準噶爾盆地南緣隨鉆擴眼技術(shù)實踐與認識

張茂林，張 晨，陳 濤，周玉東，陳天宇

（1.中石油集團西部鉆探工程技術(shù)研究院，新疆克拉瑪依834009；2.中石油集團西部鉆探克拉瑪依鉆井公司，新疆克拉瑪依834009；3.中石油集團西部鉆探準東鉆井公司，新疆阜康831511）

新疆準噶爾盆地南緣地區(qū)處于天山北麓，由于受到強烈的構(gòu)造作用，形成復(fù)雜的斷裂構(gòu)造組合和褶曲構(gòu)造組合，地質(zhì)條件極為復(fù)雜。近年來，加大深層油氣勘探力度，區(qū)域部署井平均設(shè)計井深超過6500m，這些深探井面臨著地層異常高壓、窄壓力窗口、地層破碎帶、高陡構(gòu)造等諸多工程技術(shù)挑戰(zhàn)。運用隨鉆擴眼技術(shù)能在套管下部擴眼形成大于上層套管內(nèi)徑的井眼，增加套管層次，實現(xiàn)非常規(guī)井身結(jié)構(gòu)，降低施工風險，是解決南緣地區(qū)鉆井問題的一項有效工藝技術(shù)[1]。本文通過對HT-1井四開紫泥泉子組（E1-2z）—白堊系連木沁組（K1l）井段采用隨鉆擴眼工藝方案分析和現(xiàn)場使用，形成該地區(qū)隨鉆擴眼工藝技術(shù)，為南緣地區(qū)實現(xiàn)鉆井井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提高鉆井安全性、施工效率、降低綜合成本提供了積極的借鑒。

1 擴眼井段地層特征及擴眼要求

HT1井四開設(shè)計使用?241.3mm鉆頭由3780m鉆至5700m，鉆遇地層順序紫泥泉子組、東溝組和連木沁組段長1920m，中完下入?219.1mm 技術(shù)尾管懸掛及固井。

1.1 地層壓力相對變化大

鄰井井段紫泥泉子組（E1-2z）至白堊系連木沁組（K1l）底地層壓力系數(shù)變化0.98～1.40 之間、勝金口組（K1s）上部壓力系數(shù)抬升至2.24。區(qū)域內(nèi)鉆達該井段只有一口井，距離本井20km，地質(zhì)上未明確卡層前，鉆井過程中壓力不確定性極大，地層壓力相對變化大，存在漏失和井壁垮塌。

1.2 井壁不穩(wěn)定

受區(qū)域地應(yīng)力、地層物性的影響，極易造成井壁不穩(wěn)定，井眼不規(guī)則，鄰井在紫泥泉子組（E1-2z）—白堊系連木沁組（K1l），出現(xiàn)井壁垮塌和井壁掉塊，提鉆掛卡阻、劃眼多。

1.3 地層可鉆性差

東溝組（K2d）和連木沁組（K1l）地層巖性以上中部砂礫巖、中—細砂巖、泥質(zhì)細砂巖及粉砂巖為主，下部以泥巖為主，抗壓強度35～60MPa，內(nèi)摩擦角30°～36°，可鉆性5.4～7.6，地層較硬、可鉆性較差。

1.4 擴眼要求

HT-1 井四開設(shè)計使用?241.3mm 鉆頭，為了確保四開井段套管固井質(zhì)量、擴大固井水泥環(huán)厚度，對?241.3mm 井眼進行擴眼作業(yè)，要求擴眼井徑大于?250mm 以上。

2 隨鉆擴眼工具和施工方案

2.1 擴眼方式和工具優(yōu)選

擴眼技術(shù)屬于非常規(guī)鉆井技術(shù)，擴眼工藝技術(shù)需要考慮施工安全和效率方面等多因素，根據(jù)四開待鉆地層的巖石力學特性和井眼穩(wěn)定性，對隨鉆和鉆后擴眼方式進行分析，采用了隨鉆擴眼方式[2]。

隨鉆擴眼工具按切削部件是否可動，有固定翼擴眼器和可動翼擴眼器兩類。根據(jù)有關(guān)資料，隨鉆擴眼鉆進在較硬地層巖石鉆進時振動風險較高，擴眼的井徑可能相對偏小尤其是對液壓控制的擴眼器的影響較大。本井受地應(yīng)力影響井筒變形和井壁應(yīng)力掉塊對可動翼擴眼器的影響可能較大[3]。從上述分析，采用雙心鉆頭擴眼工具進行隨鉆擴眼。

雙心鉆頭的切削刃和本體固結(jié)在一起，不含運動件，具有很高的可靠性，能夠承受大鉆壓，配合螺桿可以獲得較高鉆速；對鉆井液固含量和堵漏劑無特殊要求，能適用于多種地層[4-6]。

2.2 雙心擴眼鉆頭結(jié)構(gòu)原理

雙心擴眼鉆頭有領(lǐng)眼鉆頭直徑P、可通過直徑Pt、擴孔直徑D，擴眼弧度所對角度α（擴眼角）四個主要參數(shù)，鉆頭通過領(lǐng)眼小井眼后，鉆出一個直徑較大的擴眼井眼?！半p心″是指鉆頭有兩個中心軸線，即擴眼鉆頭中心軸a點和待擴井眼中心軸b點。見圖1。

圖1 雙心鉆頭原理、幾何尺寸

雙心鉆頭在鉆進時擴眼刀翼與領(lǐng)眼鉆頭同時破巖，在通徑和擴眼尺寸確定的條件下，領(lǐng)眼尺寸越大，則擴眼角越小；當領(lǐng)眼尺寸過大，即P（領(lǐng)眼尺寸）＞2Pt（通徑尺寸）－D（擴眼尺寸）時，擴眼角α為0，無法達到擴眼尺寸與效果。擴眼刀翼須布置在擴眼角范圍內(nèi)，根據(jù)地層硬度不同，需要有足夠大的擴眼角，以保證擴眼刀翼有足夠的空間布置。通常需布置2～5個擴眼刀翼，以保證擴眼尺寸。

HT-1 井四開選用規(guī)格為8.25″×9.5″×10.25″ST1655 雙心擴眼鉆頭，其通徑尺寸?241.3mm，領(lǐng)眼鉆頭?209.55mm，目標擴眼尺寸為?260.35mm。鉆頭領(lǐng)眼刀翼5個，擴眼刀翼5個，16mm復(fù)合片。

2.3 擴眼鉆井參數(shù)確定

擴眼鉆頭的幾何形狀決定鉆頭附近的不平衡力，研究表明，鉆柱振動與鉆壓、轉(zhuǎn)速、地層巖石性質(zhì)、井身結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)，根據(jù)待鉆地層特性，從振動最小化的角度來使用合理的鉆壓、轉(zhuǎn)速。鉆井現(xiàn)場通常采取改變鉆壓、轉(zhuǎn)速等參數(shù)來減小鉆柱的振動。

通過雙心鉆頭幾何參數(shù)算法領(lǐng)眼與擴眼鉆壓分配比是3∶1[7-9]。HT-1 井四開擴眼井段推薦擴眼井段控制鉆壓25～60kN、轉(zhuǎn)速60～160r/min。

2.4 施工工藝措施

結(jié)合四開擴眼段地層特點和隨鉆擴眼工藝技術(shù)要求，制定隨鉆擴眼施工關(guān)鍵技術(shù)措施如下：

（1）雙心鉆頭震動大。通過簡化鉆具組合，使用軟件模擬鉆具臨界轉(zhuǎn)速，鉆頭到井底，接觸地層時轉(zhuǎn)速為20～30r/min，鉆壓為10～20kN。觀察扭矩，如果扭矩過大應(yīng)上提鉆頭，正常后以10kN的增幅增加鉆壓，確定最佳的鉆壓。螺桿鉆井中，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速為30～60r/min，排量35～40L/s。

（2）井壁掉塊多。在鉆進過程中控制扭矩的大小，每次鉆頭提離井底后，要重新完成井底造型2min，緩慢加壓至原鉆壓，維持原鉆井參數(shù)正常鉆進，以保證井眼軌跡的平滑。

（3）控制下鉆速度。在套管內(nèi)，因為鉆柱重量加大，由于慣性可能會引起鉆柱的伸縮，可能使鉆頭上切削齒受損，同時切削齒劃傷套管；在裸眼井段，下鉆太快，可能引起領(lǐng)眼鉆頭刮擦井壁，造成領(lǐng)眼鉆頭切削齒受損，影響鉆頭的后期使用效果。

3 現(xiàn)場擴眼施工概況

HT-1井四開實鉆隨鉆擴眼井段為3858～5485m，應(yīng)用雙心鉆頭擴眼施工主要分為以下兩段，具體為：

（1）第一段3858～4244m：本擴眼井段進尺386m，使用螺桿+雙心鉆頭，由于井壁垮塌嚴重，期間使用常規(guī)鉆頭處理垮塌并鉆進，鉆井液密度由1.40g/cm3上提至1.75g/cm3恢復(fù)正常。鉆具組合：雙心鉆頭+?197mm微彎螺桿+浮閥+?178mm 無磁鉆鋌（MWD）+?238mm扶正器+?178mm鉆鋌21根+?178mm隨鉆震擊器+?178mm鉆鋌3根+?127mm加重鉆桿9根+?127mm鉆桿。鉆進參數(shù)：鉆壓30～60kN，轉(zhuǎn)速40+螺桿，排量35L/s，泵壓29MPa，鉆速4.90m/h。

（2）第二段4666～5485m：本擴眼井段進尺819m，下入雙心鉆頭采用頂驅(qū)轉(zhuǎn)動鉆具進行隨鉆擴眼鉆進，由于扶正器不起作用，鉆速慢，井斜控制困難改用常規(guī)鉆進。鉆具組合：雙心鉆頭+浮閥+?178mm 無磁鉆鋌（MWD）+?178mm 鉆鋌21 根+?178mm 隨鉆震擊器+?178mm 鉆鋌3 根+?127mm 加重鉆桿9 根+?127mm鉆桿。鉆井參數(shù)：鉆壓40～80kN，轉(zhuǎn)速85r/min，排量38L/s，泵壓30MPa，平均機械鉆速0.78m/h。

4 擴眼效果與認識

4.1 擴眼井段實際可通過尺寸符合要求

（1）第一段3795～4244m：本擴眼井段使用微彎螺桿鉆具鉆進，巖性主要是紫泥泉子組的灰色、褐色粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖。由于實鉆過程中，普遍表現(xiàn)出嚴重的井眼擴大現(xiàn)象，該段平均井徑在?318.26mm。

（2）第二段4244～4666m：本井段由于井壁垮塌嚴重，期間使用常規(guī)鉆頭處理垮塌并鉆進，使用常規(guī)PDC鉆頭鉆進，巖性主要以東溝組粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖為主，具有明顯的擴徑現(xiàn)象，該段平均井徑在?269.92mm。其中，井徑較小的井段為4369～4431m，平均井徑?246.83mm，。

（3）第三段4666～5485m：本擴眼井段使用雙心鉆頭隨鉆擴眼鉆進東溝組至連木沁組，鉆進中出現(xiàn)漏失，隨鉆加入8%堵漏劑。平均井徑在?266.41mm。

（4）第四段5485～5700m：使用常規(guī)PDC 鉆頭鉆進，平均井徑在?249.73mm。隨鉆擴眼對比如表1 所示。

表1 隨鉆擴眼對比

從鉆后測井井徑曲線能反映出南緣構(gòu)造應(yīng)力在水平兩向中主應(yīng)力作用和次應(yīng)力作用產(chǎn)生差值，導(dǎo)致井筒變形、井壁坍塌。高應(yīng)力差值會在泥巖中巖石內(nèi)部產(chǎn)生一些微細裂縫，造成井壁垮塌和掉塊，形成不規(guī)則橢圓井眼[10]，造成基圓井眼相對不擴徑。

隨鉆擴眼井段13臂14臂井徑均大于?250mm，雙心鉆頭隨鉆擴眼效果較好，擴眼井徑達到預(yù)期的擴眼效果，為后期?219.1mm 尺寸套管的順利下入和保障固完井提供了良好的井眼條件。

4.2 鉆頭設(shè)計上進一步提升鉆頭攻擊性

因雙心鉆頭本身特點，側(cè)向力大，擴眼至260.35mm，相對于常規(guī)241.3mm鉆頭來說所需要的鉆壓更大，同時切削齒切削半徑大，在通常條件下，速度及進尺都會不及241.3mm鉆頭。在領(lǐng)眼選擇13mm復(fù)合片，增強單齒吃入地層能力，領(lǐng)眼鉆頭設(shè)計為4刀翼，強化鉆頭攻擊性，優(yōu)化擴眼刀翼切削齒參數(shù)，優(yōu)選研磨性復(fù)合片，減緩切削齒磨損倒圓。

4.3 配合螺桿鉆具，提高鉆速

上部紫泥泉子組（3858～4244m）擴眼井段使用微彎螺桿鉆具+雙心隨鉆擴眼達到鉆速4.90m/h，相比鄰井井同層位鉆速4.84m/h，高于同地層螺桿+常規(guī)鉆頭的鉆速。

若井斜增加，雙心鉆頭可以配合螺桿進行定向糾斜，根據(jù)雙心鉆頭的結(jié)構(gòu)狀況及接頭類型，復(fù)合鉆進鉆壓可以進一步強化[7-9]。

5 結(jié)論

（1）南緣地區(qū)超深井使用雙心鉆頭隨鉆擴眼具有推廣前景。通過現(xiàn)場雙心鉆頭+微彎螺桿+MWD鉆具組合的技術(shù)應(yīng)用，在全面鉆進的同時實施擴眼，為南緣復(fù)雜深探井提高鉆速、擴大深部小井眼環(huán)空間隙、優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)、提高固井質(zhì)量等方面積累了經(jīng)驗。

（2）雙心隨鉆擴眼鉆頭結(jié)構(gòu)有待優(yōu)化。需對雙心擴眼工具持續(xù)改型，以更好地適應(yīng)研磨性和塑性同時存在的膏質(zhì)粉砂巖地層（東溝組、連木沁組），加強振動、水力分析和監(jiān)控以確定合理的鉆井參數(shù)，減少對井斜控制影響。

（3）非常規(guī)井身結(jié)構(gòu)隨鉆擴眼技術(shù)需進一步應(yīng)用和研究。隨鉆擴眼技術(shù)屬于非常規(guī)鉆井技術(shù)，在隨鉆擴眼技術(shù)適應(yīng)性、擴眼工具選型等方面需要基于地層特點、時效及區(qū)域使用情況等做出合理評估，以提高復(fù)雜超深井鉆井安全性、作業(yè)效率，降低綜合成本。