南海西部高温高压探井随钻扩眼技术

李中李炎军杨立平杨玉豪吴江谢露

1.中海石油（中国）有限公司湛江分公司；2.中海油能源发展股份有限公司；3.中海油能源发展股份有限公司工程技术公司湛江分公司

南海西部高温高压探井随钻扩眼技术

李中1李炎军1杨立平2杨玉豪1吴江1谢露3

1.中海石油（中国）有限公司湛江分公司；2.中海油能源发展股份有限公司；3.中海油能源发展股份有限公司工程技术公司湛江分公司

南海西部海域莺-琼盆地地温梯度大、压力系数高，在高温高压井段作业时往往需要维持较高的钻井液密度，导致安全密度窗口窄，钻井过程中易发生漏、喷同存的复杂情况。为提高高温高压井的钻井安全和效率，采用随钻扩眼技术，增加套管层次，进而为钻井作业提供良好安全窗口。以莺-琼盆地某高温高压井钻井难点入手，分析了针对目标区域钻井难点的相应对策，并从扩眼技术适应性、扩眼工具选型、扩眼工具与领眼钻头尺寸优选、扩眼钻具振动分析、水力分析、现场技术关键等方面对随钻扩眼工艺进行分析，形成了相应的随钻扩眼工艺技术。

海洋钻井；非常规井身结构；随钻扩眼；南海西部；高温高压

与常规扩眼相比，随钻扩眼能在套管下部扩眼形成大于上层套管内径的井眼，实现非常规井身结构，增加套管层次，提供良好的安全窗口，是解决高温高压、深水等窄压力窗口钻井问题的一项有效技术措施。目前，国内对随钻扩眼技术的研究较多，但现有公开文献中多对相关配套工具发展情况和力学理论模型进行论述［1-3］，较少涉及该技术在国内海上高温高压井中的应用设计分析研究。结合南海西部某高温高压探井实际情况，重点分析随钻扩眼工艺设计和现场使用方面的主要考虑因素，形成相应的随钻扩眼工艺技术，旨在提高高温高压钻井的安全性、作业效率和降低综合成本。

1 钻井难点及对策

Drilling difficulties and countermeasures

（1）高温高压并存。某井设计井深3 856 m，在井深2 300 m处预测压力系数达1.8，井底压力系数更是高达2.17，井底静止温度超过190 ℃。

（2）窄密度窗口。在高温高压井深层作业中，地层破裂压力（或漏失压力）与孔隙压力比较接近，钻井液密度调整范围小，极易出现又漏又喷的复杂情况，井控难度极大。从图1中可以看出：孔隙压力在1 500 m前为正常压力系数1.00～1.05，进入目的层前压力系数逐渐抬升至2.07，而目的层压力系数为2.07～2.17；井深2 500 m以下井段的静态作业窗口不大于0.20 g/cm3，最低为0.1 g/cm3，钻井液安全窗口窄。

（3）同层位邻井资料缺乏，深层作业经验少。该高温高压探井为所属区块的预探井，共有6口邻井。其中，5口邻井完钻井深在2 000 m左右，只有1口井的井深达到4 568 m。相对而言，在该区块的高温高压深井作业经验偏少，能从邻井获取的同层位地质资料有限。对于地质上尚未有明确的VSP（垂直地震剖面）卡层前，钻井过程中压力不确定性极大，遭遇更高温压系统的风险极高。

针对以上难点，本井设计利用随钻扩眼技术实现非常规井身结构来扩大各井段的安全密度窗口。其中，设计有2个扩眼井段：在Ø355.6 mm套管下部扩Ø374.65 mm井眼、Ø298.45 mm尾管下部扩Ø311.15 mm井眼，设计井身结构见图1。

图1 南海某高温高压探井预测压力曲线及设计井身结构Fig.1 Pressure prediction cure and casing program design of a certain HTHP exploration well in South China Sea

2 随钻扩眼工艺设计分析

Analysis on RWD technology design

随钻扩眼技术属于非常规钻井技术，存在钻头和扩眼器2个破岩点。与常规钻井相比，随钻扩眼在工艺设计方面考虑因素更多，具有一定独特性。

2.1 随钻扩眼可行性分析

RWD feasibility analysis

以往研究和实践表明，随钻扩眼技术在硬地层中的应用受到一定限制［4］。一方面，随钻扩眼钻进时振动风险较高，在地层岩石较硬的条件下更突出；另一方面，在硬地层中扩眼的井径可能相对偏小，尤其对液压控制的扩眼器的影响较大。因此，应根据待钻地层的岩石力学特性来对随钻扩眼可行性做合理评估，进而优选合适的扩眼工具。

目前，待钻地层岩石力学特性一般根据邻井测井资料、岩石力学经验回归模型计算得到。结合邻井数据，该高温高压探井地层平均抗压强度35 MPa，平均内摩擦角小于30°，地层较软，可钻性好，振动风险小，随钻扩眼可行。

2.2 扩眼工具选型及工作原理

Selection and working principle of reaming tools

2.2.1 扩眼工具选型 选择合适的扩眼工具是保证扩眼钻进顺利的重要前提。扩眼工具选择原则为：能否实现套管下扩眼，一趟钻完成钻水泥塞和扩眼钻进，不平衡力产生的振动风险小，具备倒划眼齿，扩眼器的激活控制简便，耐高温以及在南海西部油田的使用情况。综合考虑，推荐在该高温高压探井中选用Rhino XS Reamer系列膨胀式扩眼器。该扩眼器最高耐温可达232 ℃，且在南海西部海域多口深水井应用中性能稳定，扩眼效果良好。

2.2.2 工作原理 Rhino XS Reamer系列膨胀式扩眼器属于同心扩眼器，主要由外壳、弹簧机构、扩眼刀翼、喷嘴、滑筒、销钉等组成。Rhino XS Reamer系列随钻扩眼器在正常钻井作业状态下，扩眼器刀翼在弹簧结构的控制下紧贴心轴。当钻进至待扩眼地层时，投球憋压，滑筒销钉被剪断，滑筒下行改变流体流动通道，流体分流为钻具内和扩眼器水眼两部分。开泵并逐渐提排量，当钻具内外压差达到5.5 MPa时，推动扩眼器活塞，使得扩眼刀翼克服弹簧推力并沿本体的Z型槽向上、向外推出，扩眼器激活到扩眼状态。当扩眼结束后，停泵，弹簧机构推动扩眼器刀翼下行并沿本体槽缩回。Rhino XS Reamer系列随钻扩眼器非扩眼与扩眼状态下对比情况见图2。

图2 Rhino XS Reamer系列随钻扩眼器结构示意图Fig.2 Schematic structure of Rhino XS Reamer reamer while drilling

2.3 扩眼工具与领眼钻头尺寸优选

Size selection of reaming tools and pilot bits

随钻扩眼钻进是扩眼器与领眼钻头同时破岩，若扩眼器与领眼钻头尺寸选择不合理，会引起两者承受的钻压/扭矩分配不均［5-6］，进而导致扩眼器无法有效破岩或者加剧扩眼器切削齿的损伤。优选扩眼工具与领眼钻头尺寸时应综合考虑待扩井段的要求、合理的钻压分配、所用随钻扩眼器规格参数，并且领眼钻头尽量选用API标准系列的钻头。

根据该高温高压探井的钻井要求：Ø355.6 mm套管下部扩Ø374.65 mm井眼、Ø298.45 mm尾管下部扩Ø311.15 mm井眼。采用双因素法理论模型［7］对2个井段合理的钻压分配进行计算分析，图3中分别为扩眼器尺寸374.65 mm、311.15 mm时，不同领眼钻头对扩眼器钻压分配的影响结果。

图3 不同尺寸领眼钻头对扩眼器钻压分配的影响Fig.3 Effect of pilot bit with different sizes on the WOB distribution in reamer

由图3可知，当扩眼器直径为374.65 mm时，Ø215.9 mm、Ø241.3 mm、Ø269.88 mm领眼钻头对应的扩眼钻压分配比超过40%，最高达到66.79%，这可能造成扩眼钻进的不平稳；Ø368.3 mm领眼钻头对应的扩眼钻压分配比很小，仅为3.36%，可能无法实现有效破岩；Ø307.98 mm和Ø311.15 mm对应的扩眼钻压分配约30%，较为合理。当扩眼器直径为311.15 mm时，Ø215.9 mm、Ø241.3 mm领眼钻头对应的扩眼钻压分配比较高，均超过40%；采用与扩眼器尺寸接近的领眼钻头（Ø307.98 mm、Ø311.15 mm）对应的扩眼钻压分配比接近0；Ø269.88 mm领眼钻头对应的扩眼钻压分配为24.77%，较为合理。

综上所述，推荐该高温高压探井在2个扩眼井段中的选择分别为：Ø311.15 mm领眼钻头&Ø374.65 mm的11625系列扩眼器、Ø269.88 mm领眼钻头&Ø311.15 mm的10000系列扩眼器。

2.4 扩眼钻具振动分析及钻井参数确定

Vibration analysis of reaming tools and determination of drilling parameter

与常规钻进相比，随钻扩眼振动风险更大。随钻扩眼钻进过程中钻头、扩眼器同时切削岩石，当钻进不同硬度的地层时会造成扩眼器和钻头的钻速不同，从而在钻柱中产生扭转和横向振动；另外，旋转时扩眼钻具不对中等因素使得扩眼钻具与井壁之间的碰撞更激烈［8］。若扩眼钻具设计不当，那么频繁振动会造成钻头或扩眼器过早磨损和井下精密仪器（LWD/MWD）损坏。大量研究表明，钻柱振动与钻压、转速、地层岩石性质、井身结构等因素有关，钻井现场通常也是采取改变钻压、转速等参数来减小钻柱的振动。因此，在设计之初，根据待钻地层特性，从振动最小化的角度来推荐合理的钻压、转速。

对本井扩眼井段进行分析，Ø374.65 mm扩眼井段控制钻压45～113 kN、转速60～150 r/min，振动在可接受范围；Ø311.15 mm扩眼井段控制钻压45～136 kN、转速80～150 r/min，振动在可接受范围。

2.5 扩眼钻具水力分析

Hydraulic analysis of reaming tools

合理的水力参数能加强水力破岩和清岩效果。随钻扩眼钻进过程中，钻井液分流到扩眼器和钻头两处，若流量分配不合理，钻头处喷射速度和比水马力不足，可能会造成井眼清洁效率差，甚至钻头泥包、水眼被堵等复杂情况。水力参数的合理与否与泥浆泵机泵条件、钻井液性能、钻具结构、井眼尺寸、井深大小等因素有关［9］，当这些因素确定后可以通过喷嘴组合的优化来对水力参数进行评价。同时，由于选用的随钻扩眼器的开启/关闭依靠液压驱动，当钻柱内外的压差达到5.5 MPa时扩眼刀翼才能完全张开。因此，选择的排量至少要能满足刀翼张开的临界压差。综合考虑，Ø374.65 mm扩眼井段选择Ø12.7 mm×6（钻头）+ Ø7.14 mm×3（扩眼器）的喷嘴组合，排量3 000 L/min；Ø311.15 mm扩眼井段选择Ø11.11mm×6（钻头）+ Ø6.35 mm×3（扩眼器）的喷嘴组合，排量2 800 L/min。

3 现场应用

Field application

3.1 随钻扩眼基本情况

RWD basic situations

该高温高压探井实际钻井过程中依据前面的工艺设计采用Rhino XS Reamer系列膨胀式扩眼器，扩眼钻具组合如下。

Ø311.15 mm钻头 &Ø374.65 mm扩眼井段钻具组合：Ø311.15 mm领眼钻头+浮阀短节+ Ø203.2 mm LWD/MWD+ Ø311.15 mm扶正器+ Ø215.9 mm钻铤×1根+ Ø374.65 mm随钻扩眼器+ Ø215.9 mm钻铤×2根+ Ø203.2 mm机械液压震击器+ Ø215.9 mm钻铤×3根+ Ø203.2 mm震击器加强器+ Ø215.9 mm钻铤×6根+ Ø139.7 mm加重钻杆×18根+ Ø139.7 mm钻杆。

Ø269.88 mm钻头 &Ø311.15 mm扩眼井段钻具组合：Ø269.88 mm PDC钻头+浮阀短节+ Ø203.2 mmLWD/MWD+ Ø266.70 mm扶正器+Ø209.55 mm钻铤×1+Ø311.15 mm随钻扩眼+Ø209.55 mm钻铤×2根+机械液压震击器+ Ø209.55 mm钻铤×3根+ Ø203.2 mm震击器加强器+Ø209.55 mm钻铤×6根+Ø139.7 mm加重钻杆×18根+Ø139.7 mm钻杆。

该井Ø311.15 mm &Ø374.65 mm扩眼井段从井深1 909 m处扩眼钻进至2 574 m，整个扩眼钻进过程中的参数为：钻压45～90 kN，转速90～120 r/min，排量2 900～3 000 L/min，泵压22.4～25.5 MPa，扭矩9.6～13.8 kN·m；Ø269.88 mm &Ø311.15 mm扩眼井段从井深2 574 m处扩眼钻进至3 299 m，扩眼参数为：钻压45～136 kN，转速90～130 r/min，排量3 000～3 200 L/min，泵压24～31 MPa，扭矩11.1～13.8 kN·m。

3.2 现场技术关键

Key factors of fields technologies

3.2.1 扩眼器测试

（1）地面测试。组合BHA时，扩眼器刀翼上缠绕适量胶带，下至转盘面以下，开泵，匀速提排量，稳定排量1～5 min，关泵，提扩眼器至转盘面以上。检查扩眼器并确认刀翼未张开、胶带未崩落后再入井。

（2）下钻到底后的测试。下钻到底后，低转速上提下放钻具，记录并对比悬重、摩阻和扭矩变化情况，若无太大变化，表明扩眼器没有被意外激活，可进行后续操作。

3.2.2 扩眼器激活及判断

（1）Rhino XS Reamer系列随钻扩眼器采用投球激活，激活前要合理选择投球位置。原则如下：确定扩眼器进入新地层，出管鞋10～15 m左右，以便留足验证扩眼器是否被激活的领眼口袋长度，并且投球的位置要进入新地层约9 m左右；要方便现场坐卡瓦。

（2）投球前，缓慢开泵，开小转速（30 r/min），并上下活动5 m，记录泵压、悬重、摩阻、扭矩。

（3）投球后，接顶驱开泵送球75%钻具内容积，停泵静止，使球自由坐落到滑筒上。后续再开泵，30 r/min低转速下逐渐提排量，并下放钻具约1 m左右，观察各扭矩、悬重、钻压变化情况。

（4）扩眼器激活后，可观察到明显的压降，转动时扭矩增加。

3.2.3 扩眼钻进

（1）扩眼器激活后，先造型1～2 m，然后按计划钻进。由现场工程师配合进行钻井参数调整。停止钻进时要先停泵再停转，恢复钻进时先开转盘再开泵。

（2）每倒扩完一柱可选择进行正划一柱处理，注意匀速缓慢下放，观察到钻压升高应立即停止，谨防钻出新井眼。

3.3 扩眼效果分析

Analysis on reaming results

（1）机械钻速较快。Ø311.15 mm &Ø374.65 mm扩眼井段总进尺665 m，平均机械钻速16 m/h。Ø269.88 mm &Ø311.15 mm扩眼井段总进尺725 m，平均机械钻速8 m/h。2个井段随钻扩眼钻进过程中，工具总体情况稳定，MWD随钻监测到的振动小，扭矩、泵压等参数正常。

（2）扩眼井段实际可通过尺寸符合要求。扩眼钻进至2个井段的下套管深度后，直接起钻，起钻过程中无阻挂。同时，Ø311.15 mm &Ø374.65 mm井段下入Ø298.45 mm尾管、Ø269.88 mm &Ø311.15 mm井段下入Ø273.05 mm+Ø250.83 mm复合套管的作业中也均未有阻挂发生。

（3）扩眼器与领眼钻头磨损较小。扩眼钻进结束后，两趟钻的扩眼器刀翼和钻头评级均为1，整体上扩眼钻进中扩眼器与领眼钻头的磨损较小。

（4）井身质量优良。MWD测斜数据显示，Ø311.15 mm &Ø374.65 mm井段最大井斜0.64°，Ø269.88 mm &Ø311.15 mm井段最大井斜0.69°，2个扩眼井段的井身质量优良。

4 结论

Conclusions

（1）采用随钻扩眼技术实现非常规井身结构，增加套管层次，提前下入套管，扩大压力窗口是解决高温高压等窄压力窗口钻井问题的一项有效措施。

（2）随钻扩眼技术属于非常规钻井技术，在随钻扩眼技术适应性、扩眼工具选型等方面要基于地层特点、时效及区域使用情况等做出合理评估，同时加强振动和水力分析以确定合理的钻井参数。

（3）合理搭配扩眼工具与领眼钻头时要综合考虑待扩井段尺寸要求、钻压分配、扩眼器规格参数，且领眼钻头尽量选用API标准系列的钻头。

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（修改稿收到日期 2016-10-16）

〔编辑 朱 伟〕

RWD technology for HTHP exploration wells in western South China Sea

LI Zhong1,LI Yanjun1,YANG Liping2,YANG Yuhao1,WU Jiang1,XIE Lu3
1.CNOOC China Limited Zhanjiang Branch,Zhanjiang 524057,Guangdong,China;
2.CNOOC Energy Techology &Serνices Limeted,Beijing 100027,China;
3.Zhanjiang Branch,CNOOC EnerTech-Drilling &Production Co.,Zhanjian 524057,Guangdong,China

The Ying-Qiong Basin in the western sea area of South China Sea is characterized by high geothermal gradient and high pressure coefficient,so high-density drilling fluid is needed in HTHP hole sections.However,the application of high-density drilling fluid results in narrow safety density window,and coexistence of leakage and blowout in the process of well drilling.In order to increase drilling safety and efficiency of HTHP wells,reaming while drilling (RWD) technology is used to improve casing program so as to provide the favorable safety window for drilling operation.In this paper,one HTHP well in the Ying-Qiong Basin was taken as an example.Its drilling difficulties and the corresponding countermeasures were investigated.Then,the RWD process was analyzed from the aspects of technical suitability,reaming tool selection,size selection of reaming tools and pilot bits,vibration analysis and hydraulic analysis of reaming tool,and key factors of field technologies.And thus,the RWD technology is developed.

offshore drilling;unconventional casing program;Reaming While Drilling (RWD);Western South China Sea;high temperature and high pressure

李中，李炎军，杨立平，杨玉豪，吴江，谢露.南海西部高温高压探井随钻扩眼技术［J］ .石油钻采工艺，2016，38（6）：752-754.

TE52

B

1000-7393（ 2016 ） 06-0752-05

10.13639/j.odpt.2016.06.007

:LI Zhong,LI Yanjun,YANG Liping,YANG Yuhao,WU Jiang,XIE Lu.RWD technology for HTHP exploration wells in western South China Sea［J］.Oil Drilling &Production Technology,2016,38(6):751-755.

李中（1972-），教授级高级工程师。1994年毕业于江汉石油学院，现从事海洋油气钻完井的研究和管理工作。通讯地址：（524057）广东省湛江市坡头区22号信箱。电话：0759-3900608。E-mail:lizhong@cnooc.com.cn