随钻水力扩眼工具在渤海自营油田的成功应用*

崔国杰 谢荣斌 韩 亮 张 辉

(1. 中海石油(中国)有限公司天津分公司 天津 300452； 2. 中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司 天津 300452)

随钻水力扩眼工具在渤海自营油田的成功应用*

崔国杰1谢荣斌1韩 亮1张 辉2

(1. 中海石油(中国)有限公司天津分公司 天津 300452； 2. 中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司 天津 300452)

渤海自营油田QHD32-6-D29H2井φ152.4 mm井眼下完井防砂管柱遇阻，扩眼钻进面临地层松软易产生新井眼、井壁稳定性差易发生井下复杂情况、井身结构复杂对扩眼工具强度要求高等难题。优选了可动翼液压式扩眼器进行扩眼作业，总结了一套随钻水力扩眼器使用流程和关键技术点，同时提出了钻井液性能控制技术、预防新井眼技术等关键配套技术措施，并在QHD32-6-D29H2井成功实施扩眼钻进作业，为类似随钻扩眼工具处理井下复杂情况提供了新思路，具有推广应用价值。

渤海自营油田；随钻水力扩眼器；使用流程；钻井液性能控制技术；预防新井眼技术

随着油气资源不断开采，渤海自营油田钻井过程中碰到的复杂情况越来越多，不同地层存在不同程度的井壁失稳问题[1]，施工过程中极易发生钻具遇阻、遇卡等井下复杂情况，因此扩眼技术作为处理井下复杂情况的重要手段得到了进一步的应用。常规的钻后扩眼技术是钻完井眼后再单独下一套扩眼工具进行扩眼，需要2趟钻完成，增加了钻井时间和成本。而随钻扩眼技术采用随钻扩眼工具配合常规钻头钻具组合，在正常钻进的同时扩大原井眼，不仅减少了起下钻时间，提高了机械钻速，同时也降低了卡钻风险，已逐渐成为一种应对塑性蠕变复杂地层、优化井身结构、提高油气井建井质量、提高钻井速度、降低钻井作业成本的钻井新技术[2]。

随钻扩眼技术的发展很大程度上依赖于随钻扩眼工具的不断升级改造与研发应用。国外石油公司早在20世纪初就开始研制扩眼工具，由最初的双心扩眼钻头发展到现在的一系列随钻扩眼工具。国内扩眼技术起步相对较晚，直到20世纪70年代初井下扩眼技术才从国外引入国内[3-6]，经过40多年的不断创新与发展，大港油田、辽河油田、胜利油田等在跟踪考察国外技术的基础上，陆续研制出了不同规格的随钻扩眼器，其中胜利油田研制的机械式PDC随钻式扩眼工具比较有代表性[7]。

QHD32-6-D29H2井是我国渤海自营油田第1口使用扩眼器处理井下复杂情况的井，该井在下完井防砂管柱时遇阻，尝试采用循环、浸泡等措施均无效的情况下，通过对水力扩眼器的分析研究，优选了可动翼液压式扩眼器进行扩眼作业，并总结出了一套水力扩眼器使用流程及关键技术点，同时提出了配套钻井液性能控制技术及预防新井眼钻井技术等关键技术措施，成功解决了筛管阻卡问题，值得进一步推广应用。

1 随钻水力扩眼工具的结构特点及工作原理

随钻水力扩眼工具根据切削部件不同可分为固定翼扩眼器与可动翼扩眼器[8]。固定翼扩眼器的优点是不含运动件，能够承受大钻压，获得较高钻速，对钻井液性能无特殊要求,适用于多种地层；缺点是扩眼后井径不规则，且偏心设计导致工具受力不均，钻进时下部钻具组合容易振动。可动翼扩眼器根据驱动方式不同分为液压扩眼器与机械扩眼器。液压扩眼器的优点是结构简单，可靠性强，扩眼尺寸大，可倒划扩眼；缺点是在深井、钻井液黏度高的井中使用受限，对密封结构和水力元件的结构、材质要求高。机械扩眼器的优点是工作稳定，不受井深、钻井液性能影响；缺点是结构强度低，扩眼尺寸小。考虑到QHD32-6-D29H2井的井身结构复杂，井眼轨迹变化率大，扩眼时钻具摩阻扭矩大，对扩眼工具的强度要求高，因此优选Rhino XS型可动翼的液压扩眼器进行扩眼作业。

1.1 Rhino XS型扩眼器的结构特点

Rhino XS型扩眼器属于可伸臂式扩眼器，具体扩眼参数见表1；其结构主要由上接头、本体、控制机构总成、扩眼切削齿组成，其中控制机构总成包括一个中心管、弹簧、活塞及球座(图1)。

表1 Rhino XS型可伸臂式扩眼器参数

图1 Rhino XS型可伸臂式扩眼器结构图

该工具的主要技术特点有：刀翼上部分安装的切削齿不仅能扩眼钻进，而且使得扩眼器具备倒划眼功能;刀翼上安装高耐磨的PDC切削齿，可适应多种地层，作业范围广；采用整体式本体设计，使得扩眼器可承受更高的拉力与扭矩，安全性能更高；刀翼采用液压驱动，停泵后刀翼能自动收回，可靠性强；高喷射水眼大小可调节，在满足定向井轨迹控制的同时也能充分清洁井眼，提高了清洁效率；可配合旋转导向工具钻水平井与大斜度井。

1.2 Rhino XS型扩眼器的工作原理

在正常作业时，Rhino XS型扩眼器的切削齿紧贴芯轴，处于关闭状态，钻井液只流经中心管(图2a)，扩眼器在整个作业中不参与任何作业。当需要扩眼时，将扩眼钻具下放至扩眼位置，开泵循环清洁井眼，停泵，投球；然后缓慢开泵送球，投球入座之后逐渐提高泵冲，剪切掉销钉，这时钻井液将流经中心管旁通和活塞处的水眼(图2b)。当钻井液流经水眼和旁通时会产生压差，由此形成的压差推动活塞上行，切削齿随之上行，待活塞上行至舌形定位槽时，切削齿全部被推开，即可进行扩眼作业。扩眼作业结束后，停泵，压降消失，活塞在复位机构的作用下复位，扩眼切削齿将同时收回在切削齿槽内。

图2 扩眼器状态示意图

2 随钻水力扩眼工具在秦皇岛32-6油田的应用

2.1 扩眼钻进面临的主要难点

QHD32-6-D29H2井是在秦皇岛32-6油田D平台布置的一口φ177.8 mm尾管内开窗侧钻的水平井(图3)，目的层位为明化镇组，从1 030 m开窗侧钻，φ152.4 mm井眼定向钻进至1 596 m水平着陆，钻进至1 923 m完钻。完井作业期间，在用φ88.9 mm钻杆下钻送φ114.3 mm防砂管柱至1 264 m时，遇阻10 t，上下活动管柱无法通过；接顶驱开泵循环，最大上提90 t(正常上提悬重50 t)，提活管柱，下放通过遇阻点；继续下钻至1 434.5 m时，再次遇阻10 t，尝试上下活动管柱未能通过，开泵循环，多次过提管柱，最大上提100 t，下放至40 t(正常上提53 t，下放38 t)，未能通过遇阻点；之后现场分别尝试配置稀胶液循环、解卡剂浸泡等措施，均未能解卡。于是决定座封顶部封隔器，脱手服务工具，起钻甩顶部封隔器座封工具，然后切割打捞回收顶部封隔器，最后用卡瓦打捞筒打捞防砂管柱。打捞成功后，为减小在φ152.4 mm井眼内下筛管的作业风险，决定使用随钻水力扩眼钻具进行扩眼钻井。分析认为，扩眼钻进面临的主要难点表现在：

1)易产生新井眼。扩眼井段位于明化镇组，地层岩性松软，且定向井轨迹全角变化率大，扩眼钻进时产生新井眼的风险较高。

2)易发生井下复杂情况。QHD32-6-D29H2井前期处理井下复杂情况时间长，井眼裸露时间长，造成井壁稳定性差，扩眼作业时容易产生井壁坍塌、井眼缩径等井下复杂情况。

3)对扩眼工具强度要求高。QHD32-6-D29H2井井身结构复杂(图3)，扩眼时钻具摩阻扭矩大，对扩眼工具的结构强度要求高。

2.2 使用流程

1) 钻台组合水力扩眼钻具，浅层测试MWD仪器，信号正常后下钻至设计扩眼位置1 062 m(扩眼器深度1 059 m)。为确保投球能顺路通过，下钻时要求每柱钻杆都必须通径。

图3 QHD32-6-D29H2井井身结构图

2) 校深，接顶驱，缓慢开泵至推荐泵送铜球排量900 L/min，转速40～60 r/min，记录钻具上提悬重58 t，下放悬重42 t，泵压6.3 MPa，空转扭矩1.3～1.6 kN·m，停泵。

3) 卸顶驱，投入直径28.6 mm的铜球，缓慢开泵至排量900 L/min泵送铜球，泵压逐渐上升至7.8 MPa后下降并稳定在7.2 MPa，判断水力扩眼器内活塞销钉被剪切。通常情况下，将投球的下行路线中75%路程用泵顶替(180 m/min)，剩余的25%路程让其自由下落(130 m/min)，然后缓慢开泵剪断销钉；对于大斜度井、水平井，全程需用泵顶替，球快到位前降低排量剪断销钉，这样可以防止球座因球速太快被击裂。当切削块被激活张开时，可以从地面观测到一个明显的泵压下降。

4) 扩眼造型钻进，缓慢开泵至设计扩眼排量1 000 L/min，顶驱转速40 r/min，观察扭矩在1.3～2.3 kN·m之间波动，表明扩眼器的切削块已伸出并开始工作。在2～3 m的范围内旋转并上下活动扩眼器，直至初始的扩眼台肩形成。

5) 扩眼造型后进行正常的扩眼钻进，钻压1～2 t，排量1 100 L/min，泵压8.0～8.5 MPa，转速60～80 r/min，扭矩4～5 kN·m，平均机械钻速50～80 m/h。期间主要观察振动筛处岩屑的返出情况。

6) 扩眼钻进至1 130 m时，钻压突然由1 t增加至3 t，机械钻速降低至10～20 m/h，扭矩出现波动，上提活动钻具后无明显效果；上提钻具，停泵，停顶驱，下放钻具至1 130 m，遇阻5 t。上提钻具，开转速20 r/min，排量500 L/min，下放钻具通过遇阻点，倒划眼2遍修整井眼，扩眼参数恢复正常。

7) 继续扩眼钻进至设计井深1 478 m。扩眼参数：排量1 100 L/min，泵压16.0～17.5 MPa，转速100 r/min，扭矩5.5～8.5 kN·m。扩眼井段全角变化率均在3°以上，为防止形成键槽，每柱扩眼完成后提高顶驱转速，采用“慢提快放”的方式，倒划眼2～3遍，破坏台阶。扩眼钻井期间注意维持稳定的钻压，重点监控扭矩和机械钻速的变化。若扩眼时钻压增加、机械钻速持续偏低、扭矩波动严重，及时上提钻具，停泵，停转下放通过该井段，并采取倒划眼方式对该井段进行扩眼。

8) 循环，期间振动筛持续返出较多粘软、细碎岩屑。循环干净后，起钻至井口，扩眼器外观检查正常，测试扩眼器切削齿能否正常打开。一般有2种测试方法：第1种是在扩眼器刀翼上缠绕胶带，下放扩眼器至转盘面以下，接顶驱开泵至工作排量，停泵后上提扩眼器出钻台面，检查胶带是否被胀开，若胶带胀开，说明扩眼器能正常工作，反之，则说明扩眼器异常；第2种是将扩眼器喷嘴更换为盲堵，接顶驱，开泵至工作排量，观察扩眼器刀翼是否上行打开，若刀翼能打开，说明扩眼器能正常工作，反之，则说明扩眼器异常。

9) 拆、甩扩眼钻具组合，更换通井钻具组合：φ152.4 mm牙轮钻头+φ120.65 mm浮阀+φ120.65 mm钻铤+φ149.22 mm 扶正器+φ120.65 mm钻铤×2+φ120.65 mm 震击器+φ88.9 mm加重钻杆×14。

1.2.1 文献资料法 通过中国知网（CNKI）数据库，以“竞技健美操”“健美操世锦赛”“难度动作”“动力性力量”等为关键词，限定检索时间为2010-2018年，共查阅相关文献603篇。同时，查阅FIG《健美操竞赛规则》等文献资料，为研究提供理论支撑。

10) 下钻至井底，井眼顺畅。循环至钻井液返出干净，替入高润滑性PRD新钻井液56 m3覆盖整个裸眼段，提高钻井液润滑性能。

11) 起钻，下完井防砂管柱，顺利通过遇阻点。

2.3 关键技术点及注意事项

1) 水力扩眼器和浮阀在钻具组合中的先后次序非常关键，基于对井控和投球影响两方面的考虑，一般要求将浮阀加放在水力扩眼器之下。

2) 在扩眼器通过防喷器组、井口装置和侧钻点时，控制好钻具下放速度，防止挂碰切削齿。

3) 下钻中途打通时，泵压不允许超过剪切扩眼器销钉设定的压力值，以免提前剪断活塞销钉。

4) 扩眼器初始造型时，扩眼所需要时间根据地层岩性而定，偏软地层尽量不超过5 min，避免长时间冲刷同一地层而造成井壁失稳。

5) 对于易缩径井段，扩眼结束后尽量采用倒划眼的方式修整井壁，扩大井眼，以确保套管顺利通过易缩径井段。

2.4 关键配套技术措施

2.4.1 钻井液性能控制技术

在确保井壁稳定的前提下，维持井眼清洁是QHD32-6-D29H2井扩眼作业的关键。由于该井扩眼井段在明化镇组，地层岩性主要为大段泥岩及泥砂岩的交互层，泥质和粘土矿物含量较高，地层易水化膨胀[9]，容易发生井壁坍塌或缩径等井下复杂情况，因此扩眼作业选用了无固相弱凝胶钻井液体系。

QHD32-6-D29H2井扩眼井段全程造斜，要求钻井液具有良好的润滑性、抑制防塌及携砂性能。因此，加入降失水剂和抑制剂，控制失水量小于4 mL，提高钻井液抑制性能。有效抑制泥岩水化膨胀；同时加入适当的润滑剂，减少钻具摩阻扭矩，维持漏斗黏度在48～55 s，动切力大于12 Pa，进一步提高钻井液携砂性能，避免形成岩屑床。

排量是保证钻井液携砂性能的关键[10]。在QHD32-6-D29H2井扩眼作业之前进行了水力参数模拟计算，通过优化分配钻头和扩眼器水眼尺寸，选择钻头和扩眼器水眼3×φ6.35 mm，理论计算保证φ177.8 mm井眼清洁的排量为900 L/min。在保证钻井设备能力和井下安全的前提下，现场尽量采用高排量携砂，确保井眼清洁。

2.4.2 预防新井眼技术

QHD32-6-D29H2井扩眼井段全角变化率均大于3°/30 m(表2)，且本区块明化镇组上部地层比较松软，扩眼作业时容易在井眼上高边造台阶，产生新井眼[11]，造成井下复杂情况。针对上述问题，该井在作业过程中采取了以下几方面预防新井眼的技术措施：

表2 QHD32-6-D29H2井井眼轨迹节点数据

1) 通井作业修整井壁。扩眼作业之前进行通井作业，通井钻具组合的刚性与钻进时钻具的刚性尽量保持一致，并且在全角变化率较大井段倒划眼至少2遍，直至井眼畅通。

2) 优化扩眼钻具组合。随钻扩眼钻具组合主要根据所钻地层、井身结构、定向井轨迹不同等进行设计。常规随钻扩眼钻具一般采用多稳定器组合：钻头+稳定器+随钻扩眼工具+钻铤+稳定器+钻铤+钻杆。为减少产生新井眼的风险，本井对常规扩眼钻具组合进行了优化，使用刚性较小的钻具。QHD32-6-D29H2井随钻水力扩眼钻具组合为：φ152.4 mm牙轮钻头+φ120.65 mm变扣接头+φ120.65 mm浮阀+φ142.87 mm随钻水力扩眼器+φ120.65 mm非磁钻铤+φ120.65 mm 随钻测斜仪器+φ120.65 mm非磁钻铤+φ120.65 mm 震击器+φ88.9 mm加重钻杆×14。

3) 减少扩眼钻具在裸眼井段的静止时间。循环划眼时应采用低转速、慢提快放的方式，避免在软地层或全角变化率大的井段长时间循环，避免静止循环时间过长。

4) 遇阻采用“一通二开三划眼”原则。控制下钻遇阻吨位不超过10 t，遇阻后应上提钻具错开遇阻点至少5 m，再尝试下放、开泵、接顶驱划眼等措施。

2.5 应用效果

QHD32-6-D29H2井扩眼井段深度1 062～1 478 m，扩眼进尺416 m，工具入井时间64 h，纯扩眼时间41 h，平均机械钻速20.95 m/h。扩眼结束后，现场通过投电石的方式反推井眼扩大率。经推算，使用φ142.87 mm扩眼器扩眼后井眼扩大率为10%～16%。下φ114.3 mm防砂管柱时，顺利通过遇阻点。通过对比扩眼前后下筛管部分录井曲线(图4)，可以看出，扩眼之后筛管下入平稳，无阻挂现象，扩眼效果良好，达到了预期目的。

图4 QHD32-6-D29H2井下筛管录井曲线

3 结束语

随钻水力扩眼工具首次在秦皇岛32-6油田成功实施扩眼钻进作业，提高了处理井下复杂情况的作业效率，降低了钻完井作业风险，为渤海自营油田钻完井作业井下复杂情况处理提供了新的思路，具有推广应用价值。

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(编辑：孙丰成)

Application of tools of hydraulic reaming while drilling in the proprietary oilfield in Bohai sea

Cui Guojie1Xie Rongbin1Han Liang1Zhang Hui2

(1.TianjinBranchofCNOOCLtd.,Tianjin300452,China;2.CNOOCEnerTech-Drilling&ProductionCo.,Ltd.,Tianjin300452,China)

It was highly difficult to set the sand-controlling screen to the bottom in theφ152.4 mm hole section of Well QHD 32-6-D29H2 in the proprietary oilfield in Bohai sea. Borehole enlargement drilling in the weak formation is likely to create a new borehole; downhole complexes are prone to occur with the unstable borehole walls; and the sophisticated casing program is highly demanding in terms of the dependability of enlargement tools. Optimization of Rhino XS type reamers was conducted; a concise operation procedure for utilizing hydraulic reamers and key technical points are summarized. Meanwhile, drilling fluid property control, avoidance of new borehole creation and some other technologies were established. All the established technologies were successfully applied in Well QHD 32-6-D29H2, providing new approach for utilizing similar enlargement tools to deal with downhole complexes, and having a great potential for dissemination.

proprietary oilfield in Bohai sea; hydraulic reaming while drilling; operation procedure; drilling fluid property control; avoidance of new borehole generation

崔国杰，男，工程师，2004年毕业于中国石油大学(华东)石油工程专业，现任中海石油(中国)有限公司天津分公司工程技术作业中心垦利项目组项目经理。地址：天津市滨海新区渤海石油大厦B座B703室(邮编：300452)。E-mail：cuigj@cnooc.com.cn。

1673-1506(2016)03-0115-06

10.11935/j.issn.1673-1506.2016.03.018

TE28+3

A

2015-12-22 改回日期：2016-01-22

*“十二五”国家科技重大专项“多枝导流适度出砂及海上油田丛式井网整体加密钻采技术示范(编号：2011ZX05057-002)”部分研究成果。

崔国杰,谢荣斌,韩亮，等.随钻水力扩眼工具在渤海自营油田的成功应用[J].中国海上油气，2016,28(3)：115-120.

Cui Guojie,Xie Rongbin,Han Liang,et al.Application of tools of hydraulic reaming while drilling in the proprietary oilfield in Bohai sea[J].China Offshore Oil and Gas,2016,28(3):115-120.