淺談超深井定向隨鉆擴孔工藝優化技術

鄧小衛，汪　露

中國石化西北油田監督中心　（新疆　輪臺　841600）

在塔河油田，老井側鉆已成為老井復產的有效途徑之一。在對奧陶系老井側鉆時，為滿足避水等要求，側鉆點需上提至石炭、泥盆系等地層，從套管開窗，開窗位置在5 500 m以下，使斜井段鉆遇巴楚組和桑塔木組不穩定泥巖段。為了井下施工安全及后期采油需要，采用二開制側鉆水平井井身結構。一開套管封隔泥巖段，再選用120.65 mm鉆頭或130 mm鉆頭進行二開。

從177.8 mm（7″）套管開窗側鉆的二開制井，由于177.8 mm套管最小內徑為152.5 mm，無法通過165.1 mm鉆頭，而常規的149.2 mm鉆頭鉆出的井眼太小，須將一開井眼擴大，行之有效的措施就是擴孔。擴孔分為鉆后擴孔和隨鉆擴孔。鉆后擴孔，其擴孔井段最大井斜為35°左右，井斜過大會造成擴孔器刀翼受側向力壓迫，發生鉆具故障的風險增加；鉆后擴孔存在擴孔速度慢的問題[1]，如AT40-2鉆后擴孔速度1.0 m/h。塔河油田在綜合考慮狗腿、避水、后續下套管等方面影響因素后，一開井段往往達到55°左右，隨鉆擴孔成為最優的選擇。隨鉆擴孔的顯著優勢是一趟鉆完成鉆領眼和擴孔的任務[2-4]。

定向隨鉆擴孔采用 “偏心鉆頭+隨鉆擴孔專用螺桿”鉆具組合，其中120 mm定向螺桿是隨鉆擴孔施工的關鍵之一。用于定向隨鉆擴孔的螺桿應具備比常規螺桿更高的抗扭性能，更大的輸出扭矩，更高的輸出轉速。

1　定向隨鉆擴孔工藝難點

1）對螺桿性能要求高。偏心鉆頭對地層進行不對稱切削，使螺桿承受的扭矩較大，且波動幅度大，要求螺桿具有較高的強度。同時，為了實現擴孔效果，需要螺桿在較低排量（11～13 L/s）下為鉆頭提供足夠的轉速和輸出扭矩，以實現擴眼鉆頭繞中心軸快速旋轉，在離心力作用下切削巖石實現擴孔目的。

2）與隨鉆擴孔螺桿配套的偏心鉆頭選擇困難。一是要求鉆頭能夠承受螺桿輸出的高轉速；二是鉆頭的工作特性對螺桿具有很大影響，工作穩定性直接影響螺桿壽命；三是鉆頭工作期間，下部鉆具承受的震動較大，這對底部鉆具尤其是定向儀器，影響較大，易導致儀器故障。

3）鉆井參數對螺桿使用效果的影響認識不全面。目前國內對于擴孔效果與鉆井參數以及鉆速等因素的關系認識不明確，如何優選參數以保證擴孔效果，是定向隨鉆擴孔技術的又一難點[1]。

4）井眼軌跡控制難度大。斜井段進行隨鉆擴孔作業時，井壁施加的側向力分配不均，導致底部鉆具組合受力復雜，井斜、方位變化復雜，工具面不穩定，井眼軌跡預測和控制難度大。

5）超深井小井眼循環壓耗大，泵功率利用效率低。與鉆后擴孔相比，定向隨鉆擴孔鉆進過程中產生的巖屑量大，攜巖所需要的鉆井液最小排量較大。同時，受原井井身結構限制，超深井側鉆時使用小鉆桿，鉆具環空間隙小，循環壓耗大，螺桿及鉆頭獲得的水功率低[5-6]。

2　實踐分析及優化措施

2.1　優選螺桿

2.1.1隨鉆擴孔螺桿工作特性

隨鉆擴孔期間，一方面，偏心鉆頭產生不穩定的反扭矩作用于螺桿上；另一方面，擴孔后實際井眼相對較大，這就要求小螺桿能夠輸出足夠的扭矩，以供鉆頭破巖擴徑。為了保障擴孔的井徑，螺桿必須在低排量下輸出高轉速，這樣才能使鉆頭在單位段長內擴徑刀翼轉動足夠的圈數，形成規則大井眼。根據現場實踐經驗：隨鉆擴孔期間，在11 L/s的排量下，實際螺桿輸出轉速應至少達到150 r/min，才能確保擴孔效果。實際工作扭矩在1.5 kN·m左右，考慮到井下受力復雜，可能出現瞬間大扭矩，要求螺桿額定輸出扭矩宜高不宜低[7-8]。隨鉆擴孔螺桿與常規螺桿性能參數對比見表1。

從表1可以看出，普通120 mm螺桿無法兼顧扭矩與轉速的平衡，如7LZ120×7.0螺桿鉆具，長度約5 m，在流量11 L/s的情況下，輸出轉速約為135 r/min，無法滿足擴孔要求。這就要求研發高效螺桿，兼顧扭矩和轉速的需要。

2.1.2高效螺桿現場應用分析

在 TH10233CH、TH12124CH、TK511CH、TH 12119CH、TH10235CH2井對3個型號的螺桿進行了試驗，見表2。

C5LZ120×7.0系列平均機械鉆速 1.13 m/h，平均純鉆時間33 h，最高純鉆時間43 h。500K5690系列平均機械鉆速1.14 m/h，平均純鉆時間70 h，最高純鉆時間198 h。7LZ120×7.0-L系列平均機械鉆速1.81 m/h，平均純鉆時間73 h，最高純鉆時間78 h。螺桿故障情況見表3。

表1　隨鉆擴孔螺桿與常規螺桿性能參數對比表

表2　不同型號螺桿現場使用情況統計分析

表3　隨鉆擴孔螺桿故障統計表

C5LZ120×7.0系列螺桿發生過兩次萬向軸斷裂（第一次為非隨鉆擴孔井段），但未造成井下故障。500K5690系列螺桿存在反復修復入井的問題，現場只能對連接螺紋進行探傷，廠家車間的探傷情況無法掌握，發生2起螺桿故障。7LZ120×7.0-L系列螺桿安全無故障。TH10233CH和TH10235CH2井鉆遇地層基本一致，從現場試驗情況看，型號7LZ120×7.0-L-7的螺桿能滿足隨鉆擴孔需要。

綜合分析，推薦首選型號7LZ120×7.0-L-7螺桿進行定向隨鉆擴孔施工。

2.2　優選鉆頭

為確保下套管順利，要求擴孔井徑達到165 mm以上，目前工區中較為成熟的國產偏心鉆頭為149.2 mm(5″)×173.0 mm(613／16″)×120.6 mm(4″)CK306B系列和149.2 mm(5″)MB1363系列。重點分析TH12119CH和TH12124CH井，這兩口井使用500K 5690系列螺桿，鉆遇的地層一樣，在巴楚組都存在含礫砂巖段，能充分檢驗鉆頭的性能。TH12124CH井與TH12119CH井鉆頭使用情況對比見表4，TH 12124CH井出井鉆頭如圖1所示。

表4　TH12124CH井與TH12119CH井鉆頭使用情況對比表

圖1　TH12124CH井出井鉆頭照片

從表4可以發現，TH12124CH井平均機械鉆速0.96 m/h。TH12119CH井選用MB1363鉆頭，平均機械鉆速1.35 m/h。

綜合分析，認為149.2 mm×173.0 mm×120.6 mm CK306B系列和149.2 mmMB1363系列偏心鉆頭能滿足隨鉆擴孔需要，根據實踐，推薦工區內首選MB1363系列偏心鉆頭。

2.3　鉆井參數選擇

排量必須達到螺桿有效工作的最低排量，但不宜過高，過高的排量會降低螺桿使用壽命，通常排量在11～14 L/s較為合適。

鉆壓需要綜合考慮鉆進方式、鉆時、鉆頭尺寸等因素，過大的鉆壓會導致工具面不穩，且增加螺桿負擔。從現場實踐及理論分析看，通常在20～40 kN較為合適。隨鉆擴孔期間，轉盤轉速的大小對機械鉆速影響很小，因為螺桿輸出轉速在150 r/min以上，本身基數已經很大。過大的轉盤轉速使螺桿承受更高的扭矩，增加螺桿殼體及馬達的離心力，進而增加疲勞斷裂的風險，在實際應用中只要能消除托壓情況即可，合適范圍是15～25 r/min。對于部分含有礫石的井段，應當降低參數，盡量走下限，安全鉆過礫石層后提高至正常鉆進參數。TH12119CH第4趟隨鉆擴孔采用低參數后，順利鉆過含礫地層，出井鉆頭新度80%。單位時間內擴孔鉆頭在單位長度上轉過的圈數越多，則擴徑效果更好，為確保一次擴孔成功，往往需要控制鉆時[9-10]。

綜上所述，推薦鉆井參數：鉆壓20～40 kN，排量11～13 L/s，轉速 15～25 r/min。 含礫地層：鉆壓 5～10 kN，排量 11 L/s，轉速 15 r/min，走下限。

2.4　軌跡控制

石炭系地層穩定性差，容易出現垮塌掉塊，一旦軌跡不平滑，再出現大肚子井眼，將使井下臺階情況更為復雜。結合現場試驗，主要從以下3點優化：

1）由于偏心鉆頭的工作特性，在定向鉆進時會出現工具面不穩現象，因此需要先用149.2 mm牙輪鉆頭打出領眼，結合現場經驗一般井斜10°左右即可。

2）優選好的定向施工隊伍，由于隨鉆擴孔期間，儀器受到的震動較大，應優選高效隨鉆測量儀器，減少由于儀器故障而耽誤鉆井施工。

3）考慮下套管需要，狗腿突變不宜過大，最大狗腿應控制在8.5°/30m以下。

2.5　優化鉆具組合

塔河油田隨鉆擴孔施工平均深度在5 800 m，超深井小井眼施工過程，水力參數不足是主要問題之一。101.6 mm（4″）非標鉆桿能解決深部小井眼水力參數不足的問題。101.6 mm（4″）非標鉆桿相比普通 88.9 mm（32y″）鉆桿，具有相同的接頭大小，更大的內徑，見表5。

推薦鉆具組合：177 mm套管懸掛：隨鉆擴孔鉆頭+單彎螺桿+MWD+88.9 mm或101.6 mm非標斜坡鉆桿+88.9 mm加重鉆桿+88.9 mm斜坡鉆桿或

表5　101.6 mm（4″）非標鉆桿與88.9 mm （32y″）鉆桿主要參數對比（TH12119CH測量數據）

101.6mm非標鉆桿+127 mm斜坡鉆桿。177 mm套管至井口：隨鉆擴孔鉆頭+單彎螺桿+MWD+88.9 mm或101.6 mm非標斜坡鉆桿+88.9 mm加重鉆桿+101.6 mm非標鉆桿。只要確保在鉆井液泵額定功率內能提供11 L/s以上的排量即可。在增斜段下入1.75/1.5°高效螺桿（設計造斜率在 8°/30 m 以下），在穩斜段下入1.5°/1.25°高效螺桿。

3　案例分析

針對現場實踐總結的經驗及改進措施，以隨鉆擴孔螺桿為核心，初步形成了一套優化的定向隨鉆擴孔技術方案，該方案在TH10235CH2及TP140CH井獲得成功。

TH10235CH2井一開隨鉆擴孔井段為5 495～5 870.5m，鉆遇卡拉沙依組和巴楚組。該井選用型號MB1363GU鉆頭和型號7LZ120×7.0-L-7螺桿，三趟鉆完成隨鉆擴孔任務。全井采用101.6 mm(4″)非標鉆桿，大水眼保證足夠的排量提供給高效螺桿。在鉆進過程中使用推薦鉆井參數。獲得了較高的機械鉆速及一次擴孔井徑。該井擴井段機械鉆速達到1.58 m/h，比設計機械鉆速1.28 m/h提高23.43%。該井設計一開周期47天，實際周期26.08天，周期節約率44.51%。

TP140CH一開隨鉆擴孔井段6 102～6 611 m，鉆遇桑塔木和良里塔格組。使用該技術方案（MB1363（B）GU，7LZ120×7.0-L-7 ），兩趟鉆完成隨鉆擴孔。設計一開鉆進周期36天，實際17.58天，擴孔周期節約率39%。其中第二只螺桿進尺達308 m，純鉆時間122 h，鉆速2.52 m/h。平均井徑172.97 mm，最小值163.07 mm/6 274 m，達到下套管要求。

4　結論及建議

1）實踐證明，“以 7LZ120×7.0-L-7 螺桿及 MB 1363系列鉆頭為基礎，優化鉆具組合，優選鉆井參數，強化軌跡控制”的定向隨鉆擴孔優化技術符合現場提速提效需要，能夠解決前期面臨的難題，降低177.8 mm(7″)套管開窗二開制側鉆井的鉆井成本，對后續老井側鉆的順利高效實施具有重要意義。

2）根據TP140CH井的應用情況，認為隨鉆擴孔期間，當螺桿輸出轉速足夠時，不必人為控制鉆時，一次擴孔井徑能滿足下套管需要。

3）高效螺桿相比普通螺桿使用時間短，建議廠家加強對萬向軸及傳動軸易損件的改進，研發高性能橡膠，進一步提高螺桿整體壽命。同時建議工具廠家研發更多系列的隨鉆擴孔工具，豐富產品系列，推動定向隨鉆擴孔工藝的完善。

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