侧钻的关键技术分析与研究

刘子松

（中国煤炭地质总局 第二水文地质队，河北 邢台 054000）

1 概 况

侧钻是为了特殊的工艺需要，在原有井眼轨迹（直井、斜井、水平井均可） 的基础上，使用特殊的侧钻工具，使钻头的钻进轨迹按照预先的设计偏离原井眼轨迹的过程。侧钻井一般分为两类，即裸眼侧钻和套管开窗侧钻。裸眼侧钻又分为两类，分别是水泥回填侧钻和悬空侧钻。一般来说，钻孔事故处理、设计分支钻孔以及油田的老旧及低产油井都需要侧钻。本文对钻井过程中为避开落鱼（图1） 而进行的水泥回填侧钻提出一些见解。

图1 避开落鱼侧钻Fig.1 Sidetracking avoiding falling fish

2 侧钻技术

2.1 选择侧钻点

要在一口井内侧钻，首先要测量钻孔井斜。有条件的可以下入带无磁钻铤的常规钻具，用电子多点投测仪投测；没有电子多点投测仪，可在裸眼中用常规测井仪器进行测量，数据处理后确认井眼的真实状态。根据测量钻孔井眼轨迹，结合钻孔地层层位，选择最佳侧钻点。一般选择地层相对较软，钻时较快的层段，并且要依据测斜数据做出待钻井眼设计。

2.2 注入水泥

侧钻点选定后，可根据钻孔井眼尺寸及需注水泥塞长度，计算需要水泥量。为保证水泥塞的硬度，一般选择42.5 级普通硅酸盐水泥，将水泥浆比重调至1.9 g/cm3，注入孔内，高出侧钻点10 m左右。候凝72 h，下钻修塞至侧钻点深度，静压10 t 以上不掉钻，说明水泥塞质量很好，满足侧钻要求。起出钻具，准备下入侧钻钻具。

2.3 侧钻钻具组合

侧钻钻具组合没有固定的组合模式，可根据侧钻的难易程度科学合理应用。一般情况下，在侧钻点井斜较大时，用反抠侧钻会相对容易；如果在井斜不大的孔内侧钻，例如在事故钻孔内避开落鱼侧钻，要钻出新井眼相对来说就要困难很多。

根据实际情况的不同，常用的侧钻组合一般有2 种，即弯接头+直螺杆钻具组合和定向直接头+单弯螺杆钻具组合，例如采用1.5°弯接头+直螺杆的钻具组合，或者采用直接头+1.75°或者2°单弯螺杆的钻具组合。

如果以上2 种钻具组合侧钻效果均不理想，那么考虑第三种组合方法，即弯接头+单弯螺杆钻具组合。如采用1.5°弯接头+1.25°单弯螺杆钻具组合，弯接头和单弯螺杆的角度可根据需要选择。但角度过大会产生2 个后果，一是弯度过大下钻会造成困难；二是钻出的新井眼全角变化率较大，给下步钻探施工造成困难，因此建议弯接头和弯螺杆角度不大于2°。这种钻具组合在侧钻时孔内有2 个支点，侧钻成功率要高很多。但是这种钻具组合必须满足一个要求，就是弯接头所在的工具面和单弯螺杆所在的工具面，在钻具上紧后，这2 个工具面不能存在比较大的角差，最好控制在30°以内，而且越小越好（图2），保证2 个弯朝向同一个方向。

图2 钻具角差示意图Fig.2 Drilling tool angle difference

调整角差的办法是在弯接头和单弯螺杆间加入垫片，垫片为厚度小于1 mm 的不锈钢板，现场临时制作。开始先不加垫片，钻具上紧后，看2 个工具面角差差多少，如果角差在30°以内，不加垫片更好；如果角差超过30°，必须加垫片，则把垫片表面擦干净，垫片之间不要夹杂任何硬质颗粒物，加入垫片后，用液压大嵌紧扣，垫片压实；若角差仍不合适，可增减垫片作为调整，直至钻具角差合适为止。

由于侧钻过程需钻压很小，而且钻具刚性越小，侧钻越容易成功。因此，侧钻钻具组合除1 根无磁钻铤以外，不需要再增加钻铤，无磁钻铤以上全部为加重钻杆或者普通钻杆均可。

以216 mm 孔径为例。

弯接头+直螺杆钻具组合：φ216 mm 牙轮钻头+φ172 mm 直螺杆+φ172 mm 1.5°弯接头+φ172 mm 定向直接头+φ172 mm 无磁钻铤×1 根+φ114 mm 钻杆若干。

直接头+弯螺杆钻具组合：φ216 mm 牙轮钻头+φ172 mm 1.75°单弯螺杆+φ172 mm 定向直接头+φ172 mm 无磁钻铤×1 根+φ114 mm 钻杆若干。

弯接头+弯螺杆钻具组合：φ216 mm 牙轮钻头+φ172 mm 1.25°单弯螺杆+φ172 mm 1.5°弯接头+φ172 mm 定向直接头+φ172 mm 无磁钻铤×1 根+φ114 mm 钻杆若干。

2.4 下入侧钻钻具

无论是哪种侧钻钻具组合，因为角度都很大，下钻过程都不一定很顺利，尤其弯接头+弯螺杆钻具组合。在下钻之前，确保钻孔畅通无阻，还要保证钻具水眼清洁干净，在井口开泵测试螺杆钻具及定向仪器，确认一切正常后方可下钻。下钻过程中如遇阻，不得用螺杆钻具划眼，不能开泵硬压，可慢慢转几个方向，缓慢试下。如果仍然下不去，则起出钻具，改用常规钻具通井，正常后重新下侧钻钻具。

2.5 摆放工具面

工具面的摆放有两种，磁北工具面（Magnetic Mode） 和高边工具面（High Side Mode） （图3）。一般情况下，当侧钻点井斜角α＜6°时，选择磁北工具面；当侧钻点井斜角α＞6°时，选择高边工具面。目前使用的无线随钻测斜仪MWD，以井斜角α＝6°为临界点，能够在2 个工具面间自动切换。无论选择哪种工具面，在实际侧钻过程中，每种工具面仍然有2 种侧钻方式。

图3 高边工具面示意图Fig.3 High edge tool surface

2.5.1 斜面法扭方位

在扭方位过程中保持装置方位角不变，采用反抠的方法，这样钻出的井眼处在空间一个斜平面上，这种扭方位方法称为斜面法扭方位，斜面法扭方位较容易钻出新井眼。例如，在一口井中，侧钻点井斜角α＝4.5°，方位角θ＝112°。因为井斜角α＜6°，所以用磁北工具面定向。如果用斜面法扭方位，定向角为磁北ω＝112°+180°，仪器显示为MT292°，即向井斜相反的方向反抠。

如果侧钻点井斜角α＝8.5°，因为井斜角α＞6°，这时无论方位角多大，都用高边工具面定向。如果用斜面法扭方位，定向角为高边180°，仪器显示为HT180°，为全力降井斜，也就是反抠，这时新井眼的方位角不改变（图4）。这种斜面法扭方位钻出的新井眼处在空间的一个斜平面上。

图4 全力降斜Fig.4 Full force declination

2.5.2 柱面法扭方位

在扭方位过程中保持装置角不变，这样钻出的井眼是处在空间的柱面上，既有井斜角的变化，又有方位角的变化，这种扭方位方法称为柱面法扭方位。

在上例中，侧钻点井斜角α＝4.5°，方位角θ＝112°。如果用柱面法扭方位，定向角为磁北工具面角ω＝112°+（90°～180°之间任意角度），如MT247°，这时新井眼为降斜、增方位；还可以为磁北工具面角ω＝112°+（180°～270°之间任意角度），如MT23°，这时新井眼为降斜降方位。如果侧钻点井斜角α＝8.5°，用柱面法扭方位，高边工具面为高边工具面角ω＝90°～180°之间任意角度，如HT135°（图5 高边0～180°），这时新井眼为降斜增方位；或者高边工具面角ω＝180°～270°之间任意角度，如HT225°，这时新井眼为降斜降方位。新钻出的井眼在井斜角α 减小的同时，方位角θ 也在增大或减小，新井眼处在空间的柱面上。

图5 高边工具面0～180°变化情况Fig.5 High edge tool surface change of 0~180°

在摆放工具面之前，还需明确2 个概念，即安置角和反扭角。安置角是安置工具面角的简称，在定向造斜和扭方位作业时，当启动井下动力钻具之前，将工具面安置的位置，以工具面角表示，即为安置工具面角。反扭角是使用井下马达进行定向造斜或扭方位时，因动力钻具反扭矩的作用，启动前的工具面与启动后的工具面之间的夹角，反扭角总是使工具面逆时针转动（图6）。因此，安置角＝定向角+反扭角，这里定向角与上面提到的装置角是同一个概念。因为在整个侧钻过程中，要求给动力钻具加很小的钻压，所以反扭角不会很大，根据钻具的长度及刚度，适当考虑5°～10°即可。

图6 反扭角产生示意图Fig.6 Diagram of anti-torsion angle

钻具下到孔底后，如果余尺较短，最好加入一短钻杆，使余尺大于10 m，目的是尽量避免在侧钻过程中间加尺。因为侧钻中间加尺需提起钻具，然后再下放钻具，这一过程可能导致装置角发生改变，而且下钻过程中还可能导致好不容易钻出的台阶垮塌，延长侧钻时间，严重的可能导致侧钻失败。

2.6 侧钻过程

工具面摆好后，就可以开泵侧钻施工了，侧钻过程是靠控制钻时来完成的。如果是在第四系、第三系等较软地层中侧钻，侧钻成功率会很高，整个控制过程也会简单的多。如果在硬地层侧钻，对钻时的控制是相当严格的。

在坚硬地层侧钻施工，常规的做法是开始的2 m，每米钻时5 h；第3、4、5 m，每米钻时4 h；第6、7、8 m，每米钻时3 h；第9、10 m，每米钻时2 h；钻进10 m 共计35 h。当然，钻时并不是一成不变的，可根据侧钻出新井眼情况及时加以调整，总之不可操之过急。

侧钻过程中，送钻一定要均匀，可在钢丝绳卷筒侧板上用粉笔均匀的画上标记，在方钻杆上也画上标记。这样，司钻可以两面兼顾，缓慢均匀送钻。同时每10 min 捞一次岩粉，洗净查看，根据岩粉中水泥颗粒与沙子颗粒比例的变化，判断新井眼的钻出情况，实时调节钻时（图7）。

图7 岩粉中水泥颗粒及沙子颗粒的变化Fig.7 Changes of cement and sand particles in rock powder

在侧钻过程中，如果遇到突然停电，或者泥浆泵突然损坏等意外情况，短时间内不要拉动钻具。因为侧钻过程进尺是非常缓慢的，尤其在前半段，泥浆中的含沙量非常少，不可能造成埋钻事故，因此不要轻易拉动钻具。如果中途必须提钻，如中间需要加尺，或者螺杆钻具损坏需更换等，那么下钻时最后接近孔底的0.5 m，一定要在10～30 min 放到孔底，然后才能开泵，以免下钻过急造成新台阶坍塌而前功尽弃。

至于侧钻出新井眼的深度，由于钻头到测斜仪器测点有超过12 m 的长度是测不到的，这时要准确判断侧钻井底井斜，在保证侧钻成功的前提下，控制全角变化率（俗称狗腿严重度） 是关键，以利于下部定向和钻井作业的顺利实施。一般来讲，当岩粉中沙子的比例超过90%，标志着侧钻已经成功，再按规定钻时钻进5～6 m 就可以起钻了。

2.7 起钻卸掉弯接头

侧钻结束，钻具慢慢提起，起过侧钻点后，可正常起钻。起出钻具，只卸掉弯接头，还用原来的单弯螺杆钻具，螺杆钻具上紧后，重新测量钻具角差，井口开泵测试螺杆钻具及仪器正常后下钻。下至接近侧钻点时，开泵，将工具面调整到侧钻时的工具面，关泵，然后缓慢下至孔底。

为巩固侧钻成果，仍按原侧钻工具面，以每米不小于1 h 的钻时再定向钻进2 m，然后改为复合钻进。这时可以适当加压，如果加压后钻具跳动很大，且进尺缓慢，说明钻具在新井眼中，查看岩粉全为沙粒，说明侧钻成功。复合钻进一单根后，测量井斜，这时的测斜数据就是新井眼的井斜数据，同原井眼井斜数据相比较，井斜角α 和方位角θ 将有不同的变化。然后再复合钻进一单根，起钻，根据正常的钻井需要，可以加入钻铤，开始正常钻探施工。

3 结 语

侧钻前选择最佳侧钻点，高质量做好水泥塞，根据实际需要，科学、合理组合侧钻钻具，做好待钻井眼设计，做到精准控制钻时，注意每一个施工细节，才能有效提高侧钻效率，更好为钻探施工服务。