深部水平井隨鉆擴眼鉆具震動控制在A4H井的應用

雷 磊，張子明，孟 瑄，賈 雍，袁則名，和鵬飛，王喜杰

（1.中海石油（中國）有限公司上海分公司，上海 200335；2.中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津 300452）

東海油氣資源豐富，隨著勘探開發的深入，發現該區儲層普遍具有埋藏深、地質成因復雜、儲層物性差的特點，屬于典型的低孔低滲儲層，自然條件下難以出現商業性油氣流，因此需通過對低孔滲儲層進行壓裂改造擴能。A4H井是東海某低滲氣田的一口多級壓裂水平井，三開8-3/8＂井眼水平段設計長1200m，下7＂尾管后，完井后再進行多級壓裂作業，因此7＂尾管的順利到位和固井質量是本井壓裂成功的關鍵。由于本井水平段裸眼段較長，且水平段的壓力窗口窄，7＂尾管與8-3/8＂井眼環間隙小，存在套管下不到位和固井漏失導致固井質量不合格等風險。東海區域相同鄰井扭矩波動大、數值高，鉆具失效風險高。為了保證7＂套管在水平段的居中度，降低7＂尾管下入難度和固井循環及頂替過程中的環空壓耗，結合壓裂水泥環厚度評價優選，首次在東海引進了水平段隨鉆擴眼技術，整個水平段將8-3/8＂井眼擴展至了9.2＂井眼。隨鉆擴眼結束后，有效解決了后期作業過程中的復雜情況，下7＂尾管安全順利，保證了后期壓裂作業的順利實施。

1 A4 H井基本數據

A4H井設計完鉆井深5367m，實際完鉆深度5281m，水平段長1053m，水平段最大垂深3961.93 m，溫度162℃，目的層地漏失壓力1.76 sg，作業窗口窄，實際井身結構見表1。

表1 A4H井井身結構與套管程序

2 水力分析

兩個井眼完鉆與固井井底ECD對比，9.2"井眼能保證井底ECD不超過漏失壓力，保證作業安全（見表2）。

表2 模擬ECD對比

3 水平井鉆具震動分析

鉆具正弦彎曲是鉆具受壓橫向位移達到極限的一種狀態，A4H井鉆具達到正弦彎曲的有效應力如圖1所示。

圖1 鉆具正弦彎曲模擬

3.1 起鉆具震動原因分析

（1）大段鉆具在井內時，我們將其視為有一定剛性的線性物體，因為是大段，其抗彎剛性特別小。

（2）在井口鉆具是受懸吊系統控制的，在井口鉆具承受整個鉆具軸向總作用力，向下力逐漸減小，鉆壓作用于鉆頭，向下托舉鉆具，這就形成了一個軸向作用力為0的中和點位置，中和點以下，鉆具軸向作用力為受壓狀態，即軸向作用力為負值；同時還受扭矩影響，鉆具在受壓、受扭時會變成“S”形曲線。

（3）鉆具彎曲會讓鉆具有橫向活動空間（見圖2），在轉速帶動下“S”形鉆具呈現波浪狀“爬坡”效果，鉆具爬至高點向下運動時，會向兩個低點位釋放軸向張力，鉆具彎曲角會形成橫向垂直井壁向上作用力，這個力夠大時就會使鉆具短暫脫離井壁。

圖2 鉆具在井眼內中和點下部呈現“S”形狀

（4）鉆具因為剛性影響，其與下井壁接觸點都是鉆具直徑較大的位置，井眼間隙大，且當兩點跨度較長時，就會極大降低鉆具剛性系數，鉆具旋轉時發生甩動，特別底部鉆具存在固定位移時（就像螺桿造斜角），就產生了橫向彎曲振動。

（5）底部鉆具鉆進過程，巖屑會無規律參與鉆具與井壁之間接觸，會破壞鉆具的“S”形彎曲旋轉平衡，引起震動擾動，這個擾動更多表現為軸向震動。

鉆具與井眼尺寸差距較大時（見圖3），鉆具有較大空間運動，相同鉆具轉速產生的爬坡力的力矩較短，爬坡速度更慢，所以產生震動頻率較低，鉆具中心點在井眼內右側擺動，鉆具產生較小的橫向與軸向力。

圖3 鉆具與井眼尺寸差距較大時鉆具重心運動軌跡

鉆具與井眼尺寸差距較小時（見圖4），鉆具有較小空間運動，相同鉆具轉速產生的爬坡力力矩較長，爬坡速度更快，所以產生震動頻率較高，鉆具中心點運動軌跡接近圓形，鉆具產生較大的橫向與軸向力，這也是BHA部分與小尺寸井眼更容易發生鉆具震動的原因。

圖4 鉆具與井眼尺寸差距較小時鉆具重心運動軌跡

3.2 減小鉆具震動方法

（1）保證軌跡平滑，避免“S”彎加劇。

（2）加強鉆井液潤滑，減少鉆具側向爬坡力的力矩與鉆具承受扭矩。

（3）使用大尺寸井眼，保證鉆具側向活動空間。

（4）控制鉆壓、轉速，以減少“爬坡”現象。

（5）使用剛性較強的鉆具，減少鉆具橫向位移。

4 Rhino-XS8000 系列擴眼器

常規的擴眼技術是先鉆至常規尺寸井眼，再單獨下一趟擴眼鉆具擴眼至設計尺寸，而斯倫貝謝推薦使用的Rhino-XS8000系列擴眼器為全機械設計，抗拉抗扭能力強，壽命滿足常溫井井下循環200小時，高溫井（202℃）160小時的循環時間，適應多情況的復雜井，能一趟鉆完成擴眼作業，提高作業時效。

5 隨鉆擴眼技術措施

（1）在設計之初，鉆具結構上鉆頭與擴眼器之間增加扶正器，減少鉆具跨度上避免鉆具彎曲應力，擴眼器上使用剛性較強的三根鉆鋌銜接上部鉆具，減少彎曲應力峰值。

（2）擴眼器刀翼為120°圓周對稱而非左右對稱，經鉆井動態模擬分析進行的刀翼設計和鉆具組合的選定，兼顧了力學穩定，降低擴眼過程中的震動。

（3）根據每趟鉆的實際情況，合理調整鉆頭及擴眼器水眼。

（4）鉆進關注扭矩，加強摩擦系數反演，扭矩過大時增加鉆井液潤滑效果。

（5）控制鉆壓，保證鉆具不發生過大彎曲。

（6）勤測斜，保證井眼軌跡平滑。

同深度扭矩對比見圖5。

圖5 本井與同區塊相同井型相同深度的另一口震動較大的鄰井扭矩對比

6 結論

通過一系列優化措施順利完成本井施工，作業經驗總結如下：

（1）Rhino-XS8000擴眼器首次在東海應用成功，在該區塊與定向和隨鉆測量工具配合使用效果很好，擴眼過程中扭矩波動非常小，鉆具震動控制較好。

（2）鉆具震動主要發生在BHA部位，通過鉆具優化、鉆進參數控制、軌跡控制和摩阻控制等方面能減少鉆具震動的發生。

（3）本區塊擴眼速度較該區塊正常機械鉆速慢，平均擴眼速度為該區塊正常不擴眼機械鉆速的30%-50%。

（4）本井作業中監測與模擬水力摩阻扭矩變化，及時發現并應對鉆井風險，實現7"尾管帶9.2"扶正器順利到位、順利固井。