賈利春， 鄧 虎， 陳俊斌， 劉先明

1中國石油川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院 2長江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院

0 引言

隨著常規(guī)油氣資源儲量日益減少的矛盾越來越凸顯，對非常規(guī)油氣資源的勘探開發(fā)不斷推進(jìn)、加快[1-3]，水平井作為其高效開采的有效途徑占據(jù)越來越重要角色[4-7]。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具雖然具有井眼井徑規(guī)整、機(jī)械鉆速快的優(yōu)勢，但是面臨工具短缺、國外技術(shù)壟斷的困境，因此當(dāng)前在非常規(guī)油氣水平井鉆井中水平段仍以彎螺桿鉆具組合為主要方式，鉆進(jìn)會形成螺旋狀井眼，井壁上微臺階、微狗腿現(xiàn)象突出，導(dǎo)致實(shí)際井徑比預(yù)期井眼小[8-9]，同時隨著水平段長度延伸，井眼清潔困難、極易形成巖屑床，造成扭矩摩阻增加、劃眼次數(shù)多，完井通井的時間長且次數(shù)多，后期電測、下套管耗時增加[8]。

針對水平井井壁臺階、微狗腿等引起的井眼質(zhì)量問題，劃眼、鉆后擴(kuò)眼雖然可以解決,但是起下鉆次數(shù)多、效率低，近年來國內(nèi)外發(fā)展形成了一種形式簡單、經(jīng)濟(jì)安全可靠的隨鉆微擴(kuò)眼器，在消除井壁臺階、提高井眼質(zhì)量、減小起下鉆次數(shù)和提高鉆井效率等方面具有顯著的優(yōu)勢[10-15]。

本文在調(diào)研國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)基礎(chǔ)上，研制了一種適用于?215.9 mm水平井井眼的偏心式隨鉆微擴(kuò)眼器，用于清除井壁上微臺階、修整井壁改善井身質(zhì)量，同時對巖屑床具有擾動破壞作用[13]，提高井底清潔效果，現(xiàn)場應(yīng)用表明該工具有助于減少劃眼作業(yè)時間，提高起下鉆時效，降低電測、下套管固井的風(fēng)險等。

1 隨鉆微擴(kuò)眼器研制

隨鉆擴(kuò)眼器按其擴(kuò)眼原理可分為偏心式、固定翼式及液壓擴(kuò)張式等，主要用于擴(kuò)大井眼解決縮徑、固井質(zhì)量不高的問題[16-22]。對于隨鉆微擴(kuò)眼器，其主要功能是修整井壁、擾動巖屑床，因此采用簡易可靠的偏心式固定翼結(jié)構(gòu)。

1.1 結(jié)構(gòu)特征及工作原理

參考雙心擴(kuò)眼鉆頭的偏心設(shè)計原理，根據(jù)偏心刀翼高度、夾角與井眼通徑、擴(kuò)眼直徑的幾何關(guān)系確定隨鉆微擴(kuò)眼器的偏心距和主、副刀翼的布置[11,17](見圖1)，結(jié)合流場分析優(yōu)化工具的整體結(jié)構(gòu)。

圖1 隨鉆微擴(kuò)眼器偏心結(jié)構(gòu)示意圖

隨鉆微擴(kuò)眼器采用上、下兩組螺旋刀翼，并且在螺旋翼上鑲嵌切削齒。下刀翼組負(fù)責(zé)鉆進(jìn)隨鉆修整井壁或下鉆過程中的正劃眼，上刀翼組負(fù)責(zé)起鉆過程中的倒劃眼；上、下兩組螺旋刀翼旋向相反，可以實(shí)現(xiàn)工具的自主力平衡[10-12]。工具隨鉆柱旋轉(zhuǎn)傳遞扭矩，鉆進(jìn)或倒劃眼遇到井壁微臺階時由于偏心作用，鉆柱旋轉(zhuǎn)所形成的離心力迫使切削齒對井壁臺階進(jìn)行破巖[13]，實(shí)現(xiàn)微擴(kuò)孔后比原井眼尺寸稍大(見圖2所示)。

圖2 隨鉆微擴(kuò)眼器修整井壁微擴(kuò)眼示意圖

1.2 流場分析

由于上下兩組螺旋刀翼結(jié)構(gòu)會阻礙鉆井液流動，造成局部鉆井液流型發(fā)生改變，因此對隨鉆微擴(kuò)眼器的鉆井液流場進(jìn)行分析，優(yōu)化工具的刀翼尺寸和布置，分析結(jié)果見圖3和圖4所示。

由圖3可知，當(dāng)?shù)兑砺菪欠謩e為75°、80°、85°時，刀翼間最大流速分別為4.25 m/s、4.69 m/s、5.52 m/s，最大流速增大29.8%，因此優(yōu)選刀翼螺旋角為85°。

圖3 刀翼布置對流場影響

由圖4可以看出，當(dāng)?shù)兑韺挾确謩e為30 mm、40 mm、50 mm時，刀翼處的壓力損失分別為2 921 Pa、3 208 Pa、4 458 Pa，刀翼寬度40 mm時壓降損失增加幅度為9.82%，顯著低于50 mm時的增加幅度52.62%，因此,隨鉆微擴(kuò)眼器刀翼的最佳寬度為40 mm。

圖4 刀翼尺寸對流場影響

圖5給出了微擴(kuò)眼器螺旋刀翼對巖屑床擾動分析結(jié)果，可知在螺旋刀翼作用下井底巖屑沉積體積分?jǐn)?shù)由30%降低為6.7%，由于螺旋刀翼的擾動，環(huán)空內(nèi)巖屑沿周向分布更為分散，更有利于巖屑軸向運(yùn)移和清除攜帶。

圖5 螺旋刀翼對巖屑床擾動分析

1.3 適應(yīng)性及安放位置

通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計和流場分析，研制了適用于?215. 9 mm井眼的隨鉆微擴(kuò)眼器，結(jié)構(gòu)示意圖見圖6。工具外徑165 mm、最大通徑202 mm、內(nèi)徑85 mm，抗拉強(qiáng)度6 664 kN、抗扭強(qiáng)度159 kN·m。

圖6 隨鉆微擴(kuò)眼器示意圖

鉆具組合中加入隨鉆微擴(kuò)眼器后，鉆柱的剛性會發(fā)生變化，同時由于偏心結(jié)構(gòu)作用會造成鉆柱扭矩增加，圖7、圖8給出了隨鉆微擴(kuò)眼器安裝位置和使用前后對鉆柱附加扭矩的影響。

圖7 隨鉆微擴(kuò)眼器安裝位置對鉆頭扭矩影響

圖8 隨鉆微擴(kuò)眼器使用前后鉆頭扭矩變化(距鉆頭30 m)

由圖7可知隨著微擴(kuò)眼器距鉆頭距離增加，鉆頭處扭矩降低，當(dāng)超過120 m后逐漸趨于平穩(wěn)，相較于距鉆頭30 m降幅在6.38%以內(nèi)，但是整體上對扭矩影響較小，考慮到微擴(kuò)眼器越接近鉆頭位置擴(kuò)眼口袋越小效果越好，因此推薦安裝位置在底部鉆具組合上；由圖8可知使用隨鉆微擴(kuò)眼器后鉆頭處扭矩微幅增加，增加幅度低于6.65%，對扭矩增加的影響較小。

2 現(xiàn)場應(yīng)用效果

2.1 應(yīng)用情況

NX- 4井是位于四川盆地的一口三維頁巖氣水平井，造斜點(diǎn)井深3 020 m，A點(diǎn)井深3 628 m、完鉆井深5 150 m、水平段長1 522 m、井斜角87.8°。在三開?215. 9 mm水平段井眼中應(yīng)用了隨鉆微擴(kuò)眼器，應(yīng)用井段為4 397～5 150 m。NX- 3井是同井場相鄰?fù)愋退骄?，在NX- 3井中未使用隨鉆微擴(kuò)眼器，因此對兩井相同井段進(jìn)行相關(guān)參數(shù)對比分析。

NX- 4井水平段4 397～5 150 m采用鉆具組合為：PDC鉆頭+LWD+止回閥+無磁承壓鉆桿+隨鉆微擴(kuò)眼器+加重鉆桿+鉆桿。NX-3井在該井段除未加入隨鉆微擴(kuò)眼器外，其他底部鉆具組合相同。兩口井的鉆進(jìn)參數(shù)情況統(tǒng)計見表1所示。

表1 NX-3井和NX-4井的鉆井參數(shù)統(tǒng)計

2.2 應(yīng)用效果

圖9給出了NX- 4井和NX- 3井在4 397～5 150 m 井段井徑對比情況，可知該井段NX- 4井的井徑整體高于NX- 3井，表明隨鉆微擴(kuò)眼具有微擴(kuò)眼功能，井徑擴(kuò)大幅度最高9.53%。

圖9 NX-4井和NX-3井的井徑情況

圖10給出了NX- 4井和NX- 3井在4 397～5 150 m井段鉆進(jìn)扭矩的對比情況，整體而言NX- 4井的鉆進(jìn)扭矩低于NX- 3井，同時由表1中鉆時統(tǒng)計對比可知，NX- 4井優(yōu)于NX- 3井，表明隨鉆微擴(kuò)眼器通過修整井壁、微擴(kuò)孔、攪動巖屑有助于減少井下鉆柱扭矩。

圖10 NX-4井和NX-3井扭矩對比情況

圖11給出了NX- 4井和NX- 3井在4 397～5 150 m井段的鉆井時效對比情況。兩口井在完鉆后電測和下套管固井均是一次完成，但是由圖11可知在NX- 4井使用隨鉆微擴(kuò)眼器后劃眼、下套管固井和電測時效相較于NX- 3井分別提高了20.5%、8.09%和41.4%，應(yīng)用隨鉆微擴(kuò)眼后有利于提高鉆井時效。

圖11 NX-4井和NX-3井的鉆井時效對比

通過NX- 4井隨鉆微擴(kuò)眼器的使用情況可知，該工具的優(yōu)勢有：①改善井眼質(zhì)量，微擴(kuò)井眼效果好，偏心結(jié)構(gòu)和上下兩組螺旋刀翼能實(shí)現(xiàn)正反劃眼作用，消除井壁微臺階實(shí)現(xiàn)擴(kuò)孔后比原井眼尺寸稍大，井徑擴(kuò)大幅度最高9.53%；②提高鉆進(jìn)時效、擾動巖屑床效果較好，應(yīng)用井段電測、下套管期間無遇阻現(xiàn)象，劃眼、下套管固井和電測時效相較于鄰井分別提高了20.5%、8.09%和41.4%。

3 結(jié)論

(1)所研制的隨鉆微擴(kuò)眼器為偏心式結(jié)構(gòu)，上、下兩組螺旋刀翼用于清除井壁上微臺階，同時對巖屑床具有擾動破壞作用。

(2)工具采用整料銑削加工，沒有活動部件，可避免擴(kuò)眼刀翼落井的風(fēng)險，確保工具的井下工作安全性。

(3)現(xiàn)場應(yīng)用表明隨鉆微擴(kuò)眼器微擴(kuò)井眼、改善井眼質(zhì)量的效果好，同時可顯著提高鉆井時效，應(yīng)用井段電測、下套管期間無遇阻現(xiàn)象。