定向隨鉆擴(kuò)眼技術(shù)在塔河油田側(cè)鉆水平井中的應(yīng)用

張曉明，崔海林，胥 豪，董志輝

（中國(guó)石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營(yíng)257017）

隨鉆擴(kuò)眼技術(shù)（Ream While Drilling，簡(jiǎn)稱RWD）是采用隨鉆擴(kuò)眼工具和常規(guī)鉆頭程序，在全面鉆進(jìn)的同時(shí)擴(kuò)大井眼的一種鉆井技術(shù)［1］。隨鉆擴(kuò)眼工具［2］從結(jié)構(gòu)上來說可以分為兩大類：一類是鉆頭型的隨鉆擴(kuò)眼工具，主要包括雙心鉆頭（單體式偏心鉆頭）、雙體式偏心鉆頭和近鉆頭隨鉆擴(kuò)眼工具；另一類是具有獨(dú)立結(jié)構(gòu)的隨鉆擴(kuò)眼工具，主要包括偏心結(jié)構(gòu)和同心結(jié)構(gòu)的隨鉆擴(kuò)眼器。隨鉆擴(kuò)眼技術(shù)在優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)、改善固井質(zhì)量、提高鉆井效率、降低鉆井成本等方面得到越來越廣泛的應(yīng)用［3－4］。

塔河7區(qū)部署的定向隨鉆擴(kuò)眼側(cè)鉆水平井－TK7－640CH井目的是測(cè)試開窗側(cè)鉆后，采用定向隨鉆擴(kuò)眼鉆井技術(shù)在塔河油田應(yīng)用的可行性，為后續(xù)施工提供經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)提高該油田的開發(fā)效果和效益。

1 地質(zhì)工程概況

塔河油田位于塔里木盆地沙雅隆起中段阿克庫勒凸起西南斜坡，石炭系砂巖、奧陶系碳酸鹽巖為其主要儲(chǔ)集層，儲(chǔ)層發(fā)育，儲(chǔ)量分布以縫洞系統(tǒng)為基本單元。TK7－640CH井鉆遇地層自上而下分別為石炭系卡拉沙依組、巴楚組和奧陶系鷹山組，地層巖性包括砂泥巖、泥巖、雙峰灰?guī)r和泥晶灰?guī)r［5－6］。石炭系到奧陶系厚度變化差異明顯、壓力系統(tǒng)較為復(fù)雜，石炭系坍塌應(yīng)力高，奧陶系地層壓力系數(shù)低，為高－低壓力體系，加之奧陶系頂部可能含有水層，給開發(fā)和側(cè)鉆帶來一定難度。

TK7－640CH井采用φ177.8 mm套管斜向器開窗側(cè)鉆工藝，側(cè)鉆點(diǎn)位于井深5 217.52 m的石炭系卡拉沙依組。為了保證側(cè)鉆成功，本井設(shè)計(jì)采用二開井身結(jié)構(gòu)（圖1）：一開φ149.2 mm牙輪鉆頭側(cè)鉆至5 228 m，然后進(jìn)行定向隨鉆擴(kuò)眼作業(yè)，直至一開設(shè)計(jì)井深5572 m，下入φ139.7 mm膨脹管至井深5 569 m并膨脹固井，封隔巴楚組不穩(wěn)定泥巖地層；二開φ130 mm鉆頭鉆至設(shè)計(jì)完鉆井深5 985.02 m，裸眼完井。

圖1 TK7－640CH井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)合塔河7區(qū)地層特點(diǎn)和本井鉆探要求，TK7－640CH井設(shè)計(jì)為“直－增－穩(wěn)－增－平”五段制剖面。該井井眼軌道設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

2 鉆井施工難點(diǎn)及技術(shù)措施

2.1 施工難點(diǎn)

（1）定向隨鉆擴(kuò)眼技術(shù)是國(guó)內(nèi)第二次在深井中應(yīng)用，可供借鑒的施工經(jīng)驗(yàn)少。

表1 TK7－640CH井井眼軌道設(shè)計(jì)參數(shù)

（2）本井設(shè)計(jì)側(cè)鉆點(diǎn)深，φ88.9 mm 鉆桿長(zhǎng)達(dá)5 200 m，給扭矩傳遞帶來一定困難，給井下情況判斷造成較大困難，斜向器坐封、陀螺測(cè)方位和順利開窗的難度增加。

（3）由于需要進(jìn)行膨脹管下入作業(yè)，原則上要求定向隨鉆擴(kuò)眼段的狗腿度不超過10°／30 m，軌跡控制以“井眼圓滑”為核心，在一定程度上增加了井眼軌跡控制難度。

（4）為了滿足隨鉆擴(kuò)眼鉆頭的轉(zhuǎn)速要求，使之達(dá)到良好的擴(kuò)眼效果，要求動(dòng)力鉆具轉(zhuǎn)速超過180 r／min，對(duì)高功率動(dòng)力鉆具的選擇帶來困難。

（5）井眼尺寸小、泵壓較高、環(huán)空間隙窄，導(dǎo)致環(huán)空壓耗增加，對(duì)鉆具、MWD的抗壓能力和地面高壓循環(huán)系統(tǒng)帶來嚴(yán)峻的考驗(yàn)。

（6）小井眼側(cè)鉆水平井井眼凈化困難，摩阻增大。

2.2 技術(shù)措施

（1）本井設(shè)計(jì)井深5 985.02 m，選用70型鉆機(jī)，地面高壓循環(huán)系統(tǒng)承壓能力達(dá)到25 MPa，以滿足工具和處理井下復(fù)雜情況的需要。

（2）軌跡控制過程中精細(xì)施工，在滿足狗腿度的前提下，采取滑動(dòng)鉆進(jìn)與復(fù)合鉆進(jìn)相結(jié)合的方式，合理統(tǒng)籌二者的比例，做到“勤調(diào)少調(diào)”，尤其是增斜井段的造斜率原則上不超過10°／30 m，以保證眼軌跡圓滑。同時(shí)每次測(cè)斜間隔不超過10 m，根據(jù)測(cè)斜數(shù)據(jù)及時(shí)進(jìn)行預(yù)測(cè)和設(shè)計(jì)，明確下一步施工操作，達(dá)到實(shí)鉆軌跡與設(shè)計(jì)軌道基本一致。

（3）為保證良好的擴(kuò)眼效果，動(dòng)力鉆具轉(zhuǎn)速至少達(dá)到180 r／min，高效螺桿的排量不低于11.5 L／s。

（4）定向過程中經(jīng)?；顒?dòng)鉆具，合理調(diào)整鉆井液性能，避免摩阻過大或出現(xiàn)脫壓的現(xiàn)象。處理復(fù)雜情況時(shí)，將井底安全放在首位，防止出現(xiàn)卡鉆、井壁坍塌等事故。

3 隨鉆擴(kuò)眼關(guān)鍵技術(shù)

3.1 鉆頭優(yōu)選

TK7－640CH井選用定向隨鉆擴(kuò)眼技術(shù)方案，其關(guān)鍵技術(shù)之一是優(yōu)選高效擴(kuò)眼鉆頭。通過大量調(diào)研，優(yōu)選國(guó)民油井公司生產(chǎn)的φ146 mm×φ165 mm×φ120.65 mm CSDR5211S－B2型隨鉆擴(kuò)眼鉆頭。該鉆頭由領(lǐng)眼鉆頭和擴(kuò)眼體兩部分組成，領(lǐng)眼鉆頭的結(jié)構(gòu)與常規(guī)鉆頭幾乎相同，可以鉆出1個(gè)直徑較小的領(lǐng)眼，擴(kuò)眼體是帶有切削刃的棱柱結(jié)構(gòu)，沿圓周方向布置于雙心鉆頭的側(cè)面，能將領(lǐng)眼擴(kuò)大為工藝要求的井眼尺寸［7］。其主要特點(diǎn)：整體結(jié)構(gòu)無活動(dòng)部件，可靠性高，壽命長(zhǎng)，井下風(fēng)險(xiǎn)??；適合在長(zhǎng)井段和定向井段擴(kuò)眼；高轉(zhuǎn)速下對(duì)地層的適應(yīng)性強(qiáng)。

3.2 動(dòng)力鉆具選配

本井井眼深，井下溫度高，選用的雙心鉆頭只有在高轉(zhuǎn)速下才能獲得良好的擴(kuò)眼效果，選配的動(dòng)力鉆具應(yīng)具有抗高溫能力強(qiáng)、功率高的特點(diǎn)。PAISANO公司生產(chǎn)的螺桿鉆具在高溫和不同鉆井液體系下具有強(qiáng)大的動(dòng)力、超長(zhǎng)的使用壽命和良好的井下性能，故選用該公司大功率高轉(zhuǎn)速φ120 mm螺桿鉆具，其性能參數(shù)見表2。

表2 φ120mm螺桿性能參數(shù)

3.3 鉆具組合及鉆進(jìn)參數(shù)優(yōu)選

優(yōu)選底部鉆具組合和鉆進(jìn)參數(shù)是優(yōu)質(zhì)、高效、安全完鉆的關(guān)鍵部分。增斜段優(yōu)選單彎讀數(shù)適中的動(dòng)力鉆具，在滿足井眼軌跡控制的同時(shí)，避免出現(xiàn)較大的狗腿度。同時(shí)，簡(jiǎn)化鉆具組合，優(yōu)選鉆進(jìn)參數(shù)，以保證井下安全，提高機(jī)械鉆速，達(dá)到良好的擴(kuò)眼效果。定向隨鉆擴(kuò)眼鉆具組合：φ146 mm×φ165 mm CSDR5211S－B2隨鉆擴(kuò)眼PDC鉆頭＋φ120 mm×1.5°～1.75°螺桿＋311×310回壓閥＋MWD坐鍵短節(jié)＋φ88.9 mm 無磁鉆桿＋φ88.9 mm 加重鉆桿＋φ88.9 mm鉆桿。鉆進(jìn)參數(shù)：鉆壓10～40 kN；排量11.50～11.75 L／s；泵壓23～25 MPa；轉(zhuǎn)速：螺桿＋45 r／min。

3.4 井眼軌跡控制技術(shù)優(yōu)化

套管開窗作業(yè)選用套管內(nèi)斜向器開窗，造斜點(diǎn)優(yōu)選在穩(wěn)定性較好、可鉆性好的石炭系卡拉沙依組，同時(shí)該井段固井質(zhì)量較好、井斜角小，以保證獲得良好的窗口，避免出現(xiàn)連續(xù)的狗腿。定向隨鉆擴(kuò)眼的關(guān)鍵是軌跡控制，施工過程中，利用Landmark軟件計(jì)算分析待鉆井眼軌道的摩阻和扭矩［8］，實(shí)時(shí)監(jiān)控并及時(shí)調(diào)整，始終選擇全角變化率小、摩阻扭矩低、施工效率高的井眼軌道施工。根據(jù)軌跡控制所需要的造斜率，優(yōu)化每根鉆桿的鉆進(jìn)方式，利用MWD隨鉆測(cè)量技術(shù)加密測(cè)斜，及時(shí)了解井下數(shù)據(jù)變化，不斷優(yōu)化和修正待鉆井眼軌道。增斜段前期采用滑動(dòng)鉆進(jìn)方式，后期造斜率滿足設(shè)計(jì)要求后采取滑動(dòng)鉆進(jìn)與復(fù)合鉆進(jìn)相結(jié)合的方式，保證造斜率較為平均，不會(huì)出現(xiàn)較大的狗腿度，降低井下摩阻和扭矩，實(shí)現(xiàn)整個(gè)實(shí)鉆井眼軌跡的優(yōu)化。

4 現(xiàn)場(chǎng)施工

TK7－640CH井一開采用坐封斜向器開窗，側(cè)鉆成功后使用φ149.2 mm HJS517G牙輪鉆頭復(fù)合鉆進(jìn)出16 m的測(cè)斜零長(zhǎng)，避開套管磁干擾，然后下入定向隨鉆擴(kuò)眼鉆具，從井深5 233 m開始鉆進(jìn)。下入的“雙心鉆頭＋φ120 mm×1.5°螺桿”在窗口處無遇阻現(xiàn)象，但由于初始井斜角小，工具面穩(wěn)定性較差，鉆時(shí)慢（約50～80 min／m），定向增斜鉆進(jìn)困難，造斜率基本在（2°～3°）／30 m，低于7°／30 m 的設(shè)計(jì)造斜率，導(dǎo)致實(shí)鉆位移落后于設(shè)計(jì)位移。鉆進(jìn)至井深5 265.11 m，井斜角6.36°，方位角169.46°，鉆具組合造斜率較低，起鉆更換1.75°螺桿。下入“雙心鉆頭＋φ120 mm×1.75°螺桿”進(jìn)行定向增斜鉆進(jìn)，井斜角增至15°后，工具面較穩(wěn)定，定向鉆時(shí)在30～40 min／m，造斜率基本控制在（7°～9°）／30 m，滿足軌跡控制需要。定向鉆進(jìn)至井深5 441.5 m，井斜角50.18°，方位角206.74°，完成增斜段的鉆進(jìn)。穩(wěn)斜段下入“雙心鉆頭＋φ120 mm×1.5°螺桿”，鉆壓控制在30 kN，排量11.5 L／s，轉(zhuǎn)速保持在螺桿＋45 r／min。由于穩(wěn)斜段復(fù)合鉆進(jìn)井斜微降，采取增井斜措施，定向鉆時(shí)40～50 min／m，復(fù)合鉆時(shí)10～15 min／m。地質(zhì)錄井卡準(zhǔn)層位后，鉆進(jìn)至井深5 579 m，井斜角53.42°，方位角204.67°一開中完。

TK7－640CH井定向隨鉆擴(kuò)眼鉆進(jìn)進(jìn)尺共計(jì)346 m，擴(kuò)眼井段機(jī)械鉆速見表3。受鉆井泵、高壓管線等條件的限制，本井段泵壓在25 MPa以下，排量只能控制在11.50～11.75 L／s，剛剛達(dá)到高轉(zhuǎn)速下的理論排量，導(dǎo)致機(jī)械鉆速及擴(kuò)眼效果未達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

表3 TK7－640CH井隨鉆擴(kuò)眼段機(jī)械鉆速

定向隨鉆擴(kuò)眼井段共使用2只雙心鉆頭，第1只雙心鉆頭保徑部位的兩個(gè)齒柱沒有磨損，表明其起到了很好地主動(dòng)保徑效果，但靠近冠部的1個(gè)保徑齒出現(xiàn)研磨性磨損（磨損了1／4），其余2個(gè)保徑齒因崩壞導(dǎo)致復(fù)合片碎裂；第2只雙心鉆頭出井新度較高，長(zhǎng)刀翼心部的2個(gè)復(fù)合片有所損壞（1個(gè)崩壞，1個(gè)碎裂），肩部和保徑部位的復(fù)合片基本完好，鉆頭整體磨損輕微。

圖2 TK7－640CH井定向隨鉆擴(kuò)眼段井徑值

TK7－640CH井，一開定向隨鉆擴(kuò)眼段井深5 233～5 579 m，其中，5 233～5 441.5 m 為定向鉆進(jìn)增斜段，5 441.5～5 579 m 為復(fù)合鉆進(jìn)穩(wěn)斜段，其中完后的電測(cè)井徑數(shù)據(jù)見圖2。從中可看出：定向隨鉆擴(kuò)眼段平均井徑小于165 mm的不多，主要在井深5 278～5 296 m和5 340～5 362 m，總段長(zhǎng)40 m；復(fù)合穩(wěn)斜段平均井徑小于165 mm的井段主要在井深5 466～5 481 m、5 494～5 509 m和5 525～5 579 m，總段長(zhǎng)84 m。說明在相同鉆壓和排量條件下，復(fù)合鉆進(jìn)穩(wěn)斜段的隨鉆擴(kuò)眼效果略低于定向增斜段。

5 認(rèn)識(shí)與建議

（1）塔河油田地質(zhì)情況復(fù)雜，深井超深井?dāng)?shù)量多，為定向隨鉆擴(kuò)眼技術(shù)在深井、超深井和小井眼定向擴(kuò)眼段的試驗(yàn)創(chuàng)造了基本條件。

（2）鉆井泵條件限制了工具性能的發(fā)揮，影響了隨鉆擴(kuò)眼效果和機(jī)械鉆速。

（3）使用CSDR5211S－B2隨鉆擴(kuò)眼鉆頭進(jìn)行定向和復(fù)合鉆進(jìn)，部分井段沒有達(dá)到設(shè)計(jì)要求的φ165 mm。今后需要根據(jù)各地層的巖性特點(diǎn)，適當(dāng)調(diào)整和優(yōu)選鉆井參數(shù)、水力參數(shù)，以達(dá)到定向隨鉆擴(kuò)眼的理想效果。

（4）國(guó)外雙心鉆頭和螺桿價(jià)格昂貴，建議加快隨鉆擴(kuò)眼鉆頭及配套工具的改進(jìn)和國(guó)產(chǎn)化，降低鉆井成本。

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