小井眼钻井个性化设计及优化配置提速

彭军

摘要：本文探讨了小井眼钻井基本情况，小井眼钻井关键技术主要体现在套管开窗侧钻、井眼轨迹设计、钻具组合的选择，掌握好关键技术是小井眼钻井成败的关键。通过研究小井眼钻头小排量工况下防泥包设计技术，小井眼螺杆钻具大位移井防托压设计技术，小井眼钻头和螺杆钻具高攻击性设计技术，小井眼钻头和螺杆钻具高抗研磨设计技术，缩短了钻井周期、降低了钻井成本。

关键词：小井眼；开窗；侧钻；技术设计

1 小井眼钻井基本情况

对于小井眼的说法有各种各样，目前比较常见的定义是：90%的井径小于7”或者70%的井径小于6”的井称为小井眼井。国外对小井眼钻井技术的施工工艺开展了一系列研究，在常规7”套管中技术应用已基本配套，侧钻最深达7010m，在5-1/2”套管中已可多次成功开窗侧钻，钻成分支水平井和多底水平井。目前渤海油田，海上现有平台井位有限且固定，平台开发前期使用较大井眼开采，钻12-1/4”井眼下入9-5/8”套管，中期在9-5/8”套管开窗，钻8-1/2”井眼下入7”尾管生产，到生产后期，套管可开窗深度所剩无几，这时，采用小井眼侧钻技术能有效改善油田生产状况。根据相关统计，与常规井相比，小井眼可节省钻井费用25%～50%。

2 小井眼钻井技术

小井眼钻井技术是一项复杂的系统工程，小井眼钻井关键技术主要体现在套管开窗侧钻、井眼轨迹设计、钻具组合的选择，掌握好关键技术是小井眼钻井成败的关键。

2.1 开窗侧钻

利用斜向器和开窗铣鞋，在侧钻点位置将套管磨穿而形成窗口，然后用侧钻钻具钻出新井眼。其特点是设计和施工工艺简单，现场易操作。目前，海上平台后期增产多采取该方式，效果明显。

在开窗位置的选择中需要注意要结合套管深度、固井状况、地层资料等进行合理选定，为轨迹设计提供良好的初始点。在实践中，一般先对上部套管进行电测，获取固井质量、接箍位置等数据，对套管整体试压，以确保选择窗口位置的可靠，避免后期作业中的风险。

2.2 井眼轨迹设计

井眼轨迹设计是一口开窗侧钻井顺利完成的基础。小井眼轨迹设计除了应该考虑普通定向井特点外，还需要考虑造斜率、可控井段及井眼直径小等特点。

2.3 钻具组合的选择

目前各专业公司对小井眼钻具的技术日趋成熟，配套随钻测试工具完善，参数调整方便，操作直观，实践中表现突出。根据定向井轨迹选择合适的钻具组合，降低钻具整体的震动，减少因钻具损坏造成的井下事故。

3个性化设计及优化配置提速技术

3.1小井眼钻头小排量工况下防泥包设计技术

通过小井眼PDC 水力优化技术研究，建立PDC 钻头井底三维模型，通过进口、出口和井底平面三个面的边界条件设置，利用数值模拟功能完成刀翼表面钻井液流动情况、距井底不同距离平面泥浆的速度云图模拟计算，最终将水眼数量由6 个优化为5个，提高钻头表面流速，在相同排量下，流道流速提升了36.5%，优化了水眼喷射方向，消除了钻头中心部分低速区（图1）。在现场应用中有效解决了由于小井眼钻井施工环空间隙小，系统压力损失大，排屑困难导致的钻头泥包问题，形成了小尺寸钻头高流速防泥包设计技术。钻头改进前后对比效果如图2 所示。

3.2小井眼螺杆钻具大位移井防托压设计技术

针对小井眼钻井排量小、极易形成厚岩屑床，影响滑动钻进速度的情况，通过对小井眼大位移井岩屑下沉规律研究，改进了扶正器在钻具组合中的位置，使扶正器位置下移，靠近钻头，避开岩屑下沉区，同时扶正器位置及扶正筋前角优化，形成了小尺寸螺杆钻具防托压设计技术，现场应用将机械钻速提升20%以上。

图1 钻头改进前后水力模拟图

图2 钻头改进前后

3.3 小井眼钻头和螺杆钻具高攻击性设计技术

通过对地层可钻性分析，获得了地层相应的抗压强度、压入硬度、内摩擦角、研磨性指数、塑性系数等数据，针对上部和下部地层研发了小井眼钻头和螺杆钻具进行了高攻击性设计技术。在小井眼钻头高攻击性设计方面，采用短抛物线头型，15°～18°小后倾角设计，增强钻头攻击性、提高机械钻速。

在小井眼螺杆钻具大扭矩设计方面，针对中深部地层常规马达后期输出功率下降、进尺变慢的问题，通过研制小尺寸多级及硬橡胶大扭矩马达、优化导程/直径比等技术，使小井眼螺杆钻具输出扭矩和输出功率提高30%以上，保证了马达保持充足的动力性能和良好的稳定性。

3.4小井眼钻头和螺杆钻具高抗研磨设计技术

通过小井眼PDC 钻头抗磨损及强化型保径技术研究，将径向布齿加修正系数由1 增加到1.1，加大钻头肩部布齿密度，提升抗磨损能力。优化规径齿位置和角度，增加保径主动切削齿和倒划眼齿，保证井眼尺寸，解决了高转速下钻头在研磨性地层中磨损剧烈，易缩径的问题。通过对小尺寸螺杆钻具弯壳体、扶正器关键部件耐研磨技术研究，形成了球形碳化钨堆焊工艺，提高了弯壳体耐磨带与基体的结合强度及耐磨性。研制开发三筋螺旋扶正器替代直筋扶正器，使扶正器有效表面积提升50%，同时采用交叉布齿优化合金齿柱分布，将耐磨合金镶嵌金数提升了一倍以上，有效避免扶正器本体磨损。

4 结束语

在小井眼钻井施工中，以小尺寸PDC 钻头高攻击性、定向稳定性、抗磨损和螺杆钻具耐磨损、高造斜、防托压结构等个性化设计技术研究为基础上，形成的小井眼PDC 钻头+螺杆钻具优化配置提速技术，有效解决了小井眼钻井钻头泥包、定向工具面失稳、使用寿命低等问题，提高了机械钻速，减少了起下钻次数、缩短了钻井周期、降低了钻井成本。

参考文献

[1]秦天宝，石磊，陈增海.小井眼钻井技术及风险分析[J].石油和化工设备,2020/第7期.

[2]秦利.小井眼钻井技术的应用前景和关键技术[J].石化技术,2018/第7期.