保持参数稳定，钻压不宜超过8 t，防止铣鞋提前滑出窗口。

8）开窗过程中应按照每进尺1 m或者每钻进30～60 min活动钻具一次，及时替入高黏度钻井液携带铁屑。

9）当磨铣钻进至钻柱铣出下窗口后，开窗作业基本结束。

10）根据修窗及后续入井钻具组合需要，钻一定长度的口袋。

11）开窗作业结束后宜通过改变不同转速修整上下窗口，停转及停泵状态钻具上提下放无阻挂显示。

12）在开窗过程中，如遇蹩扭矩，严禁带扭矩上提钻具。

13）起钻之前应大排量充分循环，循环不低于2周，以有效清除井筒内铁屑。

2.7 后续作业注意事项

1）起出磨铣工具，应检查磨铣工具外径。当钻柱铣直径磨损大于3.2 mm时（或参考服务厂家说明书），应考虑修窗。

2）起下钻过窗口时应平稳操作，并控制速度不超过0.1 m/s。

3）后续下钻具组合通过窗口时，马达钻具组合应在安全井段调整高边至开窗工具面方位，遇阻不应超过5 t，否则应起钻至自由位置后适当调整角度再次尝试，仍无法有效通过时，应起钻，下修窗工具重新修整窗口[10-11]。

4）底部钻具组合通过窗口时，严禁旋转通过；若底部钻具组合带马达，不应开泵，以防钻头自转造成复杂情况。

5）开窗后第一趟钻应先使用马达钻具组合，严禁带放射性随钻测井钻具进行钻井作业。

3 大斜度井开窗侧钻实例

3.1 C5H1井身结构及套管程序设计

C5H1井身结构及套管程序设计见表2。

表2 C5H1井身结构及套管程序设计

3.2 刮管通井钻具组合

钻具组合结构：Φ215.9 mm牙轮钻头+Φ165.1 mm浮阀+Φ165.1 mm钻铤2根+可旋转刮管器Φ165.1 mm钻铤1根+Φ213 mm扶正器+Φ165.1 mm钻铤3根+Φ 165.1 mm震击器+Φ127 mm加重钻杆14根。

3.3 斜向器选择及开窗钻具组合

C15H1井设计从原井眼Φ244.5 mm技术套管1 912 m深度开窗侧钻，侧钻点井斜78.56°，上部井段全角变化率2.5°～4.5°/30 m，新井眼设计全角变化3°/30 m，选择使用2.5°斜向器，窗口理论长度5.5 m。

采用一趟式开窗钻具组合：斜向器+复合开窗磨鞋+Φ165.1 mm钻铤1根+循环接头+Φ165.1 mm非磁钻铤1根+Φ171.5 mm测斜工具+Φ165.1 mm非磁钻铤1根+Φ165.1 mm钻铤6根+Φ127 mm加重钻杆14根。

3.4 开窗及后续作业简介

刮管通井结束后，组合一趟式开窗钻具，下钻至预定开窗深度1 912 m（上窗口深度），坐挂斜向器，脱手；开窗作业约12 h，开窗参数：钻压3～5 t，排量1 600～1 800 L/min，转速60～110 r/min，泵压12～14 MPa，扭矩18～26 kN·m；开窗结束，变换不同参数修整窗口至上提下放无阻挂显示，起出开窗工具，检查铣锥磨损情况满足要求。

第一趟采用马达钻具组合，顺利通过窗口，钻进至整个底部钻具组合出窗口；起钻，更换旋转导向钻具组合，钻进至着陆井深中完。

4 结论

1）与浅层或常规套管开窗作业相比，大斜度井套管开窗作业施工难度更大，操作要求更高，尤其是在很多操作细节方面要求更严格。

2）开窗时应严格控制参数，防止过早出现铣鞋磨损或“跳窗”现象，尽量提高开窗效率，保证窗口质量。修窗时可通过改变不同转速，实现对上、下窗口分别修整。

3）后续钻具组合通过窗口时，遇阻不应超过5 t，否则应起钻至自由位置后适当调整角度再尝试；多次遇阻，应考虑重新修整窗口。

4）为保护窗口，马达钻具组合应不开泵通过窗口，底部钻具组合严禁旋转通过窗口。

5）窗口附近容易堆积岩屑，起钻过窗口前应尽量将窗口附近井段循环干净。