塔里木山前構(gòu)造鹽膏層隨鉆擴(kuò)眼鉆井技術(shù)應(yīng)用與認(rèn)識(shí)

陳雪峰, 李 博, 張曉兵, 雷 鳴, 李明印, 饒加富, 宋國(guó)志

（1.中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院有限公司, 北京 102206；2.中國(guó)石油集團(tuán)油田技術(shù)服務(wù)有限公司, 北京 100007；3.中國(guó)石油塔里木油田分公司油氣工程研究院, 新疆庫(kù)爾勒 841000）

塔里木油田作為我國(guó)陸上第三大油氣田, 是西氣東輸主氣源地之一, 作為油田三大坳陷之一的庫(kù)車(chē)坳陷, 天然氣資源總量6.9×1012m3, 是油田未來(lái)增儲(chǔ)上產(chǎn)及效益增長(zhǎng)的主力區(qū)塊[1-2]。包括博孜、大北和克深三個(gè)主力區(qū)塊, 庫(kù)車(chē)坳陷庫(kù)姆格列木群地層發(fā)育大段復(fù)合鹽膏層, 其自東向西埋深、厚度差異大, 鹽間發(fā)育欠壓實(shí)“軟泥巖”、高壓鹽水、砂泥巖薄弱層, 壓力系統(tǒng)復(fù)雜。鹽膏層鉆進(jìn)過(guò)程中, 膏鹽巖蠕變導(dǎo)致縮徑、卡鉆、井漏等事故復(fù)雜, 短起下趟數(shù)多、劃眼及通井時(shí)間長(zhǎng)、固井質(zhì)量差, 是制約安全、快速鉆井的主要難點(diǎn)。鉆井成本居高不下, 制約了油田鉆井提質(zhì)增效[3-6]。

目前, 鹽膏層提速技術(shù)主要是：直井段采用光鉆鋌+強(qiáng)攻擊性PDC鉆頭、垂直鉆井工具+強(qiáng)攻擊性PDC；定向井段采用強(qiáng)攻擊性PDC鉆頭或混合鉆頭+旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)等[7-9]。大北A井鉆井實(shí)踐表明, 隨鉆擴(kuò)眼器+垂直鉆井工具+強(qiáng)攻擊性PDC鉆頭鉆具組合可以有效解放鉆壓, 提高鉆井鉆速；主動(dòng)防斜, 井眼軌跡平滑；井眼有效擴(kuò)大, 為鹽層蠕變提供空間, 減少事故復(fù)雜發(fā)生, 縮短鉆井周期, 提高固井質(zhì)量。隨鉆擴(kuò)眼器+垂直鉆井工具+強(qiáng)攻擊性PDC鉆頭鉆具組合能夠滿(mǎn)足塔里木油田山前構(gòu)造井鹽膏層的安全、快速鉆井要求。

1 擴(kuò)眼技術(shù)及工具選擇

1.1 擴(kuò)眼器工具優(yōu)選

擴(kuò)眼技術(shù)屬于非常規(guī)鉆井技術(shù), 擴(kuò)眼工藝技術(shù)需要考慮施工安全和效率等多方面因素, 隨鉆擴(kuò)眼工具按切削部件是否可動(dòng), 分為固定翼擴(kuò)眼器和可動(dòng)翼擴(kuò)眼器兩類(lèi), 考慮山前構(gòu)造鹽膏層蠕變速度快的巖石力學(xué)特性, 選擇具有高抗拉伸和高抗扭能力, 能不受上層套管內(nèi)徑制約, 井徑擴(kuò)大率大、可靠性高的斯倫貝謝（Smith）Rhino XS一體化液壓擴(kuò)眼器[10-11]。

1.2 擴(kuò)眼器結(jié)構(gòu)原理

工具介紹：液壓擴(kuò)眼器是一種由液壓原理驅(qū)動(dòng)的伸出式擴(kuò)眼器, Rhino XS一體化液壓擴(kuò)眼器是一種允許在套管鞋以下隨鉆擴(kuò)眼的工具, 擁有可伸縮擴(kuò)張的切削刀翼, 工具通過(guò)限制井段時(shí)刀翼收縮在本體內(nèi), 收縮狀態(tài)如圖1所示, 一旦通過(guò)限制井段, 工具可利用泥漿壓差將刀翼張開(kāi)并伸進(jìn)地層, 張開(kāi)狀態(tài)如圖2所示。完成擴(kuò)眼作業(yè)后, 停泵刀翼收縮回工具本體內(nèi), 此時(shí)工具可通過(guò)限制井段并起出。

圖1 工具收縮狀態(tài)

圖2 工具張開(kāi)狀態(tài)

工作原理：液壓擴(kuò)眼器由液壓驅(qū)動(dòng), 壓差作用在工具內(nèi)部活塞上驅(qū)動(dòng)刀翼沿Z型軌道上行并張開(kāi), 活塞腔壓縮, 泥漿從噴嘴流出, 與此同時(shí), 產(chǎn)生壓力降表明刀翼張開(kāi)。由于Z型刀槽的幾何特性, 當(dāng)正擴(kuò)時(shí)液壓擴(kuò)眼器上施加的鉆壓可保證刀翼處于張開(kāi)位置, 同時(shí)可以消除刀翼的震動(dòng), 延長(zhǎng)PDC復(fù)合片使用壽命。工具的Z型導(dǎo)軌及配套刀翼結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了工具擴(kuò)眼尺寸可調(diào)的需求。

擴(kuò)眼器內(nèi)部裝有帶螺紋的套筒, 用以調(diào)節(jié)工具刀翼打開(kāi)尺寸, 通過(guò)限制刀翼的移動(dòng)距離限制刀翼在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)的打開(kāi)尺寸。

技術(shù)特點(diǎn)：液壓擴(kuò)眼器主要技術(shù)特點(diǎn)：①可以單獨(dú)擴(kuò)眼也能擴(kuò)眼和鉆進(jìn)同時(shí)進(jìn)行；②隨鉆擴(kuò)眼中可鉆水泥塞無(wú)需起鉆；③與旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)可配合使用；④井眼可以擴(kuò)至工具尺寸的125%；⑤PDC刀翼以花鍵方式固定而非鉸鏈?zhǔn)骄哂械够勰芰头稣Ч姆€(wěn)定性；⑥一體式設(shè)計(jì)增強(qiáng)了工具的抗扭和抗拉能力及本體上開(kāi)出的水眼設(shè)計(jì)增強(qiáng)了工具的水利效果, 有利于巖屑的清潔。

2 擴(kuò)眼井段基本概況及擴(kuò)眼措施

2.1 擴(kuò)眼井段基本概況

大北A井古近系庫(kù)姆格列木群（4690～7940m）分五個(gè)巖性段：上泥巖段以中厚層—厚層狀褐色泥巖、含膏泥巖與膏質(zhì)泥巖互層為主；鹽巖段以中厚—巨厚層狀白色鹽巖、泥質(zhì)鹽巖為主, 該段地層由于塑性流動(dòng), 橫向厚度變化大；中泥巖段以厚層—巨厚層狀褐色泥巖、鹽質(zhì)泥巖、膏泥巖為主；膏鹽巖段以薄—中厚層狀石膏層、泥膏巖為主；下泥巖段以層狀褐色泥巖、含膏泥巖、膏質(zhì)泥巖為主。

井身結(jié)構(gòu)：大北A井采用標(biāo)準(zhǔn)五開(kāi)井身結(jié)構(gòu), 如圖3所示, 該井隨鉆擴(kuò)眼器在三開(kāi)?333.4mm井眼應(yīng)用, 設(shè)計(jì)擴(kuò)眼井段4833～5525m、5525～6543m。使用10-3/4″+11.55″技術(shù)套管封固庫(kù)姆格列木群巖鹽段, 其中11.55″厚壁套管封鹽層。

圖3 大北A井設(shè)計(jì)井身結(jié)構(gòu)

鉆具組合結(jié)構(gòu)：?333.4mm PDC鉆頭+Pover-V+?329mm扶正器+?229mm浮閥+?228.6mm MWD+?230mm懸 掛 接 頭+?230mm轉(zhuǎn) 換 接 頭+?329mm扶正器+?227mm轉(zhuǎn)換接頭+?227mm隨鉆擴(kuò)眼器+?228.6mm鉆鋌×3根+228.6mm轉(zhuǎn)換接頭+?204mm鉆鋌×14根+?149.2mm加重鉆桿×15根+?149.2mm鉆桿。

鉆井參數(shù)：鉆壓100～120kN, 排量29～32L/s, 泵壓26～28MPa, 轉(zhuǎn)速70～80r/min。

鉆井液性能：柴油基鉆井液, 油水比3～5.67, 密度2.35～2.40g/cm3, 塑粘109～136mPa·s, 屈服值7Pa, 初/終切3/4.5Pa, HTHP失水2mL。

2.2 工具操作技術(shù)要點(diǎn)

隨鉆擴(kuò)壓器在應(yīng)用過(guò)程需要進(jìn)行地面測(cè)試、擴(kuò)眼器激活、鉆進(jìn)3個(gè)關(guān)鍵步驟。

地面測(cè)試：下放擴(kuò)眼器至切削塊低于轉(zhuǎn)盤(pán)面, 開(kāi)泵, 并勻速提排量至正常工作排量, 記錄排量、泵壓和MWD渦輪轉(zhuǎn)速。測(cè)試過(guò)程中井口區(qū)禁止人員靠近。擴(kuò)眼器激活：下鉆至擴(kuò)眼器距套管鞋下方10～15m處, 緩慢上提至擴(kuò)眼器距套管鞋下方5～10m處。緩慢開(kāi)泵至推薦泵送排量1000L/min, 轉(zhuǎn)速40～60r/min, 觀察并記錄鉆具的上提下放懸重、泵壓和扭矩以及MWD渦輪轉(zhuǎn)速, 停泵停轉(zhuǎn)。投球后接頂驅(qū)開(kāi)泵, 小排量持續(xù)泵送投球至球座。準(zhǔn)確計(jì)算出球到位的時(shí)間, 球快到位前降低排量剪斷銷(xiāo)釘, 這樣可以防止球座因球速太快被擊裂。擴(kuò)眼器憋壓剪切銷(xiāo)釘時(shí), 立壓上升大約7～11MPa。切削塊激活后可觀察到立壓迅速下降, 此時(shí)立即停轉(zhuǎn)停泵。正常鉆進(jìn)過(guò)程中停止鉆進(jìn)時(shí)要先停泵再停轉(zhuǎn), 恢復(fù)鉆進(jìn)時(shí)先開(kāi)轉(zhuǎn)再開(kāi)泵。每擴(kuò)完一柱時(shí)進(jìn)行倒劃眼處理, 劃眼過(guò)程中一定避免過(guò)急的提拉和下砸, 最大過(guò)提不準(zhǔn)超過(guò)10t, 最大下放不能超過(guò)5t。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及效果

3.1 擴(kuò)眼井段實(shí)際井眼尺寸達(dá)到設(shè)計(jì)要求

（1）第一段4833～5525m：本井段期初使用Pover-V鉆具組合鉆進(jìn), 巖性主要以庫(kù)姆格列木群鹽巖段的白色泥質(zhì)鹽巖、褐色鹽質(zhì)泥巖為主, 由于井壁縮徑嚴(yán)重, 在鉆進(jìn)至5525m起鉆過(guò)程中, 井段5124～4820m多處掛卡, 倒劃眼期間出現(xiàn)多次憋停頂驅(qū), 具有明顯的縮徑現(xiàn)象。對(duì)4833～5525m井段采用隨鉆擴(kuò)眼器+Pover-V鉆具組合進(jìn)行單獨(dú)擴(kuò)眼, 該井段擴(kuò)眼效果明顯, 平均井徑在?356.34mm, 井徑擴(kuò)大率為6.88%。

（2）第二段5525～6543m：本井段巖性以褐色含膏泥巖、灰白色泥膏巖、褐色鹽質(zhì)泥巖為主, 井壁蠕變速度快, 縮徑明顯, 使用隨鉆擴(kuò)眼器+Pover-V鉆具組合進(jìn)行隨鉆擴(kuò)眼鉆進(jìn), 擴(kuò)眼效果顯著, 平均井徑?358.62mm, 井徑擴(kuò)大率為7.56%。為鹽膏層蠕變縮徑提供了空間。

在井段6543～6800m未進(jìn)行擴(kuò)眼, 該段主要以褐色泥巖、褐色含膏泥巖、褐灰色石膏質(zhì)粉砂巖為主, 使用Pover-V+常規(guī)PDC鉆頭鉆進(jìn), 平均井徑?332.66mm, 存在明顯縮徑現(xiàn)象。隨鉆擴(kuò)眼井段井徑數(shù)據(jù)如圖4和表1所示。

圖4 三開(kāi)鹽層井段井徑對(duì)比圖

表1 擴(kuò)眼井徑對(duì)比表

單獨(dú)擴(kuò)眼井段4833～5525m與隨鉆5525～6543m井徑擴(kuò)大均超過(guò)22mm, 平均井徑均大于356mm, 表明液壓一體化隨鉆擴(kuò)眼器的隨鉆擴(kuò)眼效果良好, 達(dá)到預(yù)期擴(kuò)眼效果, 為鹽層蠕變提供了空間, 也為后期10-3/4″+11.55″技術(shù)套管的順利下入及保障優(yōu)良的固井質(zhì)量, 提供了良好的井眼條件。

3.2 擴(kuò)眼后減少短起、通井、中完施工周期

由表2鄰井鹽膏層短起下數(shù)據(jù)可知, 大北A三開(kāi)鹽膏層采用隨鉆擴(kuò)眼器技術(shù), 擴(kuò)眼井段（4803～5525m、5525～6543m）沒(méi)有進(jìn)行短起下作業(yè), 相比鄰井短起下次數(shù)平均減少8趟, 節(jié)約周期38.8h。

表2 鄰井鹽膏層短起下數(shù)據(jù)表

由表3鹽膏層段中完周期與鄰井對(duì)比數(shù)據(jù)可知, 大北A井三開(kāi)鹽膏層在采取液壓式隨鉆擴(kuò)眼器擴(kuò)眼后, 井徑擴(kuò)大, 減少通井時(shí)間, 中完周期為24.5d, 與鄰井大北C井、大北B井相比, 中完周期分別縮短2.3d、15.2d, 平均縮短8.8d。

表3 鹽膏層段中完周期與鄰井對(duì)比表

3 .3擴(kuò)眼井段固井質(zhì)量大幅提升

由表4固井質(zhì)量對(duì)比表可知, 大北A井三開(kāi)鹽膏層使用隨鉆擴(kuò)眼器, 井眼尺寸擴(kuò)大后有效降低了井底ECD, 增大固井水泥施工排量, 提高頂替效率, 為提高固井質(zhì)量提供了保障。三開(kāi)鹽膏層固井質(zhì)量合格率93.5%, 相比鄰井大北D井提高30.3%。

表4 鹽膏層固井質(zhì)量對(duì)比表

4 結(jié)論及建議

（1）山前構(gòu)造超深井鹽膏層井段使用隨鉆擴(kuò)眼技術(shù)具有推廣前景。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)液壓隨鉆擴(kuò)眼器+Pover-V+強(qiáng)攻擊性PDC鉆頭鉆具組合的配合應(yīng)用, 能大幅提高機(jī)械鉆速, 有效擴(kuò)大鹽層井段井徑, 擴(kuò)大環(huán)空間隙, 縮短劃眼、短起下、通井等復(fù)雜處理時(shí)間, 降低循環(huán)ECD, 提高固井質(zhì)量。為塔里木山前構(gòu)造超深井鹽膏層復(fù)雜提速提質(zhì)提供技術(shù)借鑒。

（2）隨鉆擴(kuò)眼器+Pover-V+強(qiáng)攻擊性PDC鉆頭擴(kuò)眼技術(shù), 應(yīng)對(duì)鹽膏層蠕變性強(qiáng)、窄密度窗口、高壓鹽水等難題問(wèn)題有待進(jìn)一步優(yōu)化, 推薦應(yīng)用“隨鉆擴(kuò)眼+Pover-V+強(qiáng)攻擊性PDC鉆頭+精細(xì)控壓鉆完井技術(shù)”, 可根據(jù)實(shí)際情況控制井底ECD, 能有效應(yīng)對(duì)縮徑、溢、漏復(fù)雜, 提高固井質(zhì)量, 提高山前構(gòu)造鹽膏層復(fù)雜超深井鉆井安全性、作業(yè)效率, 降低綜合成本, 具有較好的規(guī)模化推廣前景。

（3）國(guó)外隨鉆擴(kuò)眼器的應(yīng)用較為成熟, 應(yīng)用效果較好, 但是成本偏高, 國(guó)內(nèi)同類(lèi)產(chǎn)品雖然也有應(yīng)用, 但刀翼卡阻造成卡鉆和刀翼脫落的問(wèn)題突出, 建議加大國(guó)產(chǎn)隨鉆擴(kuò)眼器試驗(yàn)與研究力度, 盡早實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化。