哈拉哈塘?104.8 mm小井眼超深定向井難點(diǎn)分析及改進(jìn)方向

康 鵬，李 琰，戴永鵬，賈利春，寇 明

(1中國(guó)石油天然氣股份有限公司塔里木油田分公司開(kāi)發(fā)事業(yè)部 2中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院)

小井眼鉆井可有效降低鉆井綜合成本，被稱為經(jīng)濟(jì)鉆井技術(shù)[1-3]。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于井眼尺寸?152.4 mm以下、?120 mm及以上尺寸范圍的井眼界定為小井眼，并已形成完備的鉆井配套工具和工藝[4-8]，在國(guó)內(nèi)外的油田得到了廣泛應(yīng)用[9-11]。但是對(duì)于?120 mm以下尺寸的小井眼鉆井，尤其是定向鉆井的配套工具和工藝尚不成熟。

哈拉哈塘區(qū)塊具有良好的油氣勘探前景，是實(shí)現(xiàn)塔里木油田增儲(chǔ)上產(chǎn)的有力地區(qū)[12]。該區(qū)塊的目的層為碳酸鹽巖儲(chǔ)集層，開(kāi)發(fā)采用的是塔標(biāo)—III型三開(kāi)井身結(jié)構(gòu)，而老井眼改造中采用的是二開(kāi)套管開(kāi)窗側(cè)鉆，其中二開(kāi)為?177.8 mm套管的井，三開(kāi)采用?152.4 mm鉆頭開(kāi)窗側(cè)鉆下入?127 mm尾管，最后四開(kāi)采用?104.8 mm鉆頭鉆達(dá)目的層。哈702C井是全國(guó)實(shí)施的第一口?104.8 mm小井眼定向鉆進(jìn)的超深井。因井深、小尺寸鉆具柔性大、地層自然造斜率高等因素，使用常規(guī)鉆具不加定向儀器鉆進(jìn)井斜和方位難以控制，無(wú)法滿足地質(zhì)要求。由于井眼軌跡監(jiān)測(cè)和控制手段缺乏，無(wú)法開(kāi)展定向或?qū)蚬ぷ?，鉆達(dá)預(yù)定靶區(qū)難度大，地質(zhì)中靶率低。因此，要實(shí)現(xiàn)?104.8 mm小井眼鉆井，需要解決因井眼尺寸減小帶來(lái)的技術(shù)問(wèn)題。

一、難點(diǎn)分析

哈拉哈塘地區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，深部地層可鉆性差，?104.8 mm小井眼鉆井時(shí)所面臨的難點(diǎn)主要有以下幾個(gè)方面。

1. 井深

哈拉哈塘區(qū)塊目的層埋藏深度大，垂深基本在6 000 m以上，實(shí)鉆井深普遍可超過(guò)7 000 m。井眼超深帶來(lái)的首要問(wèn)題是井底溫度高，如哈702C四開(kāi)井段井底溫度達(dá)到169℃，井溫過(guò)高不僅會(huì)造成鉆井液流變性變差，也會(huì)給螺桿鉆具和定向隨鉆儀器帶來(lái)不利影響，螺桿鉆具的定子橡膠在高溫下易老化、脫落、開(kāi)裂，導(dǎo)致螺桿失效，MWD儀器的電池和電子元器件在高溫下也易失效，造成其穩(wěn)定性下降。

另外，井眼深度大對(duì)機(jī)械參數(shù)和水力參數(shù)形成了諸多限制。井深增大了循環(huán)壓耗，不利于增大循環(huán)排量；水平段長(zhǎng)，造成鉆具在井眼內(nèi)摩阻大，不利于精確控制鉆壓。

2. 鉆井參數(shù)受限制

受限于井眼尺寸，下部鉆具只能選擇小尺寸鉆具。在?104.8 mm井眼段所用的鉆具內(nèi)徑僅有54.6 mm，接頭處內(nèi)徑僅41.3 mm。鉆井液循環(huán)中，水眼壓耗大，為保證泵壓不超過(guò)設(shè)備安全范圍，只能減小排量。

由水力學(xué)分析系統(tǒng)計(jì)算得到的滿足井眼完全清潔排量為8.8 L/s，該排量下系統(tǒng)壓降約為22 MPa。由于地面管匯的壓力限制，實(shí)鉆過(guò)程中僅能達(dá)到最低排量要求，排量受限不僅造成攜帶巖屑能力下降，尤其在大斜度井段，增大了巖屑床堆積造成卡鉆的風(fēng)險(xiǎn)。而且，鉆井液對(duì)螺桿鉆具、MWD儀器的冷卻、沖刷清潔能力弱，使其更容易發(fā)生堵塞和因高溫失效。

3. 小尺寸螺桿可靠性低

目前國(guó)內(nèi)成熟應(yīng)用的小螺桿鉆具尺寸主要為?95 mm和?120 mm，平均使用時(shí)間在60 h以上。相較于大尺寸螺桿，小尺寸螺桿鉆具中的定子橡膠更薄，在高溫下老化后一旦從金屬殼體脫落或產(chǎn)生裂縫，便會(huì)很快破碎，繼而失效，在井口表現(xiàn)為泵壓突然下降，扭矩波動(dòng)，鉆時(shí)上升等。

4. 定向儀器更易堵塞

MWD儀器依靠鉆井液機(jī)械脈沖傳遞數(shù)據(jù)，通過(guò)調(diào)整脈沖器閥組間隙控制信號(hào)強(qiáng)度，因鉆井液排量小，為保證信號(hào)強(qiáng)度，旋轉(zhuǎn)閥的間隙必須調(diào)小。小尺寸MWD儀器由于受到脈沖發(fā)生器閥頭部分間隙的限制，易被鉆井液中可能存在的雜物或隨鉆堵材料堵塞造成儀器無(wú)信號(hào)，甚至發(fā)生儀器被堵死造成循環(huán)困難的問(wèn)題。

綜上，哈拉哈塘區(qū)塊?104.8 mm小井眼鉆井中，因井眼尺寸減小、井底溫度高衍生出的施工風(fēng)險(xiǎn)不是孤立的，而是相互交織，使各種風(fēng)險(xiǎn)疊加，見(jiàn)圖1所示。

圖1 難點(diǎn)間相互關(guān)聯(lián)邏輯

二、現(xiàn)場(chǎng)施工情況

1. 哈702C井

哈702C井是塔里木哈拉哈塘的一口老井改造井，定向側(cè)鉆點(diǎn)井深7 063.00 m。針對(duì)側(cè)鉆點(diǎn)深、井眼尺寸小、井下溫度高、硫化氫含量高等難題，優(yōu)選抗高溫高壓超小徑MWD及高溫螺桿鉆具，采用鉆柱力學(xué)分析系統(tǒng)優(yōu)化定向鉆井參數(shù)。所用鉆具組合為：?104.8 mmPDC鉆頭+?89 mm彎螺桿+轉(zhuǎn)換接頭+?88.9 mm無(wú)磁鉆鋌×MWD+?88.9 mm無(wú)磁懸掛+轉(zhuǎn)換接頭+?73 mm斜坡鉆桿+轉(zhuǎn)換接頭+浮閥+?88.9 mm加重鉆桿+?88.9 mm斜坡鉆桿+?101.6 mm鉆桿。采用上述鉆具組合下入三趟鉆完成定向側(cè)鉆，排量8～9 L/s，鉆壓10～20 kN。

1.1 第一趟鉆

本趟鉆進(jìn)尺19 m，平均機(jī)械鉆速3.17 m/h，井底溫度173℃～176℃接近螺桿鉆具耐溫上限175℃。在鉆進(jìn)5.5 h時(shí)，因螺桿膠皮迅速破損，井口開(kāi)始見(jiàn)碎膠皮返出。20 min后，泵壓從21 MPa突然下降至19.5 MPa，鉆時(shí)迅速上漲。判斷為螺桿失效，立即起鉆。

1.2 第二趟鉆

本趟鉆進(jìn)尺35 m，平均機(jī)械鉆速0.71 m/h。入井約42 h后，MWD儀器出現(xiàn)無(wú)信號(hào)情況，繼續(xù)鉆進(jìn)約11 h后起鉆。起出儀器后檢查發(fā)現(xiàn)MWD中用于產(chǎn)生引號(hào)脈沖的旋轉(zhuǎn)閥被鉆井液中的雜質(zhì)堵塞。

1.3 第三趟鉆

本趟鉆進(jìn)尺74 m，平均機(jī)械鉆速2.47 m/h。鉆進(jìn)15.5 h后，井口開(kāi)始返出碎膠皮，但泵壓和扭矩穩(wěn)定，鉆時(shí)上升不明顯。繼續(xù)鉆進(jìn)15.5 h后，扭矩開(kāi)始劇烈波動(dòng)，為保證井下安全，停止鉆進(jìn)。

在三趟鉆中定向鉆進(jìn)中軌跡控制能力良好，使用1.5°螺桿造斜率基本在9°/30 m以上，工具面穩(wěn)定，且未出現(xiàn)托壓等情況。

2. 哈7021C井

哈7021C井為哈702C井的鄰井，其井身結(jié)構(gòu)和所用鉆具組合均與哈702C基本相同。本井的井底溫度170℃，排量8～9 L/s，鉆壓10～20 kN。側(cè)鉆進(jìn)尺88 m，平均機(jī)械鉆速2.67 m/h，鉆達(dá)設(shè)計(jì)井深后起鉆。至起鉆前，螺桿和MWD儀器工作正常。井眼軌跡控制情況良好，定向鉆進(jìn)造斜率9°/30 m。

三、改進(jìn)方向與建議

1. 優(yōu)化鉆具組合

由前述難點(diǎn)分析可知，若能提升安全泵壓下的循環(huán)排量，可改善MWD儀器和螺桿鉆具的工作條件，提升其穩(wěn)定性。而降低循環(huán)壓耗以提升排量的重要措施之一就是優(yōu)化鉆具組合。

?101.6 mm鉆桿模擬長(zhǎng)度在0 m(該井原設(shè)計(jì))、1 500 m(該井實(shí)際組合)、2 000 m和4 000 m時(shí)水力參數(shù)的情況，見(jiàn)圖2所示。

由圖2可知，將該井原鉆具組合設(shè)計(jì)里鉆具組合?88.9 mm鉆桿一部分替換為?101.6 mm鉆桿，能降低循環(huán)壓耗，有助于提升循環(huán)排量。因此在鉆具管串設(shè)計(jì)中，滿足其他要求前提下，上部?177.8 mm或?200 mm套管內(nèi)盡可能多地使用?101.6 mm鉆桿，下部小尺寸井眼中盡可能少用?73 mm鉆桿。

圖2 不同鉆桿長(zhǎng)度時(shí)排量-泵壓曲線

2. 螺桿鉆具性能的改進(jìn)

2.1 定子橡膠材料優(yōu)化

針對(duì)高溫井，螺桿馬達(dá)橡膠配方在生膠選擇上，可選用高飽和丁腈橡膠，提高馬達(dá)橡膠的耐熱老化性能。與普通馬達(dá)定子橡膠相比高飽和丁腈橡膠硬度高、熱變形小，橡膠助劑及粘合劑都選用適合高溫環(huán)境的產(chǎn)品，降低高溫及腐蝕環(huán)境下橡膠老化、脫落的幾率，有效提升馬達(dá)橡膠在高溫井下的工作壽命。

2.2 螺桿內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化

針對(duì)高溫井可使用等壁厚螺桿鉆具，即將原來(lái)的定子橡膠截面形狀由厚薄不一的形狀改為相等壁厚的形狀(圖3所示)。

圖3 等壁厚橡膠定子和普通橡膠定子截面圖

通過(guò)改變橡膠形狀，使其物理性能得到提升，等壁厚定子相比于普通定子具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：

(1)等壁厚定子橡膠溶脹、溫脹均勻、散熱效果好，在井底高溫和鉆井液腐蝕的環(huán)境下，能更好的保證馬達(dá)型線，馬達(dá)在高溫運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)具有更好的工作性能。可維持長(zhǎng)時(shí)間高效率鉆井，延長(zhǎng)螺桿的使用壽命。

(2)等壁厚定子在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中抗變形的能力好，馬達(dá)密封性能好、容積效率高、單級(jí)承壓高，在相同的條件下可以減少馬達(dá)級(jí)數(shù)及定、轉(zhuǎn)子間的配合量，在運(yùn)轉(zhuǎn)扭矩和效率等方面優(yōu)于常規(guī)馬達(dá)，可改善螺桿鉆具性能，提高鉆井速度，提高工作效率。

(3)等壁厚定子橡膠與金屬殼體內(nèi)壁的粘著面積增大，不容易脫膠，橡膠收縮均勻，無(wú)應(yīng)力，運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定，可增加轉(zhuǎn)速，提高排量，延長(zhǎng)使用壽命。

3. MWD儀器優(yōu)化

目前塔里木油田廣泛使用的是采用活塞脈沖產(chǎn)生鉆井液脈沖信號(hào)的MWD系統(tǒng)，如哈里伯頓的Sperry Sun系統(tǒng)、Boreview系統(tǒng)、PDT系統(tǒng)、TOLTEQ系統(tǒng)等?；钊矫}沖發(fā)生器通過(guò)改變流道面積產(chǎn)生的壓力波動(dòng)傳遞信號(hào)，但由于結(jié)構(gòu)的限制及機(jī)械部件較多，容易造成脈沖堵塞。

目前所應(yīng)用的旋轉(zhuǎn)閥式脈沖器，采用兩組碟片相對(duì)運(yùn)動(dòng)，閥組通過(guò)打開(kāi)、閉合定轉(zhuǎn)子，限制鉆井液通道，形成鉆井液脈沖信號(hào)，改變流道開(kāi)關(guān)狀態(tài)的方式產(chǎn)生信號(hào)。 旋轉(zhuǎn)閥式脈沖器由于采用碟片旋轉(zhuǎn)，具有“咀嚼解卡”功能，同時(shí)具有自動(dòng)回位的能力，一定程度上避免了儀器卡死，理論上能適應(yīng)小～中型堵漏顆粒的堵漏作業(yè)。

4. 鉆井液性能的優(yōu)化

小井眼環(huán)空間隙小，井眼清潔能力差，鉆井液的粘切必須保證巖屑攜帶的要求。故著重提升鉆井液的動(dòng)塑比，即提升剪切稀釋性，在保證攜帶巖屑能力的前提下，降低水眼和鉆頭等高流速區(qū)的黏度，降低循環(huán)壓耗，有助于提升循環(huán)排量。

另外，降低鉆井液中劣質(zhì)固相，尤其是降低含砂量，可避免堵塞MWD，降低對(duì)螺桿橡膠的磨蝕。

四、結(jié)論

(1)哈702C井作為國(guó)內(nèi)實(shí)施的第一口超深高溫?104.8 mm小井眼定向井，面臨井深大、地層溫度高、井眼尺寸小、配套儀器工具不成熟方面的難題。

(2)對(duì)于小井眼高溫定向井主要從提升循環(huán)排量和改進(jìn)MWD儀器、螺桿鉆具及鉆井液性能方面進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)。