针对哈国侧钻超短半径水平井的工艺技术

第11卷　第2期　　　　　　　　　　　吐哈油气　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Vol . 11, No . 22006年6月T UHA O I L &G AS Jun . 2006

针对哈国侧钻超短半径水平井的工艺技术

杨立军, 钱　峰, 南文泽, 何　飞

(中国石油　吐哈石油勘探开发指挥部　钻采工艺研究院, 新疆　鄯善　838202)

摘　要:CNPC -阿克纠宾油气股份公司下辖扎那若尔油田, 开发目的层为石炭系油层, 主要采用直井开发。目前该油田共计有110多口报废老井, 单井产能偏低, 采用套管开窗侧钻井技术特别有利于老油气田的挖潜开采。曲率半径40m 的侧钻短半径水平井因其超高的造斜率给钻井施工带来一系列困难。该文针对哈国6&3″套管侧钻短半径的技术特点, 介绍了主要配套技术的研究内容, 根据490及207井的试验情况, 提出了下一步的研究发展方向。关键词:钻井; 水平井; 小井眼; 开窗侧钻; 超短半径　　短半径水平井是钻井领域最新发展技术之一, 与常规水平井技术相比, 该技术造斜段井眼曲率明显增加, 由此带来一系列优点为油田开发提供新的手段, 也受到各油田的普遍重视。, 体现在:

(1) 在复杂层位以下造斜, 可以有效预防复杂层位可能引起的井下复杂事故, 在一定程度上可以增加钻井成功率。

(2) 采用较小的靶前距, 可以有效提高靶点认识程度, 降低因较强地质非均质性引起的认识风险。

(3) 在水平井段要求相同的情况下, 利用短半

向。同时, 在数十米的有限增斜井段内也不可能再, 实现在有磁条件) , 大度数的螺杆很

) /m以上的造斜率非常困, 要达到1. 4(°

难。短半径水平井的井眼曲率已超过钻具的自然弯曲能力, 钻具强行弯曲紧贴井壁, 磨阻大, 钻压传递困难。

(3) 高造斜率条件下, 现有随钻测量仪器不能有效工作, 出现不能下至预定测量位置或弯曲损坏的情况。

(4) 现有钻井设备条件下, 在短半径井中, 考虑钻具强度因素, 转盘不宜连续转动, 全部裸眼井段主要采用动力钻具滑动方式钻进, 不仅不利于携带岩屑, 净化井眼, 还容易发生粘卡等井下事故。

(5) 测量滞后问题在短半径井中显得尤为突出(有线测量7m 、无线测量10m ) , 依靠仪器显示情况很难准确判断钻头处的井斜方位, 实现精确轨迹控制难度很大。

径水平井钻井技术可以有效缩短钻井总进尺150～200m , 减少材料消耗、缩短周期和降低成本。

(4) 将造斜位置下压后, 可以避开其它复杂层位及含水层位, 不必要进行固井作业, 完井方式可尽量简化, 既节省完井费用, 又可以防止固井作业中二次污染油层。

2　哈国侧钻超短半径水平井钻井技

1　针对哈国侧钻超短半径水平井主

术研究

　　侧钻超短半径水平井钻井技术主要包括套管开窗优选优化技术、井眼轨迹优化设计技术、有磁条件下的精确定向侧钻技术、高造斜率定向测量及轨迹控制技术、安全钻井技术、钻井液技术及固井完井技术等。

要技术难点

　　与普通中短半径水平井相比, 曲率半径为40m 的套管开窗侧钻超短半径水平井有如下难点:

(1) 无论采用锻铣还是磨铣开窗, 初始侧钻段不可避免地存在磁干扰, 难以确定准确的造斜方

收稿日期:2006-01-19

作者简介:杨立军(1978-) , 男, 甘肃玉门人, 工程师, 机电一体化专业。联系电话:0995-8377697

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2. 1　套管开窗优选优化技术(1) 采用陀螺进行静态的单点测量定向。(2) 起出陀螺, 下入有线测量仪器进行随钻监

国内:

侧钻短半径水平井一般采用锻铣开窗, 主要考虑锻铣开窗距上窗口8m 可消除磁干扰, 有利于尽快定向增斜。采用磨铣方式开窗, 一般需转盘钻进20～30m , 待新老井眼的夹壁墙厚度超过0. 5m 后

测, 虽然在井斜较小时重力高边误差很大, 但其变化的相对值对螺杆工具面的变化仍有参考价值。

(3) 每钻进1～2m 进行一次陀螺工具面复测, 确保方位准确。

(4) 磁干扰消除或井斜大于3°时, 立即转入常规测量方法, 如果此时方位偏差, 首先进行扭方位作业, 扭方位时不宜将装置角放置±90°, 仍应以增斜为主, 满足高造斜率的要求。2. 4　高造斜率定向测量及轨迹控制技术2. 4. 1　侧钻超短半径水平井井眼轨迹测量技术

(1) 随钻测量仪器的选择

套管的磁干扰基本消失, 方可进行准确的定向作业。对于曲率半径仅有40m 的短半径水平井, 可供增斜的井段将大大缩短, 后续施工极为困难。

哈国:

如果采用锻铣方式开窗, 由于套管壁厚, 钢级高, 锻铣刀磨损严重, 需要更换多套刀片, 开窗周期长。同时, 因开窗井深, 刀片钻压和转速很难精确控制, 极易造成卡钻等事故。第三开窗铁屑量大, 大量的铁屑增加了钻井液携带的难度, 易造成井下复杂与事故。针对扎那若尔油田实际情况, 原则上只能采用磨铣开窗方式开窗, 磨铣开窗与锻铣开窗相比不仅能缩短开窗周期, 。, 工。

2. 2　井眼轨迹的优化设计技术

无线随钻测量仪钻头至测量传感器有10～12

m 领长(测量滞后距离) , 有线测量仪领长7～8m ,

) /m, 领长越1. 4(°

长。目前,

, 哈国也以有线。

(2) 随钻测量仪器的改进

普通有线随钻测量仪采用铝合金做加重杆, 柔性较低。井眼曲率半径过小时, 无法下入弯曲井眼或出现弯曲损坏, 可采用铍型铜加工腰鼓型柔性加重杆。理论计算表明, 其最小允许曲率半径为

) /m) , 在490井和207井的应用过28. 7m (2. 0(°

) /m, 应用正常。程中, 最高造斜率达到1. 8(°

(3) 合理测量间距的确定定向井施工中, 造斜井段一般1～2m 测量一点。中、长半径水平井造斜段一般4～5m 测一点即可满足施工要求。超短半径水平井由于曲率半径较小, 实际造斜段仅有80～100m , 且每米造斜

) /m以上, 施工稍有失误, 就有可能导致率在1(°

整个侧钻短半径水平井的失败。因此, 必须严格控

制造斜率的变化, 将造斜段的测量间隔控制在每1. 1m 左右, 以利于及时掌握钻具组合造斜率的变化情况。

2. 4. 2　侧钻超短半径水平井井眼轨迹控制技术

侧钻短半径水平井轨迹的优化设计不仅仅是

井眼轨迹的计算与设计, 在轨迹设计中应充分考虑以下几个方面的问题:

(1) 轨迹设计应满足油藏地质需要, 在满足安全施工的前提下, 尽可能提高造斜率、轨迹尽可能多的穿过油层。

(2) 充分考虑井下工具造斜能力和通过上部小尺寸套管能力。

(3) 充分考虑井下工具、仪器和钻具在高造斜段的通过能力和安全性。

(4) 设计井眼轨迹应为二次抛物线、准悬链型或单圆弧剖面型, 尽可能降低钻具摩阻。

(5) 设计井眼轨迹时应充分考虑初始定向造斜时测量仪器受套管磁干扰的影响和测量仪器的工作状态。2. 3　有磁条件下的精确定向侧钻技术

无论采用磨铣还是锻铣开窗, 窗口附近都存在磁干扰, 短半径水平井的特殊性决定了不可能先钻一段距离, 待磁干扰消除后再定向。因此, 必须解决磁干扰下的增斜问题。在侧钻超短半径水平井中, 钻具尺寸小, 柔性大, 很难采用单点测量定向控制工具面, 解决的主要措施包括:

侧钻超短半径水平井轨迹控制技术是短半径水平井施工的核心, 轨迹控制的水平直接反映了侧钻短半径水平井施工的水平。影响井眼轨迹的主要因素是下部钻具组合(BHA ) 、钻井参数、已钻井眼几何形状和待钻地层特性等因素。井眼轨迹的控制主要依靠钻具组合和钻井参数的调控来实现。不同的钻井方式有不同的钻具组合和参数调控方

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式。轨迹控制要求根据钻井工程设计的井眼轨迹,

选择合适的钻具组合和钻井参数进行钻井施工。利用轨迹控制软件实时掌握实钻井眼轨迹情况, 通过调整钻具组合和钻井施工参数, 使实钻井眼轨迹接近设计井眼轨迹。

(1) 定向螺杆的优选

超短半径水平井定向螺杆主要有单弯、双弯和

) /m) , 铰链式三种。铰链式螺杆造斜率高(2～4(°) /但造斜率不易控制。螺杆寿命短, 不适合1. 4(°m 造斜率的要求, 目前很少使用。双弯螺杆在相同

要。

②钻具组合和钻井参数优化技术

) /m的超短半径井, 如对于造斜率高达1. 4(°

何在保证安全的前提下实现强力增斜是关键。为此, 重点针对螺杆的选择, 钻具组合和钻井参数的优化开展研究。

在稳定的石灰岩地层定向, 由于井眼规则, 扩大率很小, 造斜率明显高于泥岩和砂岩地层, 造斜率1. 4°/m的Φ118mm 井眼超短半径井, 选用Φ95mm 螺杆, 具体规格为:

井斜≤15°:使用3～3. 25°螺杆。

15°

的通过度下, 造斜率无明显增加, 不宜使用。例如3. 25×1. 0°双弯螺杆通过度与3. 5°单弯螺杆相

同, 但造斜能力偏低。单弯螺杆造斜率稳定, 成本

最低, 比较适合曲率半径40m 左右的超短半径施工需要。

(2) 螺杆通过度的预测计算:

侧钻短半径水平井螺杆通过度有二个评定条件:一是下部钻具接触力条件, , 力条件, 。如果太大, 钻具靠自重不能通过。螺杆通过度与套管内径、螺杆钻头直径、螺杆弯度和长度、弯点位置等多种因素有关。表1给出了在哈国使用Φ118mm 钻头侧钻时, Φ95mm 不同度数单弯螺杆在Φ168. 3×δ10. 54mm 套管内的径向偏移量。

Φ95mm 螺杆在Φ168. 3×δ表1　10. 54mm 套管内的径向偏移量

) 螺杆度数(°径向偏移量(mm )

267. 44

2. 2570. 58

2. 577. 91

2. 7583. 14

388. 38

3. 2593. 61

3. 598. 84

井斜>45°:使用2. 5～2. 75°螺杆。

为保证螺杆的强度和造斜能力, 要求螺杆弯壳体直径要加大到102～105mm , 适当缩短弯点以下长度, 100c :高造斜段钻。侧钻超短半径水平井钻具主要包括高造斜率定向段组具组合、水平段钻具组合以及通井钻具组合。

a 、高造斜率定向段组具组合和参数

Φ118mm 钻头+(2. 5～3. 25°) Φ95mm 单弯

螺杆+定向接头+Φ73mm 无磁抗压缩钻杆+Φ73mm 斜坡钻杆+Φ89mm 钻杆。

考虑到石灰岩地层稳定, 不易划出新眼, 定向钻头原则上选用P DC 钻头; 钻杆采用18°斜坡钻杆以减小钻具摩阻; 在套管条件允许的情况下最好使用组合钻具, 上部使用Φ89mm 钻杆, 用于降低循环泵压和提高循环排量, 实钻中循环排量达到10L /s, 泵压18MPa, 环空返速达到了0. 83m /s 左右。

如果高度数单弯螺杆造斜率不足, 为提高造斜率, 可采用增加下部钻具柔性的办法, 直接用斜坡钻杆代替无磁抗压缩钻杆, 提高定向钻具造斜率。

在钻井参数上无特殊要求, 考虑到定向时托压将极为严重, 钻压可适当加大, 但应防止钻压突然释放损坏螺杆, 处理托压以活动钻具修拉井壁为主。

b 、水平段钻进钻具组合和参数Φ118mmP DC +(1～1. 25°) Φ95mm 单弯螺杆+定向接头+Φ73mm 无磁抗压缩钻杆+Φ73mm 斜坡钻杆+Φ89mm 钻杆。

超短半径水平井水平段只能采用复合方式钻

Φ168. 3×δ10. 54mm 的允许最大径向偏移量为90. 12mm , 因此即使不考虑螺杆形变, 3°以下螺杆也可顺利下入。但是如果上部套管是Φ139. 7mm , 当壁厚9. 17mm 时, 只能允许2. 25°以下螺杆) /m。下入。设计造斜率最高不能超过1. 1(°

(3) 侧钻超短半径水平井钻具组合选择

①钻杆类型选择

Φ73mm 钻杆在Φ118mm 井眼内允许通过的最大井眼曲率表2　

开窗套管(in ) 钻杆尺寸(mm ) 钻杆钢级

最大屈服极限(M Pa ) 允许最大曲率(°/m) 允许最小曲率半径(m )

5∀−73

P -105723. 21. 76332. 5

S -1359302. 26725. 27

P -105723. 21. 44639. 62

788. 9

S -1359301. 86030. 81

由表2可以看出选用钢级高的Φ73mm S -) /135钻杆, 允许通过的井眼最大曲率为2. 267(°m , 可以满足扎那若尔侧钻超短半径水平井的需

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进, 需要时可定向对井眼轨迹进行微调, 以满足精确中靶的要求。转盘钻速控制在8～14r pm 之内, 钻压不宜过大, 10～20k N 为好, 排量尽可能大, 有助于消除岩屑床。

c 、通井钻具组合和参数

Φ118mm 单牙轮钻头+Φ116mm 双母扶正器+Φ73mm 斜坡钻杆+Φ89mm 钻杆。

超短半径水平井, 由于其定向造斜段造斜率高, 斜井段采用滑动钻进方式钻进, 同时, 使用P DC 钻头, 定向时容易在井壁形成小台阶, 严重影响后续作业的进行, 为此, 每定向钻进10～20m , 起钻换用通井钻具通井划眼, 确保井壁光滑无台阶, 为后续安全作业创造良好的基础。

通井使用单牙轮钻头有利于防止划出新眼。使用近钻头扶正器提高划眼质量, 扶正器要专门设计, 总长小于1m , 扶正块长度小于30c m , 外径略小于钻头直径。为降低钻具刚性, 甩掉无磁抗压缩0～10kN 之间(和测量仪器压差, 12L /s ) , 消除岩屑床和携砂。

(3) 钻井施工过程中的轨迹控制措施①出于对钻具强度及高造斜率井眼轨迹控制的考虑, 短半径水平井宜以滑动钻进为主、旋转钻进为辅的方式进行。旋转钻进多为有效传递钻压、消除摩阻、通井划眼。理论计算和现场实践证明, 侧钻超短半径水平井允许使用转盘钻进。

②侧钻超短半径水平井造斜段所使用的钻具

) /m以上, 在造斜组合造斜率较高, 一般在1. 4(°

点方位与水平段方位不一致时, 为了使钻具容易通过造斜段或扭向段, 应避免单纯的扭向或单纯增斜, 尽量把扭向和增斜适当协调进行, 即把应该扭转的方位合理的分布在增斜过程中, 以保持钻进过程中井眼平滑连续。

③造斜段的轨迹控制技术是侧钻超短半径水平井施工的关键技术。由于超短半径水平井的造斜段较短, 施工中井斜和方位调整余量很小, 一旦出现失误, 后果将不堪设想。因此, 造斜钻具组合造斜率的选择必须有把握, 对井眼轨迹的预测应作到尽量精确, 严格控制垂深及实钻曲线超前或置后的程度, 不得盲目钻进。

④水平段钻进的重点是钻具组合要有稳斜和调整井斜及方位的能力。当造斜段扭方位工作量

较大时, 在确保中靶的情况下可把一少部分扭方位的余量留在水平段进行消化。这样, 一方面可以减少造斜段的扭方位压力; 另一方面又可使钻出的井眼平滑连续, 有利于侧钻超短半径水平井的顺利施工。

2. 5　安全钻井技术

侧钻超短半径水平井钻井的主要风险是钻具粘卡、钻具事故和井眼净化。为此, 要做好以下几方面工作:

(1) 严格控制造斜钻具的下钻速度, 防止损坏螺杆和钻头。

(2) 及时通井。坚持每钻进20～30m , 采用牙轮+稳定器+钻杆的钻具组合通井, 划眼时要防止划出新眼, 一旦发现划眼困难, 立即采用原造斜钻具组合, 定点定向找回。

(3、高造斜率和侧, 牙, 。因此, 在钻头使用过程中, 应根据岩性、机械钻速、进尺等综合指标判断分析钻头使用情况, 严格按操作规程办事, 控制钻头余新≥40%。

(4) 防止出现钻具事故。一是强化钻具的检

查和管理; 二是定期合理倒换钻具, 防止疲劳损坏; 三是慎重采用转盘驱动作业方式。

(5) 定向钻进出现托压时, 要及时活动钻具, 防止粘卡。

(6) 合理选择钻井液体系, 施工中强化钻井液维护与处理, 确保钻井液性能满足井下安全施工的要求。2. 6　钻井液技术侧钻超短半径水平井钻井液的核心是在满足携岩的条件下, 如何有效提高钻井液润滑性能, 降低摩阻系数, 为高造斜段高效、安全的定向钻进创造条件。扎那若而油田侧钻超短半径水平井采用乳化原油聚磺体系, 该体系在常用聚磺泥浆基础上加入乳化原油, 具有成本低, 性能易调整等特点。根据哈国扎那若尔油田地层特点和侧钻需要, 钻井液粘度控制在40～50s 之间, 动切力在7～14Pa 之内, 保证泥浆具有良好的悬浮携带性能。失水保持在2. 8～4. 0m l 范围内, 泥饼保持在在0. 4mm 内, 保持泥饼薄而光滑, 保证井眼的光滑和稳定。为提高钻井液润滑性能, 从开窗开始就逐步加入原油和固体润滑剂, 井斜达到20°以后, 原油含量达

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到15%, 固体润滑剂的含量达到1%～1. 5%, 同时

针对井温低, 原油乳化困难的特点, 适当加大乳化剂用量, 基本解决了小井眼侧钻超短半径水平井施工过程中托压严重的问题。尤其是207井, 该井

) /m以上, 同时进70%的造斜井段造斜率在1. 7(°

行了较大范围的扭方位作业, 施工时井下安全正

常。施工的两口侧钻超短半径水平井均未发生因钻井液问题造成的缩径、坍塌、卡钻等井下复杂事故。2. 7　完井技术

目前吐哈油田在哈国侧钻超短半径的水平井均选择在灰岩地层开窗侧钻, 定向段、水平段均在灰岩地层进行, 而该区灰岩地层均比较稳定, 因此完井方式均选择为裸岩完井。

环的南部(A 南油藏的东南部) 。原井于1987年6月投产, 初期产量只有5t/d, 以后保持在3～5t/d, 2003年4月补开补孔(上部) 和重复射孔, 产量增加到10t/d 左右, 侧钻前基本上不出液。490井于9月18日开始开窗侧钻, 9月20日定向钻进, 10月10日钻至2898m 因螺杆断裂无法打捞而提前完钻。该井钻井周期26. 7天, 定向周期20. 4天, 开窗点2809m, 完钻井深2898m 。裸眼段长89m, 水平段长20. 09m 。该井侧钻后初产原油40t, 目前维持在30～35t/d 。

207井位于扎那若尔油田南区块A 南东翼油环的南部, 距490井直线距离300m 。原井于1987年3月投产, 初期产量只有5t/d,以后保持在3～10t/d, 2001年10月补开下部和重复射孔无效, 侧

4

钻前日产2t/d, 累积2. 7×10t, 不含水。该井开窗点2m, m 。裸眼段长185m, 28t/d

。

3　现场应用情况简介

3. 1　现场施工情况简介

490图1　207井设计与实钻垂直投影　　　　图2　207井设计与实钻水平投影

3. 2　技术应用及效果评价

①侧钻超短半径水平井造斜率和井眼曲率半径

短半径水平井造斜率的高低是衡量短半径井

难易程度的一个主要指标。目前国内短半径水平

从已实施的490和207两口井来看, 侧钻超短半径水平井轨迹控制各项技术指标达到国内领先水平, 主要表现在以下几个方面:

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) /m之间, 井设计造斜率一般控制在1. 1～1. 2(°

) /m之间, 井实钻造斜率最高一般在1. 2～1. 4(°

眼曲率半径一般控制在48～41m 之间。扎那若尔油田实施的490、207侧钻短半径水平井设计造斜

) /m, 井眼曲率半径为39m 。实钻率达到1. 45(°

) /m, 井眼曲率半径达到中最高造斜率达到1. 8(°

后续工作的严重被动, 甚至造成填井重钻的严重后

果。因此, 对轨迹控制有着极高的要求。实钻中不仅要求轨迹能准确中靶, 同时也要求井眼轨迹尽可能光滑、狗腿变化率尽可能小, 以保证后续工作的顺利进行。已完成的490和207侧钻超短半径水平井实钻轨迹光滑顺畅, 并保证了轨迹精确中靶。490侧钻超短半径水平井设计A 点垂深2854. 51m , 实际中靶垂深2855. 71m , 上下偏差1. 20m , 左右偏差6. 7m; 207侧钻超短半径水平井设计A 点垂深2860m , 实际中靶垂深2861. 97m , 上下偏差1. 97m , 左右偏差3. 65m , B 点垂深2874m , 实际中靶垂深2873. 82m , 上下偏差0. 18m , 左右偏差1. 75m , 2口井均达到了设计中靶要求。

了31. 8m 。为国内短半径造斜率之高。

②侧钻短半径水平井垂直井段

因目的层上部存在高压水层或气层等复杂层段, 应用常规定向井或水平井技术无法避开高压水气层等复杂层段, 也无法有效开发这类油藏。因此, 造斜点距A 点垂深也是衡量短半径水平井难易程度的一个指标。造斜点距A 点垂深越大, 短半径水平井造斜率越低, 轨迹调整余地越大; 反之, 造斜点距A 点垂深越小, 短半径水平井造斜率越高, 轨迹调整余地也越小。

国内短半径水平井造斜点距A 点垂深一般在50m 左右, 甚至更长, 量仪器的磁干扰38～40m (490造斜点2817m , A 点垂深2854. 51m; 207造斜点2820m , A 点垂深2860m ) 。这就要求具有在35m 左右垂深的基础上, 将井斜增至90°左右的能力。490侧钻井为国内垂直井段最短的短半径水平井。

③短半径水平井轨迹控制精度由于短半径水平井造斜率高, 存在7～9m 的仪器领长, 实钻轨迹控制中, 稍不留意就可能造成

4　认识与建议

() 490、207井通

, , 为该油田老。

(2) 加强通井, 提高井眼光滑程度对钻超短半径水平井十分重要, 通井时要注意参数控制, 避免划出新眼。

(3) 针对哈国薄互层多的油藏特点, 侧钻技术下一步的研究方向将是4000m 以上139. 7mm 套管侧钻水平井技术和短半径分支水平井技术, 目前在这些领域面临着相当大的技术困难, 应提前做好技术研究和储备。

Technolog i es of S i detrack i n g Hor i zon t a lW ell w ith Ultra -short Rad i us i n Kazakst an

Yang L ijun, Q ian Feng, Nan W enze, He Fei

(D rilling and Pr oducti on Technol ogy Research I nstitute, Tuha Petr oleum Exp l orati on and Devel opment Cor p. , Petr oChina, Shanshan 838202, Xinjiang )

Abstract:Devel opment target z one of Zananorl oilfield, contr olled by CNPC -AKT OBE L i m ited Company is Car 2bonifer ous syste m reservoir, which is p redom inately devel oped by vertical well . A t p resent, there are t otal 110old wells abandoned, p r oductivity of single well is l ow, it is favorable for old oilfield further p r oducti on t o use casing window cutting sidetracking technique, but ultrahigh inclinati on of sidetracking short radius horiz ontal well with 40m radius of curvature leads t o a series of difficulties f or drilling operati on . A s f or the technique features of sidetrack 2ing short radius with 65/8″casing in Kazakstan, the study content on main matching techniques is intr oduced, and according t o test f or well 490and 207, the next study is p resented .

Key words:drilling; horiz ontal well; sli m hole; sidetracking windo w cutting; ultra -short radius