井眼質量改善工藝及偏心擴眼器的應用

和鵬飛

井眼質量改善工藝及偏心擴眼器的應用

和鵬飛

中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司（天津300452）

規則、平滑的井眼狀態以及較大的套管與裸眼尺寸間隙，能較好地保證整個鉆井工程中的起下鉆、下套管、固井作業的安全順利。隨著渤海油田調整井的深入進行，大斜度井、大位移井等數量劇增，這給鉆井作業帶來井下安全的考驗，基于上述情況，渤海油田嘗試采用擴眼技術。通過對近年來引入的機械偏心式隨鉆擴眼器結構、原理的介紹，以渤海油田某區域為例，進行應用分析、對比得出實際效果。指出，該工具對清除巖屑床、消除局部狗腿嚴重度、砂泥巖交接臺階等有較好的效果，同時將原井眼整體擴眼，有利于起下鉆、電測以及下套管作業的順利進行。

偏心式擴眼器；隨鉆擴眼；機械裝置；渤海油田

渤海油田從最淺的開發層位明化鎮下段到最深的沙河街組乃至太古界潛山，均有普遍的共性難點問題，即井型難度高、井眼軌跡復雜，以及地層不均質性的存在。這些因素與鉆井工程的現有技術局限性疊合后，使得井下情況更加復雜。如何保證井況安全、如何有效做到起下鉆、電測順利、套管下入順利、固井作業安全順利是渤海鉆井工程的關鍵問題，也是整個行業鉆井技術的核心問題。國內外各大油田均有嘗試，擴眼技術便是解決相關問題的技術之一[1-5]。為此渤海油田研究并應用了機械偏心式隨鉆擴眼器。

1 渤海油田的鉆井共性難點分析

1）井型復雜、定向井軌跡難度高。統計數據顯示，渤海油田近年來的年鉆井量中，50%以上為水平井或者大斜度井。同時由于海上叢式井作業特點，幾乎90%以上的定向井為空間三維井，在淺層需要防碰扭方位、在深層則更多的是中靶扭方位，井眼軌跡可謂復雜至極。渤海油田在上部井段一般使用螺桿馬達鉆具定向鉆進，地層的局部不均質導致造斜率的不穩定，因而局部狗腿嚴重度也難以控制，定向鉆具所帶扶正器的消除效果有一定的局限性質，較高的局部狗腿嚴重度對起下鉆、下套管均有一定的風險[6]。

2）攜砂和井眼清潔困難。軌跡的復雜也導致了鉆井過程中攜砂或者井眼清潔的難度，巖屑床的存在對大斜度井或者大斜度井段的井況安全有嚴重的影響[7]。

3）地層不均質性強。渤海油田分南北兩大特點，北部目的層主要集中在東營組、沙河街以及太古界潛山，南部主要集中在明化鎮組下段、部分區域的館陶組、東營組以及沙河街低滲儲層。東營組以上地層壓實強度較低，膠結疏松，均為砂泥巖混層，抑或砂多泥少、抑或砂少泥多，總之砂泥巖界面較多，二者交界處由于耐沖蝕程度不一而導致井眼擴大率不一致，最終有臺階的存在。臺階的存在對于下鉆、下套管均有一定的影響。

2 技術措施現狀分析

近年來渤海油田嘗試了諸多擴眼技術，如史密斯的單球投入式液壓擴眼器。史密斯液壓擴眼器主要存在操作繁瑣、分配水功率影響鉆井效率等問題。史密斯液壓擴眼器為三刀翼同心擴眼器，利用壓差控制刀翼的張開和收回，并且切削刀翼的張開與施加的鉆壓無關，擴眼器與其他鉆具直接連接。該工具主要有以下幾個缺點。

1）安裝位置受限制。在鉆具的組合設計中，擴眼器位置受到定向工具、螺桿鉆具以及浮閥的影響，無法保證投球后能正常進行開關操作。

2）操作較為復雜。在常規鉆井操作中，擴眼刀翼處于原始收縮狀態。當需要進行擴眼作業時，從鉆柱頂端（卸開頂驅）進行投球操作，接頂驅小排量持續泵送小球到位。泵送到位后，憋壓剪切銷釘，打開旁通流道，激活擴眼器切削塊。

3）對處理復雜情況有限制。該工具在壓差達到5.5MPa時，擴眼器刀翼將實現完全打開，因此如果井下出現復雜情況，如鉆具內憋壓（水眼堵塞等問題），操作不慎會導致刀翼漲開，影響復雜情況的處理。

4）時效性較低。理論上該工具可以實現隨鉆、鉆后等方式進行擴眼。但在常規作業中，為了避免潛在不可控風險疊加出現，一般均是在完鉆后擴眼，對鉆進時效有一定的影響。

為此，渤海油田進行了機械偏心式隨鉆擴眼器的研制和應用。目前機械偏心式隨鉆擴眼器在渤海油田具有了較多的使用案例，根據統計數據分析，效果明顯。

3 機械偏心式擴眼器的組成及原理

3.1結構組成

如圖1所示，機械偏心式隨鉆擴眼器主要有上下連接扣、本體、上下偏心擴眼刀翼組成，上下兩組刀翼呈鏡像對稱布置，上偏心刀翼沿母扣端俯視呈順時針，刀翼面敷焊有金剛石復合片切削齒，具有一定的攻擊性。

圖1 機械偏心式隨鉆擴眼器結構組成

3.2工作原理與結構分析

1）機械偏心式隨鉆擴眼器是在雙心擴眼鉆頭的基礎上發展起來的。由于采用和領眼鉆頭分體安裝的兩件式設計，因而對所使用的領眼鉆具組合和鉆頭沒有限制。

2）該工具本身沒有活動部件，所以可避免擴眼刀翼落井的危險。由于擴眼總成呈不對稱分布，鉆柱旋轉所形成的離心力，迫使擴眼總成沿徑向外移進行破巖擴眼作業。

3）機械偏心式隨鉆擴眼器采用硬質合金為支撐，金剛石復合片為切削齒，并在幾何形狀方面進行了布置，以提高切削能力，緩解切削齒破碎和磨損的速度。切削齒表面高度拋光，以減少剪切應力，改善排屑能力。

4）通過對擴眼刀翼的設計來實現從通過直徑到擴眼井徑的平滑過渡，使系統更加穩定。機械偏心式隨鉆擴眼器可直接連接于鉆具組合中，工具隨鉆柱旋轉傳遞扭矩，采用偏心結構，并且在螺旋翼上鑲嵌切削齒，實現擴孔后比原井眼尺寸稍大（圖2），同時采用雙切削結構能實現倒劃眼作用。

圖2 機械偏心式隨鉆擴眼器擴眼前后示意圖

3.3工具參數

渤海油田所用的機械偏心式隨鉆擴眼器有3種尺寸類型，具體參數見表1，在井眼尺寸為Φ311.2mm時，理論上擴眼后尺寸可以達到316mm。

表1 機械偏心式隨鉆擴眼器的工具參數

4 適用性分析

機械偏心式隨鉆擴眼器在鉆井工程中應用，一方面要考慮時效性，如果采用單獨一趟鉆具通井擴眼則達不到時效要求；另一方面還要考慮對原鉆具組合的影響，保證渤海油田通用鉆具組合的造斜率以及安全性。

4.1加放位置

作為擴眼工具，理論上越接近鉆頭位置，擴眼口袋越小效果越好，但是考慮鉆具剛性變化對鉆柱力學的影響，避免使渤海油田通用的旋轉導向鉆具組合定向性能發生變化，通過軟件模擬和經驗分析將機械偏心式隨鉆擴眼器放置在加重鉆桿之后，距離鉆頭約150m。

4.2摩阻參數的軟件模擬

作為隨鉆擴眼工具，在鉆進鉆具中的放置，勢必會產生附加扭矩值，這與井眼軌跡和地層特性、井眼清潔狀況、鉆井液性能有關。該附加值是否滿足鉆具以及地面頂驅等抗扭要求，通過軟件進行了模擬分析。在模擬中將該偏心式擴眼器模擬為扶正器，如Φ311.2mm井眼所用偏心式擴眼器模擬為Φ316mm扶正器，結果表明，以沙河街組地層鉆進工況模擬結果扭矩附加值在1～3kN·m。

5 在渤海油田的應用及效果分析

F8H井為渤海油田某區域的一口三維水平井，在二開Φ311.2mm井眼中應用了機械偏心式隨鉆擴眼器，應用井段為1 715～2 157m MD，全段位于東營組，且屬于定向井造斜井段，造斜開始井斜角41.46°，造斜結束井斜角87.88°，全角變化率最大4.67°/30m。

F3H井與C6H井屬于同一批、同類型的水平井，在F3H井中未使用機械偏心式隨鉆擴眼器，因此選取與C6H井應用的井段對應的C3H井井段進行相關參數對比分析。

5.1鉆具組合

F8H井在該井段采用鉆具組合：Φ311.2mmPDC鉆頭+Φ228.6mm旋轉導向工具+Φ209.6mm測井工具+Φ209.6mmMWD工具+Φ203.2mm無磁鉆鋌+ Φ203.2mm隨鉆機械震擊器+變扣接頭+Φ139.7mm加重鉆桿×14根+變扣接頭+機械偏心式隨鉆擴眼器+變扣接頭+Φ139.7mm鉆桿。

F3H井在該井段除未加入擴眼器外，其他底部鉆具組合形式一致[8-9]。

5.2參數對比

通過鉆進參數對比可知（表2），使用該工具在定向鉆進過程中會略微增加，與軟件模擬結果基本一致且在低線，不影響鉆進工程的進行，在正常鉆進期間其他參數兩口井均維持一致性結果，可見該工具對于鉆進效率沒有影響。

5.3起鉆效果分析

在表3中，對兩口井的起下鉆時效進行了對比分析。一般渤海油田在采用最后一趟鉆進鉆具鉆進至完鉆深度后，將利用原鉆具短起下鉆，做通井工作，通井之后，起出下套管，部分高難度井或者井況復雜井，單獨下入一趟通井鉆具。從表3中可以看出，旋轉導向鉆具初始下入時，F8H井井筒狀況與F3H井基本類似，下鉆較為順利，其中F8H井雖然加入了偏心擴眼器，但對整個上部井段的下鉆并無影響。

表2 鉆井參數對比

表3 起下鉆時效分析

完鉆后短起鉆過程中，均采用倒劃眼模式，從時效來看，F8H井明顯好于F3H井，圖3為入井和出井的工具照片。

圖3 機械偏心式隨鉆擴眼器入井前后對比

6 結論

目前機械偏心式隨鉆擴眼工具在渤海的應用較為廣泛，實際表明該工具效果良好。

1）應用該工具后，確實具有一定的擴眼效果，在同井段、同地層因素條件下對比起下鉆效率有明顯提高。

2）該工具屬于純機械構造，無復雜、精密內部裝置，操作簡單，應用方便率較高。

3）該工具采用鉆柱旋轉帶動，理論計算和實際應用表明，扭矩附加值較小，對整個鉆進過程無時效、安全影響。

4）該工具不需要分配水功率，在擴眼的同時，保證了井筒水功率的正常分配。

[1]梁奇敏,劉新云,石李保,等.導眼與擴眼組合鉆進模式在定向井軌跡控制中的應用[J].石油鉆采工藝,2015,37(4)：9-11.

[2]張曉明,崔海林,胥豪,等.定向隨鉆擴眼技術在塔河油田側鉆水平井中的應用[J].石油地質與工程,2014,28(3)：109-112.

[3]朱國寧,和鵬飛,葛文臣,等.單球投入式擴眼器及其擴眼技術在渤海油田的應用[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2015,42 (12)：76-78.

[4]孫偉佳.側鉆井同心隨鉆擴眼鉆柱動力學研究[D].成都：西南石油大學,2014：23-26.

[5]吳旭東,劉和興,方滿宗,等.樂東22-1氣田A14H井表層定向及擴眼鉆井技術[J].石油鉆探技術,2014,42(6)：115-119.

[6]和鵬飛,侯冠中,朱培,等.海上Φ914.4mm井槽棄井再利用實現單筒雙井技術[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2016, 43(3)：45-48.

[7]和鵬飛.遼東灣某油田大斜度井清除巖屑床技術的探討[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2014,41(6)：35-37.

[8]和鵬飛,孔志剛.Power Drive Xceed指向式旋轉導向系統在渤海某油田的應用[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2013,40 (11)：45-48.

[9]張鑫,何陽,和鵬飛,等.新型配切削齒扶正器在渤海油田的應用[J].科技創新與應用,2015,32(33)：123.

The regular and smooth wellbore conditions and a large gap between casing and borehole are very favorable for tripping,cas?ing running and cementing in drilling engineering.With the increase of the adjustment wells in Bohai oilfield,the number of highly devi?ated wells and extended-reach wells increases sharply,which brings the downhole safety risk to the drilling operation.Based on the above situation,the Bohai oilfield is trying to use the reaming technology.The structure and principle of the mechanical eccentric ream?er while drilling used in recent years are introduced,and its practical application results in a certain area of Bohai oilfield are analyzed. It is pointed out that,the tool has good effects on cleaning cuttings bed,reducing local dogleg and mudstone transfer step,and the whole reaming of borehole is favorable to tripping,logging and running casing operation.

eccentric reamer;reaming while drilling;mechanical device;Bohai Oilfield

強

2016-12-12

和鵬飛（1987-），男，工程師，現主要從事海洋石油鉆完井技術監督工作。