短半径侧钻水平井技术
中1H侧钻短半径水平井钻井技术
中1H侧钻短半径水平井钻井技术蔡 元(中原石油勘探局钻井一公司,河南濮阳457331)摘 要 中1H井是塔中卡塔克1区块的一口侧钻短半径水平井,先后采用了多种较为先进的生产工艺,如锻铣开窗技术、定向侧钻技术、小井眼短半径水平井技术、欠平衡钻井技术、高钙盐钻井液体系的推广应用等,施工程序复杂。
历时142.75d完成了这口技术密集的评价井,试油见到了良好的油气显示,社会效益、经济效益显著。
关键词 中1H 水平井 高钙盐 欠平衡1 地质工程简况 中1H井是塔中隆起塔中10构造带西段卡塔克1区块5号断背斜构造高点的一口评价井,利用水平井技术探测奥陶系鹰山组碳酸盐岩储层的横向变化规律,落实储层产能及液性。
设计垂深5388.26m,斜深5834.66m,最大井斜85.12°,水平段长448.37m。
3 中1H井钻井周期142.75d,机械钻速1.29 m/h,完钻井深5851m,水平位移547.85m,闭合方位298.27°,最大井斜87.74°,水平段长464.07m。
井身结构见表1。
表1 井身结构与套管程序mm×m 序号设 计钻头尺寸×井深套管尺寸×下深实 际钻头尺寸×井深套管尺寸×下深一开444.5×503.16339.7×503.16444.5×503.16339.7×503.16二开311.15×3902311.15×3902244.5×3571三开215.9×5270177.8×(33865268)215.9×5271177.8×(3375.265269.37)四开149.2×5834.66裸眼149.2×5851127×(5118.215428)2 钻井难点(1)锻铣和定向侧钻都处于易垮塌的火成岩地层,可钻性较差,防止坍塌卡钻、保证定向成功率是关键。
浅谈小井眼水平井开窗侧钻钻井技术
浅谈小井眼水平井开窗侧钻钻井技术摘要：石油的开采经历了较长时间，许多油井的情况发生变化，出现老化、报废的情况。
现代的技术发展，小井眼开窗侧钻水平井钻井技术逐步的成熟，为解决油井老化或者报废的问题提供了新的思路。
充分利用该技术能够提高老井的产量及生产效率，恢复报废井。
本文简单阐述了小井眼水平井开窗侧钻钻井技术的概念；工程方案设计，包括侧钻方式选择、井眼轨迹设计、钻具组合及钻井参数设置、测量作业等，并提出了几点质量控制措施，包括井眼轨迹控制、钻井液控制、摩阻及扭矩控制等，为从事小井眼开窗侧钻钻井的人员提供一定的参考与借鉴。
关键词：油田小井眼水平井开窗侧钻钻井技术研究社会的不断进步，各个企业的发展，产业不断扩张，对于能源的需求量激增。
石油产业作为能源行业的重要组成部分，在该社会形势下得到了长足的发展。
油田的开发经历了较长的时间，在开采过程中，油井的情况有了较大的变化，使得需要多油井的产量降低，而被迫停产，设备老化，甚至直接报废等，尤其是西部地区，地层情况十分复杂，周边的环境较为恶劣，在进行勘探及开发时存在较多的困难。
现代科学技术的发展，小井眼开窗侧钻技术即是较为先进的技术之一，其能够提高老化油井的产量，达到较好的经济效益及社会效益。
一、小井眼开窗侧钻水平井钻井技术概述小井眼开窗侧钻水平井钻井技术属于较为新型钻井技术，其综合了定向井技术、水平井技术、小井眼钻井技术等，基本上可以视为钻井工艺发展水平的代表技术。
该技术作用在于能够恢复各种油井的生产效率，包括停产井、套损井、报废井、低产井等，并适用于开发各个类型的油藏，有效的降低油田的综合开发成本。
对于老化的油井，可以充分利用其自身的结构优势，如原有的场地、地面的配套采输设备、成熟的操作流程等，深入开发油藏，有效降低钻井费用，减少套管使用费，避免了地面建设费的投入，从而控制了建设成本，也极大的缩短了施工周期，并有助于保护环境，保障企业的经济效益[1]。
二、小井眼开窗侧钻水平井钻井方案设计1.侧钻方式选择侧钻方式可以根据实际情况合理选择，常用的侧钻方式可以分为段铣侧钻及开窗侧钻两种，二者的优势及缺点均有不同，具体内容如下：①段铣侧钻先在设计侧钻的位置，利用段铣工具铣掉一段套管，注入水泥，再利用侧钻钻具，以定向钻井的方式，打出新的井眼。
侧钻短半径水平井钻井技术在TKCH井的应用
该技术在TKCH井的 应用可以提高油气 产量，降低钻井成 本，提高钻井效率 。
侧钻短半径水平 井钻井技术是一 种在现有井筒内 进行侧钻，形成 短半径水平井的
技术。
技术原理主要包 括：侧钻工具、 短半径水平井钻 井工具、水平井
钻井技术等。
侧钻工具主要 包括：侧钻头、 侧钻杆、侧钻
马达等。
短半径水平井钻 井工具主要包括： 短半径水平井钻 头、短半径水平 井钻杆、短半径 水平井钻井泵等。
减少钻井时间：侧钻 短半径水平井钻井技 术可以缩短钻井时间， 从而降低钻井成本。
提高钻井效率：侧钻 短半径水平井钻井技 术可以提高钻井效率， 从而降低钻井成本。
减少钻井设备损耗：侧 钻短半径水平井钻井技 术可以减少钻井设备损 耗，从而降低钻井成本。
提高钻井安全性：侧钻 短半径水平井钻井技术 可以提高钻井安全性， 从而降低钻井成本。
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注意事项：在应用侧钻短半径水平井钻井技 术时，需要注意井筒的稳定性和安全性，避 免发生井筒坍塌等事故。
提高钻井效率：缩短钻井时间，降低钻井成本 提高钻井质量：减少井壁坍塌、井漏等事故发生 提高钻井安全性：减少钻井过程中的风险和隐患 提高钻井环保性：减少钻井过程中的污染和排放
侧钻短半径水平井钻井技术提高了TKCH井的采收率 技术特点：提高了钻井效率，降低了钻井成本 应用效果：提高了TKCH井的产量和采收率 技术优势：提高了TKCH井的采收率，降低了钻井风险
侧钻短半径水平井钻井技术提高了 TKCH井的产量
侧钻短半径水平井钻井技术提高了 TKCH井的钻井效率
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侧钻短半径水平井钻井技术降低了 TKCH井的钻井成本
侧钻短半径水平井钻井技术提高了 TKCH井的钻井质量
吉林油田中短半径侧钻水平井技术
稳斜PDC钻头应具备特点
短抛物线冠部形状
长保径，增加耐磨性
二、短半径水平井装备及工具 动力钻具的分类
短半径水平井的造斜率一般都很高，需要采用特殊结构的动力钻具才 能满足设计要求。常用的动力钻具有大角度的单弯动力钻具或双弯动
力钻具以及铰接动力钻具 φ 95mm铰接动力钻具最高造斜率达到3.6°/m
汇报到此结束 欢迎领导专家批评指正！
二、技术难点 吉林油田短半径侧钻水平井钻井工程存在的技术难点
139.7mm套管
井眼尺寸小 曲率大 测量精度要求高
机械钻速低 管柱通过能力受限 轨迹控制难度大 仪器工具不配套
118mm 井眼
施工工艺技术基本空白
二、短半径水平井装备及工具
造斜PDC钻头应具备特点 浅内锥冠部形状 短冠部、短保径
二、短半径水平井装备及工具 铰接动力钻具结构特点
• 具有两个可在5°范围内弯曲活动的铰接体，保证了钻具能顺 利通过高造斜率井段 • • • 近钻头和弯壳体部位具有垫块，有利于增加钻具的造斜能力 内传动采用高强度的连杆万向节总成 传动轴总成使用密封油润滑方式
二、短半径水平井装备及工具 测量仪器
短半径水平井的高造斜率，采用常规仪器难以通过井下钻 柱，必须使用小尺寸或柔性连接的测斜仪
• 仪器零长要尽可能短—精确预测钻头处井斜
• 测量精度高、漂移—提高薄油层钻遇率
• 体积小 • 抗震性能好
二、短半径水平井装备及工具 液力加压器
液力加压器是通过钻井液的液压力产生钻压，开泵时，液 力加压器使下部井底钻具组合与钻柱的其余部分相分离， 以便提供一个恒定的、可控的钻压，减少轴向振动和冲击。 液力加压器能够解决短半径水平井的钻井加压难题，提高 机械钻速和钻头使用寿命，改善施工条件和减少井下事故。
短半径超短半径水平井技术详解
4、泥浆密度窗口小，易出现井漏、井塌
地层的破裂压力和坍塌压力随井斜角和井斜方位角而变 化。 在原地应力的三个主应力中，垂直主应力不是中间主应 力的情况下，随着井斜角的增大，地层破裂压力将减小 ，坍塌压力将增大，所以泥浆密度选择范围变小，容易 出现井漏和井塌。 在水平井段，地层破裂压力不变；随着水平井段长的增 长，井内泥浆液柱的激动压力和抽吸压力将增大，也将 导致井漏和井塌。 要求精心设计井身结构和泥浆参数，并减小起下管柱的
钻柱尺寸的影响：钻柱尺寸大，环空间隙小，相 同排量条件下返速高，有利于携岩。
6、保证固井质量难度大
水平井固井存在的主要问题：
•顺利将套管下入井内问题； •套管在井内的居中及顶替效率问题； •井眼高边的自由水通道问题；
提高注水泥质量措施
使用扶正器使套管居中：在弯曲段和水平段，至 少一根套管一个扶正器，或两根套管三个扶正器 ； 在保证不压裂地层的条件下，使用大排量紊流注 水泥 注水泥过程中，尽量采用上下提放或旋转套管 从循环泥浆转换到注水泥浆，最好不要停泵，尽 量减少井内泥浆的静止时间（触变性问题）； 使用长段隔离液（200m~300m长），充分清除泥
地层破裂压力随井斜角的变化规律
垂直主应力是中间主应 力
地层破裂压力随井斜角的变化规律
垂直主应力是最大主应力，两个水平主应力相等
地层破裂压力随井斜角的变化规律
垂直主应力是最大主应力，两个水平主应力不相 等
地层破裂压力随井斜角的变化规律
垂直主应力是最小主应力。
地层破裂压力随方位角的变化规律
二、水平井的主要技术问题
1、水平井目标区的设计 2、井眼轨迹控制要求高、难度大 3、管柱受力复杂 4、泥浆密度窗口小，易出现井漏、井塌
侧钻水平井工艺技术
安装方式等因素的影响，以确保套管的强度和密封性。
射孔和测试是完井技术的关键环节，它们需要考虑到地层条件、油气性 质和开采要求等因素的影响，以确保油气开采的效率和安全性。
04 侧钻水平井的优缺点
井眼轨迹控制技术需要利用定向钻井技 术和随钻测量技术，实时监测井眼的轨 迹，并根据监测结果调整钻头的钻进方 向和角度，以确保井眼轨迹的准确性和
稳定性。
井眼轨迹控制技术还需要考虑到地质条 件、钻井液性能和钻具组合等因素的影 响，以制定出更加合理的钻进方案和措
施。
钻井液技术
钻井液是侧钻水平井工艺中不可或缺的组成部分，它涉及到钻头的冷却、润滑、携带岩屑和 稳定井壁等方面。
应用拓展
非常规油气资源开发
01
侧钻水平井技术在非常规油气资源开发中具有较大潜力，未来
可应用于页岩气、煤层气等非常规油气资源的开采。
老油田挖潜与增产
02
利用侧钻水平井技术对老油田进行挖潜和增产改造，提高老油
田采收率和经济效益。
多分支井与水平对接井技术
03
研究多分支井和水平对接井技术，实现多目标开发，提高油气
可能影响原有井眼
侧钻水平井技术需要高超的钻井技术 和经验，操作难度较大。
在已存在的井眼上进行侧钻，可能会 对原有井眼造成影响，如井眼坍塌、 堵塞等。
可能遇到复杂地质条件
在侧钻水平井施工过程中，可能会遇 到复杂的地质条件，如岩层不稳定、 地下水活跃等，给施工带来困难。
05 侧钻水平井的未来发展
技术创新
田的开发效率。
环境影响与可持续发展
短半径水平井钻井技术的应用及推广
一
，
பைடு நூலகம்
概述
胜利油 田通过 套管 内侧 钻短 半径水 平井研究 ， 至今 已在油 田内外 完成套管 内侧钻水 平 井约３ ８ 口， 其 中侧钻短 半径 水平 井 ｌ ９ 口。 形成 了具有 胜利特 色 的套 管开 窗侧 钻 径冰 平 井钻 井配 套工 艺技术 。 该 技术 能成倍 的提 高原 来老油 井产 量 ， 减少 加密 井 ， 改善 井 网布置 。 利用现 成 的垂直 井 眼和地 面生 产设 施（ 如 井 口设施 、 地 面 集输 管线 和计量 仪 等） ， 合理 有效 的开 发各 类油 藏 ， 增加 可开 采 储量 及石 油 采出率 ， 在 加快 产能 建设 ， 降低开 发成 本 ， 回避钻 探风 险等方 面 ， 显 示出了巨大的经济价值和潜力 。 与钻一口新的水平井或垂直井相 比， 侧钻短半 径水 平井 能够 明显 降低相 应的钻 井和完 井费 用 ， 是一 种投资少 、 见 效快 、 经济效 益显 著 的油 田开 发 技术 ， 是老 油 田稳 产增 产和 提高 最 终采 收率 的一 种有 效途 径。 二． 具体 做 法 １ 、 推 广 应用 的的 原理 及 主要 技 术措 施
推广应用， 实现了复杂断块和小区块、 薄油藏、 边底水油藏的有效开发， 达到提
高采 收率 的最优 开 发效果 ， 促进 短半 径水 平 井钻井 工 艺技术 的 发展 和提高 。 三 ．推 广 过程 １ 、 前 期研 究形 成的 推广 应用 能力 牲 利 油 田在 “ 九五 ” 重点 科研攻 关项 目￣ ？ １ ３ ９ ． ７ ａｍ套管 内侧钻 短半 径水平 ｒ
，
配套 的ＭＷＤ 无 线测量 系统 ， 通 过完善 的 工艺技 术应 用 ， 完成短 半径 水平 井 ， 实 现各 类油 气 藏的 最优 化开 发效 果 。 １ ． １短 半径 水 平井 设计 技 术 。 １ ． １ ． １ 井身 剖 面设计 ； １ ． １ ． ２ 避 开 三维 井身 剖面 ， １ ． １ ． ３ 校 准老 井数 据 、 修正 剖 面 。 １ ． ２短 半径 水平 井 测量工 艺 技术 。 １ ． ２ ． １ 测 量方 式 ， １ ． ２ ． ２ 短半径 水平 井 测 量方 式选 择 。 １ ． ３短半 径 水平 井井 眼轨迹 控 制技 术 。 １ ． ３ ． １ 侧钻 及侧 钻测 量方 式 ； １ ． ３ ． ２ 增 斜 井段 １ ． ３ ． ３ 增斜 井段 钻具 组 合 。 １ ． ４井 下工具 的配套 ’
侧钻水平井技术及应用
侧钻水平井技术及应用侧钻水平井技术是一种在地下开展水平钻探的方法，它是传统垂直钻井技术的一种变体。
侧钻水平井技术的应用广泛，涉及领域包括石油勘探开发、地热能利用、环境工程、水利水电等多个领域。
侧钻水平井技术的原理是通过在井下将钻杆沿着一定的水平方向引导，实现垂直井身转向成水平或略带倾斜的状态，从而在地下形成一系列水平井段。
侧钻水平井可以通过在目标层位进行导向钻进，使得井底位置可以在沿井眼方向上进行相对稳定的偏移。
这种井的性质导致了许多优势，包括增大井段接触面积，提高采收率；提高水平或近水平井段的生产能力；减小油藏压力，提高油井产量；降低井下设备的运行风险等。
侧钻水平井技术的操作主要包括导向钻、侧钻、水平打井等工序。
导向钻是在垂直井管内放置一定的导向工具，通过旋转和推拉操作，使得该导向工具能够使钻杆按一定的倾斜角度与垂直井眼产生相对位移。
侧钻是在导向钻井操作完成后，向井底方向延伸，使得井眼俯仰角度逐渐变小，直至水平。
水平打井是在侧钻完成后，使得井眼与钻井方位保持基本不变，井身水平延伸的过程。
这些操作需要精确的测量控制和工艺参数控制，以确保井段的水平性。
侧钻水平井技术的应用非常广泛。
在石油勘探开发中，侧钻水平井可以增加油气藏的曝露面积，提高油气开采率，特别适用于深水、油页岩和低孔隙度、低渗透度的油藏。
在地热能利用中，侧钻水平井可以提高地热能的开采效率，降低设备成本，增加项目经济性。
在环境工程中，侧钻水平井可以用于地下水采集和地下水污染治理，提高地下水采样的精确性和效率，并减少对地上环境的干扰。
在水利水电领域，侧钻水平井可以用于探寻地下水源，以及地下河道的勘测和开发。
总的来说，侧钻水平井技术是一种能够实现地下水平钻探的方法，它具有许多优势和广泛的应用领域。
随着技术的进一步发展，侧钻水平井技术在资源勘探开发和环境工程等领域的应用将会越来越广泛。
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铰接动力钻具研制
φ 95mm铰接动力钻具最高造斜率达到3.6°/m
动力钻具结构示意图
（1）整体结构特点
• 具 有 两 个 可 在 5° 范 围 内 弯 曲 活 动 的 铰 接 体 ，
保证了钻具能顺利通过高造斜率井段
• 近钻头和弯壳体部位具有垫块，有利于增加
钻具的造斜能力
• 内传动采用高强度的连杆万向节总成
油层
开发剩余油，提高采收率的需要
剩余油
水锥
需要寻求一种既能利用报废井，又能提高采 收率，最大限度挖掘剩余油的钻采工艺技术
需要研究攻关套管内短 半径侧钻水平井技术
长半径 R1 >860 m
K1 <2 °/30 m
中半径 R2 > 287 m K2 < 6 °/30 m
短半径水平井更适 合胜利油田油层薄、 夹层多、井距小的 特点
技术难点
短半径侧钻水平井钻井工程技术难点
139.7mm套管
井眼尺寸小 曲率大
机械钻速低
管柱通过能力受限
轨迹控制难度大 套管开窗
磁干扰问题突出 测量精度要求高 仪器工具不配套 施工工艺技术基本空白 118mm 井眼
技术难点
139.7mm 套管
短半径侧钻水平井 完井工艺技术难点
小井眼、窄间隙带来的固井困难
① 平均造斜率1.13 /m，最大造斜率为3.6 /m
② Ф139.7mm套管内侧钻短半径水平井钻井周期
最短5天17小时
③Ф139.7mm套管内侧钻水平井水平段最长162m
Ф177.8mm套管内侧钻水平井水平段最长214.6m Ф244.5mm套管内侧钻水平井水平段最长507m ④ 造斜点最深4495.5m、完钻井深最深4952.5m
（1）一体式地锚斜向器
由护送器、斜向器体、地锚总成等部分组成，
地锚总成由悬挂系统、液控系统组成。
（2）铣锥
由接头、柱状体、
锥体三部分组成。特点
是左旋形状，磨铣平稳，
不挂窗口，不卡斜向器。
一次下钻即可完成全部
开窗作业
造斜、稳斜钻头研制
（1）造斜钻头结构的特点
a)采用浅内锥冠部形状
b)短冠部、短保径 c)加强了外边缘部位切削 齿的密度及出露高度
侧钻水平井配套技术
胜利石油管理局 钻井工艺研究院 王敏生
侧钻水平井是指使用专门的井下工具，从老 井套管内侧钻而成的水平井
利用原井场和地面流程，减少占地 利用老井上部井段，降低成本 充分利用老井开发地质资料 扩大泄油面积，钻
水平段钻进
复杂断块油藏实现稳产的需要
造 斜 钻 头 实 物 图 片 PDC
（2）稳斜钻头结构特点 a)短抛物线冠部形状
b)加长保径
c)加强外边缘部位切削齿
的密度
d)加强保径，增加耐磨性
(3)布齿设计 • 采用等功率原理及计算机优化设计 • 加强钻头外边缘部位布齿密度 (4)制造技术
• 整体压制石墨阴模技术，已申报国家发明专利
• PDC复合片与胎体焊接采用钎焊技术，强度达 到390MPa
• 传动轴总成使用密封油润滑方式
（2）性能参数设计
Ф 95mm铰接动力钻具性能参数
总 长 mm 3960 马达外径 mm φ 95 转 速 rpm 170-280 排 量 l/s 9 输出扭矩 最大压差 两端扣型 N.m MPa 897 2.7 27/8〃REG
不同度数弯壳体的设计造斜能力
弯壳体度数 ° 2 1 3/4 1 5/8 1 1/2 1 1/4 造斜段半径 m 12.0～14.0 14.0～15.5 17.0～18.5 18.5～20.0 20.0～21.5 弯壳体度数 ° 1 3 /4 5 /8 1 /2 1 /4 造斜段半径 m 21.5～23.0 23.0～24.5 24.5～26.0 26.0～27.5 27.5～30.5
社会经济效益
开窗侧钻水平井和同地区直井相比
每口井新增 可采储量
单井产量
综合成本
每口井 节约占地
1.4 万吨 0.8 万吨
直井 2倍 以上
3-5亩
92%
侧钻水平井
同区直井
地 壳 运 动 多 次 地 质 事 件
实现稳产的途径： •寻找新的资源接替 •开发难动用储量 •挖掘老区剩余油潜 力，提高采收率
停产井资源利用的需要
胜利油田 开发30多年来， 已钻井近4万 口，随着开发 时间的增加， 已有4000多口 油井因井下管 柱损坏、高含 水、产能低于 经济极限等原 因关井停产
尾管悬 挂器
间隙小、曲率大完井管柱下入困难 小井眼防砂工具的设计及防砂施工 难度大
73mm套管
膨胀式封隔器
118mm 井眼
研制了配套的段铣及开窗工具、PDC 钻头、动力钻具和相应测量仪器
研制的高效段铣 器,平均每套刀片磨 铣套管14.17m，速度 0.6—0.7m/h。创造 了一副刀片一次段铣 27m的国内最高记录
方位角：0～360，误差≤3
井斜角：0～90，误差≤0.5
工具面角: 0～360，误差≤1
•
工作温度: -20℃～125℃
•
•
抗冲击: 50g
每≤1米设一个挠性接头，每接头弹性变化角 电缆通讯采用曼彻斯特半双工方式，由单芯电
度0 ～3
•
缆完成。
创造的国内新纪录
速率陀螺是通过测量地 球自转角速度来直接测量 方位，优点是： •测量精度高、不漂移 •体积小 •抗震性能好
系统框图
便携机 接口箱
井下仪
打印机
马龙 磁定 电源 微机 陀螺电 头 位 仓 仓 路仓
陀螺 仓
减震及 引斜
（2）性能参数
• 可测参数：井斜角、方位角、工具面角、工作温
度、磁定位。
• 测量范围与精度：
（3）传动轴总成设计
• 传动轴总成设计采用密封油润滑方式 • 有三列径向轴承和一套止推轴承 • 最关键的传动轴旋转动密封采用美国专利Kalsi密封圈
（4）铰接总成设计
•铰接动力钻具的显著特点，是一种可以在通过轴线的任一
平面上弯曲活动，又能传递周向扭矩的机械结构
•预载结构设计，密封油脂润滑
速率陀螺测斜仪
由保护接头、壳体、切断报知装置、活塞总成、 弹簧、刀 片、下稳定器等组成。
结构设计特点
•段铣器有六个刀片，可同时伸出切割或磨铣
•采用水力活塞结构，设计有切断报知装置
•段铣器下部增设稳定器，保证工作平稳
•切削元件为新型合金，设计有断屑槽和刃前角
•刀片钢体设计独特，焊接可靠
开窗工具
包括套管开窗地锚斜向器和铣锥。
R3
短半径：R3 12~57 m K3 1~5°/m
技术难点
地质及油藏工程技术难点
1、目前胜利油区大部 分油田已进入高含水或 特高含水期，剩余油分 布零散，预测不准容易 钻入水层
2、油层较深，顶 面起伏不平，描述 不准确，易导致水 平井钻入泥岩中
3、只有通过各种资料分析、数模等手段将上述问题研究 清楚，确保水平井钻入剩余油富集区，取得良好开发效果