南海西部高溫高壓探井隨鉆擴眼技術

李中李炎軍楊立平楊玉豪吳江謝露

1.中海石油（中國）有限公司湛江分公司；2.中海油能源發展股份有限公司；3.中海油能源發展股份有限公司工程技術公司湛江分公司

南海西部高溫高壓探井隨鉆擴眼技術

李中1李炎軍1楊立平2楊玉豪1吳江1謝露3

1.中海石油（中國）有限公司湛江分公司；2.中海油能源發展股份有限公司；3.中海油能源發展股份有限公司工程技術公司湛江分公司

南海西部海域鶯-瓊盆地地溫梯度大、壓力系數高，在高溫高壓井段作業時往往需要維持較高的鉆井液密度，導致安全密度窗口窄，鉆井過程中易發生漏、噴同存的復雜情況。為提高高溫高壓井的鉆井安全和效率，采用隨鉆擴眼技術，增加套管層次，進而為鉆井作業提供良好安全窗口。以鶯-瓊盆地某高溫高壓井鉆井難點入手，分析了針對目標區域鉆井難點的相應對策，并從擴眼技術適應性、擴眼工具選型、擴眼工具與領眼鉆頭尺寸優選、擴眼鉆具振動分析、水力分析、現場技術關鍵等方面對隨鉆擴眼工藝進行分析，形成了相應的隨鉆擴眼工藝技術。

海洋鉆井；非常規井身結構；隨鉆擴眼；南海西部；高溫高壓

與常規擴眼相比，隨鉆擴眼能在套管下部擴眼形成大于上層套管內徑的井眼，實現非常規井身結構，增加套管層次，提供良好的安全窗口，是解決高溫高壓、深水等窄壓力窗口鉆井問題的一項有效技術措施。目前，國內對隨鉆擴眼技術的研究較多，但現有公開文獻中多對相關配套工具發展情況和力學理論模型進行論述［1-3］，較少涉及該技術在國內海上高溫高壓井中的應用設計分析研究。結合南海西部某高溫高壓探井實際情況，重點分析隨鉆擴眼工藝設計和現場使用方面的主要考慮因素，形成相應的隨鉆擴眼工藝技術，旨在提高高溫高壓鉆井的安全性、作業效率和降低綜合成本。

1 鉆井難點及對策

Drilling difficulties and countermeasures

（1）高溫高壓并存。某井設計井深3 856 m，在井深2 300 m處預測壓力系數達1.8，井底壓力系數更是高達2.17，井底靜止溫度超過190 ℃。

（2）窄密度窗口。在高溫高壓井深層作業中，地層破裂壓力（或漏失壓力）與孔隙壓力比較接近，鉆井液密度調整范圍小，極易出現又漏又噴的復雜情況，井控難度極大。從圖1中可以看出：孔隙壓力在1 500 m前為正常壓力系數1.00～1.05，進入目的層前壓力系數逐漸抬升至2.07，而目的層壓力系數為2.07～2.17；井深2 500 m以下井段的靜態作業窗口不大于0.20 g/cm3，最低為0.1 g/cm3，鉆井液安全窗口窄。

（3）同層位鄰井資料缺乏，深層作業經驗少。該高溫高壓探井為所屬區塊的預探井，共有6口鄰井。其中，5口鄰井完鉆井深在2 000 m左右，只有1口井的井深達到4 568 m。相對而言，在該區塊的高溫高壓深井作業經驗偏少，能從鄰井獲取的同層位地質資料有限。對于地質上尚未有明確的VSP（垂直地震剖面）卡層前，鉆井過程中壓力不確定性極大，遭遇更高溫壓系統的風險極高。

針對以上難點，本井設計利用隨鉆擴眼技術實現非常規井身結構來擴大各井段的安全密度窗口。其中，設計有2個擴眼井段：在?355.6 mm套管下部擴?374.65 mm井眼、?298.45 mm尾管下部擴?311.15 mm井眼，設計井身結構見圖1。

圖1 南海某高溫高壓探井預測壓力曲線及設計井身結構Fig.1 Pressure prediction cure and casing program design of a certain HTHP exploration well in South China Sea

2 隨鉆擴眼工藝設計分析

Analysis on RWD technology design

隨鉆擴眼技術屬于非常規鉆井技術，存在鉆頭和擴眼器2個破巖點。與常規鉆井相比，隨鉆擴眼在工藝設計方面考慮因素更多，具有一定獨特性。

2.1 隨鉆擴眼可行性分析

RWD feasibility analysis

以往研究和實踐表明，隨鉆擴眼技術在硬地層中的應用受到一定限制［4］。一方面，隨鉆擴眼鉆進時振動風險較高，在地層巖石較硬的條件下更突出；另一方面，在硬地層中擴眼的井徑可能相對偏小，尤其對液壓控制的擴眼器的影響較大。因此，應根據待鉆地層的巖石力學特性來對隨鉆擴眼可行性做合理評估，進而優選合適的擴眼工具。

目前，待鉆地層巖石力學特性一般根據鄰井測井資料、巖石力學經驗回歸模型計算得到。結合鄰井數據，該高溫高壓探井地層平均抗壓強度35 MPa，平均內摩擦角小于30°，地層較軟，可鉆性好，振動風險小，隨鉆擴眼可行。

2.2 擴眼工具選型及工作原理

Selection and working principle of reaming tools

2.2.1 擴眼工具選型 選擇合適的擴眼工具是保證擴眼鉆進順利的重要前提。擴眼工具選擇原則為：能否實現套管下擴眼，一趟鉆完成鉆水泥塞和擴眼鉆進，不平衡力產生的振動風險小，具備倒劃眼齒，擴眼器的激活控制簡便，耐高溫以及在南海西部油田的使用情況。綜合考慮，推薦在該高溫高壓探井中選用Rhino XS Reamer系列膨脹式擴眼器。該擴眼器最高耐溫可達232 ℃，且在南海西部海域多口深水井應用中性能穩定，擴眼效果良好。

2.2.2 工作原理 Rhino XS Reamer系列膨脹式擴眼器屬于同心擴眼器，主要由外殼、彈簧機構、擴眼刀翼、噴嘴、滑筒、銷釘等組成。Rhino XS Reamer系列隨鉆擴眼器在正常鉆井作業狀態下，擴眼器刀翼在彈簧結構的控制下緊貼心軸。當鉆進至待擴眼地層時，投球憋壓，滑筒銷釘被剪斷，滑筒下行改變流體流動通道，流體分流為鉆具內和擴眼器水眼兩部分。開泵并逐漸提排量，當鉆具內外壓差達到5.5 MPa時，推動擴眼器活塞，使得擴眼刀翼克服彈簧推力并沿本體的Z型槽向上、向外推出，擴眼器激活到擴眼狀態。當擴眼結束后，停泵，彈簧機構推動擴眼器刀翼下行并沿本體槽縮回。Rhino XS Reamer系列隨鉆擴眼器非擴眼與擴眼狀態下對比情況見圖2。

圖2 Rhino XS Reamer系列隨鉆擴眼器結構示意圖Fig.2 Schematic structure of Rhino XS Reamer reamer while drilling

2.3 擴眼工具與領眼鉆頭尺寸優選

Size selection of reaming tools and pilot bits

隨鉆擴眼鉆進是擴眼器與領眼鉆頭同時破巖，若擴眼器與領眼鉆頭尺寸選擇不合理，會引起兩者承受的鉆壓/扭矩分配不均［5-6］，進而導致擴眼器無法有效破巖或者加劇擴眼器切削齒的損傷。優選擴眼工具與領眼鉆頭尺寸時應綜合考慮待擴井段的要求、合理的鉆壓分配、所用隨鉆擴眼器規格參數，并且領眼鉆頭盡量選用API標準系列的鉆頭。

根據該高溫高壓探井的鉆井要求：?355.6 mm套管下部擴?374.65 mm井眼、?298.45 mm尾管下部擴?311.15 mm井眼。采用雙因素法理論模型［7］對2個井段合理的鉆壓分配進行計算分析，圖3中分別為擴眼器尺寸374.65 mm、311.15 mm時，不同領眼鉆頭對擴眼器鉆壓分配的影響結果。

圖3 不同尺寸領眼鉆頭對擴眼器鉆壓分配的影響Fig.3 Effect of pilot bit with different sizes on the WOB distribution in reamer

由圖3可知，當擴眼器直徑為374.65 mm時，?215.9 mm、?241.3 mm、?269.88 mm領眼鉆頭對應的擴眼鉆壓分配比超過40%，最高達到66.79%，這可能造成擴眼鉆進的不平穩；?368.3 mm領眼鉆頭對應的擴眼鉆壓分配比很小，僅為3.36%，可能無法實現有效破巖；?307.98 mm和?311.15 mm對應的擴眼鉆壓分配約30%，較為合理。當擴眼器直徑為311.15 mm時，?215.9 mm、?241.3 mm領眼鉆頭對應的擴眼鉆壓分配比較高，均超過40%；采用與擴眼器尺寸接近的領眼鉆頭（?307.98 mm、?311.15 mm）對應的擴眼鉆壓分配比接近0；?269.88 mm領眼鉆頭對應的擴眼鉆壓分配為24.77%，較為合理。

綜上所述，推薦該高溫高壓探井在2個擴眼井段中的選擇分別為：?311.15 mm領眼鉆頭&?374.65 mm的11625系列擴眼器、?269.88 mm領眼鉆頭&?311.15 mm的10000系列擴眼器。

2.4 擴眼鉆具振動分析及鉆井參數確定

Vibration analysis of reaming tools and determination of drilling parameter

與常規鉆進相比，隨鉆擴眼振動風險更大。隨鉆擴眼鉆進過程中鉆頭、擴眼器同時切削巖石，當鉆進不同硬度的地層時會造成擴眼器和鉆頭的鉆速不同，從而在鉆柱中產生扭轉和橫向振動；另外，旋轉時擴眼鉆具不對中等因素使得擴眼鉆具與井壁之間的碰撞更激烈［8］。若擴眼鉆具設計不當，那么頻繁振動會造成鉆頭或擴眼器過早磨損和井下精密儀器（LWD/MWD）損壞。大量研究表明，鉆柱振動與鉆壓、轉速、地層巖石性質、井身結構等因素有關，鉆井現場通常也是采取改變鉆壓、轉速等參數來減小鉆柱的振動。因此，在設計之初，根據待鉆地層特性，從振動最小化的角度來推薦合理的鉆壓、轉速。

對本井擴眼井段進行分析，?374.65 mm擴眼井段控制鉆壓45～113 kN、轉速60～150 r/min，振動在可接受范圍；?311.15 mm擴眼井段控制鉆壓45～136 kN、轉速80～150 r/min，振動在可接受范圍。

2.5 擴眼鉆具水力分析

Hydraulic analysis of reaming tools

合理的水力參數能加強水力破巖和清巖效果。隨鉆擴眼鉆進過程中，鉆井液分流到擴眼器和鉆頭兩處，若流量分配不合理，鉆頭處噴射速度和比水馬力不足，可能會造成井眼清潔效率差，甚至鉆頭泥包、水眼被堵等復雜情況。水力參數的合理與否與泥漿泵機泵條件、鉆井液性能、鉆具結構、井眼尺寸、井深大小等因素有關［9］，當這些因素確定后可以通過噴嘴組合的優化來對水力參數進行評價。同時，由于選用的隨鉆擴眼器的開啟/關閉依靠液壓驅動，當鉆柱內外的壓差達到5.5 MPa時擴眼刀翼才能完全張開。因此，選擇的排量至少要能滿足刀翼張開的臨界壓差。綜合考慮，?374.65 mm擴眼井段選擇?12.7 mm×6（鉆頭）+ ?7.14 mm×3（擴眼器）的噴嘴組合，排量3 000 L/min；?311.15 mm擴眼井段選擇?11.11mm×6（鉆頭）+ ?6.35 mm×3（擴眼器）的噴嘴組合，排量2 800 L/min。

3 現場應用

Field application

3.1 隨鉆擴眼基本情況

RWD basic situations

該高溫高壓探井實際鉆井過程中依據前面的工藝設計采用Rhino XS Reamer系列膨脹式擴眼器，擴眼鉆具組合如下。

?311.15 mm鉆頭 &?374.65 mm擴眼井段鉆具組合：?311.15 mm領眼鉆頭+浮閥短節+ ?203.2 mm LWD/MWD+ ?311.15 mm扶正器+ ?215.9 mm鉆鋌×1根+ ?374.65 mm隨鉆擴眼器+ ?215.9 mm鉆鋌×2根+ ?203.2 mm機械液壓震擊器+ ?215.9 mm鉆鋌×3根+ ?203.2 mm震擊器加強器+ ?215.9 mm鉆鋌×6根+ ?139.7 mm加重鉆桿×18根+ ?139.7 mm鉆桿。

?269.88 mm鉆頭 &?311.15 mm擴眼井段鉆具組合：?269.88 mm PDC鉆頭+浮閥短節+ ?203.2 mmLWD/MWD+ ?266.70 mm扶正器+?209.55 mm鉆鋌×1+?311.15 mm隨鉆擴眼+?209.55 mm鉆鋌×2根+機械液壓震擊器+ ?209.55 mm鉆鋌×3根+ ?203.2 mm震擊器加強器+?209.55 mm鉆鋌×6根+?139.7 mm加重鉆桿×18根+?139.7 mm鉆桿。

該井?311.15 mm &?374.65 mm擴眼井段從井深1 909 m處擴眼鉆進至2 574 m，整個擴眼鉆進過程中的參數為：鉆壓45～90 kN，轉速90～120 r/min，排量2 900～3 000 L/min，泵壓22.4～25.5 MPa，扭矩9.6～13.8 kN·m；?269.88 mm &?311.15 mm擴眼井段從井深2 574 m處擴眼鉆進至3 299 m，擴眼參數為：鉆壓45～136 kN，轉速90～130 r/min，排量3 000～3 200 L/min，泵壓24～31 MPa，扭矩11.1～13.8 kN·m。

3.2 現場技術關鍵

Key factors of fields technologies

3.2.1 擴眼器測試

（1）地面測試。組合BHA時，擴眼器刀翼上纏繞適量膠帶，下至轉盤面以下，開泵，勻速提排量，穩定排量1～5 min，關泵，提擴眼器至轉盤面以上。檢查擴眼器并確認刀翼未張開、膠帶未崩落后再入井。

（2）下鉆到底后的測試。下鉆到底后，低轉速上提下放鉆具，記錄并對比懸重、摩阻和扭矩變化情況，若無太大變化，表明擴眼器沒有被意外激活，可進行后續操作。

3.2.2 擴眼器激活及判斷

（1）Rhino XS Reamer系列隨鉆擴眼器采用投球激活，激活前要合理選擇投球位置。原則如下：確定擴眼器進入新地層，出管鞋10～15 m左右，以便留足驗證擴眼器是否被激活的領眼口袋長度，并且投球的位置要進入新地層約9 m左右；要方便現場坐卡瓦。

（2）投球前，緩慢開泵，開小轉速（30 r/min），并上下活動5 m，記錄泵壓、懸重、摩阻、扭矩。

（3）投球后，接頂驅開泵送球75%鉆具內容積，停泵靜止，使球自由坐落到滑筒上。后續再開泵，30 r/min低轉速下逐漸提排量，并下放鉆具約1 m左右，觀察各扭矩、懸重、鉆壓變化情況。

（4）擴眼器激活后，可觀察到明顯的壓降，轉動時扭矩增加。

3.2.3 擴眼鉆進

（1）擴眼器激活后，先造型1～2 m，然后按計劃鉆進。由現場工程師配合進行鉆井參數調整。停止鉆進時要先停泵再停轉，恢復鉆進時先開轉盤再開泵。

（2）每倒擴完一柱可選擇進行正劃一柱處理，注意勻速緩慢下放，觀察到鉆壓升高應立即停止，謹防鉆出新井眼。

3.3 擴眼效果分析

Analysis on reaming results

（1）機械鉆速較快。?311.15 mm &?374.65 mm擴眼井段總進尺665 m，平均機械鉆速16 m/h。?269.88 mm &?311.15 mm擴眼井段總進尺725 m，平均機械鉆速8 m/h。2個井段隨鉆擴眼鉆進過程中，工具總體情況穩定，MWD隨鉆監測到的振動小，扭矩、泵壓等參數正常。

（2）擴眼井段實際可通過尺寸符合要求。擴眼鉆進至2個井段的下套管深度后，直接起鉆，起鉆過程中無阻掛。同時，?311.15 mm &?374.65 mm井段下入?298.45 mm尾管、?269.88 mm &?311.15 mm井段下入?273.05 mm+?250.83 mm復合套管的作業中也均未有阻掛發生。

（3）擴眼器與領眼鉆頭磨損較小。擴眼鉆進結束后，兩趟鉆的擴眼器刀翼和鉆頭評級均為1，整體上擴眼鉆進中擴眼器與領眼鉆頭的磨損較小。

（4）井身質量優良。MWD測斜數據顯示，?311.15 mm &?374.65 mm井段最大井斜0.64°，?269.88 mm &?311.15 mm井段最大井斜0.69°，2個擴眼井段的井身質量優良。

4 結論

Conclusions

（1）采用隨鉆擴眼技術實現非常規井身結構，增加套管層次，提前下入套管，擴大壓力窗口是解決高溫高壓等窄壓力窗口鉆井問題的一項有效措施。

（2）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要基于地層特點、時效及區域使用情況等做出合理評估，同時加強振動和水力分析以確定合理的鉆井參數。

（3）合理搭配擴眼工具與領眼鉆頭時要綜合考慮待擴井段尺寸要求、鉆壓分配、擴眼器規格參數，且領眼鉆頭盡量選用API標準系列的鉆頭。

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（修改稿收到日期 2016-10-16）

〔編輯 朱 偉〕

RWD technology for HTHP exploration wells in western South China Sea

LI Zhong1,LI Yanjun1,YANG Liping2,YANG Yuhao1,WU Jiang1,XIE Lu3
1.CNOOC China Limited Zhanjiang Branch,Zhanjiang 524057,Guangdong,China;
2.CNOOC Energy Techology &Serνices Limeted,Beijing 100027,China;
3.Zhanjiang Branch,CNOOC EnerTech-Drilling &Production Co.,Zhanjian 524057,Guangdong,China

The Ying-Qiong Basin in the western sea area of South China Sea is characterized by high geothermal gradient and high pressure coefficient,so high-density drilling fluid is needed in HTHP hole sections.However,the application of high-density drilling fluid results in narrow safety density window,and coexistence of leakage and blowout in the process of well drilling.In order to increase drilling safety and efficiency of HTHP wells,reaming while drilling (RWD) technology is used to improve casing program so as to provide the favorable safety window for drilling operation.In this paper,one HTHP well in the Ying-Qiong Basin was taken as an example.Its drilling difficulties and the corresponding countermeasures were investigated.Then,the RWD process was analyzed from the aspects of technical suitability,reaming tool selection,size selection of reaming tools and pilot bits,vibration analysis and hydraulic analysis of reaming tool,and key factors of field technologies.And thus,the RWD technology is developed.

offshore drilling;unconventional casing program;Reaming While Drilling (RWD);Western South China Sea;high temperature and high pressure

李中，李炎軍，楊立平，楊玉豪，吳江，謝露.南海西部高溫高壓探井隨鉆擴眼技術［J］ .石油鉆采工藝，2016，38（6）：752-754.

TE52

B

1000-7393（ 2016 ） 06-0752-05

10.13639/j.odpt.2016.06.007

:LI Zhong,LI Yanjun,YANG Liping,YANG Yuhao,WU Jiang,XIE Lu.RWD technology for HTHP exploration wells in western South China Sea［J］.Oil Drilling &Production Technology,2016,38(6):751-755.

李中（1972-），教授級高級工程師。1994年畢業于江漢石油學院，現從事海洋油氣鉆完井的研究和管理工作。通訊地址：（524057）廣東省湛江市坡頭區22號信箱。電話：0759-3900608。E-mail:lizhong@cnooc.com.cn