定向随钻扩眼技术在塔河油田侧钻水平井中的应用

张晓明，崔海林，胥 豪，董志辉

（中国石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院，山东东营257017）

随钻扩眼技术（Ream While Drilling，简称RWD）是采用随钻扩眼工具和常规钻头程序，在全面钻进的同时扩大井眼的一种钻井技术［1］。随钻扩眼工具［2］从结构上来说可以分为两大类：一类是钻头型的随钻扩眼工具，主要包括双心钻头（单体式偏心钻头）、双体式偏心钻头和近钻头随钻扩眼工具；另一类是具有独立结构的随钻扩眼工具，主要包括偏心结构和同心结构的随钻扩眼器。随钻扩眼技术在优化井身结构、改善固井质量、提高钻井效率、降低钻井成本等方面得到越来越广泛的应用［3－4］。

塔河7区部署的定向随钻扩眼侧钻水平井－TK7－640CH井目的是测试开窗侧钻后，采用定向随钻扩眼钻井技术在塔河油田应用的可行性，为后续施工提供经验，同时提高该油田的开发效果和效益。

1 地质工程概况

塔河油田位于塔里木盆地沙雅隆起中段阿克库勒凸起西南斜坡，石炭系砂岩、奥陶系碳酸盐岩为其主要储集层，储层发育，储量分布以缝洞系统为基本单元。TK7－640CH井钻遇地层自上而下分别为石炭系卡拉沙依组、巴楚组和奥陶系鹰山组，地层岩性包括砂泥岩、泥岩、双峰灰岩和泥晶灰岩［5－6］。石炭系到奥陶系厚度变化差异明显、压力系统较为复杂，石炭系坍塌应力高，奥陶系地层压力系数低，为高－低压力体系，加之奥陶系顶部可能含有水层，给开发和侧钻带来一定难度。

TK7－640CH井采用φ177.8 mm套管斜向器开窗侧钻工艺，侧钻点位于井深5 217.52 m的石炭系卡拉沙依组。为了保证侧钻成功，本井设计采用二开井身结构（图1）：一开φ149.2 mm牙轮钻头侧钻至5 228 m，然后进行定向随钻扩眼作业，直至一开设计井深5572 m，下入φ139.7 mm膨胀管至井深5 569 m并膨胀固井，封隔巴楚组不稳定泥岩地层；二开φ130 mm钻头钻至设计完钻井深5 985.02 m，裸眼完井。

图1 TK7－640CH井井身结构设计

结合塔河7区地层特点和本井钻探要求，TK7－640CH井设计为“直－增－稳－增－平”五段制剖面。该井井眼轨道设计参数见表1。

2 钻井施工难点及技术措施

2.1 施工难点

（1）定向随钻扩眼技术是国内第二次在深井中应用，可供借鉴的施工经验少。

表1 TK7－640CH井井眼轨道设计参数

（2）本井设计侧钻点深，φ88.9 mm 钻杆长达5 200 m，给扭矩传递带来一定困难，给井下情况判断造成较大困难，斜向器坐封、陀螺测方位和顺利开窗的难度增加。

（3）由于需要进行膨胀管下入作业，原则上要求定向随钻扩眼段的狗腿度不超过10°／30 m，轨迹控制以“井眼圆滑”为核心，在一定程度上增加了井眼轨迹控制难度。

（4）为了满足随钻扩眼钻头的转速要求，使之达到良好的扩眼效果，要求动力钻具转速超过180 r／min，对高功率动力钻具的选择带来困难。

（5）井眼尺寸小、泵压较高、环空间隙窄，导致环空压耗增加，对钻具、MWD的抗压能力和地面高压循环系统带来严峻的考验。

（6）小井眼侧钻水平井井眼净化困难，摩阻增大。

2.2 技术措施

（1）本井设计井深5 985.02 m，选用70型钻机，地面高压循环系统承压能力达到25 MPa，以满足工具和处理井下复杂情况的需要。

（2）轨迹控制过程中精细施工，在满足狗腿度的前提下，采取滑动钻进与复合钻进相结合的方式，合理统筹二者的比例，做到“勤调少调”，尤其是增斜井段的造斜率原则上不超过10°／30 m，以保证眼轨迹圆滑。同时每次测斜间隔不超过10 m，根据测斜数据及时进行预测和设计，明确下一步施工操作，达到实钻轨迹与设计轨道基本一致。

（3）为保证良好的扩眼效果，动力钻具转速至少达到180 r／min，高效螺杆的排量不低于11.5 L／s。

（4）定向过程中经常活动钻具，合理调整钻井液性能，避免摩阻过大或出现脱压的现象。处理复杂情况时，将井底安全放在首位，防止出现卡钻、井壁坍塌等事故。

3 随钻扩眼关键技术

3.1 钻头优选

TK7－640CH井选用定向随钻扩眼技术方案，其关键技术之一是优选高效扩眼钻头。通过大量调研，优选国民油井公司生产的φ146 mm×φ165 mm×φ120.65 mm CSDR5211S－B2型随钻扩眼钻头。该钻头由领眼钻头和扩眼体两部分组成，领眼钻头的结构与常规钻头几乎相同，可以钻出1个直径较小的领眼，扩眼体是带有切削刃的棱柱结构，沿圆周方向布置于双心钻头的侧面，能将领眼扩大为工艺要求的井眼尺寸［7］。其主要特点：整体结构无活动部件，可靠性高，寿命长，井下风险小；适合在长井段和定向井段扩眼；高转速下对地层的适应性强。

3.2 动力钻具选配

本井井眼深，井下温度高，选用的双心钻头只有在高转速下才能获得良好的扩眼效果，选配的动力钻具应具有抗高温能力强、功率高的特点。PAISANO公司生产的螺杆钻具在高温和不同钻井液体系下具有强大的动力、超长的使用寿命和良好的井下性能，故选用该公司大功率高转速φ120 mm螺杆钻具，其性能参数见表2。

表2 φ120mm螺杆性能参数

3.3 钻具组合及钻进参数优选

优选底部钻具组合和钻进参数是优质、高效、安全完钻的关键部分。增斜段优选单弯读数适中的动力钻具，在满足井眼轨迹控制的同时，避免出现较大的狗腿度。同时，简化钻具组合，优选钻进参数，以保证井下安全，提高机械钻速，达到良好的扩眼效果。定向随钻扩眼钻具组合：φ146 mm×φ165 mm CSDR5211S－B2随钻扩眼PDC钻头＋φ120 mm×1.5°～1.75°螺杆＋311×310回压阀＋MWD坐键短节＋φ88.9 mm 无磁钻杆＋φ88.9 mm 加重钻杆＋φ88.9 mm钻杆。钻进参数：钻压10～40 kN；排量11.50～11.75 L／s；泵压23～25 MPa；转速：螺杆＋45 r／min。

3.4 井眼轨迹控制技术优化

套管开窗作业选用套管内斜向器开窗，造斜点优选在稳定性较好、可钻性好的石炭系卡拉沙依组，同时该井段固井质量较好、井斜角小，以保证获得良好的窗口，避免出现连续的狗腿。定向随钻扩眼的关键是轨迹控制，施工过程中，利用Landmark软件计算分析待钻井眼轨道的摩阻和扭矩［8］，实时监控并及时调整，始终选择全角变化率小、摩阻扭矩低、施工效率高的井眼轨道施工。根据轨迹控制所需要的造斜率，优化每根钻杆的钻进方式，利用MWD随钻测量技术加密测斜，及时了解井下数据变化，不断优化和修正待钻井眼轨道。增斜段前期采用滑动钻进方式，后期造斜率满足设计要求后采取滑动钻进与复合钻进相结合的方式，保证造斜率较为平均，不会出现较大的狗腿度，降低井下摩阻和扭矩，实现整个实钻井眼轨迹的优化。

4 现场施工

TK7－640CH井一开采用坐封斜向器开窗，侧钻成功后使用φ149.2 mm HJS517G牙轮钻头复合钻进出16 m的测斜零长，避开套管磁干扰，然后下入定向随钻扩眼钻具，从井深5 233 m开始钻进。下入的“双心钻头＋φ120 mm×1.5°螺杆”在窗口处无遇阻现象，但由于初始井斜角小，工具面稳定性较差，钻时慢（约50～80 min／m），定向增斜钻进困难，造斜率基本在（2°～3°）／30 m，低于7°／30 m 的设计造斜率，导致实钻位移落后于设计位移。钻进至井深5 265.11 m，井斜角6.36°，方位角169.46°，钻具组合造斜率较低，起钻更换1.75°螺杆。下入“双心钻头＋φ120 mm×1.75°螺杆”进行定向增斜钻进，井斜角增至15°后，工具面较稳定，定向钻时在30～40 min／m，造斜率基本控制在（7°～9°）／30 m，满足轨迹控制需要。定向钻进至井深5 441.5 m，井斜角50.18°，方位角206.74°，完成增斜段的钻进。稳斜段下入“双心钻头＋φ120 mm×1.5°螺杆”，钻压控制在30 kN，排量11.5 L／s，转速保持在螺杆＋45 r／min。由于稳斜段复合钻进井斜微降，采取增井斜措施，定向钻时40～50 min／m，复合钻时10～15 min／m。地质录井卡准层位后，钻进至井深5 579 m，井斜角53.42°，方位角204.67°一开中完。

TK7－640CH井定向随钻扩眼钻进进尺共计346 m，扩眼井段机械钻速见表3。受钻井泵、高压管线等条件的限制，本井段泵压在25 MPa以下，排量只能控制在11.50～11.75 L／s，刚刚达到高转速下的理论排量，导致机械钻速及扩眼效果未达到预期目标。

表3 TK7－640CH井随钻扩眼段机械钻速

定向随钻扩眼井段共使用2只双心钻头，第1只双心钻头保径部位的两个齿柱没有磨损，表明其起到了很好地主动保径效果，但靠近冠部的1个保径齿出现研磨性磨损（磨损了1／4），其余2个保径齿因崩坏导致复合片碎裂；第2只双心钻头出井新度较高，长刀翼心部的2个复合片有所损坏（1个崩坏，1个碎裂），肩部和保径部位的复合片基本完好，钻头整体磨损轻微。

图2 TK7－640CH井定向随钻扩眼段井径值

TK7－640CH井，一开定向随钻扩眼段井深5 233～5 579 m，其中，5 233～5 441.5 m 为定向钻进增斜段，5 441.5～5 579 m 为复合钻进稳斜段，其中完后的电测井径数据见图2。从中可看出：定向随钻扩眼段平均井径小于165 mm的不多，主要在井深5 278～5 296 m和5 340～5 362 m，总段长40 m；复合稳斜段平均井径小于165 mm的井段主要在井深5 466～5 481 m、5 494～5 509 m和5 525～5 579 m，总段长84 m。说明在相同钻压和排量条件下，复合钻进稳斜段的随钻扩眼效果略低于定向增斜段。

5 认识与建议

（1）塔河油田地质情况复杂，深井超深井数量多，为定向随钻扩眼技术在深井、超深井和小井眼定向扩眼段的试验创造了基本条件。

（2）钻井泵条件限制了工具性能的发挥，影响了随钻扩眼效果和机械钻速。

（3）使用CSDR5211S－B2随钻扩眼钻头进行定向和复合钻进，部分井段没有达到设计要求的φ165 mm。今后需要根据各地层的岩性特点，适当调整和优选钻井参数、水力参数，以达到定向随钻扩眼的理想效果。

（4）国外双心钻头和螺杆价格昂贵，建议加快随钻扩眼钻头及配套工具的改进和国产化，降低钻井成本。

［1］ 宋颐，夏宏南，徐超，等.随钻扩眼工具的研究与优化［J］.装备技术与制造，2012，（8）：282－284.

［2］ 夏焱.随钻扩眼工具结构及与之相匹配的钻具组合设计方法研究［D］.山东东营：中国石油大学，2006.

［3］ 夏焱，管志川.随钻扩眼钻井钻进趋势影响因素［J］.中国石油大学学报（自然科学版），2008，32（6）：79－82.

［4］ 申守庆.美国十大钻头公司的十大钻头新技术［J］.国外油田工程，2002，18（7）：14－20.

［5］ 宋杉林，张春冬，王琪.新疆塔河油田石炭系卡拉沙依组储层特征及油气分布［J］.沉积与特提斯地质，2002，22（2）：53－57.

［6］ 李永宏，闫相宾，张涛，等.塔河油田石炭系卡拉沙依组储层特征及其控制因素［J］.石油实验地质，2004，26（1）：17－22.

［7］ 陈红，杨兰田，刘晓艳，等.塔河油田盐膏层井段随钻扩孔技术［J］.石油钻探技术，2004，32（3）：15－17.

［8］ 周伟，耿云鹏，石媛媛.塔河油田超深井侧钻工艺技术探讨［J］.钻采工艺，2010，33（4）：108－111.