哈拉哈塘?104.8 mm小井眼超深定向井難點分析及改進方向

康 鵬，李 琰，戴永鵬，賈利春，寇 明

(1中國石油天然氣股份有限公司塔里木油田分公司開發(fā)事業(yè)部 2中國石油集團川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院)

小井眼鉆井可有效降低鉆井綜合成本，被稱為經(jīng)濟鉆井技術(shù)[1-3]。目前國內(nèi)外對于井眼尺寸?152.4 mm以下、?120 mm及以上尺寸范圍的井眼界定為小井眼，并已形成完備的鉆井配套工具和工藝[4-8]，在國內(nèi)外的油田得到了廣泛應(yīng)用[9-11]。但是對于?120 mm以下尺寸的小井眼鉆井，尤其是定向鉆井的配套工具和工藝尚不成熟。

哈拉哈塘區(qū)塊具有良好的油氣勘探前景，是實現(xiàn)塔里木油田增儲上產(chǎn)的有力地區(qū)[12]。該區(qū)塊的目的層為碳酸鹽巖儲集層，開發(fā)采用的是塔標—III型三開井身結(jié)構(gòu)，而老井眼改造中采用的是二開套管開窗側(cè)鉆，其中二開為?177.8 mm套管的井，三開采用?152.4 mm鉆頭開窗側(cè)鉆下入?127 mm尾管，最后四開采用?104.8 mm鉆頭鉆達目的層。哈702C井是全國實施的第一口?104.8 mm小井眼定向鉆進的超深井。因井深、小尺寸鉆具柔性大、地層自然造斜率高等因素，使用常規(guī)鉆具不加定向儀器鉆進井斜和方位難以控制，無法滿足地質(zhì)要求。由于井眼軌跡監(jiān)測和控制手段缺乏，無法開展定向或?qū)蚬ぷ鳎@達預(yù)定靶區(qū)難度大，地質(zhì)中靶率低。因此，要實現(xiàn)?104.8 mm小井眼鉆井，需要解決因井眼尺寸減小帶來的技術(shù)問題。

一、難點分析

哈拉哈塘地區(qū)地質(zhì)條件復雜，深部地層可鉆性差，?104.8 mm小井眼鉆井時所面臨的難點主要有以下幾個方面。

1. 井深

哈拉哈塘區(qū)塊目的層埋藏深度大，垂深基本在6 000 m以上，實鉆井深普遍可超過7 000 m。井眼超深帶來的首要問題是井底溫度高，如哈702C四開井段井底溫度達到169℃，井溫過高不僅會造成鉆井液流變性變差，也會給螺桿鉆具和定向隨鉆儀器帶來不利影響，螺桿鉆具的定子橡膠在高溫下易老化、脫落、開裂，導致螺桿失效，MWD儀器的電池和電子元器件在高溫下也易失效，造成其穩(wěn)定性下降。

另外，井眼深度大對機械參數(shù)和水力參數(shù)形成了諸多限制。井深增大了循環(huán)壓耗，不利于增大循環(huán)排量；水平段長，造成鉆具在井眼內(nèi)摩阻大，不利于精確控制鉆壓。

2. 鉆井參數(shù)受限制

受限于井眼尺寸，下部鉆具只能選擇小尺寸鉆具。在?104.8 mm井眼段所用的鉆具內(nèi)徑僅有54.6 mm，接頭處內(nèi)徑僅41.3 mm。鉆井液循環(huán)中，水眼壓耗大，為保證泵壓不超過設(shè)備安全范圍，只能減小排量。

由水力學分析系統(tǒng)計算得到的滿足井眼完全清潔排量為8.8 L/s，該排量下系統(tǒng)壓降約為22 MPa。由于地面管匯的壓力限制，實鉆過程中僅能達到最低排量要求，排量受限不僅造成攜帶巖屑能力下降，尤其在大斜度井段，增大了巖屑床堆積造成卡鉆的風險。而且，鉆井液對螺桿鉆具、MWD儀器的冷卻、沖刷清潔能力弱，使其更容易發(fā)生堵塞和因高溫失效。

3. 小尺寸螺桿可靠性低

目前國內(nèi)成熟應(yīng)用的小螺桿鉆具尺寸主要為?95 mm和?120 mm，平均使用時間在60 h以上。相較于大尺寸螺桿，小尺寸螺桿鉆具中的定子橡膠更薄，在高溫下老化后一旦從金屬殼體脫落或產(chǎn)生裂縫，便會很快破碎，繼而失效，在井口表現(xiàn)為泵壓突然下降，扭矩波動，鉆時上升等。

4. 定向儀器更易堵塞

MWD儀器依靠鉆井液機械脈沖傳遞數(shù)據(jù)，通過調(diào)整脈沖器閥組間隙控制信號強度，因鉆井液排量小，為保證信號強度，旋轉(zhuǎn)閥的間隙必須調(diào)小。小尺寸MWD儀器由于受到脈沖發(fā)生器閥頭部分間隙的限制，易被鉆井液中可能存在的雜物或隨鉆堵材料堵塞造成儀器無信號，甚至發(fā)生儀器被堵死造成循環(huán)困難的問題。

綜上，哈拉哈塘區(qū)塊?104.8 mm小井眼鉆井中，因井眼尺寸減小、井底溫度高衍生出的施工風險不是孤立的，而是相互交織，使各種風險疊加，見圖1所示。

圖1 難點間相互關(guān)聯(lián)邏輯

二、現(xiàn)場施工情況

1. 哈702C井

哈702C井是塔里木哈拉哈塘的一口老井改造井，定向側(cè)鉆點井深7 063.00 m。針對側(cè)鉆點深、井眼尺寸小、井下溫度高、硫化氫含量高等難題，優(yōu)選抗高溫高壓超小徑MWD及高溫螺桿鉆具，采用鉆柱力學分析系統(tǒng)優(yōu)化定向鉆井參數(shù)。所用鉆具組合為：?104.8 mmPDC鉆頭+?89 mm彎螺桿+轉(zhuǎn)換接頭+?88.9 mm無磁鉆鋌×MWD+?88.9 mm無磁懸掛+轉(zhuǎn)換接頭+?73 mm斜坡鉆桿+轉(zhuǎn)換接頭+浮閥+?88.9 mm加重鉆桿+?88.9 mm斜坡鉆桿+?101.6 mm鉆桿。采用上述鉆具組合下入三趟鉆完成定向側(cè)鉆，排量8～9 L/s，鉆壓10～20 kN。

1.1 第一趟鉆

本趟鉆進尺19 m，平均機械鉆速3.17 m/h，井底溫度173℃～176℃接近螺桿鉆具耐溫上限175℃。在鉆進5.5 h時，因螺桿膠皮迅速破損，井口開始見碎膠皮返出。20 min后，泵壓從21 MPa突然下降至19.5 MPa，鉆時迅速上漲。判斷為螺桿失效，立即起鉆。

1.2 第二趟鉆

本趟鉆進尺35 m，平均機械鉆速0.71 m/h。入井約42 h后，MWD儀器出現(xiàn)無信號情況，繼續(xù)鉆進約11 h后起鉆。起出儀器后檢查發(fā)現(xiàn)MWD中用于產(chǎn)生引號脈沖的旋轉(zhuǎn)閥被鉆井液中的雜質(zhì)堵塞。

1.3 第三趟鉆

本趟鉆進尺74 m，平均機械鉆速2.47 m/h。鉆進15.5 h后，井口開始返出碎膠皮，但泵壓和扭矩穩(wěn)定，鉆時上升不明顯。繼續(xù)鉆進15.5 h后，扭矩開始劇烈波動，為保證井下安全，停止鉆進。

在三趟鉆中定向鉆進中軌跡控制能力良好，使用1.5°螺桿造斜率基本在9°/30 m以上，工具面穩(wěn)定，且未出現(xiàn)托壓等情況。

2. 哈7021C井

哈7021C井為哈702C井的鄰井，其井身結(jié)構(gòu)和所用鉆具組合均與哈702C基本相同。本井的井底溫度170℃，排量8～9 L/s，鉆壓10～20 kN。側(cè)鉆進尺88 m，平均機械鉆速2.67 m/h，鉆達設(shè)計井深后起鉆。至起鉆前，螺桿和MWD儀器工作正常。井眼軌跡控制情況良好，定向鉆進造斜率9°/30 m。

三、改進方向與建議

1. 優(yōu)化鉆具組合

由前述難點分析可知，若能提升安全泵壓下的循環(huán)排量，可改善MWD儀器和螺桿鉆具的工作條件，提升其穩(wěn)定性。而降低循環(huán)壓耗以提升排量的重要措施之一就是優(yōu)化鉆具組合。

?101.6 mm鉆桿模擬長度在0 m(該井原設(shè)計)、1 500 m(該井實際組合)、2 000 m和4 000 m時水力參數(shù)的情況，見圖2所示。

由圖2可知，將該井原鉆具組合設(shè)計里鉆具組合?88.9 mm鉆桿一部分替換為?101.6 mm鉆桿，能降低循環(huán)壓耗，有助于提升循環(huán)排量。因此在鉆具管串設(shè)計中，滿足其他要求前提下，上部?177.8 mm或?200 mm套管內(nèi)盡可能多地使用?101.6 mm鉆桿，下部小尺寸井眼中盡可能少用?73 mm鉆桿。

圖2 不同鉆桿長度時排量-泵壓曲線

2. 螺桿鉆具性能的改進

2.1 定子橡膠材料優(yōu)化

針對高溫井，螺桿馬達橡膠配方在生膠選擇上，可選用高飽和丁腈橡膠，提高馬達橡膠的耐熱老化性能。與普通馬達定子橡膠相比高飽和丁腈橡膠硬度高、熱變形小，橡膠助劑及粘合劑都選用適合高溫環(huán)境的產(chǎn)品，降低高溫及腐蝕環(huán)境下橡膠老化、脫落的幾率，有效提升馬達橡膠在高溫井下的工作壽命。

2.2 螺桿內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化

針對高溫井可使用等壁厚螺桿鉆具，即將原來的定子橡膠截面形狀由厚薄不一的形狀改為相等壁厚的形狀(圖3所示)。

圖3 等壁厚橡膠定子和普通橡膠定子截面圖

通過改變橡膠形狀，使其物理性能得到提升，等壁厚定子相比于普通定子具有以下幾點優(yōu)勢：

(1)等壁厚定子橡膠溶脹、溫脹均勻、散熱效果好，在井底高溫和鉆井液腐蝕的環(huán)境下，能更好的保證馬達型線，馬達在高溫運轉(zhuǎn)時具有更好的工作性能。可維持長時間高效率鉆井，延長螺桿的使用壽命。

(2)等壁厚定子在運轉(zhuǎn)過程中抗變形的能力好，馬達密封性能好、容積效率高、單級承壓高，在相同的條件下可以減少馬達級數(shù)及定、轉(zhuǎn)子間的配合量，在運轉(zhuǎn)扭矩和效率等方面優(yōu)于常規(guī)馬達，可改善螺桿鉆具性能，提高鉆井速度，提高工作效率。

(3)等壁厚定子橡膠與金屬殼體內(nèi)壁的粘著面積增大，不容易脫膠，橡膠收縮均勻，無應(yīng)力，運轉(zhuǎn)穩(wěn)定，可增加轉(zhuǎn)速，提高排量，延長使用壽命。

3. MWD儀器優(yōu)化

目前塔里木油田廣泛使用的是采用活塞脈沖產(chǎn)生鉆井液脈沖信號的MWD系統(tǒng)，如哈里伯頓的Sperry Sun系統(tǒng)、Boreview系統(tǒng)、PDT系統(tǒng)、TOLTEQ系統(tǒng)等。活塞式脈沖發(fā)生器通過改變流道面積產(chǎn)生的壓力波動傳遞信號，但由于結(jié)構(gòu)的限制及機械部件較多，容易造成脈沖堵塞。

目前所應(yīng)用的旋轉(zhuǎn)閥式脈沖器，采用兩組碟片相對運動，閥組通過打開、閉合定轉(zhuǎn)子，限制鉆井液通道，形成鉆井液脈沖信號，改變流道開關(guān)狀態(tài)的方式產(chǎn)生信號。 旋轉(zhuǎn)閥式脈沖器由于采用碟片旋轉(zhuǎn)，具有“咀嚼解卡”功能，同時具有自動回位的能力，一定程度上避免了儀器卡死，理論上能適應(yīng)小～中型堵漏顆粒的堵漏作業(yè)。

4. 鉆井液性能的優(yōu)化

小井眼環(huán)空間隙小，井眼清潔能力差，鉆井液的粘切必須保證巖屑攜帶的要求。故著重提升鉆井液的動塑比，即提升剪切稀釋性，在保證攜帶巖屑能力的前提下，降低水眼和鉆頭等高流速區(qū)的黏度，降低循環(huán)壓耗，有助于提升循環(huán)排量。

另外，降低鉆井液中劣質(zhì)固相，尤其是降低含砂量，可避免堵塞MWD，降低對螺桿橡膠的磨蝕。

四、結(jié)論

(1)哈702C井作為國內(nèi)實施的第一口超深高溫?104.8 mm小井眼定向井，面臨井深大、地層溫度高、井眼尺寸小、配套儀器工具不成熟方面的難題。

(2)對于小井眼高溫定向井主要從提升循環(huán)排量和改進MWD儀器、螺桿鉆具及鉆井液性能方面進行技術(shù)改進。