井眼質(zhì)量改善工藝及偏心擴(kuò)眼器的應(yīng)用

和鵬飛

井眼質(zhì)量改善工藝及偏心擴(kuò)眼器的應(yīng)用

和鵬飛

中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司（天津300452）

規(guī)則、平滑的井眼狀態(tài)以及較大的套管與裸眼尺寸間隙，能較好地保證整個(gè)鉆井工程中的起下鉆、下套管、固井作業(yè)的安全順利。隨著渤海油田調(diào)整井的深入進(jìn)行，大斜度井、大位移井等數(shù)量劇增，這給鉆井作業(yè)帶來井下安全的考驗(yàn)，基于上述情況，渤海油田嘗試采用擴(kuò)眼技術(shù)。通過對近年來引入的機(jī)械偏心式隨鉆擴(kuò)眼器結(jié)構(gòu)、原理的介紹，以渤海油田某區(qū)域?yàn)槔?，進(jìn)行應(yīng)用分析、對比得出實(shí)際效果。指出，該工具對清除巖屑床、消除局部狗腿嚴(yán)重度、砂泥巖交接臺階等有較好的效果，同時(shí)將原井眼整體擴(kuò)眼，有利于起下鉆、電測以及下套管作業(yè)的順利進(jìn)行。

偏心式擴(kuò)眼器；隨鉆擴(kuò)眼；機(jī)械裝置；渤海油田

渤海油田從最淺的開發(fā)層位明化鎮(zhèn)下段到最深的沙河街組乃至太古界潛山，均有普遍的共性難點(diǎn)問題，即井型難度高、井眼軌跡復(fù)雜，以及地層不均質(zhì)性的存在。這些因素與鉆井工程的現(xiàn)有技術(shù)局限性疊合后，使得井下情況更加復(fù)雜。如何保證井況安全、如何有效做到起下鉆、電測順利、套管下入順利、固井作業(yè)安全順利是渤海鉆井工程的關(guān)鍵問題，也是整個(gè)行業(yè)鉆井技術(shù)的核心問題。國內(nèi)外各大油田均有嘗試，擴(kuò)眼技術(shù)便是解決相關(guān)問題的技術(shù)之一[1-5]。為此渤海油田研究并應(yīng)用了機(jī)械偏心式隨鉆擴(kuò)眼器。

1 渤海油田的鉆井共性難點(diǎn)分析

1）井型復(fù)雜、定向井軌跡難度高。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，渤海油田近年來的年鉆井量中，50%以上為水平井或者大斜度井。同時(shí)由于海上叢式井作業(yè)特點(diǎn)，幾乎90%以上的定向井為空間三維井，在淺層需要防碰扭方位、在深層則更多的是中靶扭方位，井眼軌跡可謂復(fù)雜至極。渤海油田在上部井段一般使用螺桿馬達(dá)鉆具定向鉆進(jìn)，地層的局部不均質(zhì)導(dǎo)致造斜率的不穩(wěn)定，因而局部狗腿嚴(yán)重度也難以控制，定向鉆具所帶扶正器的消除效果有一定的局限性質(zhì)，較高的局部狗腿嚴(yán)重度對起下鉆、下套管均有一定的風(fēng)險(xiǎn)[6]。

2）攜砂和井眼清潔困難。軌跡的復(fù)雜也導(dǎo)致了鉆井過程中攜砂或者井眼清潔的難度，巖屑床的存在對大斜度井或者大斜度井段的井況安全有嚴(yán)重的影響[7]。

3）地層不均質(zhì)性強(qiáng)。渤海油田分南北兩大特點(diǎn)，北部目的層主要集中在東營組、沙河街以及太古界潛山，南部主要集中在明化鎮(zhèn)組下段、部分區(qū)域的館陶組、東營組以及沙河街低滲儲層。東營組以上地層壓實(shí)強(qiáng)度較低，膠結(jié)疏松，均為砂泥巖混層，抑或砂多泥少、抑或砂少泥多，總之砂泥巖界面較多，二者交界處由于耐沖蝕程度不一而導(dǎo)致井眼擴(kuò)大率不一致，最終有臺階的存在。臺階的存在對于下鉆、下套管均有一定的影響。

2 技術(shù)措施現(xiàn)狀分析

近年來渤海油田嘗試了諸多擴(kuò)眼技術(shù)，如史密斯的單球投入式液壓擴(kuò)眼器。史密斯液壓擴(kuò)眼器主要存在操作繁瑣、分配水功率影響鉆井效率等問題。史密斯液壓擴(kuò)眼器為三刀翼同心擴(kuò)眼器，利用壓差控制刀翼的張開和收回，并且切削刀翼的張開與施加的鉆壓無關(guān)，擴(kuò)眼器與其他鉆具直接連接。該工具主要有以下幾個(gè)缺點(diǎn)。

1）安裝位置受限制。在鉆具的組合設(shè)計(jì)中，擴(kuò)眼器位置受到定向工具、螺桿鉆具以及浮閥的影響，無法保證投球后能正常進(jìn)行開關(guān)操作。

2）操作較為復(fù)雜。在常規(guī)鉆井操作中，擴(kuò)眼刀翼處于原始收縮狀態(tài)。當(dāng)需要進(jìn)行擴(kuò)眼作業(yè)時(shí)，從鉆柱頂端（卸開頂驅(qū)）進(jìn)行投球操作，接頂驅(qū)小排量持續(xù)泵送小球到位。泵送到位后，憋壓剪切銷釘，打開旁通流道，激活擴(kuò)眼器切削塊。

3）對處理復(fù)雜情況有限制。該工具在壓差達(dá)到5.5MPa時(shí)，擴(kuò)眼器刀翼將實(shí)現(xiàn)完全打開，因此如果井下出現(xiàn)復(fù)雜情況，如鉆具內(nèi)憋壓（水眼堵塞等問題），操作不慎會導(dǎo)致刀翼漲開，影響復(fù)雜情況的處理。

4）時(shí)效性較低。理論上該工具可以實(shí)現(xiàn)隨鉆、鉆后等方式進(jìn)行擴(kuò)眼。但在常規(guī)作業(yè)中，為了避免潛在不可控風(fēng)險(xiǎn)疊加出現(xiàn)，一般均是在完鉆后擴(kuò)眼，對鉆進(jìn)時(shí)效有一定的影響。

為此，渤海油田進(jìn)行了機(jī)械偏心式隨鉆擴(kuò)眼器的研制和應(yīng)用。目前機(jī)械偏心式隨鉆擴(kuò)眼器在渤海油田具有了較多的使用案例，根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析，效果明顯。

3 機(jī)械偏心式擴(kuò)眼器的組成及原理

3.1結(jié)構(gòu)組成

如圖1所示，機(jī)械偏心式隨鉆擴(kuò)眼器主要有上下連接扣、本體、上下偏心擴(kuò)眼刀翼組成，上下兩組刀翼呈鏡像對稱布置，上偏心刀翼沿母扣端俯視呈順時(shí)針，刀翼面敷焊有金剛石復(fù)合片切削齒，具有一定的攻擊性。

圖1 機(jī)械偏心式隨鉆擴(kuò)眼器結(jié)構(gòu)組成

3.2工作原理與結(jié)構(gòu)分析

1）機(jī)械偏心式隨鉆擴(kuò)眼器是在雙心擴(kuò)眼鉆頭的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。由于采用和領(lǐng)眼鉆頭分體安裝的兩件式設(shè)計(jì)，因而對所使用的領(lǐng)眼鉆具組合和鉆頭沒有限制。

2）該工具本身沒有活動部件，所以可避免擴(kuò)眼刀翼落井的危險(xiǎn)。由于擴(kuò)眼總成呈不對稱分布，鉆柱旋轉(zhuǎn)所形成的離心力，迫使擴(kuò)眼總成沿徑向外移進(jìn)行破巖擴(kuò)眼作業(yè)。

3）機(jī)械偏心式隨鉆擴(kuò)眼器采用硬質(zhì)合金為支撐，金剛石復(fù)合片為切削齒，并在幾何形狀方面進(jìn)行了布置，以提高切削能力，緩解切削齒破碎和磨損的速度。切削齒表面高度拋光，以減少剪切應(yīng)力，改善排屑能力。

4）通過對擴(kuò)眼刀翼的設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)從通過直徑到擴(kuò)眼井徑的平滑過渡，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定。機(jī)械偏心式隨鉆擴(kuò)眼器可直接連接于鉆具組合中，工具隨鉆柱旋轉(zhuǎn)傳遞扭矩，采用偏心結(jié)構(gòu)，并且在螺旋翼上鑲嵌切削齒，實(shí)現(xiàn)擴(kuò)孔后比原井眼尺寸稍大（圖2），同時(shí)采用雙切削結(jié)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)倒劃眼作用。

圖2 機(jī)械偏心式隨鉆擴(kuò)眼器擴(kuò)眼前后示意圖

3.3工具參數(shù)

渤海油田所用的機(jī)械偏心式隨鉆擴(kuò)眼器有3種尺寸類型，具體參數(shù)見表1，在井眼尺寸為Φ311.2mm時(shí)，理論上擴(kuò)眼后尺寸可以達(dá)到316mm。

表1 機(jī)械偏心式隨鉆擴(kuò)眼器的工具參數(shù)

4 適用性分析

機(jī)械偏心式隨鉆擴(kuò)眼器在鉆井工程中應(yīng)用，一方面要考慮時(shí)效性，如果采用單獨(dú)一趟鉆具通井?dāng)U眼則達(dá)不到時(shí)效要求；另一方面還要考慮對原鉆具組合的影響，保證渤海油田通用鉆具組合的造斜率以及安全性。

4.1加放位置

作為擴(kuò)眼工具，理論上越接近鉆頭位置，擴(kuò)眼口袋越小效果越好，但是考慮鉆具剛性變化對鉆柱力學(xué)的影響，避免使渤海油田通用的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具組合定向性能發(fā)生變化，通過軟件模擬和經(jīng)驗(yàn)分析將機(jī)械偏心式隨鉆擴(kuò)眼器放置在加重鉆桿之后，距離鉆頭約150m。

4.2摩阻參數(shù)的軟件模擬

作為隨鉆擴(kuò)眼工具，在鉆進(jìn)鉆具中的放置，勢必會產(chǎn)生附加扭矩值，這與井眼軌跡和地層特性、井眼清潔狀況、鉆井液性能有關(guān)。該附加值是否滿足鉆具以及地面頂驅(qū)等抗扭要求，通過軟件進(jìn)行了模擬分析。在模擬中將該偏心式擴(kuò)眼器模擬為扶正器，如Φ311.2mm井眼所用偏心式擴(kuò)眼器模擬為Φ316mm扶正器，結(jié)果表明，以沙河街組地層鉆進(jìn)工況模擬結(jié)果扭矩附加值在1～3kN·m。

5 在渤海油田的應(yīng)用及效果分析

F8H井為渤海油田某區(qū)域的一口三維水平井，在二開Φ311.2mm井眼中應(yīng)用了機(jī)械偏心式隨鉆擴(kuò)眼器，應(yīng)用井段為1 715～2 157m MD，全段位于東營組，且屬于定向井造斜井段，造斜開始井斜角41.46°，造斜結(jié)束井斜角87.88°，全角變化率最大4.67°/30m。

F3H井與C6H井屬于同一批、同類型的水平井，在F3H井中未使用機(jī)械偏心式隨鉆擴(kuò)眼器，因此選取與C6H井應(yīng)用的井段對應(yīng)的C3H井井段進(jìn)行相關(guān)參數(shù)對比分析。

5.1鉆具組合

F8H井在該井段采用鉆具組合：Φ311.2mmPDC鉆頭+Φ228.6mm旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具+Φ209.6mm測井工具+Φ209.6mmMWD工具+Φ203.2mm無磁鉆鋌+ Φ203.2mm隨鉆機(jī)械震擊器+變扣接頭+Φ139.7mm加重鉆桿×14根+變扣接頭+機(jī)械偏心式隨鉆擴(kuò)眼器+變扣接頭+Φ139.7mm鉆桿。

F3H井在該井段除未加入擴(kuò)眼器外，其他底部鉆具組合形式一致[8-9]。

5.2參數(shù)對比

通過鉆進(jìn)參數(shù)對比可知（表2），使用該工具在定向鉆進(jìn)過程中會略微增加，與軟件模擬結(jié)果基本一致且在低線，不影響鉆進(jìn)工程的進(jìn)行，在正常鉆進(jìn)期間其他參數(shù)兩口井均維持一致性結(jié)果，可見該工具對于鉆進(jìn)效率沒有影響。

5.3起鉆效果分析

在表3中，對兩口井的起下鉆時(shí)效進(jìn)行了對比分析。一般渤海油田在采用最后一趟鉆進(jìn)鉆具鉆進(jìn)至完鉆深度后，將利用原鉆具短起下鉆，做通井工作，通井之后，起出下套管，部分高難度井或者井況復(fù)雜井，單獨(dú)下入一趟通井鉆具。從表3中可以看出，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具初始下入時(shí)，F(xiàn)8H井井筒狀況與F3H井基本類似，下鉆較為順利，其中F8H井雖然加入了偏心擴(kuò)眼器，但對整個(gè)上部井段的下鉆并無影響。

表2 鉆井參數(shù)對比

表3 起下鉆時(shí)效分析

完鉆后短起鉆過程中，均采用倒劃眼模式，從時(shí)效來看，F(xiàn)8H井明顯好于F3H井，圖3為入井和出井的工具照片。

圖3 機(jī)械偏心式隨鉆擴(kuò)眼器入井前后對比

6 結(jié)論

目前機(jī)械偏心式隨鉆擴(kuò)眼工具在渤海的應(yīng)用較為廣泛，實(shí)際表明該工具效果良好。

1）應(yīng)用該工具后，確實(shí)具有一定的擴(kuò)眼效果，在同井段、同地層因素條件下對比起下鉆效率有明顯提高。

2）該工具屬于純機(jī)械構(gòu)造，無復(fù)雜、精密內(nèi)部裝置，操作簡單，應(yīng)用方便率較高。

3）該工具采用鉆柱旋轉(zhuǎn)帶動，理論計(jì)算和實(shí)際應(yīng)用表明，扭矩附加值較小，對整個(gè)鉆進(jìn)過程無時(shí)效、安全影響。

4）該工具不需要分配水功率，在擴(kuò)眼的同時(shí)，保證了井筒水功率的正常分配。

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The regular and smooth wellbore conditions and a large gap between casing and borehole are very favorable for tripping,cas?ing running and cementing in drilling engineering.With the increase of the adjustment wells in Bohai oilfield,the number of highly devi?ated wells and extended-reach wells increases sharply,which brings the downhole safety risk to the drilling operation.Based on the above situation,the Bohai oilfield is trying to use the reaming technology.The structure and principle of the mechanical eccentric ream?er while drilling used in recent years are introduced,and its practical application results in a certain area of Bohai oilfield are analyzed. It is pointed out that,the tool has good effects on cleaning cuttings bed,reducing local dogleg and mudstone transfer step,and the whole reaming of borehole is favorable to tripping,logging and running casing operation.

eccentric reamer;reaming while drilling;mechanical device;Bohai Oilfield

強(qiáng)

2016-12-12

和鵬飛（1987-），男，工程師，現(xiàn)主要從事海洋石油鉆完井技術(shù)監(jiān)督工作。