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定向隨鉆擴眼技術在塔河油田側鉆水平井中的應用

2014-04-27 07:08:10張曉明崔海林董志輝
石油地質與工程 2014年3期

張曉明,崔海林,胥 豪,董志輝

(中國石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院,山東東營257017)

隨鉆擴眼技術(Ream While Drilling,簡稱RWD)是采用隨鉆擴眼工具和常規鉆頭程序,在全面鉆進的同時擴大井眼的一種鉆井技術[1]。隨鉆擴眼工具[2]從結構上來說可以分為兩大類:一類是鉆頭型的隨鉆擴眼工具,主要包括雙心鉆頭(單體式偏心鉆頭)、雙體式偏心鉆頭和近鉆頭隨鉆擴眼工具;另一類是具有獨立結構的隨鉆擴眼工具,主要包括偏心結構和同心結構的隨鉆擴眼器。隨鉆擴眼技術在優化井身結構、改善固井質量、提高鉆井效率、降低鉆井成本等方面得到越來越廣泛的應用[3-4]。

塔河7區部署的定向隨鉆擴眼側鉆水平井-TK7-640CH井目的是測試開窗側鉆后,采用定向隨鉆擴眼鉆井技術在塔河油田應用的可行性,為后續施工提供經驗,同時提高該油田的開發效果和效益。

1 地質工程概況

塔河油田位于塔里木盆地沙雅隆起中段阿克庫勒凸起西南斜坡,石炭系砂巖、奧陶系碳酸鹽巖為其主要儲集層,儲層發育,儲量分布以縫洞系統為基本單元。TK7-640CH井鉆遇地層自上而下分別為石炭系卡拉沙依組、巴楚組和奧陶系鷹山組,地層巖性包括砂泥巖、泥巖、雙峰灰巖和泥晶灰巖[5-6]。石炭系到奧陶系厚度變化差異明顯、壓力系統較為復雜,石炭系坍塌應力高,奧陶系地層壓力系數低,為高-低壓力體系,加之奧陶系頂部可能含有水層,給開發和側鉆帶來一定難度。

TK7-640CH井采用φ177.8 mm套管斜向器開窗側鉆工藝,側鉆點位于井深5 217.52 m的石炭系卡拉沙依組。為了保證側鉆成功,本井設計采用二開井身結構(圖1):一開φ149.2 mm牙輪鉆頭側鉆至5 228 m,然后進行定向隨鉆擴眼作業,直至一開設計井深5572 m,下入φ139.7 mm膨脹管至井深5 569 m并膨脹固井,封隔巴楚組不穩定泥巖地層;二開φ130 mm鉆頭鉆至設計完鉆井深5 985.02 m,裸眼完井。

圖1 TK7-640CH井井身結構設計

結合塔河7區地層特點和本井鉆探要求,TK7-640CH井設計為“直-增-穩-增-平”五段制剖面。該井井眼軌道設計參數見表1。

2 鉆井施工難點及技術措施

2.1 施工難點

(1)定向隨鉆擴眼技術是國內第二次在深井中應用,可供借鑒的施工經驗少。

表1 TK7-640CH井井眼軌道設計參數

(2)本井設計側鉆點深,φ88.9 mm 鉆桿長達5 200 m,給扭矩傳遞帶來一定困難,給井下情況判斷造成較大困難,斜向器坐封、陀螺測方位和順利開窗的難度增加。

(3)由于需要進行膨脹管下入作業,原則上要求定向隨鉆擴眼段的狗腿度不超過10°/30 m,軌跡控制以“井眼圓滑”為核心,在一定程度上增加了井眼軌跡控制難度。

(4)為了滿足隨鉆擴眼鉆頭的轉速要求,使之達到良好的擴眼效果,要求動力鉆具轉速超過180 r/min,對高功率動力鉆具的選擇帶來困難。

(5)井眼尺寸小、泵壓較高、環空間隙窄,導致環空壓耗增加,對鉆具、MWD的抗壓能力和地面高壓循環系統帶來嚴峻的考驗。

(6)小井眼側鉆水平井井眼凈化困難,摩阻增大。

2.2 技術措施

(1)本井設計井深5 985.02 m,選用70型鉆機,地面高壓循環系統承壓能力達到25 MPa,以滿足工具和處理井下復雜情況的需要。

(2)軌跡控制過程中精細施工,在滿足狗腿度的前提下,采取滑動鉆進與復合鉆進相結合的方式,合理統籌二者的比例,做到“勤調少調”,尤其是增斜井段的造斜率原則上不超過10°/30 m,以保證眼軌跡圓滑。同時每次測斜間隔不超過10 m,根據測斜數據及時進行預測和設計,明確下一步施工操作,達到實鉆軌跡與設計軌道基本一致。

(3)為保證良好的擴眼效果,動力鉆具轉速至少達到180 r/min,高效螺桿的排量不低于11.5 L/s。

(4)定向過程中經常活動鉆具,合理調整鉆井液性能,避免摩阻過大或出現脫壓的現象。處理復雜情況時,將井底安全放在首位,防止出現卡鉆、井壁坍塌等事故。

3 隨鉆擴眼關鍵技術

3.1 鉆頭優選

TK7-640CH井選用定向隨鉆擴眼技術方案,其關鍵技術之一是優選高效擴眼鉆頭。通過大量調研,優選國民油井公司生產的φ146 mm×φ165 mm×φ120.65 mm CSDR5211S-B2型隨鉆擴眼鉆頭。該鉆頭由領眼鉆頭和擴眼體兩部分組成,領眼鉆頭的結構與常規鉆頭幾乎相同,可以鉆出1個直徑較小的領眼,擴眼體是帶有切削刃的棱柱結構,沿圓周方向布置于雙心鉆頭的側面,能將領眼擴大為工藝要求的井眼尺寸[7]。其主要特點:整體結構無活動部件,可靠性高,壽命長,井下風險小;適合在長井段和定向井段擴眼;高轉速下對地層的適應性強。

3.2 動力鉆具選配

本井井眼深,井下溫度高,選用的雙心鉆頭只有在高轉速下才能獲得良好的擴眼效果,選配的動力鉆具應具有抗高溫能力強、功率高的特點。PAISANO公司生產的螺桿鉆具在高溫和不同鉆井液體系下具有強大的動力、超長的使用壽命和良好的井下性能,故選用該公司大功率高轉速φ120 mm螺桿鉆具,其性能參數見表2。

表2 φ120mm螺桿性能參數

3.3 鉆具組合及鉆進參數優選

優選底部鉆具組合和鉆進參數是優質、高效、安全完鉆的關鍵部分。增斜段優選單彎讀數適中的動力鉆具,在滿足井眼軌跡控制的同時,避免出現較大的狗腿度。同時,簡化鉆具組合,優選鉆進參數,以保證井下安全,提高機械鉆速,達到良好的擴眼效果。定向隨鉆擴眼鉆具組合:φ146 mm×φ165 mm CSDR5211S-B2隨鉆擴眼PDC鉆頭+φ120 mm×1.5°~1.75°螺桿+311×310回壓閥+MWD坐鍵短節+φ88.9 mm 無磁鉆桿+φ88.9 mm 加重鉆桿+φ88.9 mm鉆桿。鉆進參數:鉆壓10~40 kN;排量11.50~11.75 L/s;泵壓23~25 MPa;轉速:螺桿+45 r/min。

3.4 井眼軌跡控制技術優化

套管開窗作業選用套管內斜向器開窗,造斜點優選在穩定性較好、可鉆性好的石炭系卡拉沙依組,同時該井段固井質量較好、井斜角小,以保證獲得良好的窗口,避免出現連續的狗腿。定向隨鉆擴眼的關鍵是軌跡控制,施工過程中,利用Landmark軟件計算分析待鉆井眼軌道的摩阻和扭矩[8],實時監控并及時調整,始終選擇全角變化率小、摩阻扭矩低、施工效率高的井眼軌道施工。根據軌跡控制所需要的造斜率,優化每根鉆桿的鉆進方式,利用MWD隨鉆測量技術加密測斜,及時了解井下數據變化,不斷優化和修正待鉆井眼軌道。增斜段前期采用滑動鉆進方式,后期造斜率滿足設計要求后采取滑動鉆進與復合鉆進相結合的方式,保證造斜率較為平均,不會出現較大的狗腿度,降低井下摩阻和扭矩,實現整個實鉆井眼軌跡的優化。

4 現場施工

TK7-640CH井一開采用坐封斜向器開窗,側鉆成功后使用φ149.2 mm HJS517G牙輪鉆頭復合鉆進出16 m的測斜零長,避開套管磁干擾,然后下入定向隨鉆擴眼鉆具,從井深5 233 m開始鉆進。下入的“雙心鉆頭+φ120 mm×1.5°螺桿”在窗口處無遇阻現象,但由于初始井斜角小,工具面穩定性較差,鉆時慢(約50~80 min/m),定向增斜鉆進困難,造斜率基本在(2°~3°)/30 m,低于7°/30 m 的設計造斜率,導致實鉆位移落后于設計位移。鉆進至井深5 265.11 m,井斜角6.36°,方位角169.46°,鉆具組合造斜率較低,起鉆更換1.75°螺桿。下入“雙心鉆頭+φ120 mm×1.75°螺桿”進行定向增斜鉆進,井斜角增至15°后,工具面較穩定,定向鉆時在30~40 min/m,造斜率基本控制在(7°~9°)/30 m,滿足軌跡控制需要。定向鉆進至井深5 441.5 m,井斜角50.18°,方位角206.74°,完成增斜段的鉆進。穩斜段下入“雙心鉆頭+φ120 mm×1.5°螺桿”,鉆壓控制在30 kN,排量11.5 L/s,轉速保持在螺桿+45 r/min。由于穩斜段復合鉆進井斜微降,采取增井斜措施,定向鉆時40~50 min/m,復合鉆時10~15 min/m。地質錄井卡準層位后,鉆進至井深5 579 m,井斜角53.42°,方位角204.67°一開中完。

TK7-640CH井定向隨鉆擴眼鉆進進尺共計346 m,擴眼井段機械鉆速見表3。受鉆井泵、高壓管線等條件的限制,本井段泵壓在25 MPa以下,排量只能控制在11.50~11.75 L/s,剛剛達到高轉速下的理論排量,導致機械鉆速及擴眼效果未達到預期目標。

表3 TK7-640CH井隨鉆擴眼段機械鉆速

定向隨鉆擴眼井段共使用2只雙心鉆頭,第1只雙心鉆頭保徑部位的兩個齒柱沒有磨損,表明其起到了很好地主動保徑效果,但靠近冠部的1個保徑齒出現研磨性磨損(磨損了1/4),其余2個保徑齒因崩壞導致復合片碎裂;第2只雙心鉆頭出井新度較高,長刀翼心部的2個復合片有所損壞(1個崩壞,1個碎裂),肩部和保徑部位的復合片基本完好,鉆頭整體磨損輕微。

圖2 TK7-640CH井定向隨鉆擴眼段井徑值

TK7-640CH井,一開定向隨鉆擴眼段井深5 233~5 579 m,其中,5 233~5 441.5 m 為定向鉆進增斜段,5 441.5~5 579 m 為復合鉆進穩斜段,其中完后的電測井徑數據見圖2。從中可看出:定向隨鉆擴眼段平均井徑小于165 mm的不多,主要在井深5 278~5 296 m和5 340~5 362 m,總段長40 m;復合穩斜段平均井徑小于165 mm的井段主要在井深5 466~5 481 m、5 494~5 509 m和5 525~5 579 m,總段長84 m。說明在相同鉆壓和排量條件下,復合鉆進穩斜段的隨鉆擴眼效果略低于定向增斜段。

5 認識與建議

(1)塔河油田地質情況復雜,深井超深井數量多,為定向隨鉆擴眼技術在深井、超深井和小井眼定向擴眼段的試驗創造了基本條件。

(2)鉆井泵條件限制了工具性能的發揮,影響了隨鉆擴眼效果和機械鉆速。

(3)使用CSDR5211S-B2隨鉆擴眼鉆頭進行定向和復合鉆進,部分井段沒有達到設計要求的φ165 mm。今后需要根據各地層的巖性特點,適當調整和優選鉆井參數、水力參數,以達到定向隨鉆擴眼的理想效果。

(4)國外雙心鉆頭和螺桿價格昂貴,建議加快隨鉆擴眼鉆頭及配套工具的改進和國產化,降低鉆井成本。

[1] 宋頤,夏宏南,徐超,等.隨鉆擴眼工具的研究與優化[J].裝備技術與制造,2012,(8):282-284.

[2] 夏焱.隨鉆擴眼工具結構及與之相匹配的鉆具組合設計方法研究[D].山東東營:中國石油大學,2006.

[3] 夏焱,管志川.隨鉆擴眼鉆井鉆進趨勢影響因素[J].中國石油大學學報(自然科學版),2008,32(6):79-82.

[4] 申守慶.美國十大鉆頭公司的十大鉆頭新技術[J].國外油田工程,2002,18(7):14-20.

[5] 宋杉林,張春冬,王琪.新疆塔河油田石炭系卡拉沙依組儲層特征及油氣分布[J].沉積與特提斯地質,2002,22(2):53-57.

[6] 李永宏,閆相賓,張濤,等.塔河油田石炭系卡拉沙依組儲層特征及其控制因素[J].石油實驗地質,2004,26(1):17-22.

[7] 陳紅,楊蘭田,劉曉艷,等.塔河油田鹽膏層井段隨鉆擴孔技術[J].石油鉆探技術,2004,32(3):15-17.

[8] 周偉,耿云鵬,石媛媛.塔河油田超深井側鉆工藝技術探討[J].鉆采工藝,2010,33(4):108-111.

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