油氣鉆井行業(yè)的主要目標(biāo)是以最快最有效的方式完鉆井眼，但各大公司都有其獨(dú)特的方式方法來達(dá)此目標(biāo)。傳統(tǒng)上認(rèn)為，限制非生產(chǎn)時(shí)間應(yīng)該是實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)目標(biāo)的主要驅(qū)動(dòng)力；而有一種高效鉆井方法是控制或消除單項(xiàng)工藝流程來實(shí)現(xiàn)利益最大化。由于鉆井過程中隱形成本巨大，如接單根時(shí)的劃眼、額外的循環(huán)時(shí)間、起鉆時(shí)的倒劃眼，以及套管不能順利下入目標(biāo)井深等作業(yè)的隱形成本可能遠(yuǎn)大于非生產(chǎn)時(shí)間的損失。另一種高效鉆井方法是將鉆井關(guān)鍵參數(shù)（如鉆壓）最大化，通過極限參數(shù)達(dá)到單日進(jìn)尺的最大化，因此，需要找到并消除限制關(guān)鍵參數(shù)發(fā)揮的因素，而這些影響因素可以細(xì)分為鉆頭影響因素和非鉆頭影響因素，一個(gè)作業(yè)公司大約有60%的進(jìn)尺受到了非鉆頭因素的影響。
擴(kuò)劃眼器在科威特有效應(yīng)用
非鉆頭影響因素與井身質(zhì)量有關(guān)，如井壁穩(wěn)定性、井眼軌跡及井眼清潔程度等。井壁失穩(wěn)可能由地層的蠕動(dòng)、水化反應(yīng)、斷層、松散或超壓等特性引起，可以通過加重鉆井液直至地層破裂壓力梯度極限來應(yīng)對(duì)。采用彎外殼馬達(dá)定向鉆進(jìn)會(huì)產(chǎn)生狗腿型井眼，特別是在復(fù)合鉆進(jìn)與滑動(dòng)鉆進(jìn)交替時(shí)會(huì)出現(xiàn)局部嚴(yán)重狗腿。鉆具穩(wěn)定器與井眼的相互作用會(huì)出現(xiàn)螺旋型井眼，導(dǎo)致轉(zhuǎn)盤摩阻增加、鉆頭托壓與鉆頭粘滑振動(dòng)、下套管困難及固井質(zhì)量不好，局部擴(kuò)徑不僅會(huì)影響指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)（RSS）關(guān)鍵一側(cè)的側(cè)向力與鉆頭偏轉(zhuǎn)角進(jìn)而影響旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的導(dǎo)向性能，而且井眼狗腿或螺旋槽內(nèi)的巖屑床是無法清除的，觀察BHA附近要清除局部擴(kuò)徑處的巖屑即使采取倒劃眼方式且按傳統(tǒng)增大排量、增大轉(zhuǎn)速、擴(kuò)徑都不解決問題。積累到一定程度就會(huì)出現(xiàn)卡BHA或側(cè)鉆新臺(tái)階。但這些非鉆頭影響因素可以接單根時(shí)的倒劃眼、短程拉劃作業(yè)來解決，有時(shí)甚至必須擴(kuò)眼后才能順利下入套管，而這些作業(yè)將降低單日進(jìn)尺，大大增加非生產(chǎn)時(shí)間。
科威特石油公司與一家井下工具供應(yīng)商聯(lián)合研發(fā)出一種可與RSS配套使用的具備過電纜功能、可雙向劃眼的增強(qiáng)型鉆具穩(wěn)定器，稱之為擴(kuò)劃眼器（IL Reamer）。由于其較強(qiáng)擴(kuò)劃眼能力解決了上述非鉆頭因素引起的復(fù)雜情況，顯著改善了井眼作業(yè)條件，在近旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向端將其與MWD或LWD鉆鋌連接或制作成一體化鉆鋌，鉆出更光滑井眼，提升倒劃眼能力，有助于節(jié)約起下鉆時(shí)間，防止在不穩(wěn)定頁巖地層和煤層斷層中的卡鉆。實(shí)際應(yīng)用新型工具的井未出現(xiàn)因井身質(zhì)量差導(dǎo)致的卡鉆事件。
在科威特北部，為防止起鉆通過兩套不穩(wěn)定頁巖地層時(shí)出現(xiàn)大量非生產(chǎn)時(shí)間，大概平均要花40%的循環(huán)時(shí)間來配合正反劃眼與處理阻卡。由于地應(yīng)力方向和泥漿性能的不確定性，在泥漿體系、泥漿性能和減少頁巖層穿越長(zhǎng)度的井眼剖面優(yōu)化等方面探索了許多方法。頁巖層會(huì)膨脹，起下鉆過程中產(chǎn)生的掉塊只有通過硬擴(kuò)劃眼才能清除，否則，處理時(shí)間很長(zhǎng)、定向工具損壞，影響經(jīng)濟(jì)效益。
如何解決水平井定向井段出現(xiàn)的難題
在科威特北部，理論分析表明沿東北-西南方向鉆水平井是最易鉆穿兩套不穩(wěn)定頁巖地層的，但考慮到地下目標(biāo)和鄰近井眼，大多數(shù)井眼剖面都不能滿足這一條件，多口定向井必須沿最小主應(yīng)力方向鉆進(jìn)，包括斷層和膨脹頁巖層內(nèi)的鉆進(jìn)。鉆復(fù)雜地層會(huì)降低鉆井速度，起下鉆也更困難，導(dǎo)致需要長(zhǎng)時(shí)間的倒劃眼才能安全地將鉆柱起出。以在該區(qū)鉆進(jìn)的22口井為例，大約平均40%的循環(huán)時(shí)間都花在了高狗腿度井段劃眼和倒劃眼上了。由于地應(yīng)力方向的不確定性和泥漿性能的差異，雖然優(yōu)化了泥漿類型、泥漿性能和定向井剖面，但長(zhǎng)時(shí)間的擴(kuò)劃眼作業(yè)仍會(huì)導(dǎo)致定向工具損壞，降低鉆井效率。
克服井眼失穩(wěn)定在井眼剖面設(shè)計(jì)上需要減少在頁巖層段的進(jìn)尺，特別是在不利方位的鉆進(jìn)縮短井段長(zhǎng)度更為關(guān)鍵。因此，需要采用高造斜率RSS以便在頁巖層段形成較高的造斜率，如12°/100ft的造斜率。為了達(dá)到如此高的造斜率率，井眼軌跡必須盡可能光滑，以防止由于臺(tái)階和狗腿而產(chǎn)生支點(diǎn)，從而影響鉆井效率。此外，井眼擴(kuò)徑不宜過大才能保證RSS的高造斜率。這種情況下就需要使用擴(kuò)劃眼器了，IL Reamer滿足RSS通訊和劃眼的需要，可取代廠家LWD工具串內(nèi)的鉆具穩(wěn)定器。
鉆進(jìn)科威特北部不穩(wěn)定頁巖地層存在的難題與解決方案。
難點(diǎn)是需要降低擴(kuò)劃眼時(shí)間，在科威特北部的22口井中，40%的循環(huán)時(shí)間花在清潔井眼和擴(kuò)劃眼上；需要減少在頁巖層段的鉆進(jìn)進(jìn)尺，尤其是在不利的方位角方向上；在RSS之上的工具串中布局第一道防線，提高擴(kuò)劃眼能力。解決方式是盡量減少頁巖暴露，將IL Reamer作為定向鉆具組合的一部分；采用高造斜率RSS，降低進(jìn)入頁巖層的井斜角，然后以高造斜率快速造斜；與專用井下工具供應(yīng)商合作，設(shè)計(jì)一種過電纜擴(kuò)劃眼。
什么是擴(kuò)劃眼器（IL Reamer）
已有的各種鉆具穩(wěn)定器的改進(jìn)設(shè)計(jì)方案都不能解決因穩(wěn)定器離BHA太遠(yuǎn)或不具備擴(kuò)劃眼能力而引起的井下復(fù)雜?？仆厥凸驹O(shè)計(jì)出一種兼有加強(qiáng)型鉆具穩(wěn)定器和滿足RSS BHA運(yùn)轉(zhuǎn)的雙向被動(dòng)切削結(jié)構(gòu)的擴(kuò)劃眼器（圖1），以取代現(xiàn)有LWD工具串的原廠過電纜鉆具穩(wěn)定器（IL Stabilizer）。
圖1 過電纜擴(kuò)劃眼器
該擴(kuò)劃眼器擁有專利定制設(shè)計(jì)和實(shí)用創(chuàng)新的特點(diǎn)，不影響導(dǎo)向BHA定向能力和機(jī)械完整性。圖2為指向式RSS的鉆柱式擴(kuò)劃眼器側(cè)視圖，在擴(kuò)劃眼器內(nèi)設(shè)計(jì)了一種特殊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可匹配通信系統(tǒng)要求。擴(kuò)劃眼器可以充當(dāng)鉆具穩(wěn)定器單獨(dú)安放在MWD/LWD鉆鋌之上。
圖2 鉆柱式擴(kuò)劃眼器
圖3為配合式雙公擴(kuò)劃眼器側(cè)視圖，可直接串接在MWD/LWD鉆鋌中成為一個(gè)完整的單元。
圖3 雙公接頭擴(kuò)劃眼器
擴(kuò)劃眼器專門在長(zhǎng)度和內(nèi)部結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了定制以適應(yīng)高造斜率需要，具有如下主要特征（對(duì)應(yīng)圖2的標(biāo)識(shí)）：
A、螺旋棱條具有較小的包角，以利于巖屑上返，棱條上鑲嵌了柱面保徑碳化鎢齒防止橫向沖擊，避免井眼擴(kuò)徑過大而出現(xiàn)導(dǎo)向不足和新的攜巖問題。高密度的碳化鎢鑲齒主要是為了增加棱條的耐用性，并提供大面積的低摩擦軸承面，降低工具的反扭矩。
B、棱條的兩頭肩部鑲裝了PDC切削齒用于劃眼和倒劃眼。采用4棱條軸對(duì)稱切削結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要用于有效清除井眼臺(tái)階或因頁巖膨脹引起的縮徑。由于鑲PDC齒處工具外徑小于井眼尺寸，在正常井眼中鉆井不會(huì)產(chǎn)生額外的扭矩。
C、設(shè)計(jì)了較大的導(dǎo)流槽開口，即使在高機(jī)械鉆速下也有足夠的巖屑通過面積，棱條和導(dǎo)流槽的形狀經(jīng)過了優(yōu)化，最大限度地減少了泥包的可能性，有助于順利排出巖屑。
D、頸部的本體上鑲有碳化鎢鑲齒以保護(hù)棱條肩部，避免在研磨性地層中鉆進(jìn)產(chǎn)生環(huán)形磨損。
E、量身定制的內(nèi)表面可滿足RSS 過電纜通信的需要。
由于擴(kuò)劃眼器無活動(dòng)部件，因此，即使在最長(zhǎng)水平井中使用其壽命也是夠用的，不需要在鉆井過程中監(jiān)控工作狀態(tài)或因工具故障中途起下鉆。
圖4為擴(kuò)劃眼器棱條結(jié)構(gòu)擴(kuò)劃眼的橫截面示意圖。左圖為全尺寸井眼與擴(kuò)劃眼器的截面圖?？梢钥闯?，在井眼直徑和形狀正常時(shí)，擴(kuò)劃眼器與井筒沒咬合，這種情況下擴(kuò)劃眼器的作用是穩(wěn)定器。而右圖為擴(kuò)劃眼器下入到一個(gè)尺寸稍微小一點(diǎn)的井眼或存在臺(tái)階的井眼，此時(shí)擴(kuò)劃眼器上的PDC切削片將與井壁接觸，并將其有效地?cái)U(kuò)眼至接近正常井徑，從而確保了最佳的井眼軌跡及定向效率。
圖4 擴(kuò)劃眼器在全尺寸井眼（左）和縮徑井眼（右）中擴(kuò)劃眼示意圖
應(yīng)用實(shí)例
以5口井的例子來說明擴(kuò)劃眼器在科威特的應(yīng)用效果，選了1口在MWD/LWD鉆鋌下部安放IL Stabilizer的井作為參考井，另4口井采用同外徑的IL Reamer替代IL Stabilizer。鉆進(jìn)井段為8-1/2"復(fù)雜定向段，從9-5/8”套管鞋的直井段一直到水平段7”套管鞋之間。圖5顯示它們的定向剖面類似、井段長(zhǎng)度也差不多，均采用一種鉆頭、同樣的鉆井液密度和性能；唯一不同的是鉆具穩(wěn)定器（圖6）。
圖5 實(shí)例井軌跡剖面，1口鉆具穩(wěn)定器井、4口擴(kuò)劃眼器井
RSS+IL Reamer的BHA成功進(jìn)行了4口井作業(yè)，IL Reamer安裝在LWD/MWD鉆鋌的中下部，對(duì)安裝在工具上的通信系統(tǒng)未產(chǎn)生任何影響。由于IL Reamer配備了被動(dòng)擴(kuò)劃眼功能，并且位于離鉆頭最近的位置，鉆進(jìn)過程中，IL Reamer有助于降低井眼臺(tái)階和狗腿，使井眼更加平滑通暢。因此，鉆壓從地面向下傳遞到鉆頭的效率增加，機(jī)械鉆速提高。圖7為參考井與應(yīng)用井的平均機(jī)械鉆速（ROP）對(duì)比圖，可以看出，采用IL Reamer的ROP普遍提高，如3號(hào)井，因鉆壓傳遞效率提高，鉆進(jìn)更更快，與參考井相比，平均ROP提高39%，創(chuàng)造了油田ROP新紀(jì)錄。
圖6 底部鉆具組合，鉆具穩(wěn)定器IL Stabilizer（右）被擴(kuò)劃眼器IL Reamer（左）替代
圖7 8-1/2"井段平均ROP對(duì)比，藍(lán)色為采用鉆具穩(wěn)定器井（參考井），綠色為采用擴(kuò)劃眼器4口井，最高ROP提高39%。
通過隨鉆擴(kuò)劃眼，IL Reamer將井眼重新擴(kuò)至標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)則井徑，以防這些不規(guī)則的地方成為穩(wěn)定器的力學(xué)支點(diǎn)，降低鉆頭的側(cè)向切削能力。因此，也有助于防止由于穩(wěn)定器扭矩增加而引發(fā)的粘滑，以及由于振動(dòng)導(dǎo)致鉆壓傳遞損失而加劇鉆頭粘滑。圖8顯示，RSS導(dǎo)向系統(tǒng)的性能沒有受到影響，取得的造斜率高達(dá)12°/100ft，減少了在頁巖地層的鉆進(jìn)進(jìn)尺，特別是在不利的方位上鉆井，最大限度地減少頁巖暴露就可以減少頁巖膨脹帶來的復(fù)雜。
圖8 8-1/2"井段狗腿度顯示1號(hào)井測(cè)得造斜率超過12°/100ft
IL Reamer后端的擴(kuò)劃眼齒可以在起鉆和接單根的同時(shí)完成循環(huán)洗井、擴(kuò)劃眼，對(duì)井眼進(jìn)行修整，并清除膨脹頁巖臺(tái)階與掉塊，提高起鉆速度，為順利下套管奠定基礎(chǔ)。不難看出，采用IL Reamer的井在8-1/2"井段的起下鉆速度顯著提高。
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