淺談超深井定向隨鉆擴(kuò)孔工藝優(yōu)化技術(shù)

鄧小衛(wèi)，汪　露

中國石化西北油田監(jiān)督中心　（新疆　輪臺　841600）

在塔河油田，老井側(cè)鉆已成為老井復(fù)產(chǎn)的有效途徑之一。在對奧陶系老井側(cè)鉆時，為滿足避水等要求，側(cè)鉆點(diǎn)需上提至石炭、泥盆系等地層，從套管開窗，開窗位置在5 500 m以下，使斜井段鉆遇巴楚組和桑塔木組不穩(wěn)定泥巖段。為了井下施工安全及后期采油需要，采用二開制側(cè)鉆水平井井身結(jié)構(gòu)。一開套管封隔泥巖段，再選用120.65 mm鉆頭或130 mm鉆頭進(jìn)行二開。

從177.8 mm（7″）套管開窗側(cè)鉆的二開制井，由于177.8 mm套管最小內(nèi)徑為152.5 mm，無法通過165.1 mm鉆頭，而常規(guī)的149.2 mm鉆頭鉆出的井眼太小，須將一開井眼擴(kuò)大，行之有效的措施就是擴(kuò)孔。擴(kuò)孔分為鉆后擴(kuò)孔和隨鉆擴(kuò)孔。鉆后擴(kuò)孔，其擴(kuò)孔井段最大井斜為35°左右，井斜過大會造成擴(kuò)孔器刀翼受側(cè)向力壓迫，發(fā)生鉆具故障的風(fēng)險增加；鉆后擴(kuò)孔存在擴(kuò)孔速度慢的問題[1]，如AT40-2鉆后擴(kuò)孔速度1.0 m/h。塔河油田在綜合考慮狗腿、避水、后續(xù)下套管等方面影響因素后，一開井段往往達(dá)到55°左右，隨鉆擴(kuò)孔成為最優(yōu)的選擇。隨鉆擴(kuò)孔的顯著優(yōu)勢是一趟鉆完成鉆領(lǐng)眼和擴(kuò)孔的任務(wù)[2-4]。

定向隨鉆擴(kuò)孔采用 “偏心鉆頭+隨鉆擴(kuò)孔專用螺桿”鉆具組合，其中120 mm定向螺桿是隨鉆擴(kuò)孔施工的關(guān)鍵之一。用于定向隨鉆擴(kuò)孔的螺桿應(yīng)具備比常規(guī)螺桿更高的抗扭性能，更大的輸出扭矩，更高的輸出轉(zhuǎn)速。

1　定向隨鉆擴(kuò)孔工藝難點(diǎn)

1）對螺桿性能要求高。偏心鉆頭對地層進(jìn)行不對稱切削，使螺桿承受的扭矩較大，且波動幅度大，要求螺桿具有較高的強(qiáng)度。同時，為了實(shí)現(xiàn)擴(kuò)孔效果，需要螺桿在較低排量（11～13 L/s）下為鉆頭提供足夠的轉(zhuǎn)速和輸出扭矩，以實(shí)現(xiàn)擴(kuò)眼鉆頭繞中心軸快速旋轉(zhuǎn)，在離心力作用下切削巖石實(shí)現(xiàn)擴(kuò)孔目的。

2）與隨鉆擴(kuò)孔螺桿配套的偏心鉆頭選擇困難。一是要求鉆頭能夠承受螺桿輸出的高轉(zhuǎn)速；二是鉆頭的工作特性對螺桿具有很大影響，工作穩(wěn)定性直接影響螺桿壽命；三是鉆頭工作期間，下部鉆具承受的震動較大，這對底部鉆具尤其是定向儀器，影響較大，易導(dǎo)致儀器故障。

3）鉆井參數(shù)對螺桿使用效果的影響認(rèn)識不全面。目前國內(nèi)對于擴(kuò)孔效果與鉆井參數(shù)以及鉆速等因素的關(guān)系認(rèn)識不明確，如何優(yōu)選參數(shù)以保證擴(kuò)孔效果，是定向隨鉆擴(kuò)孔技術(shù)的又一難點(diǎn)[1]。

4）井眼軌跡控制難度大。斜井段進(jìn)行隨鉆擴(kuò)孔作業(yè)時，井壁施加的側(cè)向力分配不均，導(dǎo)致底部鉆具組合受力復(fù)雜，井斜、方位變化復(fù)雜，工具面不穩(wěn)定，井眼軌跡預(yù)測和控制難度大。

5）超深井小井眼循環(huán)壓耗大，泵功率利用效率低。與鉆后擴(kuò)孔相比，定向隨鉆擴(kuò)孔鉆進(jìn)過程中產(chǎn)生的巖屑量大，攜巖所需要的鉆井液最小排量較大。同時，受原井井身結(jié)構(gòu)限制，超深井側(cè)鉆時使用小鉆桿，鉆具環(huán)空間隙小，循環(huán)壓耗大，螺桿及鉆頭獲得的水功率低[5-6]。

2　實(shí)踐分析及優(yōu)化措施

2.1　優(yōu)選螺桿

2.1.1隨鉆擴(kuò)孔螺桿工作特性

隨鉆擴(kuò)孔期間，一方面，偏心鉆頭產(chǎn)生不穩(wěn)定的反扭矩作用于螺桿上；另一方面，擴(kuò)孔后實(shí)際井眼相對較大，這就要求小螺桿能夠輸出足夠的扭矩，以供鉆頭破巖擴(kuò)徑。為了保障擴(kuò)孔的井徑，螺桿必須在低排量下輸出高轉(zhuǎn)速，這樣才能使鉆頭在單位段長內(nèi)擴(kuò)徑刀翼轉(zhuǎn)動足夠的圈數(shù)，形成規(guī)則大井眼。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)：隨鉆擴(kuò)孔期間，在11 L/s的排量下，實(shí)際螺桿輸出轉(zhuǎn)速應(yīng)至少達(dá)到150 r/min，才能確保擴(kuò)孔效果。實(shí)際工作扭矩在1.5 kN·m左右，考慮到井下受力復(fù)雜，可能出現(xiàn)瞬間大扭矩，要求螺桿額定輸出扭矩宜高不宜低[7-8]。隨鉆擴(kuò)孔螺桿與常規(guī)螺桿性能參數(shù)對比見表1。

從表1可以看出，普通120 mm螺桿無法兼顧扭矩與轉(zhuǎn)速的平衡，如7LZ120×7.0螺桿鉆具，長度約5 m，在流量11 L/s的情況下，輸出轉(zhuǎn)速約為135 r/min，無法滿足擴(kuò)孔要求。這就要求研發(fā)高效螺桿，兼顧扭矩和轉(zhuǎn)速的需要。

2.1.2高效螺桿現(xiàn)場應(yīng)用分析

在 TH10233CH、TH12124CH、TK511CH、TH 12119CH、TH10235CH2井對3個型號的螺桿進(jìn)行了試驗(yàn)，見表2。

C5LZ120×7.0系列平均機(jī)械鉆速 1.13 m/h，平均純鉆時間33 h，最高純鉆時間43 h。500K5690系列平均機(jī)械鉆速1.14 m/h，平均純鉆時間70 h，最高純鉆時間198 h。7LZ120×7.0-L系列平均機(jī)械鉆速1.81 m/h，平均純鉆時間73 h，最高純鉆時間78 h。螺桿故障情況見表3。

表1　隨鉆擴(kuò)孔螺桿與常規(guī)螺桿性能參數(shù)對比表

表2　不同型號螺桿現(xiàn)場使用情況統(tǒng)計分析

表3　隨鉆擴(kuò)孔螺桿故障統(tǒng)計表

C5LZ120×7.0系列螺桿發(fā)生過兩次萬向軸斷裂（第一次為非隨鉆擴(kuò)孔井段），但未造成井下故障。500K5690系列螺桿存在反復(fù)修復(fù)入井的問題，現(xiàn)場只能對連接螺紋進(jìn)行探傷，廠家車間的探傷情況無法掌握，發(fā)生2起螺桿故障。7LZ120×7.0-L系列螺桿安全無故障。TH10233CH和TH10235CH2井鉆遇地層基本一致，從現(xiàn)場試驗(yàn)情況看，型號7LZ120×7.0-L-7的螺桿能滿足隨鉆擴(kuò)孔需要。

綜合分析，推薦首選型號7LZ120×7.0-L-7螺桿進(jìn)行定向隨鉆擴(kuò)孔施工。

2.2　優(yōu)選鉆頭

為確保下套管順利，要求擴(kuò)孔井徑達(dá)到165 mm以上，目前工區(qū)中較為成熟的國產(chǎn)偏心鉆頭為149.2 mm(5″)×173.0 mm(613／16″)×120.6 mm(4″)CK306B系列和149.2 mm(5″)MB1363系列。重點(diǎn)分析TH12119CH和TH12124CH井，這兩口井使用500K 5690系列螺桿，鉆遇的地層一樣，在巴楚組都存在含礫砂巖段，能充分檢驗(yàn)鉆頭的性能。TH12124CH井與TH12119CH井鉆頭使用情況對比見表4，TH 12124CH井出井鉆頭如圖1所示。

表4　TH12124CH井與TH12119CH井鉆頭使用情況對比表

圖1　TH12124CH井出井鉆頭照片

從表4可以發(fā)現(xiàn)，TH12124CH井平均機(jī)械鉆速0.96 m/h。TH12119CH井選用MB1363鉆頭，平均機(jī)械鉆速1.35 m/h。

綜合分析，認(rèn)為149.2 mm×173.0 mm×120.6 mm CK306B系列和149.2 mmMB1363系列偏心鉆頭能滿足隨鉆擴(kuò)孔需要，根據(jù)實(shí)踐，推薦工區(qū)內(nèi)首選MB1363系列偏心鉆頭。

2.3　鉆井參數(shù)選擇

排量必須達(dá)到螺桿有效工作的最低排量，但不宜過高，過高的排量會降低螺桿使用壽命，通常排量在11～14 L/s較為合適。

鉆壓需要綜合考慮鉆進(jìn)方式、鉆時、鉆頭尺寸等因素，過大的鉆壓會導(dǎo)致工具面不穩(wěn)，且增加螺桿負(fù)擔(dān)。從現(xiàn)場實(shí)踐及理論分析看，通常在20～40 kN較為合適。隨鉆擴(kuò)孔期間，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速的大小對機(jī)械鉆速影響很小，因?yàn)槁輻U輸出轉(zhuǎn)速在150 r/min以上，本身基數(shù)已經(jīng)很大。過大的轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速使螺桿承受更高的扭矩，增加螺桿殼體及馬達(dá)的離心力，進(jìn)而增加疲勞斷裂的風(fēng)險，在實(shí)際應(yīng)用中只要能消除托壓情況即可，合適范圍是15～25 r/min。對于部分含有礫石的井段，應(yīng)當(dāng)降低參數(shù)，盡量走下限，安全鉆過礫石層后提高至正常鉆進(jìn)參數(shù)。TH12119CH第4趟隨鉆擴(kuò)孔采用低參數(shù)后，順利鉆過含礫地層，出井鉆頭新度80%。單位時間內(nèi)擴(kuò)孔鉆頭在單位長度上轉(zhuǎn)過的圈數(shù)越多，則擴(kuò)徑效果更好，為確保一次擴(kuò)孔成功，往往需要控制鉆時[9-10]。

綜上所述，推薦鉆井參數(shù)：鉆壓20～40 kN，排量11～13 L/s，轉(zhuǎn)速 15～25 r/min。 含礫地層：鉆壓 5～10 kN，排量 11 L/s，轉(zhuǎn)速 15 r/min，走下限。

2.4　軌跡控制

石炭系地層穩(wěn)定性差，容易出現(xiàn)垮塌掉塊，一旦軌跡不平滑，再出現(xiàn)大肚子井眼，將使井下臺階情況更為復(fù)雜。結(jié)合現(xiàn)場試驗(yàn)，主要從以下3點(diǎn)優(yōu)化：

1）由于偏心鉆頭的工作特性，在定向鉆進(jìn)時會出現(xiàn)工具面不穩(wěn)現(xiàn)象，因此需要先用149.2 mm牙輪鉆頭打出領(lǐng)眼，結(jié)合現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)一般井斜10°左右即可。

2）優(yōu)選好的定向施工隊伍，由于隨鉆擴(kuò)孔期間，儀器受到的震動較大，應(yīng)優(yōu)選高效隨鉆測量儀器，減少由于儀器故障而耽誤鉆井施工。

3）考慮下套管需要，狗腿突變不宜過大，最大狗腿應(yīng)控制在8.5°/30m以下。

2.5　優(yōu)化鉆具組合

塔河油田隨鉆擴(kuò)孔施工平均深度在5 800 m，超深井小井眼施工過程，水力參數(shù)不足是主要問題之一。101.6 mm（4″）非標(biāo)鉆桿能解決深部小井眼水力參數(shù)不足的問題。101.6 mm（4″）非標(biāo)鉆桿相比普通 88.9 mm（32y″）鉆桿，具有相同的接頭大小，更大的內(nèi)徑，見表5。

推薦鉆具組合：177 mm套管懸掛：隨鉆擴(kuò)孔鉆頭+單彎螺桿+MWD+88.9 mm或101.6 mm非標(biāo)斜坡鉆桿+88.9 mm加重鉆桿+88.9 mm斜坡鉆桿或

表5　101.6 mm（4″）非標(biāo)鉆桿與88.9 mm （32y″）鉆桿主要參數(shù)對比（TH12119CH測量數(shù)據(jù)）

101.6mm非標(biāo)鉆桿+127 mm斜坡鉆桿。177 mm套管至井口：隨鉆擴(kuò)孔鉆頭+單彎螺桿+MWD+88.9 mm或101.6 mm非標(biāo)斜坡鉆桿+88.9 mm加重鉆桿+101.6 mm非標(biāo)鉆桿。只要確保在鉆井液泵額定功率內(nèi)能提供11 L/s以上的排量即可。在增斜段下入1.75/1.5°高效螺桿（設(shè)計造斜率在 8°/30 m 以下），在穩(wěn)斜段下入1.5°/1.25°高效螺桿。

3　案例分析

針對現(xiàn)場實(shí)踐總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)及改進(jìn)措施，以隨鉆擴(kuò)孔螺桿為核心，初步形成了一套優(yōu)化的定向隨鉆擴(kuò)孔技術(shù)方案，該方案在TH10235CH2及TP140CH井獲得成功。

TH10235CH2井一開隨鉆擴(kuò)孔井段為5 495～5 870.5m，鉆遇卡拉沙依組和巴楚組。該井選用型號MB1363GU鉆頭和型號7LZ120×7.0-L-7螺桿，三趟鉆完成隨鉆擴(kuò)孔任務(wù)。全井采用101.6 mm(4″)非標(biāo)鉆桿，大水眼保證足夠的排量提供給高效螺桿。在鉆進(jìn)過程中使用推薦鉆井參數(shù)。獲得了較高的機(jī)械鉆速及一次擴(kuò)孔井徑。該井?dāng)U井段機(jī)械鉆速達(dá)到1.58 m/h，比設(shè)計機(jī)械鉆速1.28 m/h提高23.43%。該井設(shè)計一開周期47天，實(shí)際周期26.08天，周期節(jié)約率44.51%。

TP140CH一開隨鉆擴(kuò)孔井段6 102～6 611 m，鉆遇桑塔木和良里塔格組。使用該技術(shù)方案（MB1363（B）GU，7LZ120×7.0-L-7 ），兩趟鉆完成隨鉆擴(kuò)孔。設(shè)計一開鉆進(jìn)周期36天，實(shí)際17.58天，擴(kuò)孔周期節(jié)約率39%。其中第二只螺桿進(jìn)尺達(dá)308 m，純鉆時間122 h，鉆速2.52 m/h。平均井徑172.97 mm，最小值163.07 mm/6 274 m，達(dá)到下套管要求。

4　結(jié)論及建議

1）實(shí)踐證明，“以 7LZ120×7.0-L-7 螺桿及 MB 1363系列鉆頭為基礎(chǔ)，優(yōu)化鉆具組合，優(yōu)選鉆井參數(shù)，強(qiáng)化軌跡控制”的定向隨鉆擴(kuò)孔優(yōu)化技術(shù)符合現(xiàn)場提速提效需要，能夠解決前期面臨的難題，降低177.8 mm(7″)套管開窗二開制側(cè)鉆井的鉆井成本，對后續(xù)老井側(cè)鉆的順利高效實(shí)施具有重要意義。

2）根據(jù)TP140CH井的應(yīng)用情況，認(rèn)為隨鉆擴(kuò)孔期間，當(dāng)螺桿輸出轉(zhuǎn)速足夠時，不必人為控制鉆時，一次擴(kuò)孔井徑能滿足下套管需要。

3）高效螺桿相比普通螺桿使用時間短，建議廠家加強(qiáng)對萬向軸及傳動軸易損件的改進(jìn)，研發(fā)高性能橡膠，進(jìn)一步提高螺桿整體壽命。同時建議工具廠家研發(fā)更多系列的隨鉆擴(kuò)孔工具，豐富產(chǎn)品系列，推動定向隨鉆擴(kuò)孔工藝的完善。

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