雙心PDC鉆頭擴(kuò)眼技術(shù)在小井眼開(kāi)窗側(cè)鉆井的應(yīng)用

宋光立，裴今朝

（中海油田服務(wù)股份有限公司，天津 300452）

套管開(kāi)窗側(cè)鉆井具有單井費(fèi)用低、中靶精度高、經(jīng)濟(jì)可采剩余油富集規(guī)模要求小等優(yōu)勢(shì)，特別適合挖掘斷塊小屋脊、小夾角、小高點(diǎn)、井間滯留區(qū)等小規(guī)模剩余油富集區(qū)，提高儲(chǔ)量動(dòng)用程度，是老油田盤活低產(chǎn)井、停產(chǎn)井、報(bào)廢井、提高采收率的重要手段[1]。由于油層套管內(nèi)開(kāi)窗側(cè)鉆井受原井眼尺寸限制，通常側(cè)鉆井眼比較小，再下入的套管柱與井壁之間環(huán)形間隙小，一方面導(dǎo)致固井水泥環(huán)薄，容易造成管外竄；另一方面注水泥施工壓力高，容易壓漏地層，導(dǎo)致頂替效率低，環(huán)空水泥填充不充分，嚴(yán)重影響固井質(zhì)量[2]。此外，采用小井眼進(jìn)行的側(cè)鉆井段如存在井壁穩(wěn)定差、壓力窗口窄等不利因素，其卡鉆概率和井漏風(fēng)險(xiǎn)較常規(guī)井眼更高，同時(shí)也存在定向井軌跡控制難題[3]。而采用擴(kuò)眼技術(shù)可增加小井眼環(huán)空間隙，增大水泥環(huán)厚度，提高固井質(zhì)量和保護(hù)油層套管，是保障油氣井井身質(zhì)量、作業(yè)安全和高效作業(yè)的最優(yōu)技術(shù)方案[4-5]。

伊拉克M 油田位于扎格羅斯山前構(gòu)造帶前緣，第三系以上為巨厚鹽膏層，其鹽下地層多為裂縫性碳酸鹽巖，區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力復(fù)雜，已鉆直井井下出現(xiàn)復(fù)雜情況和事故平均3.76 起/井，鹽下裂縫性地層在鉆進(jìn)過(guò)程中發(fā)生漏、塌、卡等占全井復(fù)雜情況和事故的一半以上[6]。而投產(chǎn)于20 世紀(jì)70 年代的F19S 井是一口因低產(chǎn)而長(zhǎng)期關(guān)停井，根據(jù)大修方案，該井需要在垂深3500m 以下的6-5/8″油層套管內(nèi)開(kāi)窗側(cè)鉆5-1/2″井眼，下4-1/2″尾管固井，檢測(cè)固井質(zhì)量合格后射孔完井。由于本井側(cè)鉆井段為鹽下裂縫性地層，開(kāi)窗點(diǎn)深、壓力窗口窄、井壁穩(wěn)定性差，再加上在非標(biāo)5-1/2″井眼下4-1/2″尾管，環(huán)空間隙小、循環(huán)壓耗大、安全密度窗口窄，鉆井、下尾管等作業(yè)存在較大卡鉆和井漏風(fēng)險(xiǎn)，固井質(zhì)量也難以保障。近幾年，該油田在5-5/8″井眼下入4-1/2″尾管作業(yè)中多次發(fā)生套管遇卡或下不到位等復(fù)雜情況和事故。因此，采用隨鉆擴(kuò)眼技術(shù)增大側(cè)鉆井眼尺寸，確保尾管安全下入和固井質(zhì)量合格，是本井的關(guān)鍵。

1 技術(shù)方案的優(yōu)選

隨鉆擴(kuò)眼技術(shù)是采用隨鉆擴(kuò)眼工具和常規(guī)鉆頭，在全面鉆進(jìn)的同時(shí)擴(kuò)大裸眼段尺寸，使其大于上部套管串內(nèi)徑的一種鉆井技術(shù)。該技術(shù)減少了起下鉆次數(shù)，效率高，在深井、超深井、小間隙井、側(cè)鉆井和復(fù)雜井況中得到了廣泛應(yīng)用。擴(kuò)眼的主要方式有隨鉆擴(kuò)眼和鉆后擴(kuò)眼，常用的工具有液壓擴(kuò)張式擴(kuò)眼器、雙心PDC 擴(kuò)眼鉆頭等[7-8]。這兩種類型的擴(kuò)眼工具都能擴(kuò)大井眼直徑，增大環(huán)空間隙，減少作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)增大水泥環(huán)厚度，保障固井質(zhì)量。

（1）液壓擴(kuò)張式擴(kuò)眼器。液壓擴(kuò)張式擴(kuò)眼器，主要由推桿、活塞、彈簧等部件構(gòu)成，擴(kuò)眼刀翼上裝有PDC切削齒或硬質(zhì)合金。在起下鉆過(guò)程中和正常循環(huán)時(shí)，擴(kuò)眼刀翼緊縮在主體內(nèi)；在擴(kuò)眼前，投球激活傳動(dòng)系統(tǒng)，活塞下行帶動(dòng)推桿向下支撐擴(kuò)眼刀翼外張，推桿和限位塊一起鎖住外張的擴(kuò)眼刀翼，進(jìn)行擴(kuò)眼鉆進(jìn)作業(yè)（見(jiàn)圖1）。根據(jù)其動(dòng)作原理，通常分為滑移液壓擴(kuò)張式和懸臂液壓擴(kuò)張式，其中滑移液壓擴(kuò)張式擴(kuò)眼器動(dòng)作相對(duì)更可靠，鉆井效率更高[8]。

（2）雙心PDC擴(kuò)眼鉆頭。雙心PDC擴(kuò)眼鉆頭由導(dǎo)眼體和擴(kuò)眼體兩部分組成（圖2）。鉆頭有兩個(gè)不重合的中心軸，即導(dǎo)眼體中心軸和擴(kuò)眼體中心軸，導(dǎo)眼體中心軸即是鉆頭的旋轉(zhuǎn)軸，旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)擴(kuò)眼體中心軸圍繞鉆頭旋轉(zhuǎn)軸（即導(dǎo)眼體中心軸）旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而達(dá)到擴(kuò)眼的目的。對(duì)于硬地層，擴(kuò)眼鉆頭一般采用胎體鑲焊PDC復(fù)合片，加強(qiáng)型保徑設(shè)計(jì)，每排切削刃前有較深的流道冷卻鉆頭，具有較長(zhǎng)的使用壽命。

近些年，各大鉆頭廠商通過(guò)降低雙心PDC 鉆頭導(dǎo)眼體保徑長(zhǎng)度，控制鉆頭總體長(zhǎng)度，根據(jù)地層優(yōu)化鉆頭設(shè)計(jì)和優(yōu)選PDC 切削齒，使鉆頭不平衡力減小，抗研磨抗沖擊能力進(jìn)一步提高，增強(qiáng)了鉆頭定向時(shí)的穩(wěn)定性和可控性，提高了鉆井效率，延長(zhǎng)了鉆頭的使用壽命，使擴(kuò)眼井段井徑更加規(guī)則。與液壓擴(kuò)張式擴(kuò)眼器相比，雙心PDC鉆頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)復(fù)雜構(gòu)件，具有穩(wěn)定性好、操作方便、鉆速高、成本低和便于采取鉆頭優(yōu)化設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，鉆進(jìn)扭矩較使用常規(guī)PDC 鉆頭僅增加10%～15%，隨著產(chǎn)品的不斷改進(jìn)，該擴(kuò)眼技術(shù)也逐步成熟。通過(guò)資料檢索，使用雙心PDC 鉆頭進(jìn)行復(fù)雜地層擴(kuò)眼、套管開(kāi)窗側(cè)鉆以及硬地層小井眼擴(kuò)徑的成功案例有：

（1）塔里木盆地地質(zhì)下第三系的復(fù)合鹽巖層分布廣、埋藏深，使用雙心鉆頭鉆進(jìn)有效地推遲或消除地層塑性蠕變而造成的卡鉆，增大環(huán)空間隙，提高固井質(zhì)量。

（2）勝利油田使用雙心PDC鉆頭進(jìn)行了套管開(kāi)窗側(cè)鉆，使固井質(zhì)量合格率達(dá)到了100%，鉆井成本大大降低。

（3）中原油田在復(fù)雜地區(qū)鉆井中使用了雙心PDC鉆頭，進(jìn)尺和機(jī)械鉆速有很大提高，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

（4）中亞地區(qū)某油田在石炭系、奧陶系的堅(jiān)硬灰?guī)r、云灰?guī)r和鹽巖等地層使用雙心PDC鉆頭擴(kuò)眼全面鉆進(jìn)，可有效代替擴(kuò)眼器進(jìn)行小井眼擴(kuò)眼，縮短了鉆井周期、降低鉆井成本，避免了井下復(fù)雜事故發(fā)生。

伊拉克M油田沒(méi)有擴(kuò)眼的作業(yè)先例，更無(wú)鹽下地層套管開(kāi)窗側(cè)鉆擴(kuò)眼的作業(yè)實(shí)踐，經(jīng)過(guò)充分技術(shù)論證，參考國(guó)內(nèi)外其它油田的作業(yè)案例，結(jié)合本井的地質(zhì)特征、井眼狀況和軌跡控制要求，確定了“雙心PDC鉆頭”擴(kuò)眼的技術(shù)方案。目標(biāo)井開(kāi)窗側(cè)鉆井身結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖3。

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

（1）“馬達(dá)+雙心PDC 鉆頭”鉆具組合。開(kāi)窗結(jié)束后，使用常規(guī)定向井工具進(jìn)行定向鉆進(jìn)至穩(wěn)斜段，起鉆更換馬達(dá)+雙心PDC 鉆頭鉆具組合穩(wěn)斜鉆進(jìn)（3935.00～4104.00m）。旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)鉆壓1～4t，頂驅(qū)轉(zhuǎn)速25～40 r/min，扭矩3～5 kN·m，排量670～720L/min，馬達(dá)壓差300Psi，ROP2～4m/h。井斜每柱增0.5°～1°左右，方位穩(wěn)定?；瑒?dòng)鉆進(jìn)鉆壓1～3t，排量720 L/min，馬達(dá)壓差150～200Psi，ROP1～4m/h。工具面150～180L滑動(dòng)2～3m，可穩(wěn)斜。作業(yè)過(guò)程中摸清井斜及方位的自然變化規(guī)律，帶有馬達(dá)可以對(duì)軌跡進(jìn)行調(diào)整，保證中靶要求。

（2）“雙心PDC鉆頭+MWD”鉆具組合。定向鉆進(jìn)至4104.00m（MC11 地層）起鉆，更換PDC 雙心鉆頭+MWD 擴(kuò)眼穩(wěn)斜鉆進(jìn)至完鉆深度4300.00m。鉆壓1～4t，頂驅(qū)轉(zhuǎn)速90～120r/min，扭矩4～10kN·m，排量713L/min，泵壓1550～1750Psi，ROP1～4m/h。初始鉆壓3～4t，轉(zhuǎn)速110r/min，增斜率1°/30m，方位變化率0.7°/30m；調(diào)整鉆壓至2t，轉(zhuǎn)速90r/min，井斜基本穩(wěn)定，方位變化率0.7°～1°/30m。

（3）鉆頭評(píng)價(jià)。馬達(dá)+雙心PDC鉆頭鉆具組合使用井段3935.00～4104.00m，進(jìn)尺169m，平均ROP2.02m/h。雙心PDC 鉆頭+MWD 鉆具組合使用井段4104.00～4300.00m，進(jìn)尺196m，平均ROP2.38m/h。兩次入井后鉆頭評(píng)價(jià)1-2-WT-A-X-I-NO-TD。

本井完鉆井深4300.00m，完鉆垂深4208.87m，完鉆層位Mishrif。窗口深度3572.78～3576.48m，5-5/8″定向鉆進(jìn)至3935.00m，使用雙心PDC鉆頭擴(kuò)眼鉆進(jìn)至完鉆深度4300.00m。造斜井段狗腿度3.5°/30m，最大井斜36.02°，方位184.4°。完鉆后順利下4-1/2″尾管至4298.00m，固井水泥漿返至回接筒頂。

3 擴(kuò)眼效果

（1）井眼擴(kuò)大率。完鉆后從測(cè)井資料分析可以看出，雙心使用PDC鉆頭+馬達(dá)鉆具組合，井眼約為6-1/2″，井眼擴(kuò)大了1.00″，井眼擴(kuò)大率為18.18%。使用雙心PDC鉆頭+常規(guī)鉆具組合，井眼約為6-3/8″，比標(biāo)準(zhǔn)的5-1/2″井眼擴(kuò)大了0.875″，擴(kuò)大率為15.91%。未擴(kuò)眼井段與擴(kuò)眼井段的井徑測(cè)量結(jié)果對(duì)比見(jiàn)圖4。

（2）軌跡控制。側(cè)鉆井段采用增—穩(wěn)剖面，主要在穩(wěn)斜井段使用雙心PDC 鉆頭擴(kuò)眼，在擴(kuò)眼期間，定向井軌跡與設(shè)計(jì)基本一致。

（3）固井質(zhì)量。電測(cè)4-1/2″尾管固井質(zhì)量合格（水泥膠結(jié)較未擴(kuò)眼井段明顯提高），人工井底深度符合設(shè)計(jì)要求，尾管試壓合格。未擴(kuò)眼井段與擴(kuò)眼井段的尾骨固井質(zhì)量對(duì)比見(jiàn)圖5。

4 結(jié)語(yǔ)

采用雙心PDC 鉆頭擴(kuò)眼技術(shù)，可對(duì)灰?guī)r、致密灰?guī)r、泥?；?guī)r等多夾層復(fù)雜巖性地層的小井眼進(jìn)行隨鉆擴(kuò)眼鉆進(jìn)，擴(kuò)眼鉆進(jìn)期間扭矩變化小，定向井軌跡可控，且擴(kuò)徑效果明顯，增大了小井眼環(huán)空間隙，增加了擴(kuò)眼井段的水泥環(huán)厚度，提高了固井質(zhì)量。實(shí)踐證明，使用雙心PDC 鉆頭擴(kuò)眼技術(shù)是復(fù)雜地層老井套管開(kāi)窗側(cè)鉆的一項(xiàng)重要技術(shù)手段，可以降低因井眼尺寸小帶來(lái)的一系列井下復(fù)雜情況，是提高鉆井速度，降低作業(yè)成本，提高固井質(zhì)量，也是有效預(yù)防井下事故發(fā)生的一項(xiàng)重要鉆井技術(shù)，今后有廣闊的應(yīng)用空間。