塔河油田膨脹管井鉆井技術

胥 豪 崔海林 張 玲 董志輝 劉建剛

（勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營 257017）

塔河油田膨脹管井鉆井技術

胥 豪 崔海林 張 玲 董志輝 劉建剛

（勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營 257017）

塔河油田奧陶系碳酸鹽儲層石油資源豐富，隨著開采周期的延長，采出量的增加，開采成本也相應增加，老井側鉆是降低油氣開發成本的有效途徑之一，但塔河油田受制于井眼尺寸、避水要求、不穩定泥巖、復雜的壓力體系等原因，套管開窗側鉆難度極大。鑒于膨脹管技術在處理復雜地層和壓力體系方面具有獨特的優勢，并可節約套管層次，因此在塔河油田進行了3口井試驗，均取得成功。對3口試驗井情況進行了總結，對井身結構設計、井眼軌道設計、套管開窗方式、擴眼方式、鉆具組合和鉆井參數等進行了詳細的闡述，試驗證明膨脹管技術能夠解決該區塊側鉆井面臨的難點，對于老井改造具有重要意義，但還需加強配套工具設備研制，以進一步提高膨脹管鉆井經濟性。

膨脹管；側鉆；擴眼；小井眼；避水；泥巖；壓力體系

塔河油田是以奧陶系碳酸鹽巖為主要儲集層的油氣藏，儲層發育、儲量富集、是以縫洞系統為基本單元發育分布的［1］。隨著油田采出量的不斷增加，油藏地質條件更加苛刻，鉆完井作業難度和成本亦隨之增加，因此降低鉆井費用、合理利用老井實施小井眼開窗側鉆技術是一個挖潛增效、提高原油開采效益行之有效的手段。

近年來隨著底水錐進的影響，多數老井側鉆有避水要求，因此不得不上提造斜點，增大井眼軌跡位移，但上部石炭系桑塔木組和巴楚組泥巖易出現縮徑、垮塌等問題，導致鉆進困難，曾有多口井因鉆遇泥巖導致井下復雜，造成卡鉆甚至井眼報廢的情況［2］，另一方面，石炭系地層和奧陶系地層壓力體系不一致，呈現上高下低的形勢，容易出現噴漏共存，導致側鉆井施工困難。膨脹管技術在處理復雜地層和壓力體系方面具備獨特的優勢，隨著膨脹管技術的應用，該類鉆井難題得到了較好的解決。膨脹管技術用膨脹錐以液力或機械力的方法使管材永久變形，從而達到增大內徑的工程目的［3-11］，為此，塔河油田試驗采用了膨脹管技術。

1 塔河油田膨脹管技術方案

1.1 利用膨脹管技術擬解決的問題

塔河油田奧陶系碳酸鹽巖油藏直井主要有四級和三級井身結構，受地質條件約束，?177.8 mm油層套管多下在奧陶系頂部，管鞋距產層50～80 m，若在套管下部直接進行側鉆，一方面造斜率高，施工難度大；另一方面隨著直井開發周期的延長，較多直井都存在底水錐進現象［12］，因此側鉆時通常要求避水，套管下部直接側鉆無法達到避水要求。另外由于部分老井下部井眼存在多次側鉆，或者落魚，已經無法再利用，因此不得不將造斜點深度上提，但上部石炭系卡拉沙依組和巴楚組含有大量不穩定泥巖，容易造成井下復雜情況；并且石炭系地層壓力高，奧陶系地層壓力低［13］，因此，必須采用一層套管將上部不穩定泥巖和不一致的壓力體系封閉，若直接采用?149.2 mm鉆頭側鉆，下入?127 mm無接箍套管，則通徑為108 mm，受制于工具、設備、及水力參數限制，施工難度極大，采用膨脹管技術正好能夠解決這一系列的難題。

1.2 套管膨脹管方案

采用膨脹管封固不穩定地層和壓力體系，套管開窗側鉆之后鉆進至合適的井深，利用鉆后擴眼/隨鉆擴眼的方式，使得井眼尺寸大于165 mm，確保膨脹管及相應的接箍和配套工具能夠順利下入，下一開次利用?130 mm鉆頭進行鉆進至完鉆井深。膨脹管主要性能及參數見表1。

膨脹管管串結構：膨脹工具組合+對扣接頭+安全接頭+擋泥器+?73 mm加厚油管+擋泥器+?73 mm加厚油管+擋泥器+?73 mm加厚油管+轉換接頭+?88.9 mm鉆桿。

施工流程：管柱下入到位→注前置液→注水泥漿→投塞→替鉆井液→碰壓→膨脹套管施工→膨脹結束→反循環→候凝。

2 膨脹管鉆井技術應用

塔河油田先后部署了3口膨脹管試驗井，分別是 TK6-463CH、TK7-640CH、T816KCH2井，目前均已試驗成功，下面將具體介紹其試驗應用情況。

2.1 井身結構設計

井身結構設計方面，3口井一致，從?177.8 mm套管側鉆，側鉆層位都在石炭系卡拉沙依組地層，TK6-463CH井和TK7-640CH井以奧陶系鷹山組為目的層，采用膨脹管封固卡拉沙依組和巴楚組。T816KCH2井以奧陶系一間房組為目的層，采用膨脹管封固石炭系卡拉沙依組和巴楚組，以及奧陶系桑塔木組和良里塔格組。二開均采用?130 mm鉆頭鉆至完鉆井深，井身結構設計示意圖如圖1。

圖1 井身結構

2.2 井眼軌道設計

井眼軌道設計時應充分考慮膨脹管施工的特殊性，由于膨脹管下入井段造斜率不得超過10 （°）/30 m，最大井斜不超過60°，因此設計時造斜率需小于10 （°）/30 m，膨脹管下入最大深度井斜小于60°，另外應當考慮井深、井眼小等因素的影響，避免軌跡控制難度過大。

三口井均設計為“增—穩—增”軌道類型，膨脹管下至穩斜段接近結束位置。TK6-463CH井是第1口試驗井，一開造斜率設計為4.5 （°）/30 m；由于需要鉆后擴眼，而鉆后擴眼工具在該區應用的最大井斜為33°，為了避免過大的井斜增加擴眼難度，因此設計穩斜角31.46°，第2增斜段屬于該區第1次應用?130 mm井眼，因此造斜率設計也較低，為12（°）/30 m。TK7-640CH井和T816KCH2井是在TK6-463CH井試驗成功后又部署的2口膨脹管井，為了縮短段長，節約鉆井成本，第1增斜率適當增加，設計為7 （°）/30 m，并且設計為隨鉆擴眼，鑒于膨脹管需要下入至穩斜段，因此設計穩斜角50°。具體設 計數據見表2。

表2 井眼軌道設計數據

2.3 側鉆方式的選擇

第1口試驗井TK6-463CH為了確保窗口位置采用了鍛銑開窗的方式，在第1口井成功的基礎上，為了節約鉆井周期，TK7-640CH井采用了斜向器開窗的方式。2口井均試驗成功，證明膨脹管鉆井時對于套管開窗方式沒有嚴格的限制，目前的兩種側鉆方式均適用。后來第3口施工井T816KCH2井再次采用了套管鍛銑開窗，也獲得了成功。

2.4 擴眼方式的選擇

鉆后擴眼技術對鉆進沒有影響，工藝和工具都比較成熟，但多應用于直井和小角度定向井，對造斜率和最大井斜有一定的限制［14-15］，目前塔河油田鉆后擴眼井斜最大33°。TK6-463CH井施工時采取了鉆后擴眼的方式，利用YK152-178型號的擴眼器進行擴眼，經過9 d 20 h，先后下入5趟鉆，最終順利完成擴眼任務，擴眼后井徑滿足膨脹管下入要求。

TK7-640CH井和T816KCH2井采用了隨鉆擴眼鉆頭。結合國內外隨鉆擴眼工具和工藝現狀，選擇使用CSDR5211S-B2型隨鉆定向擴孔鉆頭。該鉆頭由1個5刀翼的領眼鉆頭和1個擴眼刀具組成雙心鉆頭總成，擴眼刀具由3個全尺寸擴眼刀翼和2個半尺寸擴眼刀翼組成，通過獨特的偏斜結構設計進行擴眼，與擴眼刀翼相對的一側是一個導向穩定塊。鉆進時，?120.65 mm的領眼鉆頭首先鉆進，鉆頭上面的導向塊接觸導向井眼壁并抵消由擴眼刀片產生的不平衡力，使得工具按照設計的擴孔內徑來鉆進。這種偏心配置的特點是穩定塊和擴眼刀片為一個整體，無運動件。由于其一側對中心的半徑較小，有效直徑可以通過現有的套管，并在套管下擴出比套管直徑大的井眼。

2.5 動力鉆具的選擇

TK6-463CH井選擇了5LZ120×7.0型螺桿。TK7-640CH和T816KCH2井最終選用了美國PAISANO公司生產的475K4570型可調單彎螺桿鉆具，該動力鉆具具有排量范圍廣，壓降低，功率高，轉速高的特點，能夠滿足隨鉆擴眼施工需要。

2.6 鉆具組合和鉆井參數優化

2.6.1 ?149.2 mm井眼段 TK6-463CH井一開井眼?149.2 mm，鉆具組合為?149.2 mm牙輪鉆頭+?120 mm（1.5°）單彎螺桿+?120 mmMWD 坐鍵短節+?88.9 mm無磁鉆桿+?88.9 mm加重鉆桿+?88.9 mm鉆桿；鉆壓20～40 kN，鉆井液排量9～10 L/s，前期造斜率偏低，約2～3 （°）/30 m，隨著井斜增大，造斜率逐漸增加，可達到5 （°）/30 m，滿足井眼軌跡控制的需要。

2.6.2 ?146 mm×?165 mm井眼段 即隨鉆擴眼鉆進井段，TK7-640CH井和T816KCH2井采用隨鉆擴眼工藝，鉆具組合為?146 mm×?165 mmCSDR5211S隨鉆擴眼鉆頭 +?120 mm（1.5～1.83°）可調單彎動力鉆具+?120 mmMWD坐鍵短節+?88.9 mm無磁鉆桿+?88.9 mm加重鉆桿+?88.9 mm鉆桿；鉆壓 20～40kN，TK7-640CH 井鉆井液排量 11.75 L/s，T816KCH2井受制于設備能力限制，鉆井液排量為10.5 L/s，由于隨鉆擴眼鉆頭為PDC結構，扭矩較大，2口試驗井均較深，因此造斜初期工具面難以穩定，對造斜率形成較大影響，當單彎度數為1.5～1.75°時，造斜率僅3～7 （°）/30 m，后來將單彎動力鉆具度數調整為1.83°，隨著井斜增加，造斜率逐漸增加，能夠達到7～10 （°）/30 m，根據2口井實鉆情況分析，20°井斜以前宜采用1.8°左右度數單彎，20°井斜以后宜采用1.50°單彎鉆進，即可滿足7 （°）/30 m造斜率的需要。

2.6.3 ?130 mm井眼段 3口施工井二開均為?130 mm井眼，因此其鉆具組合和施工工藝差別不大，鉆具組合為?130 mmPDC鉆頭+?105 mm（1.5～2°）單彎螺桿 +?105 mmMWD 坐鍵短節+?105 mm無磁鉆鋌+?88.9 mm特殊鉆桿+?88.9 mm加重鉆桿+?88.9 mm鉆桿；鉆井液排量9～11 L/s。主要工藝包括采用了?105 mm單彎螺桿鉆具，同時定制了?108 mm接箍外徑的非標準鉆桿，確保能夠順利通過膨脹管封固井段，另外還采用了美國Boreview公司生產的小徑MWD儀器；在鉆頭選型方面，由于小尺寸單牙輪鉆頭存在進尺慢，壽命短，易掉牙輪的特點，因此采用了PDC鉆頭鉆進，由勝利鉆井院專門制作了PK6167M型號PDC鉆頭，滿足了施工的需要，最終3口井均順利完鉆。

3 應用效果及存在的問題

3.1 應用效果

目前3口井均已經完鉆，膨脹管均下入到位并膨脹成功，形成了一整套針對塔河油田?177.8 mm套管開窗側鉆膨脹管鉆井技術及配套工藝。TK6-463CH井是應用成功的首口井，是利用自主技術完成膨脹管施工的首口井。TK7-640CH創?130 mm小井眼水平段最長394.72 m紀錄；T816KCH2井創膨脹管下入深度最深、膨脹長度最長紀錄。膨脹管下入主要技術指標見表3。

表3 膨脹管下入主要指標

3.2 存在的問題

（1）鉆井液排量偏低。塔河地區奧陶系地層深度大約在5 800～6 000 m，受制于井身結構和井眼深度的影響，鉆井液排量普遍較小，以試驗井為例，TK7-640CH井鉆井液排量11.75 L/s時，泵壓高達24～26 MPa，T816KCH2井鉆井液排量10.5 L/s時，泵壓高達22～25 MPa。若鉆井設備性能老化，則會影響鉆井液排量。

（2）動力鉆具優選困難。隨鉆擴眼鉆頭對動力鉆具性能提出了較高的要求，而低排量下能夠提供較高功率和轉速的國產動力鉆具又較少，且在功率、轉速、排量范圍、壓降等方面與進口動力鉆具存在較大差距，難以適應隨鉆擴眼的需要，而進口鉆具又存在施工費用高、組織協調困難的情況。

（3）隨鉆擴眼效果不佳。由于井眼深度、井身結構、設備能力限制了鉆井液排量，而動力鉆具選型又比較困難，因此隨鉆擴眼效果較差，特別是在鉆時比較快的井段，鉆頭擴眼不充分，導致井徑不能滿足膨脹管下入要求，還需進行鉆后擴眼。

（4）小井眼工具性能有待提高。?130 mm井段施工時，采用了?105 mm動力鉆具，受制于鉆具尺寸、加工精度、材料性能等因素的影響，動力鉆具普遍存在使用壽命短、鉆時慢、傳動軸易斷等現象。導致小井眼井段起下鉆頻繁，延長了施工周期。

4 結論及建議

（1）利用自主技術完成塔河油田膨脹管井鉆井施工，解決了目前奧陶系油藏?177.8 mm套管側鉆難題，塔河油田大量直井存在側鉆需求，膨脹管技術的成功應用對塔河油田奧陶系油藏老井改造具有重大意義。

（2）膨脹管鉆井配套工具性能還需進一步提升，特別是動力鉆具和擴眼鉆頭，以克服深井小井眼水力參數不足的問題，并提高隨鉆擴眼可靠性。

［1］萬文江.塔河縫洞型碳酸鹽巖油藏數值試井解釋方法應用研究［D］.成都：西南石油大學，2005.

［2］楊中強，王偉志，陳敏政.塔河油田復雜地層鉆井關鍵技術論證［J］.鉆采工藝，2012，35（2）：18-21.

［3］高向前，李益良，李濤.側鉆水平井膨脹套管完井新技術［J］.石油機械，2010，38（1）：18-20.

［4］趙金洲，趙金海，楊海波，等.勝利油田水平井完井技術現狀及研究展望［J］.石油鉆采工藝，2009，31（6）：4-8.

［5］左悅.難動用薄層稠油油藏水平井開發實踐［J］.特種油氣藏，2005，12（6）：48-49.

［6］陳功劍，李春福，王朋飛，等.可膨脹管技術及其在石油工業中的應用［J］.石油儀器，2009，23（2）：65-67.

［7］張建兵，王長寧，袁孟嘉.API55 套管的膨脹性能分析［J］.天然氣工業，2006，26（2）：88-91.

［8］楊順輝，黃永洪，陶興華，等.可膨脹波紋管技術在韋15-19 井的應用［J］.石油鉆探技術，2007，35（3）：55-57.

［9］李益良，張立新，孫冬梅，等.膨脹管系統受力及運動分析［J］.石油鉆采工藝，2008，30（3）：135-138.

［10］于桂杰，王瑞和，唐明.實體膨脹管理論膨脹載荷的確定［J］.石油鉆采工藝，2010，32（2）：1-5.

［11］李光勝，楊文斌，何雅麗，等.膨脹管技術在下4-421井的應用［J］.鉆采工藝，2009，32（2）：17-19.

［12］羊東明.塔河油田開發現狀及穩產上產的幾點認識［J］.石油鉆探技術，2002，30（3）：77-78.

［13］何立成，宮艷波，胡清富.塔河油田鹽膏層鉆井技術［J］.石油鉆探技術，2006，34（4）：85-87.

［14］宿振國，許俊良，溫林榮，等.超深井順6井的擴眼實踐與認識［J］.石油鉆采工藝，2010，32（6）：125-127.

［15］王智鋒，李作會，馬清明，等.勝利油田隨鉆擴眼工具及其應用［J］.石油鉆采工藝，2008，30（3）：128-131.

（修改稿收到日期 2013-06-13）

〔編輯薛改珍〕

Expandable tubular drilling technology in Tahe Oilf i eld

XU Hao, CUI Hailin, ZHANG Ling, DONG Zhihui, LIU Jiangang
（Drilling Technology Research Institute,Shengli Petroleum Engineering Co.,Ltd.,SINOPEC,Dongying257017,China）

Carbonate reservoirs in ordovician strata of Tahe Oilf i eld are rich in hydrocarbon resources. With the extension of production cycle and the increase of oil production, the cost of development increases accordingly. Sidetracking technique on old wells is one of the most effective ways to reduce the cost of oil and gas development. However, window milling and sidetracking in Tahe Oilf i eld is diff i cult, because of the limited hole size, water avoidance requirement, unstable mudstone and complicated pressure system, etc.In view of expandable tubular technology has advantage in dealing with complex formation and pressure system and reducing casing program, it has been deployed on three pilot wells in Tahe fi eld with success. The paper analyzed the casing program, hole trajectory,casing window, reaming method, drilling assembly and drilling parameter of three pilot wells. The tests show that the expandable tubular technology can solve the diff i culties in this area, and has great signif i cance for old well reformation. But the research of supporting tools should be enhanced to further improve the economical eff i ciency.

expandable tubular; sidetrack; reaming; slim hole; water avoidance; mudstone; pressure system

胥豪，崔海林，張玲，等. 塔河油田膨脹管井鉆井技術［J］. 石油鉆采工藝，2013，35（4）：26-29.

TE257

B

1000 – 7393（ 2013 ） 04 – 0026 – 04

國家863 科技重大項目“膨脹管鉆井技術”（編號：2006AA06A105）資助。

胥豪，1982年生。2004年畢業于西南石油大學石油工程專業，現主要從事特殊工藝井技術服務和鉆井工藝研究工作，工程師。電話：0546-8797402。E-mail：xuhaoswpu@163.com。