深部水平井随钻扩眼钻具震动控制在A4H井的应用

雷 磊，张子明，孟 瑄，贾 雍，袁则名，和鹏飞，王喜杰

（1.中海石油（中国）有限公司上海分公司，上海 200335；2.中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300452）

东海油气资源丰富，随着勘探开发的深入，发现该区储层普遍具有埋藏深、地质成因复杂、储层物性差的特点，属于典型的低孔低渗储层，自然条件下难以出现商业性油气流，因此需通过对低孔渗储层进行压裂改造扩能。A4H井是东海某低渗气田的一口多级压裂水平井，三开8-3/8＂井眼水平段设计长1200m，下7＂尾管后，完井后再进行多级压裂作业，因此7＂尾管的顺利到位和固井质量是本井压裂成功的关键。由于本井水平段裸眼段较长，且水平段的压力窗口窄，7＂尾管与8-3/8＂井眼环间隙小，存在套管下不到位和固井漏失导致固井质量不合格等风险。东海区域相同邻井扭矩波动大、数值高，钻具失效风险高。为了保证7＂套管在水平段的居中度，降低7＂尾管下入难度和固井循环及顶替过程中的环空压耗，结合压裂水泥环厚度评价优选，首次在东海引进了水平段随钻扩眼技术，整个水平段将8-3/8＂井眼扩展至了9.2＂井眼。随钻扩眼结束后，有效解决了后期作业过程中的复杂情况，下7＂尾管安全顺利，保证了后期压裂作业的顺利实施。

1 A4 H井基本数据

A4H井设计完钻井深5367m，实际完钻深度5281m，水平段长1053m，水平段最大垂深3961.93 m，温度162℃，目的层地漏失压力1.76 sg，作业窗口窄，实际井身结构见表1。

表1 A4H井井身结构与套管程序

2 水力分析

两个井眼完钻与固井井底ECD对比，9.2"井眼能保证井底ECD不超过漏失压力，保证作业安全（见表2）。

表2 模拟ECD对比

3 水平井钻具震动分析

钻具正弦弯曲是钻具受压横向位移达到极限的一种状态，A4H井钻具达到正弦弯曲的有效应力如图1所示。

图1 钻具正弦弯曲模拟

3.1 起钻具震动原因分析

（1）大段钻具在井内时，我们将其视为有一定刚性的线性物体，因为是大段，其抗弯刚性特别小。

（2）在井口钻具是受悬吊系统控制的，在井口钻具承受整个钻具轴向总作用力，向下力逐渐减小，钻压作用于钻头，向下托举钻具，这就形成了一个轴向作用力为0的中和点位置，中和点以下，钻具轴向作用力为受压状态，即轴向作用力为负值；同时还受扭矩影响，钻具在受压、受扭时会变成“S”形曲线。

（3）钻具弯曲会让钻具有横向活动空间（见图2），在转速带动下“S”形钻具呈现波浪状“爬坡”效果，钻具爬至高点向下运动时，会向两个低点位释放轴向张力，钻具弯曲角会形成横向垂直井壁向上作用力，这个力够大时就会使钻具短暂脱离井壁。

图2 钻具在井眼内中和点下部呈现“S”形状

（4）钻具因为刚性影响，其与下井壁接触点都是钻具直径较大的位置，井眼间隙大，且当两点跨度较长时，就会极大降低钻具刚性系数，钻具旋转时发生甩动，特别底部钻具存在固定位移时（就像螺杆造斜角），就产生了横向弯曲振动。

（5）底部钻具钻进过程，岩屑会无规律参与钻具与井壁之间接触，会破坏钻具的“S”形弯曲旋转平衡，引起震动扰动，这个扰动更多表现为轴向震动。

钻具与井眼尺寸差距较大时（见图3），钻具有较大空间运动，相同钻具转速产生的爬坡力的力矩较短，爬坡速度更慢，所以产生震动频率较低，钻具中心点在井眼内右侧摆动，钻具产生较小的横向与轴向力。

图3 钻具与井眼尺寸差距较大时钻具重心运动轨迹

钻具与井眼尺寸差距较小时（见图4），钻具有较小空间运动，相同钻具转速产生的爬坡力力矩较长，爬坡速度更快，所以产生震动频率较高，钻具中心点运动轨迹接近圆形，钻具产生较大的横向与轴向力，这也是BHA部分与小尺寸井眼更容易发生钻具震动的原因。

图4 钻具与井眼尺寸差距较小时钻具重心运动轨迹

3.2 减小钻具震动方法

（1）保证轨迹平滑，避免“S”弯加剧。

（2）加强钻井液润滑，减少钻具侧向爬坡力的力矩与钻具承受扭矩。

（3）使用大尺寸井眼，保证钻具侧向活动空间。

（4）控制钻压、转速，以减少“爬坡”现象。

（5）使用刚性较强的钻具，减少钻具横向位移。

4 Rhino-XS8000 系列扩眼器

常规的扩眼技术是先钻至常规尺寸井眼，再单独下一趟扩眼钻具扩眼至设计尺寸，而斯伦贝谢推荐使用的Rhino-XS8000系列扩眼器为全机械设计，抗拉抗扭能力强，寿命满足常温井井下循环200小时，高温井（202℃）160小时的循环时间，适应多情况的复杂井，能一趟钻完成扩眼作业，提高作业时效。

5 随钻扩眼技术措施

（1）在设计之初，钻具结构上钻头与扩眼器之间增加扶正器，减少钻具跨度上避免钻具弯曲应力，扩眼器上使用刚性较强的三根钻铤衔接上部钻具，减少弯曲应力峰值。

（2）扩眼器刀翼为120°圆周对称而非左右对称，经钻井动态模拟分析进行的刀翼设计和钻具组合的选定，兼顾了力学稳定，降低扩眼过程中的震动。

（3）根据每趟钻的实际情况，合理调整钻头及扩眼器水眼。

（4）钻进关注扭矩，加强摩擦系数反演，扭矩过大时增加钻井液润滑效果。

（5）控制钻压，保证钻具不发生过大弯曲。

（6）勤测斜，保证井眼轨迹平滑。

同深度扭矩对比见图5。

图5 本井与同区块相同井型相同深度的另一口震动较大的邻井扭矩对比

6 结论

通过一系列优化措施顺利完成本井施工，作业经验总结如下：

（1）Rhino-XS8000扩眼器首次在东海应用成功，在该区块与定向和随钻测量工具配合使用效果很好，扩眼过程中扭矩波动非常小，钻具震动控制较好。

（2）钻具震动主要发生在BHA部位，通过钻具优化、钻进参数控制、轨迹控制和摩阻控制等方面能减少钻具震动的发生。

（3）本区块扩眼速度较该区块正常机械钻速慢，平均扩眼速度为该区块正常不扩眼机械钻速的30%-50%。

（4）本井作业中监测与模拟水力摩阻扭矩变化，及时发现并应对钻井风险，实现7"尾管带9.2"扶正器顺利到位、顺利固井。