膨胀波纹管技术在大斜度井易垮塌地层的应用

张辉，王锦昌，王翔，刘永胜，魏凯，王健

（中国石化华北分公司石油工程技术研究院，河南 郑州 450006）

膨胀波纹管技术在大斜度井易垮塌地层的应用

张辉，王锦昌，王翔，刘永胜，魏凯，王健

（中国石化华北分公司石油工程技术研究院，河南 郑州 450006）

为有效解决PG22井大斜度井段太原组31 m泥岩和55 m煤层互层易垮塌问题，首次在大牛地水平井进行了小尺寸膨胀波纹管技术试验。通过双井径测井、扩眼作业、膨胀波纹管入井、水力膨胀、2次机械膨胀以及磨鞋通径，在最大井斜角为73.69°时成功实现了109.1 m的膨胀管施工。结果表明：试验封闭井段2 877.00～2 986.10 m，全角变化率4.00～9.40°/ 30 m，创下国内最大井斜条件下最长膨胀波纹管施工记录，实现了膨胀波纹管入井井斜和长度的双重突破，为解决大牛地气田太原组大段泥岩和煤层井壁失稳问题提供了经验 。

泥煤互层；垮塌；膨胀波纹管；扩眼；膨胀；太原组

0　引言

大牛地气田位于鄂尔多斯盆地东北部，相控储层以大型岩性圈闭为特征，发育海相、海陆过渡相、陆相3套储集岩系，属于含煤碎屑岩含油气体系［1-5］。其中，二叠系下统山西组，以及石炭系上统太原组地层有煤层夹层，且裂缝发育，胶结松散，多含有泥质矿物而呈脆性，易垮塌［6-8］。水平井是大牛地气田开发的主要手段［9-13］，以山西组、太原组和下古生界为主要目的层的水平井，在水平段和造斜段往往钻遇大段泥岩和煤层互层，缩径、垮塌等容易诱发较多的复杂情况。采用常规的回填、控制钻井液密度和失水等方法，难以有效解决该问题。

PG22井太原组泥岩和煤层垮塌，造成井下复杂情况频发，先后进行了2次回填作业，均未能有效解决。本文针对该问题，首次提出在大牛地进行φ149.2 mm小尺寸膨胀波纹管技术试验，利用膨胀后的波纹管对井壁形成有效支撑，彻底解决垮塌问题。

1　膨胀波纹管技术

膨胀波纹管技术主要用于封隔复杂地层段的各种井漏、井塌，补贴损坏套管，延长技术套管长度等方面。其最大优点在于不损失井眼尺寸情况下创造稳定的井下环境，能够最大限度地降低钻井风险［14］。其原理是，对塑性变形较好的圆形管材进行冷压处理，减小外径，形成截面呈“8”字的波纹管（见图1），待管串入井后，通过水力膨胀和机械膨胀相结合的方法将其完全膨胀成圆形管，紧贴井壁，达到有效支撑井壁、封隔复杂地层的目的［15-17］。膨胀波纹管有多种尺寸，本井采用φ149.2 mm膨胀波纹管，壁厚7.00 mm，膨胀后抗内压强度为43.8 MPa，抗外挤强度为12.0 MPa。

图1　“8”字型波纹管截面示意

2　现场试验

2.1PG22井基本情况

PG22井为下古生界一口评价水平井，设计完钻层位为奥陶系马家沟组，设计井深4 079.33 m，设计垂深2 883.00 m，采用三级井身结构裸眼预置管柱完井，具体参数见表1。

表1　PG22井设计井身结构

在PG22井实钻过程中，先后经历2次泥岩和煤层垮塌，诱发了较多的复杂情况，严重影响了后期钻井施工。具体情况如下：

1）套管脱扣、钻穿管套。二开完钻下φ177.8 mm套管至3 089.26 m后，钻井液循环出现井漏，堵漏过程中出现憋泵现象，泵压升至20.0 MPa，井口失返。判断为下部环空太原组泥岩、煤层严重垮塌，彻底堵死环空。上提最大拉力至1 600 kN，无法拔出套管，最后采用正注反挤固井施工。扫塞过程中发现铁屑和地层岩屑，经验证，从2 931.70～2 932.86 m（井斜31.54°，垂深2 783.80 m）井段钻穿管套。

2）划眼出现新井眼。回填后采用套管开窗侧钻方案，上窗口位于2 870.49 m，下窗口2 873.09 m，侧钻点2 873.09 m，具体参数见表2。采用φ152.4 mm钻头钻至3 386.74 m，更换稳斜钻具划眼遇阻，判断为侧钻斜井段太1段黑色煤及灰黑色泥岩垮塌，在2 930.00 m划出新井眼，继续二开，划眼至2 971.00 m时井眼垮塌严重。

表2　侧钻点数据

再次回填后，随钻扩孔重新侧钻至3 000.00 m。在2 880.00～2 985.00 m钻遇煤层和炭质泥岩互层，井斜59.78°～73.69°，为易垮塌井段。其中，煤层4层共计31 m，泥岩6层共计55 m。为防止大斜度井段太原组大段泥岩和煤层互层垮塌，避免再次划出新井眼，决定对PG22井进行φ149.2 mm膨胀波纹管试验。

2.2施工过程

PG22井膨胀波纹管施工主要包括井眼准备、波纹管下入、水力膨胀、机械膨胀以及磨鞋通径［18］，其中井眼准备包括测井和扩孔作业。膨胀管入井要求：1）2 873.00～2 990.00 m井段，井眼狗腿度小于10.00°/30 m；2）双井径测井井径在168.00～178.00 mm；3）入井前井壁无垮塌，钻柱顺利下至2 986.10 m，没有阻卡。

2.2.1测井作业

裸眼段测井主要是检测井径能否满足膨胀波纹管入井要求。双井径测井［19］测量井段 2 850.00～2 997.08 m，测量结果见图2，其中波纹管入井要求井径为168.0 mm。由图可知，大部井径小于该尺寸，小井径在161.0～162.0 mm，局部为151.0～155.0 mm，未达到下膨胀管入井井径要求，要进行钻后扩眼施工。

2.2.2扩孔作业

基于井径测量结果，必须对裸眼井段进行扩眼作业，而扩眼质量直接决定着后期膨胀施工能否顺利进行。常规牙轮式扩眼工具稳定性较差，容易形成较大台阶，且太原组泥岩、煤层经机械碰撞容易引起较多掉块，扩眼施工难度较大；因此，通过综合分析井况，本次扩眼作业优选YK152-178型孕镶PDC刀翼式水力扩眼器，其技术参数见表3。该扩眼工具主要由外壳体、泵压调节装置、活塞总成、复位弹簧、刀片等组成，工作原理是利用钻井液产生的压力降推动活塞运行，控制内嵌式刀片张开与收缩。

图2　PG22井测井结果

表3　YK152-178型水力扩眼器技术参数

扩眼段为2 941.00～2 990.00 m，通过合理设置钻压、扭矩，严格控制钻井液密度和失水，逐步调高施工排量和钻井液黏度，提高岩屑清洗效率，保证扩眼施工平稳作业，具体施工参数见表4。扩眼器出井后测量外径为177.0 mm，判断裸眼段通径大于177.0 mm，满足膨胀管入井要求。考虑泥岩和煤层的垮塌周期，不再测井，直接下入膨胀波纹管。

表4　扩眼参数

2.2.3膨胀管下入

波纹管串采用钻具输送方式入井，管串结构为：钻柱+提升短节+上接箍+上过渡接头+波纹管+下过渡接头+下接箍+下堵头。每根波纹管间通过焊接连接［20］，采用单面焊接双面成型工艺，保证焊缝与本体具备相同的膨胀率，每条焊缝耗时2 h。焊接后均采用便携式X射线设备检测。为PG22井焊接波纹管10根，共计13道焊缝，其中地面焊接9道焊缝，井口焊接4道焊缝，现场检测未发现明显缺陷。

膨胀波纹管下入过程中，2 500.00 m以上按正常下钻速度下放，自2 500.00 m开始降低速度，特别是在上窗口处，速度控制在15～20 min/柱。由于下堵头非单流阀，为防止裸眼段含岩屑钻井液倒灌至膨胀管内，影响投球坐封效果，下至侧钻点处，泵入1.53 g/cm3重钻井液1.5 m3。

膨胀管总长109.1 m，地面测量外径146.00 mm，膨胀管封闭井段2 877.00～2 986.10 m，井斜为59.72～73.69°，全角变化率在4.00～9.40°/30 m。

2.2.4水力膨胀

膨胀管下至预定位置后，投球坐封，之后水泥车阶梯式打压，压力每上升5.0 MPa，稳压10 min，膨胀压力达到25.0 MPa时，稳压15 min，若压力不下降，则水力膨胀完成。但是，在现场施工过程中，阶梯打压至16.0 MPa，稳压20 min，打压至18.0 MPa后，压力无法上升，停泵后压力降至0 MPa，未达设计压力，判断波纹管串刺漏。为进一步增大膨胀管形变，一方面增大循环压力，三凡尔开泵循环钻井液，增大循环泵压至32.0 MPa；另一方面，增大管串内外压差，打重钻井液6 m3，开泵打压至25.0 MPa。

水力膨胀未能达到预期压力，给后期机械膨胀施工带来较大困难，但结合室内实验推测，膨胀管在18.0 MPa压力下通径为136.0 mm以上，内径能够基本满足后期机械膨胀要求。水力膨胀结束后，卸压。验封，下压50 kN，下行0.35 m；上提150 kN，上行0.65 m，均属于管串正常伸缩量，判断波纹管已经贴合井壁。开转盘，正转55圈，回转29圈，上提2.00 m，倒扣成功，起钻。

2.2.5机械膨胀

机械膨胀是水力膨胀施工后的必要步骤，其主要作用是进一步增大膨胀管的形变，使其与井壁的贴合程度更高，满足后期钻井施工要求。机械膨胀共2次，分为螺旋胀管器膨胀和球形偏心胀管器膨胀。

第1趟采用“φ135.0 mm圆底磨鞋+φ149.0 mm螺旋胀管器”膨胀，至2 986.00 m，下探至2 988.00 m放空，起钻。钻具组合：φ135.0 mm圆底磨鞋+φ149.0 mm螺旋胀管器+φ88.9 mm加重钻杆5柱+φ88.9 mm钻杆119根+φ88.9 mm加重钻杆19根+φ88.9 mm钻杆。其中：圆底磨鞋主要用于磨铣上接箍、下堵头和下接箍，并引导螺旋胀管器顺利进入波纹管；螺旋胀管器则是依靠钻压和扭矩共同作用产生外挤力，胀开上下过渡接头及一定程度修正波纹管本体。施工参数：钻压20 kN，转盘转速46 r·min-1，排量13.2 L/s，泵压21.0 MPa，转盘空转扭矩6.7～6.9 kN·m，磨铣时转盘扭矩7.2～8.7 kN·m。

第2趟采用φ149.0 mm球形偏心胀管器膨胀，利用球体φ3 mm偏心结构设计，修整波纹管串，内径可达150.0～152.0 mm，满足相应尺寸的钻头入井要求［21］。

第2趟机械膨胀期间，每单根修整3次，畅通后接单根，膨胀施工扭矩平稳，机械膨胀完成后上提下放均无显示。钻具组合：φ149.0 mm球形胀管器+φ88.9 mm加重钻杆5柱+φ88.9 mm钻杆119根+φ88.9 mm加重钻杆19根+φ88.9 mm钻杆。修整参数：钻压10～20 kN，转速65 r·min-1，排量12.1 L/s，泵压18 MPa，转盘扭矩6.0～8.7 kN·m。

2.2.6磨鞋通径

为实现波纹管全通径，采用φ149.2 mm平底磨鞋去除圆底磨鞋磨铣期间的附件残留，修整机械膨胀造成的管体损伤。采取了每个单根划2遍的措施划到井底，磨铣下堵头用2 h，整体施工顺利。

2.3效果评价

磨鞋通径起钻后，下入φ149.2 mm PDC+1°螺杆，穿过膨胀波纹管，在2 910.00，2 938.00，2 950.00 m处显示阻力80～140 kN，均为泥页岩与煤层交接点。下钻到底，恢复正常钻进，平均单日进尺近140.00 m。后期起、下钻经过膨胀管时，再无遇阻显示，说明膨胀波纹管施工效果较好。

3　结论

1）PG22井膨胀波纹管试验是在大牛地的首次应用，成功在最大井斜角73.69°实现了109.1 m的膨胀管施工。

2）双井径测井、扩眼作业为膨胀波纹管入井前的必要措施，YK152-178型水力扩眼器能够适应大斜度井扩眼施工。

3）水力膨胀压力达到18.0 MPa时，膨胀波纹管内径能够基本满足后期机械膨胀施工需要。

4）膨胀波纹管试验成功，为解决大牛地气田太原组泥岩和煤层井壁失稳问题提供了充实的依据。

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（编辑高学民）

Application of expandable convoluted tubing technique in easy collapsed formation of highly deviated well

Zhang Hui，Wang Jinchang，Wang Xiang，Liu Yongsheng，Wei Kai，Wang Jian
（Research Institute of Engineering Technology，Huabei Company，SINOPEC，Zhengzhou 450006，China）

The small expandable convoluted tubing technique is first used in Daniudi to solve the easy-to-collapse alternating layers of 31 m shale and 55 m coal bed of Taiyuan layer of PG22 effectively.By dual caliper logging，reaming operations，tubing into the wellbore，the hydraulic expansion，two mechanical expansions and grind shoe clearing the wellbore，PG22 succeeds in expanding 109.1m expandable convoluted tube and isolating depth of 2，877.00-2，986.10 m，where the maximum deviation angle is 73.69°and the whole-angle rate of change is 4.00-9.40°/30m.The well reaches the longest expansion in the maximum inclination and achieves a double breakthrough in inclination and length.The expandable convoluted tubing technique can effectively solve the collapse of long shale and coal bed of Taiyuan layer in the high-angle well section.The study provides valuable experience for the solution of the collapse oflong shale and coalbed ofTaiyuan layer in Daniudi.

shale-coal bed；collapse；expandable convoluted tube；reaming；expand；Taiyuan layer

国家科技重大专项专题“特殊结构井钻完井工艺技术研究”（2008ZX05045-003-3）

TE243

A

10.6056/dkyqt201503027

2014-12-20；改回日期：2015-03-30。

张辉，男，1986年生，工程师，硕士，2012年毕业于中国地质大学（武汉）资源学院油气井工程专业，现从事钻固井工艺技术研究。E-mail：zhanghui2012zwjs@163.com。

引用格式：张辉，王锦昌，王翔，等.膨胀波纹管技术在大斜度井易垮塌地层的应用［J］.断块油气田，2015，22（3）：394-397. Zhang Hui，Wang Jinchang，Wang Xiang，et al.Application of expandable convoluted tubing technique in easy collapsed formation of highly deviated well［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2015，22（3）：394-397.