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特的方式方法來達此目標(biāo)。傳統(tǒng)上認(rèn)為，限制非生產(chǎn)時間應(yīng)該是實現(xiàn)經(jīng)濟目標(biāo)的主要驅(qū)動力；而有一種高效鉆井方法是控制或消除單項工藝流程來實現(xiàn)利益最大化。由于鉆井過程中隱形成本巨大，如接單根時的劃眼、額外的循環(huán)時間、起鉆時的倒劃眼，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)達到單日進尺的最大化，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，一個作業(yè)公司大約有60%的進尺受到了非鉆頭因素的影響。
擴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、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。采用彎外殼馬達定向鉆進會產(chǎn)生狗腿型井眼，特別是在復(fù)合鉆進與滑動鉆進交替時會出現(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、下套管困難及固井質(zhì)量不好，局部擴徑不僅會影響指向式旋轉(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、擴徑都不解決問題。積累到一定程度就會出現(xiàn)卡BHA或側(cè)鉆新臺階。但這些非鉆頭影響因素可以接單根時的倒劃眼、短程拉劃作業(yè)來解決，有時甚至必須擴眼后才能順利下入套管，而這些作業(yè)將降低單日進尺，大大增加非生產(chǎn)時間。
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、可雙向劃眼的增強型鉆具穩(wěn)定器，稱之為擴劃眼器（IL Reamer）。由于其較強擴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)約起下鉆時間，防止在不穩(wěn)定頁巖地層和煤層斷層中的卡鉆。實際應(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)定頁巖地層時出現(xiàn)大量非生產(chǎn)時間，大概平均要花40%的循環(huán)時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度的井眼剖面優(yōu)化等方面探索了許多方法。頁巖層會膨脹，起下鉆過程中產(chǎn)生的掉塊只有通過硬擴劃眼才能清除，否則，處理時間很長、定向工具損壞，影響經(jīng)濟效益。
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，包括斷層和膨脹頁巖層內(nèi)的鉆進。鉆復(fù)雜地層會降低鉆井速度，起下鉆也更困難，導(dǎo)致需要長時間的倒劃眼才能安全地將鉆柱起出。以在該區(qū)鉆進的22口井為例，大約平均40%的循環(huán)時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，但長時間的擴劃眼作業(yè)仍會導(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)計上需要減少在頁巖層段的進尺，特別是在不利方位的鉆進縮短井段長度更為關(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，以防止由于臺階和狗腿而產(chǎn)生支點，從而影響鉆井效率。此外，井眼擴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。
難點是需要降低擴劃眼時間，在科威特北部的22口井中，40%的循環(huán)時間花在清潔井眼和擴劃眼上；需要減少在頁巖層段的鉆進進尺，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)計一種過電纜擴劃眼。
什么是擴劃眼器（IL Reamer）
已有的各種鉆具穩(wěn)定器的改進設(shè)計方案都不能解決因穩(wěn)定器離BHA太遠(yuǎn)或不具備擴劃眼能力而引起的井下復(fù)雜。科威特石油公司設(shè)計出一種兼有加強型鉆具穩(wěn)定器和滿足RSS BHA運轉(zhuǎn)的雙向被動切削結(jié)構(gòu)的擴劃眼器（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 過電纜擴劃眼器
該擴劃眼器擁有專利定制設(shè)計和實用創(chuàng)新的特點，不影響導(dǎo)向BHA定向能力和機械完整性。圖2為指向式RSS的鉆柱式擴劃眼器側(cè)視圖，在擴劃眼器內(nèi)設(shè)計了一種特殊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可匹配通信系統(tǒng)要求。擴劃眼器可以充當(dāng)鉆具穩(wěn)定器單獨安放在MWD/LWD鉆鋌之上。
圖2 鉆柱式擴劃眼器
圖3為配合式雙公擴劃眼器側(cè)視圖，可直接串接在MWD/LWD鉆鋌中成為一個完整的單元。
圖3 雙公接頭擴劃眼器
擴劃眼器專門在長度和內(nèi)部結(jié)構(gòu)上進行了定制以適應(yīng)高造斜率需要，具有如下主要特征（對應(yīng)圖2的標(biāo)識）：
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棱條軸對稱切削結(jié)構(gòu)設(shè)計，主要用于有效清除井眼臺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產(chǎn)生額外的扭矩。
C、設(shè)計了較大的導(dǎo)流槽開口，即使在高機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棱條肩部，避免在研磨性地層中鉆進產(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。
由于擴劃眼器無活動部件，因此，即使在最長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為擴劃眼器棱條結(jié)構(gòu)擴劃眼的橫截面示意圖。左圖為全尺寸井眼與擴劃眼器的截面圖。可以看出，在井眼直徑和形狀正常時，擴劃眼器與井筒沒咬合，這種情況下擴劃眼器的作用是穩(wěn)定器。而右圖為擴劃眼器下入到一個尺寸稍微小一點的井眼或存在臺階的井眼，此時擴劃眼器上的PDC切削片將與井壁接觸，并將其有效地擴眼至接近正常井徑，從而確保了最佳的井眼軌跡及定向效率。
圖4 擴劃眼器在全尺寸井眼（左）和縮徑井眼（右）中擴劃眼示意圖
應(yīng)用實例
以5口井的例子來說明擴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 實例井軌跡剖面，1口鉆具穩(wěn)定器井、4口擴劃眼器井
RSS+IL Reamer的BHA成功進行了4口井作業(yè)，IL Reamer安裝在LWD/MWD鉆鋌的中下部，對安裝在工具上的通信系統(tǒng)未產(chǎn)生任何影響。由于IL Reamer配備了被動擴劃眼功能，并且位于離鉆頭最近的位置，鉆進過程中，IL Reamer有助于降低井眼臺階和狗腿，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，機械鉆速提高。圖7為參考井與應(yīng)用井的平均機械鉆速（ROP）對比圖，可以看出，采用IL Reamer的ROP普遍提高，如3號井，因鉆壓傳遞效率提高，鉆進更更快，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）被擴劃眼器IL Reamer（左）替代
圖7 8-1/2"井段平均ROP對比，藍(lán)色為采用鉆具穩(wěn)定器井（參考井），綠色為采用擴劃眼器4口井，最高ROP提高39%。
通過隨鉆擴劃眼，IL Reamer將井眼重新擴至標(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，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12°/100ft，減少了在頁巖地層的鉆進進尺，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號井測得造斜率超過12°/100ft
IL Reamer后端的擴劃眼齒可以在起鉆和接單根的同時完成循環(huán)洗井、擴劃眼，對井眼進行修整，并清除膨脹頁巖臺階與掉塊，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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