隨鉆微擴眼器研制及應用

賈利春， 鄧 虎， 陳俊斌， 劉先明

1中國石油川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術研究院 2長江大學機械工程學院

0 引言

隨著常規油氣資源儲量日益減少的矛盾越來越凸顯，對非常規油氣資源的勘探開發不斷推進、加快[1-3]，水平井作為其高效開采的有效途徑占據越來越重要角色[4-7]。旋轉導向鉆具雖然具有井眼井徑規整、機械鉆速快的優勢，但是面臨工具短缺、國外技術壟斷的困境，因此當前在非常規油氣水平井鉆井中水平段仍以彎螺桿鉆具組合為主要方式，鉆進會形成螺旋狀井眼，井壁上微臺階、微狗腿現象突出，導致實際井徑比預期井眼小[8-9]，同時隨著水平段長度延伸，井眼清潔困難、極易形成巖屑床，造成扭矩摩阻增加、劃眼次數多，完井通井的時間長且次數多，后期電測、下套管耗時增加[8]。

針對水平井井壁臺階、微狗腿等引起的井眼質量問題，劃眼、鉆后擴眼雖然可以解決,但是起下鉆次數多、效率低，近年來國內外發展形成了一種形式簡單、經濟安全可靠的隨鉆微擴眼器，在消除井壁臺階、提高井眼質量、減小起下鉆次數和提高鉆井效率等方面具有顯著的優勢[10-15]。

本文在調研國內外相關技術基礎上，研制了一種適用于?215.9 mm水平井井眼的偏心式隨鉆微擴眼器，用于清除井壁上微臺階、修整井壁改善井身質量，同時對巖屑床具有擾動破壞作用[13]，提高井底清潔效果，現場應用表明該工具有助于減少劃眼作業時間，提高起下鉆時效，降低電測、下套管固井的風險等。

1 隨鉆微擴眼器研制

隨鉆擴眼器按其擴眼原理可分為偏心式、固定翼式及液壓擴張式等，主要用于擴大井眼解決縮徑、固井質量不高的問題[16-22]。對于隨鉆微擴眼器，其主要功能是修整井壁、擾動巖屑床，因此采用簡易可靠的偏心式固定翼結構。

1.1 結構特征及工作原理

參考雙心擴眼鉆頭的偏心設計原理，根據偏心刀翼高度、夾角與井眼通徑、擴眼直徑的幾何關系確定隨鉆微擴眼器的偏心距和主、副刀翼的布置[11,17](見圖1)，結合流場分析優化工具的整體結構。

圖1 隨鉆微擴眼器偏心結構示意圖

隨鉆微擴眼器采用上、下兩組螺旋刀翼，并且在螺旋翼上鑲嵌切削齒。下刀翼組負責鉆進隨鉆修整井壁或下鉆過程中的正劃眼，上刀翼組負責起鉆過程中的倒劃眼；上、下兩組螺旋刀翼旋向相反，可以實現工具的自主力平衡[10-12]。工具隨鉆柱旋轉傳遞扭矩，鉆進或倒劃眼遇到井壁微臺階時由于偏心作用，鉆柱旋轉所形成的離心力迫使切削齒對井壁臺階進行破巖[13]，實現微擴孔后比原井眼尺寸稍大(見圖2所示)。

圖2 隨鉆微擴眼器修整井壁微擴眼示意圖

1.2 流場分析

由于上下兩組螺旋刀翼結構會阻礙鉆井液流動，造成局部鉆井液流型發生改變，因此對隨鉆微擴眼器的鉆井液流場進行分析，優化工具的刀翼尺寸和布置，分析結果見圖3和圖4所示。

由圖3可知，當刀翼螺旋角分別為75°、80°、85°時，刀翼間最大流速分別為4.25 m/s、4.69 m/s、5.52 m/s，最大流速增大29.8%，因此優選刀翼螺旋角為85°。

圖3 刀翼布置對流場影響

由圖4可以看出，當刀翼寬度分別為30 mm、40 mm、50 mm時，刀翼處的壓力損失分別為2 921 Pa、3 208 Pa、4 458 Pa，刀翼寬度40 mm時壓降損失增加幅度為9.82%，顯著低于50 mm時的增加幅度52.62%，因此,隨鉆微擴眼器刀翼的最佳寬度為40 mm。

圖4 刀翼尺寸對流場影響

圖5給出了微擴眼器螺旋刀翼對巖屑床擾動分析結果，可知在螺旋刀翼作用下井底巖屑沉積體積分數由30%降低為6.7%，由于螺旋刀翼的擾動，環空內巖屑沿周向分布更為分散，更有利于巖屑軸向運移和清除攜帶。

圖5 螺旋刀翼對巖屑床擾動分析

1.3 適應性及安放位置

通過結構優化設計和流場分析，研制了適用于?215. 9 mm井眼的隨鉆微擴眼器，結構示意圖見圖6。工具外徑165 mm、最大通徑202 mm、內徑85 mm，抗拉強度6 664 kN、抗扭強度159 kN·m。

圖6 隨鉆微擴眼器示意圖

鉆具組合中加入隨鉆微擴眼器后，鉆柱的剛性會發生變化，同時由于偏心結構作用會造成鉆柱扭矩增加，圖7、圖8給出了隨鉆微擴眼器安裝位置和使用前后對鉆柱附加扭矩的影響。

圖7 隨鉆微擴眼器安裝位置對鉆頭扭矩影響

圖8 隨鉆微擴眼器使用前后鉆頭扭矩變化(距鉆頭30 m)

由圖7可知隨著微擴眼器距鉆頭距離增加，鉆頭處扭矩降低，當超過120 m后逐漸趨于平穩，相較于距鉆頭30 m降幅在6.38%以內，但是整體上對扭矩影響較小，考慮到微擴眼器越接近鉆頭位置擴眼口袋越小效果越好，因此推薦安裝位置在底部鉆具組合上；由圖8可知使用隨鉆微擴眼器后鉆頭處扭矩微幅增加，增加幅度低于6.65%，對扭矩增加的影響較小。

2 現場應用效果

2.1 應用情況

NX- 4井是位于四川盆地的一口三維頁巖氣水平井，造斜點井深3 020 m，A點井深3 628 m、完鉆井深5 150 m、水平段長1 522 m、井斜角87.8°。在三開?215. 9 mm水平段井眼中應用了隨鉆微擴眼器，應用井段為4 397～5 150 m。NX- 3井是同井場相鄰同類型水平井，在NX- 3井中未使用隨鉆微擴眼器，因此對兩井相同井段進行相關參數對比分析。

NX- 4井水平段4 397～5 150 m采用鉆具組合為：PDC鉆頭+LWD+止回閥+無磁承壓鉆桿+隨鉆微擴眼器+加重鉆桿+鉆桿。NX-3井在該井段除未加入隨鉆微擴眼器外，其他底部鉆具組合相同。兩口井的鉆進參數情況統計見表1所示。

表1 NX-3井和NX-4井的鉆井參數統計

2.2 應用效果

圖9給出了NX- 4井和NX- 3井在4 397～5 150 m 井段井徑對比情況，可知該井段NX- 4井的井徑整體高于NX- 3井，表明隨鉆微擴眼具有微擴眼功能，井徑擴大幅度最高9.53%。

圖9 NX-4井和NX-3井的井徑情況

圖10給出了NX- 4井和NX- 3井在4 397～5 150 m井段鉆進扭矩的對比情況，整體而言NX- 4井的鉆進扭矩低于NX- 3井，同時由表1中鉆時統計對比可知，NX- 4井優于NX- 3井，表明隨鉆微擴眼器通過修整井壁、微擴孔、攪動巖屑有助于減少井下鉆柱扭矩。

圖10 NX-4井和NX-3井扭矩對比情況

圖11給出了NX- 4井和NX- 3井在4 397～5 150 m井段的鉆井時效對比情況。兩口井在完鉆后電測和下套管固井均是一次完成，但是由圖11可知在NX- 4井使用隨鉆微擴眼器后劃眼、下套管固井和電測時效相較于NX- 3井分別提高了20.5%、8.09%和41.4%，應用隨鉆微擴眼后有利于提高鉆井時效。

圖11 NX-4井和NX-3井的鉆井時效對比

通過NX- 4井隨鉆微擴眼器的使用情況可知，該工具的優勢有：①改善井眼質量，微擴井眼效果好，偏心結構和上下兩組螺旋刀翼能實現正反劃眼作用，消除井壁微臺階實現擴孔后比原井眼尺寸稍大，井徑擴大幅度最高9.53%；②提高鉆進時效、擾動巖屑床效果較好，應用井段電測、下套管期間無遇阻現象，劃眼、下套管固井和電測時效相較于鄰井分別提高了20.5%、8.09%和41.4%。

3 結論

(1)所研制的隨鉆微擴眼器為偏心式結構，上、下兩組螺旋刀翼用于清除井壁上微臺階，同時對巖屑床具有擾動破壞作用。

(2)工具采用整料銑削加工，沒有活動部件，可避免擴眼刀翼落井的風險，確保工具的井下工作安全性。

(3)現場應用表明隨鉆微擴眼器微擴井眼、改善井眼質量的效果好，同時可顯著提高鉆井時效，應用井段電測、下套管期間無遇阻現象。