姜 偉 蔣世全 付鑫生 陳 平

1．中國(guó)海洋石油總公司 2．中海油研究總院 3．西安石油大學(xué) 4．西南石油大學(xué)

油氣田勘探和開發(fā)過(guò)程中，人們對(duì)于鉆井的井眼軌跡提出了很多新的要求，特別是水平井技術(shù)、大位移鉆井技術(shù)、薄油層鉆水平井的技術(shù)、水平分支井技術(shù)［1－2］，這些技術(shù)要求鉆井工具去滿足越來(lái)越復(fù)雜的地層條件，同時(shí)還要為了暴露更多的儲(chǔ)層，以期獲得更大的產(chǎn)能。因此提出了越來(lái)越復(fù)雜的井眼軌跡要求。同時(shí)為了能提高鉆井效率、降低昂貴的鉆井成本和減少鉆井井下作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生了，它的出現(xiàn)立刻在渤海鉆井作業(yè)［3－4］中得到了廣泛的應(yīng)用，20世紀(jì)90年代以來(lái)，以Baker Hughes的Auto Trak系統(tǒng)、Schelumberger公司的Power Drive系統(tǒng)、Hullibuton公司的Geo－pilot系統(tǒng)為代表的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)［5］，給井眼軌跡的測(cè)量到控制掀起了一場(chǎng)革命，同時(shí)也在技術(shù)上和商業(yè)上展開了激烈的競(jìng)爭(zhēng)。

圍繞著旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)，中國(guó)自“九五”以來(lái)就開始了研究，并且在國(guó)家“十五”期間研制出旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向的原理樣機(jī)，在此基礎(chǔ)上，“十一五”期間我們又開展了旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)工程化的研究［6－10］，并且 “十一五”期間在3個(gè)關(guān)鍵技術(shù)方面取得了重大突破：①?gòu)木鹿ぞ邷y(cè)控原理到方法上取得了突破；②在定位總成［11－12］的平臺(tái)穩(wěn)定性和控制方法上取得了突破；③在偏心穩(wěn)定器［13］的造斜能力上從原理到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上取得突破。并且，該技術(shù)和工具在現(xiàn)場(chǎng)入井進(jìn)行了鉆井的實(shí)鉆檢驗(yàn)，取得了很好的效果，為掌握旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井關(guān)鍵技術(shù)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

1．1 總體方案

目前，改進(jìn)的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)兩大功能：測(cè)量和軌跡控制。我們?cè)凇笆濉逼陂g的MWD井眼參數(shù)測(cè)量的基礎(chǔ)上，在測(cè)量工具單元上增加了環(huán)空壓力測(cè)量、鉆井鉆壓和扭矩等參數(shù)的測(cè)量，這些測(cè)量的單元數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)信號(hào)的通道來(lái)實(shí)現(xiàn)井下和地面的連通。

另一個(gè)重要的單元就是可控偏心穩(wěn)定器［13］，它是井眼軌跡參數(shù)控制的工具［14］，目前用的是鉆井液液壓推動(dòng)偏心穩(wěn)定器翼肋的伸縮，以此來(lái)達(dá)到改變井斜和定位的目的。

連接這兩個(gè)單元的信息通道采用RS232總線連接，由地面計(jì)算機(jī)和編碼解碼器接收井下數(shù)據(jù)和下達(dá)控制工具指令，一方面實(shí)現(xiàn)井下上傳的數(shù)據(jù)解碼還原成井下地層參數(shù)測(cè)量數(shù)據(jù)（LWD）、井眼參數(shù)測(cè)量數(shù)據(jù)（MWD）、環(huán)空壓力以及工程參數(shù)測(cè)量數(shù)據(jù)；另一方面地面發(fā)出的井眼軌跡控制指令編碼也是通過(guò)數(shù)據(jù)總線傳達(dá)給井下工具，由井下工具執(zhí)行地面的指令實(shí)施軌跡控制和導(dǎo)向。井下—地面數(shù)據(jù)流方案見(jiàn)圖1。

1．2 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具系統(tǒng)

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具系統(tǒng)井下部分的主要結(jié)構(gòu)主要由偏心穩(wěn)定器的翼肋總成及傳動(dòng)部分、定位總成等5大部分構(gòu)成（圖2）。

1．3 關(guān)鍵部件及單元的測(cè)試

1．3．1 室內(nèi)測(cè)試和實(shí)驗(yàn)

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具在室內(nèi)進(jìn)行了大量的測(cè)試和實(shí)驗(yàn)，其系統(tǒng)的各單元測(cè)試工作結(jié)束以后，又專門在西安石油大學(xué)鉆井模擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)，經(jīng)歷了120 r／min的轉(zhuǎn)速條件下的連續(xù)測(cè)試實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了3個(gè)翼肋伸出狀態(tài)下工具的工作穩(wěn)定。

1．3．2 鉆井測(cè)試

圖1 井下—地面數(shù)據(jù)流框圖

圖2 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的主要構(gòu)成示意圖

在渤海陸地實(shí)驗(yàn)井的鉆井測(cè)試：從2009年10月至2011年9月課題組在渤海油田塘沽實(shí)驗(yàn)基地進(jìn)行了7次下井實(shí)驗(yàn)。

1）JJSY－1井實(shí)驗(yàn)井基本數(shù)據(jù)：井深2 125m，244．5mm套管下至井深1 440m，177．8mm尾管下至井深1 348～2 120m。

2）測(cè)試工具的鉆具組合安全參照實(shí)鉆鉆具組合配置：215．9mm鉆頭＋171．45mm旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具＋171．45mm撓性短接＋171．45mmMWD＋216mm穩(wěn)定器＋信息接收短接＋127mm鉆桿。

3）鉆機(jī)設(shè)備：N／V 1QP－160鉆井泵兩臺(tái)，最高泵壓為30MPa，鉆機(jī)型號(hào)是JZ 50DBS。

4）測(cè)試工具在JJSY－1井入井5次，全面測(cè)試了偏心穩(wěn)定器的工作狀態(tài)。緊接著又在JJSY－4井進(jìn)行了實(shí)際鉆井試驗(yàn)，總計(jì)井下鉆井時(shí)間為25h，鉆井井段分別為744～865m、1 006～1 062m，期間對(duì)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的主要性能和功能做了全面的測(cè)試。

至此，工具測(cè)試全面完成了室內(nèi)評(píng)價(jià)和實(shí)驗(yàn)井鉆井測(cè)試階段的工作，測(cè)試結(jié)果達(dá)到了油氣田測(cè)試的指標(biāo)要求且具備了實(shí)鉆的水平，主要取得了以下3個(gè)方面的技術(shù)進(jìn)展：

1）在室內(nèi)旋轉(zhuǎn)鉆井實(shí)驗(yàn)偏心穩(wěn)定器在120r／min的條件下連續(xù)鉆進(jìn)1h，定位總成工作穩(wěn)定，偏心穩(wěn)定器翼肋無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)位移。

2）在實(shí)驗(yàn)井測(cè)試下井7次，在JJSY－4井的724m處，增斜狗腿度達(dá)到2．7°／30m，充分說(shuō)明該工具在上部軟地層具有一定的造斜能力。

3）地面?zhèn)鬏斂刂浦噶睿壕聜鬏敎y(cè)量數(shù)據(jù)編碼解碼正常，控制翼肋動(dòng)作按照程序執(zhí)行，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

2 鉆井現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

從2009年4月1日起就陸續(xù)開始了在油氣田的下井試驗(yàn)，3年多的時(shí)間先后在甘肅省和四川省等4個(gè)油氣田進(jìn)行了9次鉆井作業(yè)。試驗(yàn)中為了取得滿意的工具系統(tǒng)在實(shí)鉆中的導(dǎo)向準(zhǔn)確性、工具可靠性等效果，對(duì)實(shí)鉆方案做出了充分的準(zhǔn)備，試驗(yàn)中獲得了大量第一手的寶貴資料。

2．1 檢驗(yàn)了工具可靠性

1）工具經(jīng)歷了四川省的德陽(yáng)、廣漢，甘肅省華池、慶陽(yáng)等4個(gè)區(qū)域不同地質(zhì)情況的鉆井試驗(yàn)（表1）。

2）工具下井接受的檢驗(yàn)時(shí)間最長(zhǎng)的井是M23－1H井，純鉆時(shí)間達(dá)24．3h。

3）單次下井進(jìn)尺最長(zhǎng)的井為X2－1H井，進(jìn)尺達(dá)286m，在四川地區(qū)鉆井這個(gè)進(jìn)尺應(yīng)該說(shuō)工具已有不錯(cuò)的表現(xiàn)。

2．2 檢驗(yàn)了工具的軌跡控制能力

檢驗(yàn)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具系統(tǒng)的造斜能力，在不同的井況經(jīng)歷了不同的驗(yàn)證（表2）。

表1 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具系統(tǒng)下井鉆井試驗(yàn)情況表

1）工具系統(tǒng)經(jīng)歷了不同的井斜的工作狀況，主要分為3大類：①井斜小于10°的井如G126－174井；②10°～23°以內(nèi)的井，這類井如 G39－208井、Y304－29井、H43－33－1井、H43－33－2井和 M23－3HF井；③屬水平井井斜大于85°，如X2－1H 井、M23－1H井和S6－1HF井。

表2 井眼軌跡數(shù)據(jù)與鉆井參數(shù)表

2）在觀察工具的造斜能力時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)與鉆井參數(shù)有關(guān)系，特別是與鉆壓關(guān)系較大。

①狗腿度大于6°／30m，鉆壓大約在100kN，如表2中X2－1H井和 M23－1H井。

②狗腿度約等于5°／30m時(shí)，鉆壓高限大約在80 kN，如表2中 M23－3HF和S6－1HF井。

3）造斜能力與轉(zhuǎn)速也是有規(guī)律的變化，如表2。①狗腿度大于6°／30m，轉(zhuǎn)速高限為90r／min，如X2－1H 井和 M23－1H 井，其為70～90r／min。

②轉(zhuǎn)速低于70r／min很可能提高造斜能力，如M23－3HF井，低轉(zhuǎn)速端為60r／min，同時(shí)又配合較高的鉆壓70～80kN，其狗腿度為5．6°／30m 高于S6－1HF井的4．7°／30m。

2．3 檢驗(yàn)了不同鉆具組合的造斜率

2．3．1 鉆具組合

1）四川地區(qū)鉆具組合為：215．9mmPDC＋171．45mm旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具＋171．45mm撓性短節(jié)（3．31m）＋171．45mm MWD＋215．9mm 穩(wěn)定器＋127．0mm鉆桿×110根＋127．0mm加重鉆桿×51根＋158．75mm震擊器＋171．45mm加重鉆桿×13根＋171．45mm鉆桿。

2）長(zhǎng)慶地區(qū)鉆具組合為：215．9mmPDC＋171．45mm旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具＋171．45mm撓性短節(jié)＋171．45mm MWD＋209．55mm穩(wěn)定器＋165．1mm鉆鋌×9～12根＋127．0mm鉆桿。

2．3．2 造斜率

1）四川地區(qū)采用215．9mm穩(wěn)定器的效果優(yōu)于長(zhǎng)慶地區(qū)209．55mm穩(wěn)定器。

2）四川地區(qū)采用穩(wěn)定器后給127．0mm鉆桿的撓性比長(zhǎng)慶地區(qū)的165．1mm鉆鋌大，造斜率要高一些。

3 結(jié)束語(yǔ)

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)研究經(jīng)過(guò)了國(guó)家“十一五”期間的技術(shù)攻關(guān)與試驗(yàn)，在偏心穩(wěn)定器的研制、工程參數(shù)測(cè)量、MWD和LWD信號(hào)傳輸方面都取得了很大的進(jìn)展，特別是針對(duì)目前旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井的關(guān)鍵技術(shù)取得了突破。

1）旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)了地層參數(shù)測(cè)量、工程參數(shù)測(cè)量、定向井井眼軌跡測(cè)量和控制與信號(hào)脈沖反饋及收發(fā)等4個(gè)功能，研制的成果在油氣田現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用完全達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。

2）目前旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的造斜能力已達(dá)到設(shè)計(jì)要求，但造斜能力與鉆井參數(shù)的關(guān)系也十分密切，偏心穩(wěn)定器的造斜能力受到了地層特性的影響，這是在工具使用中要注意的問(wèn)題。

3）旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向的關(guān)鍵技術(shù)之一的偏心穩(wěn)定器設(shè)計(jì)方案合理、結(jié)構(gòu)與原理可行，現(xiàn)場(chǎng)單井試驗(yàn)最長(zhǎng)時(shí)間只有24h，需要更多的試驗(yàn)檢驗(yàn)其持久性和可靠性。

4）渤海油田完善的實(shí)驗(yàn)井為旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的功能測(cè)試發(fā)揮了重要作用，配備完備的工程化實(shí)驗(yàn)手段和設(shè)備是開展技術(shù)攻關(guān)、將科研成果轉(zhuǎn)化為工程化的裝備和工具不可缺少的重要手段。

5）中國(guó)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)的研發(fā)已經(jīng)走過(guò)了十多年的歷史，在基本原理的研究、原理樣機(jī)和工程樣機(jī)的研制過(guò)程中掌握了一批核心技術(shù)，在油氣田現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中又進(jìn)一步完善了旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的功能和實(shí)際操作的可靠性，同時(shí)還培養(yǎng)和鍛煉了一批科研隊(duì)伍和人才，我們還要繼續(xù)努力，在理論和實(shí)際結(jié)合上推動(dòng)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展。

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