塔河油田深層側鉆水平井膨脹套管鉆井設計及實踐

蔡 鵬，侯 婷，吳柳根

（勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營257017）

塔河油田深層側鉆水平井膨脹套管鉆井設計及實踐

蔡 鵬*，侯 婷，吳柳根

（勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營257017）

膨脹套管技術是一項可在鉆井過程中充當技術套管封隔復雜地層的新技術，可優化井身結構，進行封隔異常高壓層、坍塌層和漏失層等。塔河油田深層側鉆井需要滿足避水要求，且需鉆遇石炭系易漏層和易坍塌層，存在2套壓力體系，使鉆井和后期完井面臨諸多困難，造成該油區深部地層原油難以得到解放，采用膨脹套管充當技術套管，為解決塔河油田側鉆水平井開發難題提供了一種全新的解決方案。針對塔河油田?177.8mm套管深層開窗側鉆井的開發難點，提出一套膨脹套管技術解決方案，膨脹套管實施后采用非常規直徑130mm井眼鉆進，分析了膨脹套管施工技術難點，確定施工程序及方案，并從膨脹套管及配套技術兩方面詳細論證分析，驗證其在深層側鉆水平井中應用的可行性。詳細介紹了膨脹套管技術首次在該地區側鉆水平井TK6-463CH井中進行鉆井封堵應用的實施情況。現場試驗表明，所設計的膨脹套管鉆井技術方案可以解決塔河油田深層側鉆水平井的鉆井難題，并得到很好的技術實踐。

膨脹套管；塔河油田；鉆井封堵；技術方案；現場實踐

隨著油田開發中后期的到來，深井、復雜井將越來越多,其井身結構也越來越復雜。針對復雜地質條件和復雜深井，當鉆遇高壓層、鹽膏層等復雜地層時，膨脹套管技術可為非常規套管井身結構提供有效的技術手段，利用它可封隔異常高壓層、漏失層等，對解決復雜深井難題，具有良好的應用前景[1-2]。

近年來，塔河油田?177.8mm套管開窗側鉆時需要滿足地質避水要求，開窗側鉆層位主要集中在石炭系巴楚組和奧陶系桑塔木組，目前?177.8mm套管開窗側鉆井面臨著2大問題：①泥巖坍塌掉塊問題比較突出：?177.8mm套管開窗側鉆，側鉆軌跡將穿過石炭系巴楚組泥巖地層，易發生垮塌掉塊，鉆井和完井過程阻卡嚴重，鉆井、完井管柱無法到位；②井漏現象嚴重：石炭系地層壓力高（1.21～1.24g/cm3），奧陶系地層壓力低（1.08～1.10g/cm3），同一井眼揭示2套不同壓力系數的地層，易出現井壁垮塌、井漏等復雜情況，造成后續施工困難。目前，塔河油田?177.8mm套管開窗側鉆井無法下入技術套管，該類側鉆井以現有的常規技術無法實施，導致塔河油田奧陶系剩余油多年來無法解放。膨脹套管技術為解決塔河油田側鉆水平井開發難題提供了一種解決方案[3-4]。

1 技術方案及難點

在側鉆水平井鉆井設計中引入膨脹套管技術，為塔河油田側鉆井水平井開發提供一種技術方案。然而，相對直井而言，在側鉆水平井中大斜度井段實施膨脹套管難度更大，風險更高，且后續鉆進對膨脹套管強度要求更高。

針對塔河油田?177.8mm套管開窗側鉆井所面臨的因井漏和泥巖坍塌而難以鉆達目的層等技術難題，采用膨脹套管固井技術方案，具體方案為：?177.8mm套管內進行開窗側鉆后，?149.2mm井眼鉆進至奧陶系頂部，并用擴眼工具將井眼尺寸擴至?165mm，下入?139.7mm膨脹管，膨脹后內徑可達到?134.5mm，封隔石炭系泥巖和易漏層位，下入?130mm鉆頭繼續鉆進。

針對塔河油田深層側鉆井所面臨的困難，對膨脹套管及其配套技術進行研究分析，探討膨脹套管及其配套技術在深層側鉆井中應用的可行性。目前?139.7mm膨脹套管適合在?149.2mm井眼中試驗，自2009年以來，勝利油田鉆井院對膨脹套管在塔河油田開窗側鉆井中可行性和適宜性進行了反復的論證，制定了完備的工藝措施和應急預案[5-6]。

2 關鍵技術分析

2.1 井身軌跡優化

圖1 塔河油田側鉆井井身結構示意圖

鑒于膨脹套管的特殊性，對井身軌跡有較高要求。因此，調整井身軌跡設計，提高窗口位置高度，降低造斜率及井斜，限定造斜率不超過25°/100m，最大井斜不超過40°，使井眼條件滿足擴眼及膨脹套管下入要求。

2.2 鍛銑方式優選

開窗方式分為斜向器開窗和套管段銑開窗，本井后期鉆井時間長，鉆井管具頻繁出入窗口，若采用斜向器開窗，存在斜向器偏轉和下行等風險。根據膨脹套管工藝要求，采用套管鍛銑開窗，后期窗口質量有保證，整個鉆井施工風險小。

2.3 深井斜井段擴眼工藝

為保證膨脹套管順利下入及膨脹，需對?149.2mm井眼擴眼至?165mm。擴眼可采用隨鉆擴眼和鉆后擴眼方式，鉆后擴眼方式采用液壓式擴眼器，通過優化深井大斜度井擴眼施工工藝，井眼造斜率在30°/100m以下，擴眼段最大井斜在45°之內是有保障的，滿足膨脹套管后期作業要求。

隨鉆擴眼可采用雙心鉆頭，見圖3，該鉆頭由領眼鉆頭，預擴孔段和主擴孔段組成，領眼鉆頭和預擴孔段的雙重作用，減少主擴孔段的任務和總偏心載荷，保證了鉆頭的穩定性，預擴孔段至少有一個短刀翼不與井壁接觸，但在井眼內不能側向移動，實現力平衡。該鉆頭在國外應用效果較好，對硬地層具有較好的適應性，理論擴眼直徑為?165.1mm，見表1。

2.4 深井膨脹套管施工工藝

?139.7mm膨脹套管僅在套損井中進行補貼應用，尚未在裸眼井中進行現場試驗，因此在深井斜井中充當技術套管應用需進行改進及優化[7-8]。

2.4.1 固井工具研究

由于塔河油田側鉆井多為深井、斜井，膨脹套管在鉆井過程中充當技術套管時，固井時膠塞碰壓面臨較大考驗，且所設計的浮鞋為可鉆式，因此設計開發出膨脹套管專用的固井膠塞和內置可鉆式浮鞋，保證膠塞深井碰壓正常和浮鞋鉆塞方便。

2.4.2 管體抗擠強度計算

膨脹套管在深井中充當技術套管，需要封隔2套壓力體系的壓差，對膨脹后的管體抗外擠強度具有較高要求，是衡量膨脹套管能否在鉆井過程中封堵復雜層的一個重要指標[10]。試驗研究發現，實際膨脹套管的抗擠強度與理想圓管的臨界外壓之間有近似關系：

圖2 隨鉆擴眼用雙心鉆頭

表1 ?146.05mm×?165.10mm×?120.65mm雙心鉆頭技術參數

2.4.3 深井施工工藝研究

針對深井膨脹套管施工情況，優化膨脹套管內管柱結構，保證內管抗拉力和內管通徑一致性，減少固井膠塞因變徑磨損；同時分析管柱下入過程中管柱的載荷情況及下入時受力情況，采用專用通井規通井，確保管柱下入安全；并進行膨脹套管固井工藝研究，優化超緩凝水泥漿體系，采用先固井后膨脹再候凝方式作業，固井時按正常要求進行固井，但注水泥量應控制在環容的80%以內。

2.5 小井眼鉆井工藝

膨脹作業后，膨脹套管內徑可達到為?134.5mm，二開采用?130mm鉆頭進行非常規直徑井眼鉆進，但常規?88.9mm鉆桿無法進入膨脹套管內，且常規MWD儀器配套困難，無法滿足儀器正常使用要求，因此需進行小井眼鉆井工藝研究。

2.5.1 鉆具組合優化

首次采用非常規直徑?130mm井眼鉆進，采用?130mm鉆頭，配套DSNC31非標?89mm特制鉆桿和?105mm無磁鉆鋌，進行鉆具組合優化，增大環空面積，提高機械鉆速，特制鉆桿技術參數見表2。根據水力參數優化結果，建議排量采用10L/s，泵壓在18.4MPa左右，能夠滿足設備的最高承壓能力，可以確保井底巖屑順利返出。

2.5.2 MWD儀器配套

二開?130 mm井眼鉆進時，采用常規MWD儀器無法滿足測量服務需要，?116.8mm MWD儀器，其配套鉆鋌外徑為?121mm，鉆具環空較小，鉆具壓耗太大，泵壓太高，攜沙困難，易造成卡鉆事故；?88.9mmMWD儀器抗扭性較差，深井易扭斷，均無法滿足深井?130mm井眼對儀器的要求。因此，為滿足膨脹套管技術的側鉆井測量需求，采用國外公司?105mm非標小直徑MWD儀器，儀器參數見表4。

通過對膨脹套管及其配套技術分析，結合塔河油田側鉆水平井情況，膨脹套管在塔河油田?177.8mm套管開窗側鉆井中具有一定的可行性和適應性。

式中：pc——膨脹套管抗擠強度，MPa；

p——理想套管的抗擠強度，MPa；

pe——理想套管的彈性失穩外壓，MPa；

g——修正系數。

應用式（1），以?139.7mm×7.72mm膨脹套管（膨脹后為?149.3mm×7.5mm）為例，可計算其膨脹后抗外擠強度達25MPa，滿足塔河地區石炭系封堵要求。

表2 DSNC31特制鉆桿技術參數

3 現場試驗

目前，該方案在塔河油田深層側鉆井中實施7口井，國內首次應用膨脹套管作為技套封堵深井高壓層，并創造了國產139.7mm膨脹套管2項紀錄，標志著膨脹管技術在解決鉆井復雜難題上取得了重大突破，為解決塔河油田?177.8mm套管開窗側鉆水平井的技術瓶頸奠定了基礎。

表4 國外公司?105mm MWD儀器參數

3.1 首次現場實踐：

膨脹套管方案首次在TK6-463CH井應用，該井采用段銑方式開窗，一開采用?149.2mm鉆頭鉆進和液壓式擴眼器進行鉆后擴眼，完鉆井深5509.93m，最大井斜31.26°，電測測井徑為?165mm以上，井眼條件滿足膨脹管下入要求。采用?151mm專用通井規通井后，下入?139.7mm膨脹套管437.22m，固井膨脹順利。鉆塞后，進行膨脹套管承壓試驗，管體抗內外壓強度合格。二開鉆進采用?130mmPDC鉆頭鉆進，配套?105mm非標小直徑MWD儀器和非標鉆具組合，完鉆井深5740m，垂深5549.52m，井斜92.7°，總進尺230.07m，順利鉆達目的層，滿足地質避水要求，裸眼完井[9]。

3.2 工藝探討與完善

為繼續探索深井側鉆水平井膨脹套管鉆完井工藝技術，縮短建井周期，降低鉆井成本，在首獲成功后，又陸續完成TK7-640CH、T816CH2、TH10233CH等6口試驗井的鉆井實踐，對膨脹套管及配套鉆井工藝整體技術進行了有力探索，促進工藝技術完善。先后成功試驗深井膨脹套管及雙心鉆頭大斜度隨鉆擴眼技術，采用雙心鉆頭隨鉆擴眼后達到膨脹套管下入要求；?139.7mm膨脹套管作業長度最長達526.88m，作業深度最深達6065m，隨鉆擴眼最大井斜角65.8°，成功封隔了高壓的石炭系地層；后續?130.0mm井眼采用特殊鉆具結構鉆進，最長進尺達461.0m，對膨脹套管鉆完井工藝整體技術進行了有力探索，為西部深井小井眼側鉆井提供了一種全新的二開次鉆完井方式[10]。

4 結論

（1）通過從井身軌跡優化、開窗方式、斜井擴眼、膨脹套管及小井眼鉆進等方面分析論證，驗證了膨脹套管及其配套技術在塔河油田深層側鉆井中應用的可行性。

（2）以膨脹套管為核心的側鉆水平井鉆井方案得以實踐，并對膨脹套管及配套鉆井工藝整體技術進行了有力探索，有效促進隨鉆擴眼和小井眼鉆井技術發展。

（3）膨脹套管技術成功封隔高壓層和易塌地層，其抗內壓、抗外壓和耐磨性均可滿足后續鉆井及地質避水要求，性能可靠，保障了后續小井眼鉆進安全，為解決塔河油田?177.8mm套管開窗側鉆水平井的技術瓶頸奠定了基礎，可進一步進行推廣試驗。

[1]張建兵;練章華;賈應林，采用膨脹套管技術優化復雜深井超深井下部井身結構[J].石油鉆采工藝，2008,30(4)：1-4.

[2]班麗，姜秀.采用實體膨脹管技術實現鉆探深地層目標[J].國外石油工程，2003,19(11)：27-28.

[3]姚彤寶，于好善，夏柏如，等.膨脹管技術在地質勘探領域應用初探[J].探礦工程，2008,29(2)：8-11.

[4]莊德寶.膨脹管應用及技術研究[J].內蒙古石油化工，2012, 21(7)：103-104.

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[6]張新旭，魏學成.膨脹管技術在河壩1井的應用[J].西部探礦工程，2005，28(9)：61-63.

[7]唐明，唐成磊，寧學濤，等.實體膨脹管技術在油田開發中的應用[J].鉆采工藝，2008，31(3)：70-72.

[8]唐明，寧學濤，吳柳根，等.膨脹套管技術在側鉆井完井工程中的應用研究[J].石油礦場機械，2009，38(4)：64-68.

[9]唐明，吳柳根，趙志國，等.深層側鉆水平井膨脹套管鉆井封堵技術研究[J].石油機械，2013，41(2):6-9.

[10]何偉國，唐明，吳柳根.塔河油田深層側鉆水平井膨脹套鉆井管完井技術[J].石油鉆探技術，2013，41(5):62-66.

TE249

B

1004-5716(2015)08-0039-04

2014-08-04

中石化重點攻關項目“裸眼封堵等井徑膨脹套管技術研究”(JP11007)資助。

蔡鵬（1978-），男（漢族），湖南益陽人，工程師，現從事膨脹管技術研究推廣和完井工具技術開發工作。