准噶尔盆地南缘随钻扩眼技术实践与认识

张茂林，张 晨，陈 涛，周玉东，陈天宇

（1.中石油集团西部钻探工程技术研究院，新疆克拉玛依834009；2.中石油集团西部钻探克拉玛依钻井公司，新疆克拉玛依834009；3.中石油集团西部钻探准东钻井公司，新疆阜康831511）

新疆准噶尔盆地南缘地区处于天山北麓，由于受到强烈的构造作用，形成复杂的断裂构造组合和褶曲构造组合，地质条件极为复杂。近年来，加大深层油气勘探力度，区域部署井平均设计井深超过6500m，这些深探井面临着地层异常高压、窄压力窗口、地层破碎带、高陡构造等诸多工程技术挑战。运用随钻扩眼技术能在套管下部扩眼形成大于上层套管内径的井眼，增加套管层次，实现非常规井身结构，降低施工风险，是解决南缘地区钻井问题的一项有效工艺技术[1]。本文通过对HT-1井四开紫泥泉子组（E1-2z）—白垩系连木沁组（K1l）井段采用随钻扩眼工艺方案分析和现场使用，形成该地区随钻扩眼工艺技术，为南缘地区实现钻井井身结构优化，提高钻井安全性、施工效率、降低综合成本提供了积极的借鉴。

1 扩眼井段地层特征及扩眼要求

HT1井四开设计使用Ø241.3mm钻头由3780m钻至5700m，钻遇地层顺序紫泥泉子组、东沟组和连木沁组段长1920m，中完下入Ø219.1mm 技术尾管悬挂及固井。

1.1 地层压力相对变化大

邻井井段紫泥泉子组（E1-2z）至白垩系连木沁组（K1l）底地层压力系数变化0.98～1.40 之间、胜金口组（K1s）上部压力系数抬升至2.24。区域内钻达该井段只有一口井，距离本井20km，地质上未明确卡层前，钻井过程中压力不确定性极大，地层压力相对变化大，存在漏失和井壁垮塌。

1.2 井壁不稳定

受区域地应力、地层物性的影响，极易造成井壁不稳定，井眼不规则，邻井在紫泥泉子组（E1-2z）—白垩系连木沁组（K1l），出现井壁垮塌和井壁掉块，提钻挂卡阻、划眼多。

1.3 地层可钻性差

东沟组（K2d）和连木沁组（K1l）地层岩性以上中部砂砾岩、中—细砂岩、泥质细砂岩及粉砂岩为主，下部以泥岩为主，抗压强度35～60MPa，内摩擦角30°～36°，可钻性5.4～7.6，地层较硬、可钻性较差。

1.4 扩眼要求

HT-1 井四开设计使用Ø241.3mm 钻头，为了确保四开井段套管固井质量、扩大固井水泥环厚度，对Ø241.3mm 井眼进行扩眼作业，要求扩眼井径大于Ø250mm 以上。

2 随钻扩眼工具和施工方案

2.1 扩眼方式和工具优选

扩眼技术属于非常规钻井技术，扩眼工艺技术需要考虑施工安全和效率方面等多因素，根据四开待钻地层的岩石力学特性和井眼稳定性，对随钻和钻后扩眼方式进行分析，采用了随钻扩眼方式[2]。

随钻扩眼工具按切削部件是否可动，有固定翼扩眼器和可动翼扩眼器两类。根据有关资料，随钻扩眼钻进在较硬地层岩石钻进时振动风险较高，扩眼的井径可能相对偏小尤其是对液压控制的扩眼器的影响较大。本井受地应力影响井筒变形和井壁应力掉块对可动翼扩眼器的影响可能较大[3]。从上述分析，采用双心钻头扩眼工具进行随钻扩眼。

双心钻头的切削刃和本体固结在一起，不含运动件，具有很高的可靠性，能够承受大钻压，配合螺杆可以获得较高钻速；对钻井液固含量和堵漏剂无特殊要求，能适用于多种地层[4-6]。

2.2 双心扩眼钻头结构原理

双心扩眼钻头有领眼钻头直径P、可通过直径Pt、扩孔直径D，扩眼弧度所对角度α（扩眼角）四个主要参数，钻头通过领眼小井眼后，钻出一个直径较大的扩眼井眼。“双心″是指钻头有两个中心轴线，即扩眼钻头中心轴a点和待扩井眼中心轴b点。见图1。

图1 双心钻头原理、几何尺寸

双心钻头在钻进时扩眼刀翼与领眼钻头同时破岩，在通径和扩眼尺寸确定的条件下，领眼尺寸越大，则扩眼角越小；当领眼尺寸过大，即P（领眼尺寸）＞2Pt（通径尺寸）－D（扩眼尺寸）时，扩眼角α为0，无法达到扩眼尺寸与效果。扩眼刀翼须布置在扩眼角范围内，根据地层硬度不同，需要有足够大的扩眼角，以保证扩眼刀翼有足够的空间布置。通常需布置2～5个扩眼刀翼，以保证扩眼尺寸。

HT-1 井四开选用规格为8.25″×9.5″×10.25″ST1655 双心扩眼钻头，其通径尺寸Ø241.3mm，领眼钻头Ø209.55mm，目标扩眼尺寸为Ø260.35mm。钻头领眼刀翼5个，扩眼刀翼5个，16mm复合片。

2.3 扩眼钻井参数确定

扩眼钻头的几何形状决定钻头附近的不平衡力，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，根据待钻地层特性，从振动最小化的角度来使用合理的钻压、转速。钻井现场通常采取改变钻压、转速等参数来减小钻柱的振动。

通过双心钻头几何参数算法领眼与扩眼钻压分配比是3∶1[7-9]。HT-1 井四开扩眼井段推荐扩眼井段控制钻压25～60kN、转速60～160r/min。

2.4 施工工艺措施

结合四开扩眼段地层特点和随钻扩眼工艺技术要求，制定随钻扩眼施工关键技术措施如下：

（1）双心钻头震动大。通过简化钻具组合，使用软件模拟钻具临界转速，钻头到井底，接触地层时转速为20～30r/min，钻压为10～20kN。观察扭矩，如果扭矩过大应上提钻头，正常后以10kN的增幅增加钻压，确定最佳的钻压。螺杆钻井中，转盘转速为30～60r/min，排量35～40L/s。

（2）井壁掉块多。在钻进过程中控制扭矩的大小，每次钻头提离井底后，要重新完成井底造型2min，缓慢加压至原钻压，维持原钻井参数正常钻进，以保证井眼轨迹的平滑。

（3）控制下钻速度。在套管内，因为钻柱重量加大，由于惯性可能会引起钻柱的伸缩，可能使钻头上切削齿受损，同时切削齿划伤套管；在裸眼井段，下钻太快，可能引起领眼钻头刮擦井壁，造成领眼钻头切削齿受损，影响钻头的后期使用效果。

3 现场扩眼施工概况

HT-1井四开实钻随钻扩眼井段为3858～5485m，应用双心钻头扩眼施工主要分为以下两段，具体为：

（1）第一段3858～4244m：本扩眼井段进尺386m，使用螺杆+双心钻头，由于井壁垮塌严重，期间使用常规钻头处理垮塌并钻进，钻井液密度由1.40g/cm3上提至1.75g/cm3恢复正常。钻具组合：双心钻头+Ø197mm微弯螺杆+浮阀+Ø178mm 无磁钻铤（MWD）+Ø238mm扶正器+Ø178mm钻铤21根+Ø178mm随钻震击器+Ø178mm钻铤3根+Ø127mm加重钻杆9根+Ø127mm钻杆。钻进参数：钻压30～60kN，转速40+螺杆，排量35L/s，泵压29MPa，钻速4.90m/h。

（2）第二段4666～5485m：本扩眼井段进尺819m，下入双心钻头采用顶驱转动钻具进行随钻扩眼钻进，由于扶正器不起作用，钻速慢，井斜控制困难改用常规钻进。钻具组合：双心钻头+浮阀+Ø178mm 无磁钻铤（MWD）+Ø178mm 钻铤21 根+Ø178mm 随钻震击器+Ø178mm 钻铤3 根+Ø127mm 加重钻杆9 根+Ø127mm钻杆。钻井参数：钻压40～80kN，转速85r/min，排量38L/s，泵压30MPa，平均机械钻速0.78m/h。

4 扩眼效果与认识

4.1 扩眼井段实际可通过尺寸符合要求

（1）第一段3795～4244m：本扩眼井段使用微弯螺杆钻具钻进，岩性主要是紫泥泉子组的灰色、褐色粉砂质泥岩、泥质粉砂岩。由于实钻过程中，普遍表现出严重的井眼扩大现象，该段平均井径在Ø318.26mm。

（2）第二段4244～4666m：本井段由于井壁垮塌严重，期间使用常规钻头处理垮塌并钻进，使用常规PDC钻头钻进，岩性主要以东沟组粉砂质泥岩、泥质粉砂岩为主，具有明显的扩径现象，该段平均井径在Ø269.92mm。其中，井径较小的井段为4369～4431m，平均井径Ø246.83mm，。

（3）第三段4666～5485m：本扩眼井段使用双心钻头随钻扩眼钻进东沟组至连木沁组，钻进中出现漏失，随钻加入8%堵漏剂。平均井径在Ø266.41mm。

（4）第四段5485～5700m：使用常规PDC 钻头钻进，平均井径在Ø249.73mm。随钻扩眼对比如表1 所示。

表1 随钻扩眼对比

从钻后测井井径曲线能反映出南缘构造应力在水平两向中主应力作用和次应力作用产生差值，导致井筒变形、井壁坍塌。高应力差值会在泥岩中岩石内部产生一些微细裂缝，造成井壁垮塌和掉块，形成不规则椭圆井眼[10]，造成基圆井眼相对不扩径。

随钻扩眼井段13臂14臂井径均大于Ø250mm，双心钻头随钻扩眼效果较好，扩眼井径达到预期的扩眼效果，为后期Ø219.1mm 尺寸套管的顺利下入和保障固完井提供了良好的井眼条件。

4.2 钻头设计上进一步提升钻头攻击性

因双心钻头本身特点，侧向力大，扩眼至260.35mm，相对于常规241.3mm钻头来说所需要的钻压更大，同时切削齿切削半径大，在通常条件下，速度及进尺都会不及241.3mm钻头。在领眼选择13mm复合片，增强单齿吃入地层能力，领眼钻头设计为4刀翼，强化钻头攻击性，优化扩眼刀翼切削齿参数，优选研磨性复合片，减缓切削齿磨损倒圆。

4.3 配合螺杆钻具，提高钻速

上部紫泥泉子组（3858～4244m）扩眼井段使用微弯螺杆钻具+双心随钻扩眼达到钻速4.90m/h，相比邻井井同层位钻速4.84m/h，高于同地层螺杆+常规钻头的钻速。

若井斜增加，双心钻头可以配合螺杆进行定向纠斜，根据双心钻头的结构状况及接头类型，复合钻进钻压可以进一步强化[7-9]。

5 结论

（1）南缘地区超深井使用双心钻头随钻扩眼具有推广前景。通过现场双心钻头+微弯螺杆+MWD钻具组合的技术应用，在全面钻进的同时实施扩眼，为南缘复杂深探井提高钻速、扩大深部小井眼环空间隙、优化井身结构、提高固井质量等方面积累了经验。

（2）双心随钻扩眼钻头结构有待优化。需对双心扩眼工具持续改型，以更好地适应研磨性和塑性同时存在的膏质粉砂岩地层（东沟组、连木沁组），加强振动、水力分析和监控以确定合理的钻井参数，减少对井斜控制影响。

（3）非常规井身结构随钻扩眼技术需进一步应用和研究。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需要基于地层特点、时效及区域使用情况等做出合理评估，以提高复杂超深井钻井安全性、作业效率，降低综合成本。