隨鉆水力擴眼工具在渤海自營油田的成功應用*

崔國杰 謝榮斌 韓 亮 張 輝

(1. 中海石油(中國)有限公司天津分公司 天津 300452； 2. 中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司 天津 300452)

隨鉆水力擴眼工具在渤海自營油田的成功應用*

崔國杰1謝榮斌1韓 亮1張 輝2

(1. 中海石油(中國)有限公司天津分公司 天津 300452； 2. 中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司 天津 300452)

渤海自營油田QHD32-6-D29H2井φ152.4 mm井眼下完井防砂管柱遇阻，擴眼鉆進面臨地層松軟易產生新井眼、井壁穩定性差易發生井下復雜情況、井身結構復雜對擴眼工具強度要求高等難題。優選了可動翼液壓式擴眼器進行擴眼作業，總結了一套隨鉆水力擴眼器使用流程和關鍵技術點，同時提出了鉆井液性能控制技術、預防新井眼技術等關鍵配套技術措施，并在QHD32-6-D29H2井成功實施擴眼鉆進作業，為類似隨鉆擴眼工具處理井下復雜情況提供了新思路，具有推廣應用價值。

渤海自營油田；隨鉆水力擴眼器；使用流程；鉆井液性能控制技術；預防新井眼技術

隨著油氣資源不斷開采，渤海自營油田鉆井過程中碰到的復雜情況越來越多，不同地層存在不同程度的井壁失穩問題[1]，施工過程中極易發生鉆具遇阻、遇卡等井下復雜情況，因此擴眼技術作為處理井下復雜情況的重要手段得到了進一步的應用。常規的鉆后擴眼技術是鉆完井眼后再單獨下一套擴眼工具進行擴眼，需要2趟鉆完成，增加了鉆井時間和成本。而隨鉆擴眼技術采用隨鉆擴眼工具配合常規鉆頭鉆具組合，在正常鉆進的同時擴大原井眼，不僅減少了起下鉆時間，提高了機械鉆速，同時也降低了卡鉆風險，已逐漸成為一種應對塑性蠕變復雜地層、優化井身結構、提高油氣井建井質量、提高鉆井速度、降低鉆井作業成本的鉆井新技術[2]。

隨鉆擴眼技術的發展很大程度上依賴于隨鉆擴眼工具的不斷升級改造與研發應用。國外石油公司早在20世紀初就開始研制擴眼工具，由最初的雙心擴眼鉆頭發展到現在的一系列隨鉆擴眼工具。國內擴眼技術起步相對較晚，直到20世紀70年代初井下擴眼技術才從國外引入國內[3-6]，經過40多年的不斷創新與發展，大港油田、遼河油田、勝利油田等在跟蹤考察國外技術的基礎上，陸續研制出了不同規格的隨鉆擴眼器，其中勝利油田研制的機械式PDC隨鉆式擴眼工具比較有代表性[7]。

QHD32-6-D29H2井是我國渤海自營油田第1口使用擴眼器處理井下復雜情況的井，該井在下完井防砂管柱時遇阻，嘗試采用循環、浸泡等措施均無效的情況下，通過對水力擴眼器的分析研究，優選了可動翼液壓式擴眼器進行擴眼作業，并總結出了一套水力擴眼器使用流程及關鍵技術點，同時提出了配套鉆井液性能控制技術及預防新井眼鉆井技術等關鍵技術措施，成功解決了篩管阻卡問題，值得進一步推廣應用。

1 隨鉆水力擴眼工具的結構特點及工作原理

隨鉆水力擴眼工具根據切削部件不同可分為固定翼擴眼器與可動翼擴眼器[8]。固定翼擴眼器的優點是不含運動件，能夠承受大鉆壓，獲得較高鉆速，對鉆井液性能無特殊要求,適用于多種地層；缺點是擴眼后井徑不規則，且偏心設計導致工具受力不均，鉆進時下部鉆具組合容易振動。可動翼擴眼器根據驅動方式不同分為液壓擴眼器與機械擴眼器。液壓擴眼器的優點是結構簡單，可靠性強，擴眼尺寸大，可倒劃擴眼；缺點是在深井、鉆井液黏度高的井中使用受限，對密封結構和水力元件的結構、材質要求高。機械擴眼器的優點是工作穩定，不受井深、鉆井液性能影響；缺點是結構強度低，擴眼尺寸小。考慮到QHD32-6-D29H2井的井身結構復雜，井眼軌跡變化率大，擴眼時鉆具摩阻扭矩大，對擴眼工具的強度要求高，因此優選Rhino XS型可動翼的液壓擴眼器進行擴眼作業。

1.1 Rhino XS型擴眼器的結構特點

Rhino XS型擴眼器屬于可伸臂式擴眼器，具體擴眼參數見表1；其結構主要由上接頭、本體、控制機構總成、擴眼切削齒組成，其中控制機構總成包括一個中心管、彈簧、活塞及球座(圖1)。

表1 Rhino XS型可伸臂式擴眼器參數

圖1 Rhino XS型可伸臂式擴眼器結構圖

該工具的主要技術特點有：刀翼上部分安裝的切削齒不僅能擴眼鉆進，而且使得擴眼器具備倒劃眼功能;刀翼上安裝高耐磨的PDC切削齒，可適應多種地層，作業范圍廣；采用整體式本體設計，使得擴眼器可承受更高的拉力與扭矩，安全性能更高；刀翼采用液壓驅動，停泵后刀翼能自動收回，可靠性強；高噴射水眼大小可調節，在滿足定向井軌跡控制的同時也能充分清潔井眼，提高了清潔效率；可配合旋轉導向工具鉆水平井與大斜度井。

1.2 Rhino XS型擴眼器的工作原理

在正常作業時，Rhino XS型擴眼器的切削齒緊貼芯軸，處于關閉狀態，鉆井液只流經中心管(圖2a)，擴眼器在整個作業中不參與任何作業。當需要擴眼時，將擴眼鉆具下放至擴眼位置，開泵循環清潔井眼，停泵，投球；然后緩慢開泵送球，投球入座之后逐漸提高泵沖，剪切掉銷釘，這時鉆井液將流經中心管旁通和活塞處的水眼(圖2b)。當鉆井液流經水眼和旁通時會產生壓差，由此形成的壓差推動活塞上行，切削齒隨之上行，待活塞上行至舌形定位槽時，切削齒全部被推開，即可進行擴眼作業。擴眼作業結束后，停泵，壓降消失，活塞在復位機構的作用下復位，擴眼切削齒將同時收回在切削齒槽內。

圖2 擴眼器狀態示意圖

2 隨鉆水力擴眼工具在秦皇島32-6油田的應用

2.1 擴眼鉆進面臨的主要難點

QHD32-6-D29H2井是在秦皇島32-6油田D平臺布置的一口φ177.8 mm尾管內開窗側鉆的水平井(圖3)，目的層位為明化鎮組，從1 030 m開窗側鉆，φ152.4 mm井眼定向鉆進至1 596 m水平著陸，鉆進至1 923 m完鉆。完井作業期間，在用φ88.9 mm鉆桿下鉆送φ114.3 mm防砂管柱至1 264 m時，遇阻10 t，上下活動管柱無法通過；接頂驅開泵循環，最大上提90 t(正常上提懸重50 t)，提活管柱，下放通過遇阻點；繼續下鉆至1 434.5 m時，再次遇阻10 t，嘗試上下活動管柱未能通過，開泵循環，多次過提管柱，最大上提100 t，下放至40 t(正常上提53 t，下放38 t)，未能通過遇阻點；之后現場分別嘗試配置稀膠液循環、解卡劑浸泡等措施，均未能解卡。于是決定座封頂部封隔器，脫手服務工具，起鉆甩頂部封隔器座封工具，然后切割打撈回收頂部封隔器，最后用卡瓦打撈筒打撈防砂管柱。打撈成功后，為減小在φ152.4 mm井眼內下篩管的作業風險，決定使用隨鉆水力擴眼鉆具進行擴眼鉆井。分析認為，擴眼鉆進面臨的主要難點表現在：

1)易產生新井眼。擴眼井段位于明化鎮組，地層巖性松軟，且定向井軌跡全角變化率大，擴眼鉆進時產生新井眼的風險較高。

2)易發生井下復雜情況。QHD32-6-D29H2井前期處理井下復雜情況時間長，井眼裸露時間長，造成井壁穩定性差，擴眼作業時容易產生井壁坍塌、井眼縮徑等井下復雜情況。

3)對擴眼工具強度要求高。QHD32-6-D29H2井井身結構復雜(圖3)，擴眼時鉆具摩阻扭矩大，對擴眼工具的結構強度要求高。

2.2 使用流程

1) 鉆臺組合水力擴眼鉆具，淺層測試MWD儀器，信號正常后下鉆至設計擴眼位置1 062 m(擴眼器深度1 059 m)。為確保投球能順路通過，下鉆時要求每柱鉆桿都必須通徑。

圖3 QHD32-6-D29H2井井身結構圖

2) 校深，接頂驅，緩慢開泵至推薦泵送銅球排量900 L/min，轉速40～60 r/min，記錄鉆具上提懸重58 t，下放懸重42 t，泵壓6.3 MPa，空轉扭矩1.3～1.6 kN·m，停泵。

3) 卸頂驅，投入直徑28.6 mm的銅球，緩慢開泵至排量900 L/min泵送銅球，泵壓逐漸上升至7.8 MPa后下降并穩定在7.2 MPa，判斷水力擴眼器內活塞銷釘被剪切。通常情況下，將投球的下行路線中75%路程用泵頂替(180 m/min)，剩余的25%路程讓其自由下落(130 m/min)，然后緩慢開泵剪斷銷釘；對于大斜度井、水平井，全程需用泵頂替，球快到位前降低排量剪斷銷釘，這樣可以防止球座因球速太快被擊裂。當切削塊被激活張開時，可以從地面觀測到一個明顯的泵壓下降。

4) 擴眼造型鉆進，緩慢開泵至設計擴眼排量1 000 L/min，頂驅轉速40 r/min，觀察扭矩在1.3～2.3 kN·m之間波動，表明擴眼器的切削塊已伸出并開始工作。在2～3 m的范圍內旋轉并上下活動擴眼器，直至初始的擴眼臺肩形成。

5) 擴眼造型后進行正常的擴眼鉆進，鉆壓1～2 t，排量1 100 L/min，泵壓8.0～8.5 MPa，轉速60～80 r/min，扭矩4～5 kN·m，平均機械鉆速50～80 m/h。期間主要觀察振動篩處巖屑的返出情況。

6) 擴眼鉆進至1 130 m時，鉆壓突然由1 t增加至3 t，機械鉆速降低至10～20 m/h，扭矩出現波動，上提活動鉆具后無明顯效果；上提鉆具，停泵，停頂驅，下放鉆具至1 130 m，遇阻5 t。上提鉆具，開轉速20 r/min，排量500 L/min，下放鉆具通過遇阻點，倒劃眼2遍修整井眼，擴眼參數恢復正常。

7) 繼續擴眼鉆進至設計井深1 478 m。擴眼參數：排量1 100 L/min，泵壓16.0～17.5 MPa，轉速100 r/min，扭矩5.5～8.5 kN·m。擴眼井段全角變化率均在3°以上，為防止形成鍵槽，每柱擴眼完成后提高頂驅轉速，采用“慢提快放”的方式，倒劃眼2～3遍，破壞臺階。擴眼鉆井期間注意維持穩定的鉆壓，重點監控扭矩和機械鉆速的變化。若擴眼時鉆壓增加、機械鉆速持續偏低、扭矩波動嚴重，及時上提鉆具，停泵，停轉下放通過該井段，并采取倒劃眼方式對該井段進行擴眼。

8) 循環，期間振動篩持續返出較多粘軟、細碎巖屑。循環干凈后，起鉆至井口，擴眼器外觀檢查正常，測試擴眼器切削齒能否正常打開。一般有2種測試方法：第1種是在擴眼器刀翼上纏繞膠帶，下放擴眼器至轉盤面以下，接頂驅開泵至工作排量，停泵后上提擴眼器出鉆臺面，檢查膠帶是否被脹開，若膠帶脹開，說明擴眼器能正常工作，反之，則說明擴眼器異常；第2種是將擴眼器噴嘴更換為盲堵，接頂驅，開泵至工作排量，觀察擴眼器刀翼是否上行打開，若刀翼能打開，說明擴眼器能正常工作，反之，則說明擴眼器異常。

9) 拆、甩擴眼鉆具組合，更換通井鉆具組合：φ152.4 mm牙輪鉆頭+φ120.65 mm浮閥+φ120.65 mm鉆鋌+φ149.22 mm 扶正器+φ120.65 mm鉆鋌×2+φ120.65 mm 震擊器+φ88.9 mm加重鉆桿×14。

1.2.1 文獻資料法 通過中國知網（CNKI）數據庫，以“競技健美操”“健美操世錦賽”“難度動作”“動力性力量”等為關鍵詞，限定檢索時間為2010-2018年，共查閱相關文獻603篇。同時，查閱FIG《健美操競賽規則》等文獻資料，為研究提供理論支撐。

10) 下鉆至井底，井眼順暢。循環至鉆井液返出干凈，替入高潤滑性PRD新鉆井液56 m3覆蓋整個裸眼段，提高鉆井液潤滑性能。

11) 起鉆，下完井防砂管柱，順利通過遇阻點。

2.3 關鍵技術點及注意事項

1) 水力擴眼器和浮閥在鉆具組合中的先后次序非常關鍵，基于對井控和投球影響兩方面的考慮，一般要求將浮閥加放在水力擴眼器之下。

2) 在擴眼器通過防噴器組、井口裝置和側鉆點時，控制好鉆具下放速度，防止掛碰切削齒。

3) 下鉆中途打通時，泵壓不允許超過剪切擴眼器銷釘設定的壓力值，以免提前剪斷活塞銷釘。

4) 擴眼器初始造型時，擴眼所需要時間根據地層巖性而定，偏軟地層盡量不超過5 min，避免長時間沖刷同一地層而造成井壁失穩。

5) 對于易縮徑井段，擴眼結束后盡量采用倒劃眼的方式修整井壁，擴大井眼，以確保套管順利通過易縮徑井段。

2.4 關鍵配套技術措施

2.4.1 鉆井液性能控制技術

在確保井壁穩定的前提下，維持井眼清潔是QHD32-6-D29H2井擴眼作業的關鍵。由于該井擴眼井段在明化鎮組，地層巖性主要為大段泥巖及泥砂巖的交互層，泥質和粘土礦物含量較高，地層易水化膨脹[9]，容易發生井壁坍塌或縮徑等井下復雜情況，因此擴眼作業選用了無固相弱凝膠鉆井液體系。

QHD32-6-D29H2井擴眼井段全程造斜，要求鉆井液具有良好的潤滑性、抑制防塌及攜砂性能。因此，加入降失水劑和抑制劑，控制失水量小于4 mL，提高鉆井液抑制性能。有效抑制泥巖水化膨脹；同時加入適當的潤滑劑，減少鉆具摩阻扭矩，維持漏斗黏度在48～55 s，動切力大于12 Pa，進一步提高鉆井液攜砂性能，避免形成巖屑床。

排量是保證鉆井液攜砂性能的關鍵[10]。在QHD32-6-D29H2井擴眼作業之前進行了水力參數模擬計算，通過優化分配鉆頭和擴眼器水眼尺寸，選擇鉆頭和擴眼器水眼3×φ6.35 mm，理論計算保證φ177.8 mm井眼清潔的排量為900 L/min。在保證鉆井設備能力和井下安全的前提下，現場盡量采用高排量攜砂，確保井眼清潔。

2.4.2 預防新井眼技術

QHD32-6-D29H2井擴眼井段全角變化率均大于3°/30 m(表2)，且本區塊明化鎮組上部地層比較松軟，擴眼作業時容易在井眼上高邊造臺階，產生新井眼[11]，造成井下復雜情況。針對上述問題，該井在作業過程中采取了以下幾方面預防新井眼的技術措施：

表2 QHD32-6-D29H2井井眼軌跡節點數據

1) 通井作業修整井壁。擴眼作業之前進行通井作業，通井鉆具組合的剛性與鉆進時鉆具的剛性盡量保持一致，并且在全角變化率較大井段倒劃眼至少2遍，直至井眼暢通。

2) 優化擴眼鉆具組合。隨鉆擴眼鉆具組合主要根據所鉆地層、井身結構、定向井軌跡不同等進行設計。常規隨鉆擴眼鉆具一般采用多穩定器組合：鉆頭+穩定器+隨鉆擴眼工具+鉆鋌+穩定器+鉆鋌+鉆桿。為減少產生新井眼的風險，本井對常規擴眼鉆具組合進行了優化，使用剛性較小的鉆具。QHD32-6-D29H2井隨鉆水力擴眼鉆具組合為：φ152.4 mm牙輪鉆頭+φ120.65 mm變扣接頭+φ120.65 mm浮閥+φ142.87 mm隨鉆水力擴眼器+φ120.65 mm非磁鉆鋌+φ120.65 mm 隨鉆測斜儀器+φ120.65 mm非磁鉆鋌+φ120.65 mm 震擊器+φ88.9 mm加重鉆桿×14。

3) 減少擴眼鉆具在裸眼井段的靜止時間。循環劃眼時應采用低轉速、慢提快放的方式，避免在軟地層或全角變化率大的井段長時間循環，避免靜止循環時間過長。

4) 遇阻采用“一通二開三劃眼”原則。控制下鉆遇阻噸位不超過10 t，遇阻后應上提鉆具錯開遇阻點至少5 m，再嘗試下放、開泵、接頂驅劃眼等措施。

2.5 應用效果

QHD32-6-D29H2井擴眼井段深度1 062～1 478 m，擴眼進尺416 m，工具入井時間64 h，純擴眼時間41 h，平均機械鉆速20.95 m/h。擴眼結束后，現場通過投電石的方式反推井眼擴大率。經推算，使用φ142.87 mm擴眼器擴眼后井眼擴大率為10%～16%。下φ114.3 mm防砂管柱時，順利通過遇阻點。通過對比擴眼前后下篩管部分錄井曲線(圖4)，可以看出，擴眼之后篩管下入平穩，無阻掛現象，擴眼效果良好，達到了預期目的。

圖4 QHD32-6-D29H2井下篩管錄井曲線

3 結束語

隨鉆水力擴眼工具首次在秦皇島32-6油田成功實施擴眼鉆進作業，提高了處理井下復雜情況的作業效率，降低了鉆完井作業風險，為渤海自營油田鉆完井作業井下復雜情況處理提供了新的思路，具有推廣應用價值。

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(編輯：孫豐成)

Application of tools of hydraulic reaming while drilling in the proprietary oilfield in Bohai sea

Cui Guojie1Xie Rongbin1Han Liang1Zhang Hui2

(1.TianjinBranchofCNOOCLtd.,Tianjin300452,China;2.CNOOCEnerTech-Drilling&ProductionCo.,Ltd.,Tianjin300452,China)

It was highly difficult to set the sand-controlling screen to the bottom in theφ152.4 mm hole section of Well QHD 32-6-D29H2 in the proprietary oilfield in Bohai sea. Borehole enlargement drilling in the weak formation is likely to create a new borehole; downhole complexes are prone to occur with the unstable borehole walls; and the sophisticated casing program is highly demanding in terms of the dependability of enlargement tools. Optimization of Rhino XS type reamers was conducted; a concise operation procedure for utilizing hydraulic reamers and key technical points are summarized. Meanwhile, drilling fluid property control, avoidance of new borehole creation and some other technologies were established. All the established technologies were successfully applied in Well QHD 32-6-D29H2, providing new approach for utilizing similar enlargement tools to deal with downhole complexes, and having a great potential for dissemination.

proprietary oilfield in Bohai sea; hydraulic reaming while drilling; operation procedure; drilling fluid property control; avoidance of new borehole generation

崔國杰，男，工程師，2004年畢業于中國石油大學(華東)石油工程專業，現任中海石油(中國)有限公司天津分公司工程技術作業中心墾利項目組項目經理。地址：天津市濱海新區渤海石油大廈B座B703室(郵編：300452)。E-mail：cuigj@cnooc.com.cn。

1673-1506(2016)03-0115-06

10.11935/j.issn.1673-1506.2016.03.018

TE28+3

A

2015-12-22 改回日期：2016-01-22

*“十二五”國家科技重大專項“多枝導流適度出砂及海上油田叢式井網整體加密鉆采技術示范(編號：2011ZX05057-002)”部分研究成果。

崔國杰,謝榮斌,韓亮，等.隨鉆水力擴眼工具在渤海自營油田的成功應用[J].中國海上油氣，2016,28(3)：115-120.

Cui Guojie,Xie Rongbin,Han Liang,et al.Application of tools of hydraulic reaming while drilling in the proprietary oilfield in Bohai sea[J].China Offshore Oil and Gas,2016,28(3):115-120.