實(shí)體膨脹管在封隔深井側(cè)鉆井復(fù)雜泥巖段的應(yīng)用

胡 彪，何世明，劉愛(ài)民，王 歡

（1.西南石油大學(xué) 石油工程學(xué)院，成都610500；2.中國(guó)石化西北油田分公司 鉆完井工程管理處，烏魯木齊830016；3.中油測(cè)井技術(shù)服務(wù)有限責(zé)任公司，北京100101）

實(shí)體膨脹管在封隔深井側(cè)鉆井復(fù)雜泥巖段的應(yīng)用

胡 彪1，何世明1，劉愛(ài)民2，王 歡3

（1.西南石油大學(xué) 石油工程學(xué)院，成都610500；2.中國(guó)石化西北油田分公司 鉆完井工程管理處，烏魯木齊830016；3.中油測(cè)井技術(shù)服務(wù)有限責(zé)任公司，北京100101）

實(shí)體膨脹管不僅能有效封隔復(fù)雜地層，也能保證較大完井尺寸。但實(shí)體膨脹管在塔河油田封隔深井側(cè)鉆井復(fù)雜泥巖井段時(shí)，存在井壁失穩(wěn)、小井眼定向擴(kuò)孔效果不確定、實(shí)體膨脹管膨脹規(guī)律及影響因素不明確、二開(kāi)小井眼定向鉆進(jìn)配套工具不完善，無(wú)成功經(jīng)驗(yàn)可借鑒等施工難點(diǎn)。因此，對(duì)其擴(kuò)孔工具、膨脹規(guī)律、二開(kāi)鉆進(jìn)配套工具等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了可行性分析和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，并成功在試驗(yàn)井斜井段實(shí)現(xiàn)437 m的復(fù)雜泥巖封隔。實(shí)踐表明：實(shí)體膨脹管能夠滿足深井側(cè)鉆井的封隔要求，并保證二開(kāi)小井眼井段的順利鉆進(jìn)。

實(shí)體膨脹管；定向擴(kuò)孔；膨脹液壓力；深井側(cè)鉆

塔河油田為提高儲(chǔ)量動(dòng)用程度，進(jìn)行了?177.8 mm套管開(kāi)窗側(cè)鉆［1］。為解決側(cè)鉆井斜井段大段不穩(wěn)定泥巖所引起的一系列問(wèn)題，封隔該復(fù)雜泥巖段是最有效的辦法。采用?127 mm套管（內(nèi)徑?108 mm）封隔后，幾乎無(wú)法繼續(xù)二開(kāi)鉆進(jìn)。提出了采用實(shí)體膨脹管封隔斜井段的復(fù)雜泥巖。實(shí)體膨脹管在國(guó)內(nèi)外已廣泛的運(yùn)用在堵漏、防砂、防塌等領(lǐng)域，并取得了很好的效果［2-3］。但是，在5 500 m深井側(cè)鉆井的應(yīng)用尚屬首次，因而對(duì)其膨脹參數(shù)、膨脹工藝等都提出了很高要求。實(shí)體膨脹管在塔河油田試驗(yàn)井的成功應(yīng)用，創(chuàng)造了實(shí)體膨脹管在國(guó)內(nèi)下井最深、封固段最長(zhǎng)2項(xiàng)紀(jì)錄。本文對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)、配套工藝、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況的總結(jié)，有利于后續(xù)實(shí)體膨脹管的推廣應(yīng)用。

1 施工難點(diǎn)分析

塔河油田油藏埋深在5 000～7 000 m，鉆探的直井主要為4級(jí)和3級(jí)井身結(jié)構(gòu)。試驗(yàn)井原井身結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)如表1。

表1 原井身結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)

實(shí)體膨脹管在該井斜井段的施工難點(diǎn)是：

1） 井壁失穩(wěn)突出［1-4］為確保膨脹管的順利下入和施工，要求封隔段井眼較規(guī)則、井徑達(dá)到?178 mm以上。但該斜井段的大段泥巖易坍塌掉塊，增加了定向擴(kuò)孔的難度。若浸泡時(shí)間超過(guò)20 d，垮塌掉塊嚴(yán)重時(shí)，甚至可能造成電測(cè)不暢，膨脹管柱下不到位等復(fù)雜井下情況。

2） 小井眼定向擴(kuò)孔效果不確定 試驗(yàn)井一開(kāi)井深5 515 m，垂深5 477 m，造斜率4.5°／30 m，最大井斜31.5°。在此井深、大井斜、高曲率條件下，國(guó)內(nèi)鉆后擴(kuò)孔技術(shù)尤其是擴(kuò)孔工具難以保障小井眼的定向擴(kuò)孔效果。另外，大段的不穩(wěn)定泥巖使得擴(kuò)孔效果更充滿不確定性。

3） 膨脹規(guī)律及影響因素不明確 小尺寸實(shí)體膨脹管下至5 500 m以下深斜井段膨脹，存在膨脹規(guī)律、膨脹影響因素不明確，無(wú)現(xiàn)成經(jīng)驗(yàn)可借鑒等難題，由此對(duì)實(shí)體膨脹管的膨脹施工參數(shù)、施工工藝都提出了挑戰(zhàn)。因此，有必要研究影響套管膨脹的因素，為選擇合理的膨脹施工參數(shù)提供參考。

4） 二開(kāi)鉆進(jìn)配套工具不完善 實(shí)體膨脹管固井后，通徑較小。常規(guī)鉆桿、動(dòng)力鉆具、M WD儀器的強(qiáng)度及鉆壓、水力的傳遞等都存在一定局限性，若出現(xiàn)井下復(fù)雜情況，處理難度將很大。因此，鉆具的合理配套能保證二開(kāi)小井眼的有效鉆進(jìn)。

2 關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 斜井段擴(kuò)孔工具

實(shí)體膨脹管膨脹前外徑?139 mm，膨脹后外徑?149.3 mm，為實(shí)現(xiàn)其有效膨脹、提高封固段固井質(zhì)量，需將井眼擴(kuò)至?178 mm以上。液力擴(kuò)孔器在塔河油田的應(yīng)用效果表明，該擴(kuò)孔器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠，擴(kuò)孔井徑規(guī)則等優(yōu)點(diǎn)［5-6］。其工作原理是利用活塞噴嘴產(chǎn)生的壓力降，外推擴(kuò)眼刀翼達(dá)到擴(kuò)眼的目的，停泵后刀片自動(dòng)收回刀槽內(nèi)。通過(guò)YK系列液壓式擴(kuò)眼工具的對(duì)比分析［6］，決定采用YK152-178型液力擴(kuò)孔器進(jìn)行擴(kuò)孔作業(yè)，其主要參數(shù)如表2。

表2 YK152-178型擴(kuò)孔器技術(shù)參數(shù)

2.2 膨脹影響因素模擬分析

實(shí)體膨脹管在斜井段施工，較直井難度大。因此有必要對(duì)其膨脹的主要影響因素：屈服強(qiáng)度、摩擦因數(shù)、膨脹率、膨脹速度、井眼曲率進(jìn)行模擬分析，為實(shí)體膨脹管的膨脹施工提供理論支持。模擬實(shí)體膨脹管的相關(guān)參數(shù)如表3。

表3 模擬實(shí)體膨脹管參數(shù)

在模擬其中某一變量時(shí)，其他影響因素取值：屈服強(qiáng)度400 MPa、摩擦因數(shù)0.1、膨脹率15%、膨脹速度0.05 m／s、井眼曲率8°／30 m。模擬結(jié)果如圖1～5。

從圖1～3可以看出：

1） 隨著膨脹的開(kāi)始，膨脹液壓力先迅速升高后稍降低并維持在恒定值；隨著膨脹管屈服強(qiáng)度的增大，膨脹液壓力增大。

2） 隨著摩擦因數(shù)的增加，膨脹液壓力增加較快。

3） 隨著膨脹率的增大，膨脹力也增大。

其中，屈服強(qiáng)度跟膨脹管本身材質(zhì)有關(guān)，摩擦因數(shù)則是由膨脹管內(nèi)壁與膨脹錐頭決定，因此膨脹施工液壓力大小主要與所選用的實(shí)體膨脹管有關(guān)。在選定膨脹管材后，膨脹液壓力越高，膨脹率越大（一定范圍內(nèi)），環(huán)空間隙也相對(duì)增加，有利于二開(kāi)鉆進(jìn)。但膨脹液壓力越高對(duì)膨脹管內(nèi)管柱密封性能要求也越高，膨脹施工的風(fēng)險(xiǎn)也就越大。因此，有必要通過(guò)選擇合適的膨脹管、膨脹錐（推薦錐角在8～10°［7］）以及采取一些潤(rùn)滑措施來(lái)減小膨脹液壓力，從而獲得理想的膨脹效果。

圖1 屈服強(qiáng)度與膨脹液壓力關(guān)系曲線

圖2 摩擦因數(shù)與膨脹液壓力關(guān)系曲線

圖3 膨脹率與膨脹力關(guān)系曲線

從圖4～5可以看出：

1） 隨著膨脹速度的增加，膨脹液壓力變化很小。

2） 隨著井眼曲率的增大，膨脹液壓力增加較緩。

因此，對(duì)實(shí)體膨脹管技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用而言，井眼曲率對(duì)實(shí)體膨脹管膨脹液壓力的影響很小，可忽略。膨脹速度對(duì)膨脹液壓力的影響也很小，可根據(jù)相應(yīng)工況條件合理選取。但根據(jù)金屬塑性變形理論，推薦膨脹速度為0.2 m／s［8］。

圖4 膨脹速度與膨脹液壓力關(guān)系曲線

圖5 井眼曲率與膨脹液壓力關(guān)系曲線

2.3 二開(kāi)鉆具配套

針對(duì)二開(kāi)小井眼鉆進(jìn)，常規(guī)鉆具強(qiáng)度、鉆壓和水力傳遞存在的技術(shù)難題，配套了非常規(guī)?88.9 mm鉆桿、?105 mm螺桿鉆具、非常規(guī)小尺寸?104.8 mm MWD。通過(guò)水力參數(shù)計(jì)算可以看出（如表4），配套非常規(guī)?88.9 mm鉆桿在鉆進(jìn)180 m后，泵壓為18.45 MPa，可以實(shí)現(xiàn)下部井段的有效水力傳遞，其強(qiáng)度也滿足要求。

表4 ?88.9 mm鉆桿水力參數(shù)計(jì)算數(shù)據(jù)

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

試驗(yàn)井位在塔河油田主體區(qū)塊，石炭系上統(tǒng)卡 拉沙依組造斜，目的層為鷹山組，采用先期裸眼完井。其井身結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 井身結(jié)構(gòu)

3.1 施工過(guò)程

1） 井眼準(zhǔn)備 從5 133 m開(kāi)始側(cè)鉆，定向作業(yè)完鉆井深5 510 m，進(jìn)尺368.3 m。并對(duì)5 120～5 510 m井段進(jìn)行了擴(kuò)孔作業(yè)，擴(kuò)孔后電測(cè)裸眼平均井徑在180 mm以上，如圖7。通井至井底并對(duì)易阻卡井段反復(fù)劃眼，最后充分循環(huán)洗井，確保井眼滿足實(shí)體膨脹管下入、膨脹、固井作業(yè)要求。

圖7 擴(kuò)孔后井徑變化

2） 實(shí)體膨脹管下入及膨脹施工 實(shí)體膨脹管下深5 070.8～5 508.0 m，共計(jì)437.2 m。?139 mm實(shí)體膨脹管柱結(jié)構(gòu)如圖8所示，自下而上為：旋流管、浮鞋、啟動(dòng)器、實(shí)體膨脹管、膨脹懸掛器、喇叭口。內(nèi)管柱自下而上為：膨脹錐、對(duì)扣接頭、刮泥器、?73 mm鉆桿、轉(zhuǎn)換接頭、?88.9 mm鉆桿。對(duì)內(nèi)管柱組合鉆具進(jìn)行了螺紋完整性檢查、通管、試壓（40 MPa），以確保膨脹施工能順利進(jìn)行。

圖8 ?139 mm實(shí)體膨脹管管串結(jié)構(gòu)

做好膨脹管下入準(zhǔn)備工作后，首先下入膨脹管柱坐放于井口（下入過(guò)程中，堅(jiān)持清水灌漿制度），再下入內(nèi)管柱對(duì)扣后，正常下入。整個(gè)過(guò)程中，應(yīng)操作平穩(wěn)并嚴(yán)格控制下放速度，尤其是開(kāi)窗、裸眼井段。直到膨脹管整體管串下至井底。

實(shí)體膨脹管柱下到井底，正常循環(huán)2周后，開(kāi)始固井作業(yè)。泵入水泥漿碰壓后，連接700型壓裂車(chē)進(jìn)行膨脹作業(yè)。壓力達(dá)到25 MPa時(shí)，開(kāi)始膨脹施工。并根據(jù)實(shí)體膨脹管膨脹模擬結(jié)果，控制膨脹壓力低于35 MPa、泵的排量小于80 L／min、天車(chē)提升速度8 m／min左右。以立柱的方式膨脹，直到膨脹懸掛器和喇叭口的膨脹完成。

3） 小井眼定向作業(yè) 膨脹完成后，對(duì)實(shí)體膨脹管進(jìn)行試壓并起出內(nèi)管柱。候凝、電測(cè)固井質(zhì)量后，使用?130 mm鉆頭繼續(xù)鉆進(jìn)。施工井段為5 510～5 740 m，完成了230 m的小井眼定向鉆進(jìn)。

3.2 應(yīng)用效果

膨脹管施工完成后，喇叭口位于5 080 m處，縮短了2%；437 m封固段試壓20 MPa，試壓合格；電測(cè)固井質(zhì)量，優(yōu)良率達(dá)84.9%。另外，電測(cè)顯示，普通套管內(nèi)實(shí)體膨脹管平均井徑為155.1 mm；在5 080～5 500 m井段，實(shí)體膨脹管井徑最大值為134.1 mm，最小值130.5 mm，平均井徑132.1 mm。二開(kāi)小井眼鉆進(jìn)和起下鉆期間，鉆柱進(jìn)出實(shí)體膨脹管時(shí)無(wú)明顯阻卡。

綜上分析：實(shí)體膨脹管井徑穩(wěn)定，密封性能良好，固井質(zhì)量?jī)?yōu)良。成功實(shí)現(xiàn)了斜井段復(fù)雜泥巖段的封固，保證了二開(kāi)小井眼的順利鉆進(jìn)。

4 結(jié)論

1） 斜井段擴(kuò)孔效果不確定、膨脹規(guī)律及影響因素不明確、二開(kāi)小井眼鉆進(jìn)配套工具不完善是實(shí)體膨脹管技術(shù)在深井側(cè)鉆井應(yīng)用中的主要難點(diǎn)。

2） 實(shí)體膨脹管在斜井段膨脹，膨脹幅度、摩擦因數(shù)、膨脹錐錐角是影響膨脹力的主要因素；而膨脹速度、井眼曲率對(duì)其影響較小。

3） YK152-178型液力擴(kuò)孔器，非常規(guī)?88.9 mm鉆桿、?105 mm螺桿鉆具、?104.8 mm MWD等工具的配套，為實(shí)體膨脹管的順利下入施工，二開(kāi)小井眼的繼續(xù)鉆進(jìn)提供了保障。

4） 從現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用來(lái)看，實(shí)體膨脹管井徑穩(wěn)定，密封性能良好，固井質(zhì)量?jī)?yōu)良。成功實(shí)現(xiàn)了在深井側(cè)鉆井中對(duì)復(fù)雜泥巖段的有效封隔，保證了二開(kāi)小井眼的順利鉆進(jìn)。

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Application of Bulged Tube in Deep Sidetracking Well’s Complex Mudstone

HU Biao1，HE Shi-ming1，LIU Ai-ming2，WANG Huan3
（1.College of Petroleum Engineering，Southwest Petroleum University，Chengdu 610500，China；2.Drilling and Completion Project Management Depart ment，Sinopec Northwest Oil f iel d Br anch，Ur umqi 830011，China；3.China National Logging Cor poration，Beijing 100101，China）

Expansion tube not only can effectively packer co mplex for mation，but can also ensure lar ger co mpletion size.However，it has many pr oblems about application in Tahe Oilfiel d，that wellbore instability，sli m-hole directional reaming uncertainty，expansion law and expansion influence factors are not clear，directional drilling tools are not perf ect，and t here is no successf ul experience for reference.Thus，studies were carried out f or the feasibility of these key technologies，like expansion law and acco mpanying tools.The practice of 437 mexpansion t ube was successf ull y applied in the field，which shows that the expansion tube can efficiently satisf y the requirement of packing co mplex mudstone in deep sidetracking well.

bulged tube；directional reaming；expansion hydraulic pressure；deep sidetracking

TE925

B

1001-3482（2014）06-0084-05

2013-12-04

胡 彪（1990-），男，四川成都人，碩士研究生，主要從事井壁穩(wěn)定方面的研究，E-mail：2802182855＠qq.co m。