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随钻扩眼技术研究进展

随钻扩眼技术研究进展

随钻扩眼技术就是采用随钻扩眼工具和常规钻头,在全面钻进的同时扩大裸眼段尺寸,使其大于上部套管串内径的一种钻井技术。该技术减少了起下钻次数,效率高,在深井、超深井、小间隙井、侧钻井和复杂井况中得到了广泛应用。随钻扩眼工具作为扩眼工具的一种,具有常规固定翼式扩眼工具无法比拟的优势,随钻扩眼工具带动了随钻扩眼技术的迅速发展。笔者重点介绍了随钻扩眼技术的适用领域、国外研究进展、该技术的研究重点和今后的发展趋势,旨在提高我国的钻井效率,促进钻井技术的快速发展。

随钻扩眼技术应用情况

塔河油田深井和超深井中主力油层是古生界奥陶系碳酸岩地层,油层埋深在5400m以上,完井方式采用149.2mm裸眼完井或127.0mm套管射孔完井。为了满足分层测试、采油和修井作业的要求,必须下入127.0mm套管封固油气层,然后分层射孔和测试。但149.2mm井眼和127.0mm套管间隙小,不满足分层测试作业的要求,环空固井质量差,甚至造成油井报废。为了确保该井段套管固井质量、扩大固井水泥环厚度及采收半径,要求对149.2mm井眼进行扩眼作业,使扩眼直径达到165.0mm以上。塔河油田在深井和超深井中采用井下扩眼技术后,增大了套管与井眼之间的环空间隙,提高了固井质量,延长了油气井寿命,应用效果明显。石油圈原创www.oilsns.com

小间隙井眼钻井能够降低油田勘探开发成本,节约成本30%,边远探井或后勤供应困难的地区应用小井眼技术可节约成本50%~75%。小间隙井眼由于井眼与套管柱之间的环空间隙小,无法加扶正器,泥饼的存在及井眼缩径使套管不易居中,造成水泥环薄,施工过程中环空压耗大,注水泥施工压力高,且易压漏地层,导致顶替效率低等问题,严重影响井眼的固井质量。为提高固井质量,在钻完套管内的水泥塞之后,常采用随钻扩眼工具钻出直径大于上部相邻套管内径的井眼,以获得所需要的大尺寸井眼,增大裸眼与待固套管之间的间隙,进而提高固井质量。盐膏层钻井常造成复杂井况。盐膏层是油气储层的很好盖层,但盐膏层蠕变速度较快,蠕变压力高,蠕变和挤压可造成缩径、卡钻、卡套和挤毁套管等事故,导致固井质量差。采用随钻扩眼技术可一次性完成钻孔和扩孔作业,减少作业时间,进而减少盐膏层蠕变,扩大盐膏层井段的井眼,以抵消蠕变造成的缩径位移,可减少或避免卡钻和缩径等复杂情况,同时可增大水泥环厚度,提高水泥环体系抵抗地层蠕变的能力,提高固井质量和保护油层套管。国内中东部各油田普遍进入开发中后期,开窗侧钻定向井已成为复活低产井、停产井和报废井,大幅提高储量动用程度,挖掘油气藏潜力,提高单井产量和采收率,以及降低老油田开发成本的有效手段。

但是,部分固井技术与工具仍沿袭直井固井的一些常规做法,不能更好地满足油田开发要求,主要存在以下问题:

  • 固井水泥环形间隙较小;
  • 井眼的清洁度差;石油圈原创www.oilsns.com
  • 套管居中不满足要求;
  • 井径规则度较差。

采用随钻扩眼技术可使侧钻井段井眼扩大,改善井眼状况,提高侧钻井完井质量,这对侧钻井的应用与推广具有深远意义。

国外随钻扩眼工具研究进展及应用

国外对随钻扩眼技术的研究一直是几大油田服务公司的研究热点及核心技术。几大油田服务公司都有成熟的随钻扩眼工具,如斯伦贝谢公司的Rhino系列扩眼工具、哈里伯顿公司的RTM和URTM扩眼工具、贝克休斯公司的GaugePro扩眼工具、威德福公司的RipTide扩眼工具和国民油井公司的Anderreamer扩眼工具。

斯伦贝谢公司的Rhino系列扩眼工具

RhinoXS为液压扩张式扩眼工具,提供单行程的扩孔作业,需要投球进行激活,投球激活Z型传动系统,推动扩眼工具切削块向上径向扩张到达打开位置,开始进行扩眼作业,停泵后切削块收回。集成的喷嘴和流道可确保岩屑有效清除,无论扩眼器开启还是关闭,流体都可流经底部钻具组合(BHA)。

整体式平衡设计最大程度地减轻了振动,可避免形成欠尺寸和不规则井眼。切削块进行了换代设计,第1代切削块结构为两端含有13mm的切削刀刃,中部大平顶面镶嵌有硬质合金块的稳定掌。这种结构切削性好,但需要很大的扭矩,稳定性较差。两端保留切削刀刃,中部除去稳定掌,中部大平顶面上设有2排保径齿,中部开有流道。这种结构具有切削快、水力清洗和冷却效果好等优点。斯伦贝谢公司在RhinoXS扩眼工具的基础上又演化出RhinoXS2、RhinoXC和RhinoRHE等系列扩眼工具。RhinoXS2为最新推出的全循环驱动扩眼工具,可以在起钻或进行其他方式的扩眼作业时进行随钻扩眼作业。RhinoXC为灵活的液压驱动扩眼工具,全面控制无限制多次驱动扩眼,可在1次钻井过程中多次实现井眼的有距离间隔的多段扩眼作业,减少多次起钻时间。RhinoRHE工具为双扩眼系统,集成了RhinoXS和RhinoXC2种扩眼工具、PowerDrive旋转导向系统和SmithBits的个性化PDC钻头等4种先进技术,在施工中与MWD/LWD仪器串联配合使用,通过地面的随时控制实现1趟钻扩大井眼。直至2014年,斯伦贝谢公司的Rhino系列扩眼工具在全球范围内现场应用5000多井次,完成213万m的随钻扩眼作业。

哈里伯顿公司的XRTM和URTM扩眼工具

哈里伯顿公司的XRTM扩眼工具能够在原有领眼的基础上扩眼后收回,并且允许起钻时全排量循环,可进行井下裸眼扩眼。XRTM是机械式扩眼工具,当到达目的层,通过投入小球到达扩眼工具激活扩眼刀翼,地面上的压力指示表可显示是否完全打开扩眼刀翼。准备收回刀翼时,投入比之前体积更大的小球,收回扩眼刀翼。XRTM扩眼工具的最大特点在于其在扩眼后能全排量起钻,不损伤套管和井壁。XRTM扩眼工具能够在领眼的基础上将井眼扩大50%。XRTM工具常用规格有:XR800、XR1000、XR1200、XR1400、XR1600和XR1800,可将井眼尺寸分别由216.0、270.0、311.2、374.7、419.0和460.4mm最大扩大到311.2、374.7、444.5、508.0、558.8和558.8mm。XRTM扩眼工具最小扩眼打开压力仅为5.00MPa。

哈里伯顿公司的URTM工具是一种重载荷扩眼工具。该工具起初专为套管钻井技术研制,能在套管钻井时随钻扩眼。其工作原理是:通过持续的液压伸出可动刀翼进行扩眼作业,停泵则收回扩眼刀翼。URTM扩眼工具没有锁紧机制,依靠工具内部驱动机制可以将扩眼刀翼打开角度设定为35°和90°2种,扩眼能力强,常用于转盘钻井。URTM工具常用规格有:UR475、UR600、UR800、UR1200和UR1700,将井眼尺寸分别由领眼直径127.0、158.8、216.0、311.2和444.5mm,最大扩大到216.0、406.4、444.5、660.4和812.8mm,最大井眼扩大率高达256%。UR475和UR600有2组刀翼臂,其他规格为3组刀翼臂。UR475的最小扩眼打开操作压力为5.52MPa,其他URTM工具为4.14MPa。

贝克休斯公司的GaugePro扩眼工具

贝克休斯公司的GaugeProXPR扩张式随钻扩眼采用机械式投球方法激活扩眼刀翼,没有使用剪切销,代替的是紧定螺钉,水眼位于本体上方,滑套下行时打开。另外,贝克休斯公司和壳牌公司研究了领眼钻头与扩眼器的同步性。该工具在墨西哥湾以及挪威海等深海随钻扩眼作业中应用广泛,并取得较好的扩眼效果。

GaugeProEcho回波数字指令随钻扩眼工具是专为高成本的海洋钻井提供不限次扩孔作业而研制的工具,能够实时控制和确认扩孔作业,可对扩眼工具的位置、刀翼状态、井眼直径、油压、油温和振动信息等进行实时通信,激活扩眼操作时间短,不超过4min,效率高。

GaugeProEcho随钻扩眼工具可与有线钻杆进行连接,实现更为实时的通信和控制。贝克休斯公司利用GaugeProEcho随钻扩眼工具和AutoTrakTMG3旋转导向工具在墨西哥湾为深水运营商进行造斜率2.5°、目标地层1139m的钻井作业。石油圈原创www.oilsns.com

威德福公司的RipTide扩眼工具

威德福公司的RipTide扩眼工具分为上、下2部分,上部为控制部分,下部为扩眼部分,上部分可通过2种方式控制,即投球和射频识别RFID(Radio-FrequencyIdentification)。采用RFID方式控制扩眼工具开闭时,泵送1个小型的射频发射器到扩眼工具,将激活扩眼功能的命令传递到嵌入工具内的电子接收器,通过电磁方式激活切削齿翼,使它沿斜面轴向向上爬行,径向尺寸扩大,实现扩眼功能。扩眼结束后,从井口投放射频发射器到达扩眼工具位置,之后再激活特殊机构,切削齿翼轴向回缩,扩眼工具径向尺寸与管柱或钻柱尺寸一致,扩眼功能关闭。RipTide扩眼工具采用RFID技术可无限制实现扩眼过程的开关,在扩眼工程中可进行MWD和LWD系统测井,测量井底的振动、压力、转速和温度,能够更好地为地面操作人员提供井下信息,同时节省钻井时间和相关费用。RipTideRFID扩眼工具为保护敏感地层可以在低流量的情况下实现扩眼过程。威德福公司的随钻扩眼工具长度较长,多用于旋转导向钻井,产品规格有6000、8500、9500、10625、12000、14750和16500mm。

国民油井公司的Anderreamer扩眼工具

国民油井公司的Anderreamer同心式可动翼随钻扩眼工具依靠液压和钻压来控制切削翼的伸出,具有锁止机构,切削翼在需要时靠投球或排量激活展开,不需要时可收缩,不受立管压力和钻压的影响。该工具可钻套管附件,不局限于地层类型、钻井参数和井底状况,在多数钻井环境下都适用,扩眼后直径约比套管内径大20%,可用于旋转导向钻井、ECD控制、下膨胀尾管及小间隙套管工况下的随钻扩眼作业,也适用于塑性地层和盐膏地层的扩眼作业。Anderreamer扩眼工具在墨西哥湾610~3658m的Louann盐膏层应用时,解决了旋转导向钻井时盐膏层的缩径问题。国外公司拥有成熟的扩眼技术与产品,规格齐全,可以应用在大部分钻井领域,近年来在几个关键技术上又有较大突破和更新,大大拓宽了随钻扩眼工具的应用范围。

国内外技术研究重点和发展趋势

(1)随钻扩眼工具将逐渐淘汰固定翼式和机械扩张式结构,液压滑移扩张式扩眼工具由于易实现、可靠性高和钻井效率高,将是随钻扩眼工具的主流发展方向。

(2)随钻扩眼工具的控制主要采用投球方式开启,刀翼的回收普遍需要停泵后靠弹簧收回,多为单行程扩眼,控制方式使其效率低。高效率的全面控制无限制液压压差和射频识别控制方式将是随钻扩眼工具在控制方面的发展方向,这2项技术的应用将大幅度拓宽随钻扩眼技术的应用范围。

(3)扩眼执行机构的设计是随钻扩眼工具的核心设计部分,设计的优劣直接关系到随钻扩眼工具的性能和扩眼的成败。扩眼执行机构多以钻井液的压差为驱动力,刀翼的伸缩沿设计斜面或垂直面运动,刀翼的收缩需要降低工具内压和内部的弹簧辅助给予收缩力才能实现,刀翼的定位多以锁销固定和多样的特殊机构定位。实现扩眼执行机构的设计较为复杂,加工难度大,如何简化执行机构的结构将是设计的方向。

(4)刀翼的结构优化将是随钻扩眼工具的关键,各公司针对不同的情况进行了个性化设计。刀翼的结构设计不单只有单一的钻井扩眼功能,还必须具有倒划眼功能,刀翼的切削效率和长使用寿命将是研究的重点。石油圈原创www.oilsns.com

(5)注重随钻扩眼工具与钻柱系统的配合研究。随钻扩眼工具使用时其整体稳定性,扩眼工具和钻头的切削效率和寿命对井眼轨迹的影响,钻井液能量的分配,钻井液的破岩、清洗、冷却和润滑等问题都是今后研究的重点。

(6)随钻扩眼技术还需加强其在深井、超深井、小间隙井和侧钻井等复杂井中的综合应用效果,提高建井质量和安全性,扩大其使用范围,以适应不断发展的钻井和完井工艺需求。

结论与建议

(1)随钻扩眼技术在深井、超深井、小间隙井和侧钻井等复杂井领域具有广阔的应用前景,在处理井下复杂情况、降低钻井综合成本、提高建井质量和安全性等方面具有显著优势。

(2)国外随钻扩眼工具形式多样,液压滑移扩张式扩眼工具将是主流结构,全面控制无限制液压压差和射频识别将成为随钻扩眼工具控制方式的发展方向。国外几大油田服务公司的随钻扩眼技术和工具已广泛应用于各种复杂井况中,并取得显著的经济效益。石油圈原创www.oilsns.com

(3)建议加大随钻扩眼技术和工具的适应性研究力度,同时扩眼执行机构的设计和刀翼结构优化、工具与钻柱系统的配合等也是研究的重点,分析其今后的发展趋势,完善随钻扩眼技术和工具对提高我国的钻井技术有着重要的现实意义。

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评论 1

  1. #1

    不错,很系统很详细。

    Isha5年前 (2016-09-09)回复