定向隨鉆擴眼技術在塔河油田側鉆水平井中的應用

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.