準噶爾盆地南緣隨鉆擴眼技術實踐與認識

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處于天山北麓，由于受到強烈的構造作用，形成復雜的斷裂構造組合和褶曲構造組合，地質條件極為復雜。近年來，加大深層油氣勘探力度，區域部署井平均設計井深超過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、高陡構造等諸多工程技術挑戰。運用隨鉆擴眼技術能在套管下部擴眼形成大于上層套管內徑的井眼，增加套管層次，實現非常規井身結構，降低施工風險，是解決南緣地區鉆井問題的一項有效工藝技術[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場使用，形成該地區隨鉆擴眼工藝技術，為南緣地區實現鉆井井身結構優化，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）底地層壓力系數變化0.98～1.40 之間、勝金口組（K1s）上部壓力系數抬升至2.24。區域內鉆達該井段只有一口井，距離本井20km，地質上未明確卡層前，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 井壁不穩定

受區域地應力、地層物性的影響，極易造成井壁不穩定，井眼不規則，鄰井在紫泥泉子組（E1-2z）—白堊系連木沁組（K1l），出現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、泥質細砂巖及粉砂巖為主，下部以泥巖為主，抗壓強度35～60MPa，內摩擦角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 井四開設計使用?241.3mm 鉆頭，為了確保四開井段套管固井質量、擴大固井水泥環厚度，對?241.3mm 井眼進行擴眼作業，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 擴眼方式和工具優選

擴眼技術屬于非常規鉆井技術，擴眼工藝技術需要考慮施工安全和效率方面等多因素，根據四開待鉆地層的巖石力學特性和井眼穩定性，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。根據有關資料，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。本井受地應力影響井筒變形和井壁應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 雙心擴眼鉆頭結構原理

雙心擴眼鉆頭有領眼鉆頭直徑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，鉆頭通過領眼小井眼后，鉆出一個直徑較大的擴眼井眼。“雙心″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眼鉆頭同時破巖，在通徑和擴眼尺寸確定的條件下，領眼尺寸越大，則擴眼角越小；當領眼尺寸過大，即P（領眼尺寸）＞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，根據地層硬度不同，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 井四開選用規格為8.25″×9.5″×10.25″ST1655 雙心擴眼鉆頭，其通徑尺寸?241.3mm，領眼鉆頭?209.55mm，目標擴眼尺寸為?260.35mm。鉆頭領眼刀翼5個，擴眼刀翼5個，16mm復合片。

2.3 擴眼鉆井參數確定

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、轉速、地層巖石性質、井身結構等因素有關，根據待鉆地層特性，從振動最小化的角度來使用合理的鉆壓、轉速。鉆井現場通常采取改變鉆壓、轉速等參數來減小鉆柱的振動。

通過雙心鉆頭幾何參數算法領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、轉速60～160r/min。

2.4 施工工藝措施

結合四開擴眼段地層特點和隨鉆擴眼工藝技術要求，制定隨鉆擴眼施工關鍵技術措施如下：

（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速，鉆頭到井底，接觸地層時轉速為20～30r/min，鉆壓為10～20kN。觀察扭矩，如果扭矩過大應上提鉆頭，正常后以10kN的增幅增加鉆壓，確定最佳的鉆壓。螺桿鉆井中，轉盤轉速為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，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，可能引起領眼鉆頭刮擦井壁，造成領眼鉆頭切削齒受損，影響鉆頭的后期使用效果。

3 現場擴眼施工概況

HT-1井四開實鉆隨鉆擴眼井段為3858～5485m，應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：鉆壓30～60kN，轉速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轉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：鉆壓40～80kN，轉速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、褐色粉砂質泥巖、泥質粉砂巖。由于實鉆過程中，普遍表現出嚴重的井眼擴大現象，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，期間使用常規鉆頭處理垮塌并鉆進，使用常規PDC鉆頭鉆進，巖性主要以東溝組粉砂質泥巖、泥質粉砂巖為主，具有明顯的擴徑現象，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造應力在水平兩向中主應力作用和次應力作用產生差值，導致井筒變形、井壁坍塌。高應力差值會在泥巖中巖石內部產生一些微細裂縫，造成井壁垮塌和掉塊，形成不規則橢圓井眼[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 鉆頭設計上進一步提升鉆頭攻擊性

因雙心鉆頭本身特點，側向力大，擴眼至260.35mm，相對于常規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。在領眼選擇13mm復合片，增強單齒吃入地層能力，領眼鉆頭設計為4刀翼，強化鉆頭攻擊性，優化擴眼刀翼切削齒參數，優選研磨性復合片，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，根據雙心鉆頭的結構狀況及接頭類型，復合鉆進鉆壓可以進一步強化[7-9]。

5 結論

（1）南緣地區超深井使用雙心鉆頭隨鉆擴眼具有推廣前景。通過現場雙心鉆頭+微彎螺桿+MWD鉆具組合的技術應用，在全面鉆進的同時實施擴眼，為南緣復雜深探井提高鉆速、擴大深部小井眼環空間隙、優化井身結構、提高固井質量等方面積累了經驗。

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

（3）非常規井身結構隨鉆擴眼技術需進一步應用和研究。隨鉆擴眼技術屬于非常規鉆井技術，在隨鉆擴眼技術適應性、擴眼工具選型等方面需要基于地層特點、時效及區域使用情況等做出合理評估，以提高復雜超深井鉆井安全性、作業效率，降低綜合成本。