实体膨胀管在封隔深井侧钻井复杂泥岩段的应用

胡 彪，何世明，刘爱民，王 欢

（1.西南石油大学 石油工程学院，成都610500；2.中国石化西北油田分公司 钻完井工程管理处，乌鲁木齐830016；3.中油测井技术服务有限责任公司，北京100101）

实体膨胀管在封隔深井侧钻井复杂泥岩段的应用

胡 彪1，何世明1，刘爱民2，王 欢3

（1.西南石油大学 石油工程学院，成都610500；2.中国石化西北油田分公司 钻完井工程管理处，乌鲁木齐830016；3.中油测井技术服务有限责任公司，北京100101）

实体膨胀管不仅能有效封隔复杂地层，也能保证较大完井尺寸。但实体膨胀管在塔河油田封隔深井侧钻井复杂泥岩井段时，存在井壁失稳、小井眼定向扩孔效果不确定、实体膨胀管膨胀规律及影响因素不明确、二开小井眼定向钻进配套工具不完善，无成功经验可借鉴等施工难点。因此，对其扩孔工具、膨胀规律、二开钻进配套工具等关键技术进行了可行性分析和现场试验，并成功在试验井斜井段实现437 m的复杂泥岩封隔。实践表明：实体膨胀管能够满足深井侧钻井的封隔要求，并保证二开小井眼井段的顺利钻进。

实体膨胀管；定向扩孔；膨胀液压力；深井侧钻

塔河油田为提高储量动用程度，进行了ø177.8 mm套管开窗侧钻［1］。为解决侧钻井斜井段大段不稳定泥岩所引起的一系列问题，封隔该复杂泥岩段是最有效的办法。采用ø127 mm套管（内径ø108 mm）封隔后，几乎无法继续二开钻进。提出了采用实体膨胀管封隔斜井段的复杂泥岩。实体膨胀管在国内外已广泛的运用在堵漏、防砂、防塌等领域，并取得了很好的效果［2-3］。但是，在5 500 m深井侧钻井的应用尚属首次，因而对其膨胀参数、膨胀工艺等都提出了很高要求。实体膨胀管在塔河油田试验井的成功应用，创造了实体膨胀管在国内下井最深、封固段最长2项纪录。本文对其关键技术、配套工艺、现场试验情况的总结，有利于后续实体膨胀管的推广应用。

1 施工难点分析

塔河油田油藏埋深在5 000～7 000 m，钻探的直井主要为4级和3级井身结构。试验井原井身结构数据如表1。

表1 原井身结构数据

实体膨胀管在该井斜井段的施工难点是：

1） 井壁失稳突出［1-4］为确保膨胀管的顺利下入和施工，要求封隔段井眼较规则、井径达到ø178 mm以上。但该斜井段的大段泥岩易坍塌掉块，增加了定向扩孔的难度。若浸泡时间超过20 d，垮塌掉块严重时，甚至可能造成电测不畅，膨胀管柱下不到位等复杂井下情况。

2） 小井眼定向扩孔效果不确定 试验井一开井深5 515 m，垂深5 477 m，造斜率4.5°／30 m，最大井斜31.5°。在此井深、大井斜、高曲率条件下，国内钻后扩孔技术尤其是扩孔工具难以保障小井眼的定向扩孔效果。另外，大段的不稳定泥岩使得扩孔效果更充满不确定性。

3） 膨胀规律及影响因素不明确 小尺寸实体膨胀管下至5 500 m以下深斜井段膨胀，存在膨胀规律、膨胀影响因素不明确，无现成经验可借鉴等难题，由此对实体膨胀管的膨胀施工参数、施工工艺都提出了挑战。因此，有必要研究影响套管膨胀的因素，为选择合理的膨胀施工参数提供参考。

4） 二开钻进配套工具不完善 实体膨胀管固井后，通径较小。常规钻杆、动力钻具、M WD仪器的强度及钻压、水力的传递等都存在一定局限性，若出现井下复杂情况，处理难度将很大。因此，钻具的合理配套能保证二开小井眼的有效钻进。

2 关键技术分析

2.1 斜井段扩孔工具

实体膨胀管膨胀前外径ø139 mm，膨胀后外径ø149.3 mm，为实现其有效膨胀、提高封固段固井质量，需将井眼扩至ø178 mm以上。液力扩孔器在塔河油田的应用效果表明，该扩孔器具有结构简单、性能可靠，扩孔井径规则等优点［5-6］。其工作原理是利用活塞喷嘴产生的压力降，外推扩眼刀翼达到扩眼的目的，停泵后刀片自动收回刀槽内。通过YK系列液压式扩眼工具的对比分析［6］，决定采用YK152-178型液力扩孔器进行扩孔作业，其主要参数如表2。

表2 YK152-178型扩孔器技术参数

2.2 膨胀影响因素模拟分析

实体膨胀管在斜井段施工，较直井难度大。因此有必要对其膨胀的主要影响因素：屈服强度、摩擦因数、膨胀率、膨胀速度、井眼曲率进行模拟分析，为实体膨胀管的膨胀施工提供理论支持。模拟实体膨胀管的相关参数如表3。

表3 模拟实体膨胀管参数

在模拟其中某一变量时，其他影响因素取值：屈服强度400 MPa、摩擦因数0.1、膨胀率15%、膨胀速度0.05 m／s、井眼曲率8°／30 m。模拟结果如图1～5。

从图1～3可以看出：

1） 随着膨胀的开始，膨胀液压力先迅速升高后稍降低并维持在恒定值；随着膨胀管屈服强度的增大，膨胀液压力增大。

2） 随着摩擦因数的增加，膨胀液压力增加较快。

3） 随着膨胀率的增大，膨胀力也增大。

其中，屈服强度跟膨胀管本身材质有关，摩擦因数则是由膨胀管内壁与膨胀锥头决定，因此膨胀施工液压力大小主要与所选用的实体膨胀管有关。在选定膨胀管材后，膨胀液压力越高，膨胀率越大（一定范围内），环空间隙也相对增加，有利于二开钻进。但膨胀液压力越高对膨胀管内管柱密封性能要求也越高，膨胀施工的风险也就越大。因此，有必要通过选择合适的膨胀管、膨胀锥（推荐锥角在8～10°［7］）以及采取一些润滑措施来减小膨胀液压力，从而获得理想的膨胀效果。

图1 屈服强度与膨胀液压力关系曲线

图2 摩擦因数与膨胀液压力关系曲线

图3 膨胀率与膨胀力关系曲线

从图4～5可以看出：

1） 随着膨胀速度的增加，膨胀液压力变化很小。

2） 随着井眼曲率的增大，膨胀液压力增加较缓。

因此，对实体膨胀管技术现场应用而言，井眼曲率对实体膨胀管膨胀液压力的影响很小，可忽略。膨胀速度对膨胀液压力的影响也很小，可根据相应工况条件合理选取。但根据金属塑性变形理论，推荐膨胀速度为0.2 m／s［8］。

图4 膨胀速度与膨胀液压力关系曲线

图5 井眼曲率与膨胀液压力关系曲线

2.3 二开钻具配套

针对二开小井眼钻进，常规钻具强度、钻压和水力传递存在的技术难题，配套了非常规ø88.9 mm钻杆、ø105 mm螺杆钻具、非常规小尺寸ø104.8 mm MWD。通过水力参数计算可以看出（如表4），配套非常规ø88.9 mm钻杆在钻进180 m后，泵压为18.45 MPa，可以实现下部井段的有效水力传递，其强度也满足要求。

表4 ø88.9 mm钻杆水力参数计算数据

3 现场应用

试验井位在塔河油田主体区块，石炭系上统卡 拉沙依组造斜，目的层为鹰山组，采用先期裸眼完井。其井身结构如图6所示。

图6 井身结构

3.1 施工过程

1） 井眼准备 从5 133 m开始侧钻，定向作业完钻井深5 510 m，进尺368.3 m。并对5 120～5 510 m井段进行了扩孔作业，扩孔后电测裸眼平均井径在180 mm以上，如图7。通井至井底并对易阻卡井段反复划眼，最后充分循环洗井，确保井眼满足实体膨胀管下入、膨胀、固井作业要求。

图7 扩孔后井径变化

2） 实体膨胀管下入及膨胀施工 实体膨胀管下深5 070.8～5 508.0 m，共计437.2 m。ø139 mm实体膨胀管柱结构如图8所示，自下而上为：旋流管、浮鞋、启动器、实体膨胀管、膨胀悬挂器、喇叭口。内管柱自下而上为：膨胀锥、对扣接头、刮泥器、ø73 mm钻杆、转换接头、ø88.9 mm钻杆。对内管柱组合钻具进行了螺纹完整性检查、通管、试压（40 MPa），以确保膨胀施工能顺利进行。

图8 ø139 mm实体膨胀管管串结构

做好膨胀管下入准备工作后，首先下入膨胀管柱坐放于井口（下入过程中，坚持清水灌浆制度），再下入内管柱对扣后，正常下入。整个过程中，应操作平稳并严格控制下放速度，尤其是开窗、裸眼井段。直到膨胀管整体管串下至井底。

实体膨胀管柱下到井底，正常循环2周后，开始固井作业。泵入水泥浆碰压后，连接700型压裂车进行膨胀作业。压力达到25 MPa时，开始膨胀施工。并根据实体膨胀管膨胀模拟结果，控制膨胀压力低于35 MPa、泵的排量小于80 L／min、天车提升速度8 m／min左右。以立柱的方式膨胀，直到膨胀悬挂器和喇叭口的膨胀完成。

3） 小井眼定向作业 膨胀完成后，对实体膨胀管进行试压并起出内管柱。候凝、电测固井质量后，使用ø130 mm钻头继续钻进。施工井段为5 510～5 740 m，完成了230 m的小井眼定向钻进。

3.2 应用效果

膨胀管施工完成后，喇叭口位于5 080 m处，缩短了2%；437 m封固段试压20 MPa，试压合格；电测固井质量，优良率达84.9%。另外，电测显示，普通套管内实体膨胀管平均井径为155.1 mm；在5 080～5 500 m井段，实体膨胀管井径最大值为134.1 mm，最小值130.5 mm，平均井径132.1 mm。二开小井眼钻进和起下钻期间，钻柱进出实体膨胀管时无明显阻卡。

综上分析：实体膨胀管井径稳定，密封性能良好，固井质量优良。成功实现了斜井段复杂泥岩段的封固，保证了二开小井眼的顺利钻进。

4 结论

1） 斜井段扩孔效果不确定、膨胀规律及影响因素不明确、二开小井眼钻进配套工具不完善是实体膨胀管技术在深井侧钻井应用中的主要难点。

2） 实体膨胀管在斜井段膨胀，膨胀幅度、摩擦因数、膨胀锥锥角是影响膨胀力的主要因素；而膨胀速度、井眼曲率对其影响较小。

3） YK152-178型液力扩孔器，非常规ø88.9 mm钻杆、ø105 mm螺杆钻具、ø104.8 mm MWD等工具的配套，为实体膨胀管的顺利下入施工，二开小井眼的继续钻进提供了保障。

4） 从现场应用来看，实体膨胀管井径稳定，密封性能良好，固井质量优良。成功实现了在深井侧钻井中对复杂泥岩段的有效封隔，保证了二开小井眼的顺利钻进。

［1］ 郝和伢，周伟.塔河油田ø177.8 mm套管开窗侧钻井技术难题与对策探讨［J］.海洋石油，2012，32（2）：91-92.

［2］ 张新旭，魏学成.膨胀管技术在通61侧162井的应用［J］.石油钻采工艺，2005，27（2）：71-72.

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［6］ 梁坤，练章华.实体膨胀管膨胀力影响因素数值模拟［J］.石油矿场机械，2010，29（12）：1-3.

［7］ 秦国明，何东升.基于ANSYS／LS-DYNA的实体膨胀管膨胀力分析［J］.石油矿场机械，2009，38（8）：9-10.

Application of Bulged Tube in Deep Sidetracking Well’s Complex Mudstone

HU Biao1，HE Shi-ming1，LIU Ai-ming2，WANG Huan3
（1.College of Petroleum Engineering，Southwest Petroleum University，Chengdu 610500，China；2.Drilling and Completion Project Management Depart ment，Sinopec Northwest Oil f iel d Br anch，Ur umqi 830011，China；3.China National Logging Cor poration，Beijing 100101，China）

Expansion tube not only can effectively packer co mplex for mation，but can also ensure lar ger co mpletion size.However，it has many pr oblems about application in Tahe Oilfiel d，that wellbore instability，sli m-hole directional reaming uncertainty，expansion law and expansion influence factors are not clear，directional drilling tools are not perf ect，and t here is no successf ul experience for reference.Thus，studies were carried out f or the feasibility of these key technologies，like expansion law and acco mpanying tools.The practice of 437 mexpansion t ube was successf ull y applied in the field，which shows that the expansion tube can efficiently satisf y the requirement of packing co mplex mudstone in deep sidetracking well.

bulged tube；directional reaming；expansion hydraulic pressure；deep sidetracking

TE925

B

1001-3482（2014）06-0084-05

2013-12-04

胡 彪（1990-），男，四川成都人，硕士研究生，主要从事井壁稳定方面的研究，E-mail：2802182855＠qq.co m。