0 引言
塔河油田碳酸盐岩储层缝洞发育、非均质性强，埋深5 500~6 800 m，侧钻开发需求大。为钻达目的层，必须封隔异常高压层、水层或不稳定泥岩层，实施二开次侧钻。但受老井井身结构限制，ϕ177.80与ϕ193.70 mm套管开窗后侧钻井眼尺寸小，小尾管固井难度大，二开钻进工具难以配套，后期各项采油措施受限。为此，塔河油田进行了深井侧钻小井眼二开次钻完井技术研究，优化钻完井方案，配套小尾管窄间隙固井工艺与小井眼定向钻井技术。目前，深井侧钻小井眼二开次钻完井技术已成功应用28口井，固井整体优良率达85%，取得了良好的经济效益并实现了油藏的多次利用。
1 工程概况及难点前期ϕ177.80 mm侧钻井采用裸眼侧钻或膨胀管封隔工艺[1-7]，但是目前为避开老井井周水体，部分井侧钻点上提，钻遇东河塘或卡拉沙依组水层，膨胀管抗外挤强度无法封隔高压水层。因此，必须寻求新的封隔方案。
ϕ177.80 mm套管开窗侧钻的套管通径为149.30 mm，现有尾管管材无法满足工程需求，具体表现在：① ϕ127.00 mm套管通径105.44 mm，目前国内配套的定向钻井的最小井眼为ϕ118.00 mm，下开次定向钻井无法配套；② ϕ139.70 mm套管接箍外径153.70 mm，无法满足上层套管通径；③ ϕ139.70 mm×7.72 mm直连螺纹套管接箍壁厚仅为3.86 mm，接箍抗弯能力差，在弯曲井眼无法安全下入[8]；④ ϕ139.70 mm膨胀套管抗外挤强度25 MPa，采油深抽大于607 m时，面临套管挤毁风险；⑤ ϕ142.90 mm直连螺纹套管连接效率低，斜井段脱扣风险大。除此以外，小尾管与ϕ177.80 mm套管重叠段环空间隙小，窄间隙固井难度大，普通卡瓦悬挂器内径过小，无法满足下开次定向钻进等一系列技术要求，严重制约着地质潜力井开窗侧钻的实施。
2011年，塔河油田配套形成了ϕ193.70 mm套管直下的3级井身结构，目前已应用300多井次。虽然ϕ193.70 mm套管扩大了井眼空间，但是开窗侧钻后同样面临小尾管选材难题，常规套管无法满足封隔不稳定泥岩及后期深抽采油要求，亟需研制封隔地层的非标套管并配套窄间隙固井工具。同时，深井小井眼定向钻井技术配套也面临较多难题。
2 钻完井方案优化 2.1 ϕ177.80 mm套管开窗侧钻钻完井方案ϕ177.80 mm套管开窗后使用ϕ149.20 mm牙轮钻头+双心扩孔钻头将井眼尺寸扩大至ϕ165.10 mm。小尾管固井采用膨胀悬挂固井工艺，优选胜利油田钻井工艺研究院ϕ177.80 mm×ϕ139.70 mm膨胀悬挂器[9]，并加以改进；研制ϕ139.70 mm特殊直连螺纹非标套管封隔高压水层，保证套管段与重叠段完整封隔。二开进行ϕ120.65 mm深井小井眼定向钻井技术配套，定向钻至目的层，钻完井方案如图 1所示。
|
| 图 1 ϕ177.80 mm套管开窗侧钻钻完井方案 Fig.1 ϕ177.80 mm casing sidetrack drilling and completion program |
2.2 ϕ193.70 mm套管开窗侧钻钻完井方案
ϕ193.70 mm套管开窗后使用ϕ165.10 mm钻头定向钻进。优选德州大陆架公司的ϕ193.70 mm×ϕ139.70 mm牵制式尾管悬挂器[10-11]，解决小尾管难以判断丢手的问题；研制了ϕ139.70 mm薄接箍非标套管以封隔不稳定泥岩，固井后采用ϕ120.65 mm钻头定向钻进，钻完井方案如图 2所示。
|
| 图 2 ϕ193.70 mm套管开窗侧钻钻完井方案 Fig.2 ϕ193.70 mm casing sidetrack drilling and completion program |
3 关键技术 3.1 膨胀悬挂器
对膨胀悬挂器进行尺寸改进，胀封后与上层套管内壁紧密贴合，尾管重叠形成可靠密封。悬挂器无通径损失，与尾管通径一致，不会造成生产措施的通径限制。膨胀悬挂器膨胀前后具体数据见表 1。
| 状态 | 基管外径 | 胶筒外径 | 内径 |
| 膨胀前 | 133.0 | 144.0 | 117.0 |
| 膨胀后 | 144.0 | 152.5 | 128.0 |
主要技术参数：工具长9 m，膨胀管材质Q345，膨胀锥外径128 mm，管体膨胀压力21 MPa，膨胀橡胶抗温150 ℃，密封压差大于45 MPa，悬挂力大于700 kN。
3.2 牵制式尾管悬挂器牵制式尾管悬挂器(见图 3)可精准判断丢手，防止尾管随送入工具提出井眼或中途掉入井内。坐挂后牵制短节可通过液压实现反向锚定，紧急情况下可上提一定吨位解除锚定。当尾管浮重小于80 kN时，必须使用牵制式尾管悬挂器。
|
| 图 3 牵制式尾管悬挂器示意图 Fig.3 Structural schematic diagram of the hold-down sub type liner hanger 1—悬挂器；2—牵制短节；3—小尾管。 |
优选ϕ177.80 mm×ϕ139.70 mm DYX-C型单锥液压尾管悬挂器。该悬挂器主要技术参数如下：额定载荷500 kN，密封能力大于25 MPa，液缸剪钉压力9~10 MPa，最大外径163.00 mm，最小内径124.00 mm。配套ϕ177.80 mm×ϕ139.70 mm QD-A型牵制短节，长1 180 mm，最大外径162.00 mm，最小内径122.00 mm，液缸剪钉压力13~14 MPa。
3.3 非标套管的研发 3.3.1 ϕ139.70 mm特殊直连螺纹非标套管(1) 尺寸设计。根据一开和二开钻头尺寸，尽可能放大环空间隙和内通径，依照API标准推荐优选ϕ139.70 mm×7.72 mm直连型套管。
(2) 钢级设计。为满足封隔水层和采油深抽要求，通过力学计算，套管钢级设计140V。
(3) 接箍设计。采用镦粗工艺外加厚，接头外径镦粗至143.50 mm，内径平齐设计，提高直连螺纹连接效率20%。镦粗接头见图 4。
|
| 图 4 ϕ139.70 mm特殊直连螺纹镦粗接头示意图 Fig.4 The upsetting coupling schematic of ϕ139.70 mm extreme line nonstandard casing |
(4) 扣型设计。改进攀成钢气密封CST-Z螺纹，设计负角度直连螺纹CST-Z T，承载面负角度15°，导向面大角度45°，锥面对锥面金属密封，锥度1：5，抗拉能力达到本体的70%，弯曲井眼曲率每30 m为15°时正常使用。螺纹示意图见图 5。具体性能对比见表 2。
|
| 图 5 CST-Z T螺纹示意图 Fig.5 Schematic of CST-Z T thread |
| 外径/mm | 钢级 | 扣型 | 通径/mm | 接头外径/mm | 抗外挤强度/MPa | 抗内压强度/MPa | 管体强度/kN | 接头连接强度/kN | 连接效率/% |
| 139.70 | P110 | LTC | 121.08 | 153.70 | 51.5 | 73.3 | 2 429 | 1 980 | 81.5 |
| 139.70 | CS-140V | CST-Z T | 121.08 | 143.50 | 56.3 | 93.3 | 3 090 | 2 163 | 70.0 |
| 139.70 | P140V | TP-G2 | 121.08 | 150.00 | 78.0 | 85.0 | 3 090 | 2 626 | 85.0 |
3.3.2 ϕ139.70 mm薄接箍非标套管
(1) 尺寸设计。根据一开和二开钻头尺寸，依照API标准优选ϕ139.70 mm×7.72 mm套管。
(2) 钢级设计。力学计算类似，套管钢级设计140V。
(3) 接箍设计。考虑环空间隙与套管连接强度，设计特殊薄接箍，外径150.00 mm。薄接箍见图 6。
|
| 图 6 ϕ139.70 mm薄接箍非标套管接箍示意图 Fig.6 Schematic of ϕ139.70 mm thin-coupling nonstandard casing coupling |
(4) 扣型设计。设计天钢气密封TP-G2型，承载面负角度4°，导向面角度20°，锥面对锥面金属密封，锥度1：16，弯曲井眼下套管可有效连接和安全下入。螺纹示意图见图 7。具体性能见表 2。
|
| 图 7 TP-G2螺纹示意图 Fig.7 Schematic of TP-G2 thread |
3.4 固井附件配套
为保证井筒完整性，2种非标套管分别配套浮箍、浮鞋[12]及球座，其扣型、材质、钢级和扫塞后通径等与套管完全一致，浮箍及浮鞋均为弹簧式，耐温150 ℃，反向承压不小于30 MPa。
针对ϕ139.70 mm薄接箍非标套管，设计出整体冲压式ϕ139.70 mm×ϕ165.10 mm旋流刚性扶正器，外径157.50~159.00 mm，以提高小井眼窄间隙固井套管居中度。
为减小扫塞对水泥环的破坏，采用饱和丁腈材质的整体硫化钻杆胶塞[13]，设计碰压固井，保证小尾管固井不替空、少扫塞。
3.5 ϕ120.65 mm小井眼定向钻井技术配套在满足ϕ120.65 mm小井眼定向钻进造斜率的情况下，ϕ95.00 mm螺杆环空间隙更优，并配套使用ϕ88.90 mm非标钻杆，接箍外径108.00 mm。根据奥陶系灰岩地层可钻性级值，ϕ120.65 mm井眼优选M0864 PDC钻头(见图 8)。该钻头针对高抗压强度中硬地层设计，弧线形6刀翼，8和13 mm齿有利于低钻压切入地层，长抛物线形、低摩阻及长保径能有效防止钻头回旋，提高了定向时工具面的稳定性。
|
| 图 8 M0864 PDC钻头 Fig.8 M0864 PDC bit |
4 现场应用
侧钻小井眼钻完井技术经济效益可观，ϕ177.80 mm套管开窗侧钻约为3级结构新井成本的55%~69%，ϕ193.70 mm套管开窗侧钻约为新井成本的61%~68%，推广应用前景广阔。笔者在此分别以TH10115CH井和TH12518CH井为例进行介绍。
4.1 TH10115CH井 4.1.1 工程施工TH10115CH井是一口ϕ177.80 mm套管开窗侧钻水平井，下入膨胀悬挂器+ϕ139.70 mm特殊直连螺纹非标套管封隔水层。钻井施工时，套管开窗后下入ϕ149.20 mm牙轮钻头增斜至9.3°，双心扩孔钻头随钻扩孔至5 698 m中完；二开下入ϕ120.65 mm PDC钻头+ϕ95.00 mm螺杆+ϕ88.90 mm非标钻杆，定向钻进至5 911 m完井。
4.1.2 固井施工2015年1月15日完成固井施工，侧钻点5 505 m，套管下深5 697 m，段长仅242 m，浮重51 kN，一开平均井径扩大率12.7%(扩孔)，使用ϕ101.60 mm非标钻杆下放套管到位。固井施工时，为了便于膨胀悬挂器憋压膨胀，使用固井水泥车进行钻具试压35 MPa；前置液10 m3，密度1.89 g/cm3的水泥浆7.5 m3，替浆32.5 m3，排量0.7 m3/min，水泥浆出管鞋后采用塞流顶替，排量0.25 m3/min，碰压17 MPa，悬挂器胀封28 MPa，固井质量优秀。
4.2 TH12518CH井 4.2.1 工程施工TH12518CH井原井为5级结构盐井，三开采用ϕ206.40 mm×17.25 mm非标套管封隔盐层，开窗侧钻后下入牵制式悬挂器+ϕ139.70 mm薄接箍非标套管封隔复杂泥岩。钻井施工时，首先磨铣尾管ϕ142.90 mm，使用ϕ160.00 mm斜向器+ϕ166.00 mm复式铣锥开窗，一开使用中ϕ165.10 mm PDC钻头+ϕ127.00 mm单弯螺杆定向钻进6 798 m中完；二开小井眼定向钻进与ϕ177.80 mm套管侧钻相同，钻至7 013 m完井。
4.2.2 固井施工2013年12月23日完成固井施工，该井是塔河油田ϕ139.70 mm薄接箍非标套管悬挂最长的一口井。侧钻点5 806 m，一开平均井径扩大率1.5%，使用ϕ88.90 mm+ϕ127.00 mm钻杆下放套管至6 713 m遇卡后就地固井，套管段长1 055 m。固井施工时，前置液10 m3，密度1.89 g/cm3的水泥浆19 m3，替浆53.5 m3，排量0.80 m3/min，水泥浆出管鞋后进行有效层流顶替，排量0.25 m3/min，碰压20 MPa，固井质量优秀。
5 结论及建议(1) ϕ177.80 mm套管开窗侧钻使用膨胀悬挂器悬挂ϕ139.70 mm特殊直连螺纹非标套管，确保重叠段密封性与套管段封隔水层的可靠性。
(2) ϕ193.70 mm套管开窗侧钻使用牵制式悬挂器悬挂ϕ139.70 mm薄接箍非标套管封隔不稳定泥岩，首次完成ϕ193.70 mm套管开窗侧钻小尾管固井工具配套。
(3) 采用ϕ120.65 mm PDC钻头+ϕ95.00 mm螺杆+ϕ88.90 mm非标钻杆，实现ϕ120.65 mm小井眼定向钻进技术配套。
(4) 侧钻井小井眼钻完井技术还可以在复杂深井或补救钻井中应用，目前已在复杂深井中应用10余井次，固井质量优秀。
| [1] | 唐明, 吴柳根, 赵志国, 等. 深层侧钻水平井膨胀套管钻井封堵技术研究[J]. 石油机械, 2013, 41(2): 6–9. |
| [2] | 何伟国, 唐明, 吴柳根. 塔河油田深层侧钻水平井膨胀套管钻井完井技术[J]. 石油钻探技术, 2013, 41(5): 62–66. |
| [3] | 刘晓民, 郑江莉, 于洋, 等. 深井侧钻井复杂泥岩封隔技术研究与应用[J]. 石油机械, 2014, 42(8): 20–23. |
| [4] | 陈培亮, 井恩江, 王玉多, 等. 膨胀管封隔复杂地层钻完井技术在侧钻井的应用[J]. 石油机械, 2015, 43(12): 25–28. |
| [5] | 杨振科. ϕ118 mm侧钻水平井钻完井技术在红侧平+24-022井的应用[J]. 石油钻采工艺, 2015, 37(5): 34–36. |
| [6] | 李瑞明, 陶瑞东, 何卫滨, 等. 深层小井眼侧钻水平井钻井技术实践[J]. 钻采工艺, 2015, 38(4): 113–114, 124. |
| [7] | 张国, 陈红壮, 高伟, 等. 塔河侧钻水平井硬脆性泥页岩井壁失稳研究及对策[J]. 钻采工艺, 2016, 39(3): 4–7. |
| [8] | 唐明. 膨胀悬挂直连型尾管小井眼二开次钻完井技术[J]. 石油机械, 2014, 42(12): 32–35. DOI: 10.3969/j.issn.1001-4578.2014.12.007 |
| [9] | 吴柳根, 马建忠, 宁学涛, 等. 膨胀悬挂器技术在石油工程中的应用[J]. 石油矿场机械, 2012, 41(9): 59–63. |
| [10] | 马开华, 马兰荣, 姜向东, 等. 国内特殊尾管悬挂器研制现状与发展趋势[J]. 石油钻采工艺, 2004, 26(4): 16–19. |
| [11] | 冯丽莹, 郭朝辉, 陈志峰, 等. 尾管固井用牵制短节的研制与应用[J]. 石油钻探技术, 2014, 42(6): 106–110. |
| [12] | 朱和明, 吴晋霞, 郭朝辉, 等. 浮箍和浮鞋失效原因分析及预防[J]. 石油矿场机械, 2013, 42(8): 66–71. |
| [13] | 邹传元, 秦德威, 李鹏飞, 等. 整体硫化式钻杆胶塞的研制与应用[J]. 钻采工艺, 2015, 38(5): 66–69. |