深井侧钻井复杂泥岩封隔技术研究与应用.pdf

一 2 0 一 石 油机械 C H I N A P E T R 0 L E U M M A C H I N E R Y 2 0 1 4年第4 2卷第 8期 钻井技术与装备 深井侧钻 井复杂泥岩封 隔技术研究与应 用 刘 晓民 郑江莉 1 ．中国石化 西北 油田分公 司工程技术研 究院 于 洋 陈陪亮 2 ．中国石化西北油 田分公 司工程监督 中心 术 摘要 针对塔河油田奥陶系侧钻井桑塔木和 巴楚组泥岩坍塌问题 ，提 出了扩孔后下入 1 3 9 ． 7 mm膨胀套管封隔复杂泥岩地层，然后持续钻进两开次的技术方案。优选 了5 i n X 5 i n 4 ％ i n C S D R 5 2 1 1 SB 2双心扩孔钻头和 4 7 5 K 4 5 7 0型螺杆进行定 向随钻扩孔 ，并对膨胀套管、小井眼钻 井等关键技术进行配套。该技术在塔河油田成功应用 3口井，应用结果表 明，采用定 向随钻扩孔 工艺平均井眼扩大率为 0 ． 5 0 ％ ～1 4 ． 7 7 ％ ，解决 了塔 河油 田侧钻井存 在 的扩孔技术难题；此外， 膨胀套管作业长达4 2 8 m，施工深达 5 5 0 8 m，固井优 良率达 8 4 ． 9 ％。深井侧钻 井复杂泥岩封 隔技 术为钻井过程中封隔复杂地层提供 了新的技术手段。 关键词侧钻井；复杂泥岩；随钻扩孔；膨胀套管；小井眼 中图分 类号 T E 9 2 5 文献 标识 码 B d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 4 5 7 8 ． 2 0 1 4 ． 0 8 ． 0 0 5 Re s e a r c h a n d App l i c a t i o n De e p S i d e t r a c k e d o f I s o l a t i o n Te c h no l o g y f o r Co mpl e x M ud s t o n e L i u Xi a o mi n Z h e n g J i a n g l i Yu Ya n g C h e n P e i l i a n g 1 ． R e s e a r c h I n s t i t u t e o f E n g i n e e r i n g T e c h n o l o g y ，N o r t h w e s t O i e l d C o m p a n y ，S 1 N O P E C；2 ． E n g i n e e r i n g S u p e r v i s i o n C e n t e r ， N o r t h w e s t O i e l d C o m p a n y ，S I NO P E C Ab s t r a c t T o a d d r e s s t h e c o l l a p s e i s s u e o f s i d e t r a c k e d S a n g t a mu a n d B a c h u mu d s t o n e s o f Or d o v i c i a n f o r ma t i o n i n t he Ta h e Oi l fie l d， t e c h n i c a l s o l ut i o n s a r e p r o p o s e d t o r u n i n 0 1 3 9 ． 7 mm e x pa n d a b l e c a s i n g t o i s o l a t e t h e c o m p l e x s h a l e f o r m a t i o n a ft e r r e a m i n g ，a n d t h e n t o d r i l l b y t w o s p u d s ． A 5 i n5 i n 4 ％ i n C S D R 5 2 1 1 S B2 d ua l c e n t e r r e a me r a nd 4 7 5 K4 5 7 0 t y p e po s i t i v e d i s p l a c e me n t mo t o r a r e s e l e c t e d t o r e a m wh i l e d i r e c t i o n a l d r i l l i n g ． Ot he r s u p po r t i n g t e c h n o l o g i e s l i k e e x p a n d a b l e c a s i ng a n d s l i m h o l e d r i l l i n g a r e a l s o a d o p t e d， ma k i n g t h e t e c h n o l o g y s u c c e s s f u l l y a pp l i e d i n t h r e e we l l s i n t he Ta he Oi l fie l d ． Ap p l i c a t i o n r e s u l t s s h o w t h a t t h e a v e r a g e h o l e d i a me t e r e n l a r g e me n t r a t e o f t he r e a mi n g whi l e d i r e c t i o n a l d r i l l i n g i s 0 ． 5 0％t o 1 4 ． 7 7％ ．wh i c h h a s a dd r e s s e d t h e p r o b l e ms i n r e a mi ng o f s i d e t r a c k we l l i n t h e Ta h e Oi l fie l d ． Th e e x p a n d a b l e c a s i n g i s u p t o 4 28 m l o n g wi t h a n o p e r a t i o n d e pt h o f 5 5 0 8 m a n d c e me n t i n g e x c e l l e nt r a t e o f 8 4 ． 9％ ． Th e i s o l a t i o n t e c h n o l o g y f o r d e e p s i d e t r a c k e d c o mp l e x mu ds t o n e h a s p r o v i d e d ne w t e c h n i c a l me a n s for i s o l a t i n g t h e c o mpl e x s h a l e f o r ma t i o n i n t h e pr o c e s s o f dr i l l i n g ． Ke y wo r d ss i d e t r a c k we l l ；c o mp l e x mu d s t o n e；r e a mi n g wh i l e d r i l l i n g；e x p a n d a b l e c a s i n g；s l i m h o l e 0 引 言 近年来，为满足地质避水要求，塔河油田老井 侧钻上提造斜点至石炭系巴楚组或奥陶系桑塔木组 泥岩井段 ，泥岩在井内液体浸泡下存在失稳问题 ， 易坍塌、掉块 ，给钻井、完井及采油工程带来了巨 大安全隐患 - 2 ] 。自2 0 0 7年以来 ，共有 2 0余 口侧 钻井在钻 、完井过程中垮塌 问题 比较突出，采用常 规技术难以满足地质开发需求 ，最有效的解决办法 基金项 目“ 十二五 ” 国家科 技重 大专项 “ 大 型油 气 田及煤 层气 开发 ” 之子 课题 “ 碳酸 盐岩 缝洞 型油 藏钻 井技 术 完善 与推 广 2 0 1 1 Z X 0 5 0 4 9 0 2 0 2 。 2 0 1 4年 第 4 2卷第 8期 刘晓民等 深 井侧 钻井复杂泥岩封 隔技术研究与应用 一 2 l一 是用管材对复杂泥岩实施机械封隔。因此，提 出了 扩孔后下人膨胀套管封隔复杂泥岩段 j ，然后持续 钻进两开次 的技术方案 一开对 1 7 7 ． 8 m m套管开 窗侧钻后 ，使用扩孔工具扩井眼，下人 1 3 9 ． 7 mm 膨胀套管封隔复杂泥岩 ，进行 固井和膨胀作业 ，膨 胀后内径可达 1 3 4 ． 5 m m；二开使用 1 3 0 mm钻头 继续钻达 目的层 。目前 ，该技术方案和工艺 已在塔 河油 田深井侧钻井中成功应用 3井次。 1 扩孔方式优选及动力钻具配套 T K 6 4 6 3 C H井采用钻后扩孑 L 方式 ，扩孑 L 后平 均井径 1 6 5 ． 1 m m，井眼条件基本满足膨胀管下人 要求 ，但钻后扩孔随着井斜增加难度增大 ，且延长 了钻井周期 、增加了钻井费用。因此 ，优选 5 i n 5 i n4 ％ i n C S D R 5 2 1 1 SB 2双心扩孔钻头 ， 并完成 了技术配套。优选 的钻头及配套技术在 T K 7 6 4 0 C H井和 T 8 1 6 K C H 2井进行了试验。 1 ． 1 定向随钻扩孔钻头特征 双心钻头 由领眼钻头、预扩孔部分和全尺寸扩 孔部分组成。领眼钻头直径 1 4 6 ． 1 m m、刀翼 5个 ， 预扩孔部分直径 1 3 3 ． 4 m m、刀翼 3个 ，全 尺寸扩 孑 L 部分直径 1 4 6 ． 1 m m，刀翼 2个 ，钻头 总体长度 0 ． 6 6 m，扩孑 L 后井 眼直径 1 6 5 ． 1 mm。 1 ． 2 双心钻头的力平衡性及稳定性 双心钻头由于其特殊的外形设计 ，与常规全面 钻进钻头有不 同的力平衡关系。通过预扩孔段等技 术改进与实施 ，C S D R 5 2 1 1 SB 2型双心钻头将 不 平衡 力控制在 3 ％ 以下 ，与常规 P D C钻头基本 相 同，保证 了钻头的使用寿命及井眼质量 j 。 C S D R 5 2 1 1 SB 2型双心钻头在设 计 中引入 预 扩孔段 ，其刀翼与其扩出的井眼在周 向上接触范围 大于 1 8 0 。 ，限制 了其 向对 称 面的移 动；同时 ，由 于预扩孔段 的存在 ，也减少 了主扩孑 L 段 的破 岩任 务 ，保证 了钻头的稳定性 。 1 ． 3 动力钻具配套 由于双心钻头定 向扩孔作业时，钻头本身存在 较大振动 ，要确保实现扩孔效果 ，对转速要求较高。 因此，笔者优选出 P a i s a n o 公司的 4 7 5 K 4 5 7 0型螺杆。 该螺杆角度范围 0～ 3 。 ，直径 1 2 0 m m；排量为 1 1 L ／ S 时，螺杆压降为 2 ． 7 5 MP a ；螺杆转速为 1 8 0～1 8 5 r ／ mi n时 ，输出扭矩为 1 6 0 0 N m，满足双心钻头 定 向扩孑 L 需求。 2 膨胀管关键技术分析 2 ． 1 材 料优 选及 性 能指标 无缝膨胀套管存在壁厚不均匀及含碳量高的缺 陷 ；E R W 钢管 直缝焊管 同无缝管相 比含碳量 低 左右 ，伸长率高 8～1 0倍 ，焊接后套管组织均 匀 ，冲击韧性较好 ，可实现均匀膨胀 ，且价格 比同 类无缝管低 1 0 ％以上_ 5 J 。因此 ，优选 E R W 焊管 作为膨胀套管管体材料 ，采用特殊的生产工艺，最 终的膨胀套管管体具有较好的力学性能。 根据井眼固井间隙以及下入能力的分析 ，选择 1 3 9 ． 7 mm膨胀 管 ，膨 胀管壁 厚 7 ． 7 2 m m，内径 1 2 4 ． 3 mm，膨 胀 后 外 径 1 4 9 ． 3 m m，内径 1 3 4 ． 5 m m，通径 1 3 1 ． 3 m m，抗 内压大 于 4 5 MP a ，抗挤 压力大于 2 5 MP a 。 2 ． 2 膨胀螺纹优化设计 针对深井 、斜井及裸 眼井况 ，借鉴了先进螺纹 的设计思想 J ，采用无接箍式螺纹 ，选用锥面／ 锥面 密封形式，密封锥度为 1 5 ，齿形为偏梯形 和倒勾 式 ，加长螺纹有效长度 ，并增加螺纹加厚装置。 2 ． 3 膨胀套管施工工艺及管 串优化研究 针对深井膨胀套管施工情况 ，采用 固井一膨胀 一 候凝方式作业。优化 了膨胀套管管 串结构 ， 如图 1 所示。该管串结构包括固井附件、膨胀套管 总成和内管工具。固井附件包括内置式浮鞋、球座 及固井胶塞等；膨胀套管总成包括膨胀启动器 、膨 胀套管、膨胀悬挂器等 ；内管工具包括膨胀锥 、对 扣接头、安全接头和刮泥器等。在深井 中考虑到 内 管柱抗拉力 ，上部采用 0 8 8 ． 9 m m钻杆，下部膨胀 套管内选择 7 3 ． 0 m m加厚油管 。 5 6 7 8 喇 叭 口9 1 0 1 1 1 一 浮鞋 ；2 一球座 ；3 一膨胀锥 ；4 一对扣接头 ；5 一 膨胀套 管 ；6 一刮泥器 ；7 一不锈钢螺 纹加厚装置 ； 8 一 膨胀悬挂器 ； 9 7 3 ． 0 mmJ Il 厚油管 ； 1 O 一转换 接头 ； 1 1 一口 8 8 ． 9 m m钻杆 。 图1 膨胀套管管串优化结构图 F i g ． 1 S t r u c t u r a l d i a g r a m o f e x p a n d a b l e c a s i n g s t r i n g o p t i mi z a t i o n 2 0 1 4年 第 4 2卷 第 8期 刘晓 民等 深 井侧钻 井复杂泥岩封 隔技 术研 究与应用 T 8 1 6 K C H 2井定 向随钻扩孔效果 如图 3所示。 扩孔段 5 2 9 0～ 5 3 7 4 m的平均井径 1 8 3 ． 1 m m，平均 井 眼扩 大 率 1 0 ． 9 2 ％；5 3 7 4～5 4 2 6 m 平 均井 径 2 0 8 ． 8 m m，平均井眼扩大率 2 6 ． 4 6 ％ ；5 4 2 6～5 6 9 2 m平均井径 1 6 6 ． 1 m m，平均井眼扩大率 0 ． 5 0 ％。 ‘ ． I - f I l I - l 蚋 l _ } 曩 l l ● _ 1 吁 }． 1 J 射 - _ I 融 H l - i I l l } ’ 哪 l ， j ． i -l 强 l 正 誓 - ⋯ ． 圈 一 ． l ’ ． ⋯。 ， ’’■‘ ’ 。 ’．■■●●- ■ 井 深／ m a ．2 、4 臂井 径测 井 曲线 m 【 j睚 } ● 一 ●啊 f n jI l‘ l● 一 f ． ， ’ 4 J _ U l , lt I l l i ．． ● - l ‘L - 擅 t ，一 ’ r。 一 ． 1 一1 。_ 辅 ■ ，’’_ _ 1■， ’ ． 5 结 论 1 采用定 向随钻扩孔工艺平均井 眼扩大率 为 0 ． 5 0 ％ ～1 4 ． 7 7 ％ ，该工艺解决 了塔河油 田深井 侧钻井扩孑 L 技术难题 。 2 扩孔后下 人膨胀套管封 隔复杂泥岩 ，然 后二开小井眼持续钻进的两开技术方案适用于塔河 油田，膨胀套管作业长达 4 2 8 m，施工深达 5 5 0 8 m，固井优 良率达 8 4 ． 9 ％。该技术方案解决 了深井 侧钻泥岩垮塌的难题 。 参考文献 [ 1 ] 周伟 ，耿云鹏 ，石媛媛，等 ．塔河油田超深井侧钻 工艺技术 探讨 [ J ]．钻采工艺，2 0 1 0 ，3 3 4 1 081 1 1 ． [ 2 ] 李双贵，高长斌 ，方建波，等 ．塔河油田简化结构 井开窗侧钻技术优化研究 [ J ]．石油实验地质， 2 0 1 2 ，3 4 1 1 0 61 0 8 ． [ 3 ]L e e L o h o e f e r C，Ma t h i s B ． E x p a n d a b l e l i n e r h a n g e r p r o v i d e s c o s t - e f f e c t i v e a l t e r n a t i v e s o l u t i o n[ R]． S P E 5 91 51，20 00 ． [ 4 ] 周伟，于洋，刘晓民，等 ．定向随钻扩孑 L 钻压分配 及优化 [ J ]．石油机械 ，2 0 1 3 ，4 1 2 4 5 4 9 ． [ 5 ] 肖国章，高霞，张建兵，等 ． E R W套管用作膨胀管 简析 [ J ]．焊管，2 0 0 9 ，3 2 6 4 0 4 1 ， 4 5 ． [ 6 ] 于洋，周伟，刘晓民，等 ．实体膨胀管的膨胀力有 限元数值 模拟及 其应 用 [ J ]．石油 钻探 技术， 2 0 1 3 ，4 1 5 1 0 71 1 0 ． [ 7 ] 李作会 ．膨胀管关键技术研究及首次应用 [ J ]．石 油钻采工艺 ，2 0 0 4，2 6 3 1 71 9 ． [ 8 ] 张东海 ．膨胀管技术的现状及未来 [ J ]．特种油气 藏 ，2 0 0 7 ，1 4 1 3 6 ． [ 9 ] 龙斌 ．实体膨胀管技术在塔河油田T K 1 0 5 1井的应 用 [ J ]．西部探矿工程，2 0 0 9 9 4 6 4 8 ． [ 1 0 ] 高向前，李益良，李涛，等．侧钻水平井膨胀套管 完井新技术 [ J ]．石油机械，2 0 1 0 ，3 8 1 1 8 1 9．3 4． 第一作者简介 刘 晓民 ，工 程师 ，生于 1 9 8 1 年 ，2 0 0 7 年毕业于中国石油大学 北京油气井工程专业 ，获硕士 学位 ，现从事钻井工艺优化工作 。地址 8 3 0 0 1 1 新疆乌鲁 木 齐 市。 电 话 0 9 9 1 3 1 6 1 1 7 7 。E m a i l x i a o m i n 5 0 5 1 2 6．e om。 通信作者 于洋 ，Em a i l t u o j i a n g n i u 1 2 6 ． c o rn。 收稿 日期 2 0 1 4 0 4 0 8 本文编辑鄢玲俐