張文澤，夏宏南，白凱，程銘

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旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)在焦石壩地區(qū)的應(yīng)用與分析

張文澤，夏宏南，白凱，程銘

在涪陵焦石壩地區(qū)的鉆探過程中，使用了多種定向技術(shù)，其中就包括旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)。介紹了旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的分類、結(jié)構(gòu)與組成，分析了旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工藝具有高精度井眼軌跡控制能力、水平位移延伸能力強(qiáng)、大幅度減小鉆井周期等特點(diǎn)。結(jié)合焦石壩地區(qū)地質(zhì)、工程、技術(shù)等綜合因素，分別選取江漢、中原油田的8口旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)井為代表，通過與MWD技術(shù)鉆進(jìn)井對(duì)比分析得出，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)能在一定程度上提高機(jī)械鉆速、降低井下事故風(fēng)險(xiǎn)?？偨Y(jié)了旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)因地質(zhì)、設(shè)備、工具等因素在使用過程中存在難點(diǎn)，提出了相關(guān)優(yōu)化措施，對(duì)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用具有指導(dǎo)作用。

焦石壩地區(qū)；旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向；定向鉆井；機(jī)械鉆速；技術(shù)難點(diǎn)；優(yōu)化措施

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)RSS(rotary steerable system)徹底改變了傳統(tǒng)的滑動(dòng)導(dǎo)向鉆進(jìn)方式，摒棄了原有定向技術(shù)的缺陷，在鉆柱旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)下能自動(dòng)、連續(xù)、靈活地調(diào)整井斜和方位，提高鉆井效率的同時(shí)，降低了風(fēng)險(xiǎn)。此外，井眼軌跡的準(zhǔn)確度得到了提升，特別是與隨鉆測(cè)井儀器相結(jié)合，在大斜度井、多分支水平井、大位移水平井以及薄油層水平井等復(fù)雜結(jié)構(gòu)井中能精準(zhǔn)定向進(jìn)入油層的最佳位置[1，2]。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)在涪陵非常規(guī)油氣鉆探中的應(yīng)用還處于探索階段，限于工程、地質(zhì)等綜合因素的影響，技術(shù)優(yōu)勢(shì)相對(duì)突出，經(jīng)濟(jì)效益尚不顯著，但進(jìn)行相關(guān)的試驗(yàn)、分析、總結(jié)顯得尤為重要。目前，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)主要被國外的斯倫貝謝、哈里伯頓、貝克·休斯等幾大油田服務(wù)公司所壟斷。國內(nèi)在旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向相關(guān)方面的研究工作也取得了比較大的進(jìn)展[3]。

1　旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)介紹

1.1工具分類與組成

涪陵焦石壩工區(qū)主要以哈里伯頓和斯倫貝謝導(dǎo)向工具應(yīng)用為主，為全旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)模式[4]，RSS在鉆柱旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)，隨鉆實(shí)時(shí)完成導(dǎo)向功能的一種導(dǎo)向式鉆井系統(tǒng)，是近些年來在定向工具領(lǐng)域的后起之秀，以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)得到了廣泛的應(yīng)用。主要由地面監(jiān)控系統(tǒng)、雙向通訊系統(tǒng)、隨鉆測(cè)量系統(tǒng)和井下導(dǎo)向工具系統(tǒng)4大部分組成[5]。RSS鉆進(jìn)和定向時(shí)具有高鉆速、低成本、用時(shí)短、井眼軌跡平滑等特點(diǎn)[6]，被認(rèn)為是現(xiàn)代導(dǎo)向鉆井技術(shù)發(fā)展的新方向。

1.2斯倫貝謝旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具組合

圖1　斯倫貝謝旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具組合

1.3技術(shù)優(yōu)勢(shì)

所使用的Xceed 900旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)適用于研磨性地層，可使用偏心鉆頭，能夠進(jìn)行裸眼側(cè)鉆以及擴(kuò)徑井段，耐溫最高達(dá)到了150℃。此外，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)時(shí)近鉆頭精準(zhǔn)測(cè)量井斜與方位，自動(dòng)穩(wěn)斜、穩(wěn)方位，實(shí)測(cè)鉆頭轉(zhuǎn)速，導(dǎo)向能力強(qiáng)。能夠使用一套鉆具組合完成定向造斜、增斜、穩(wěn)斜和水平段等各種井段的鉆進(jìn)任務(wù)[7]，井眼軌跡易調(diào)控，鉆具的扭矩和摩阻也得到有效控制，能在提高鉆井時(shí)效的同時(shí)，節(jié)省費(fèi)用并降低鉆井風(fēng)險(xiǎn)。史密斯PDC鉆頭能在保證機(jī)械鉆速的前提下，延長在砂泥巖夾層中的耐用性和抗沖擊性，其較小的后傾角和特殊的水力設(shè)計(jì)，提高了鉆頭的使用壽命。

2　旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)

表1　旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)鉆進(jìn)參數(shù)

表2　MWD技術(shù)鉆進(jìn)參數(shù)

3　旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具使用中存在的難點(diǎn)

3.1地質(zhì)因素

地質(zhì)因素是旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具使用中不可避免的一個(gè)難題，定向段易出現(xiàn)井漏、出水、出氣、定向托壓等復(fù)雜事故；所鉆地層巖性交錯(cuò)多，交界面多，鉆進(jìn)中易出現(xiàn)工具震動(dòng)和井下工具蹩扭嚴(yán)重等現(xiàn)象。不穩(wěn)定地層易造成井壁掉塊、垮塌、卡工具；地層傾角大，易造成工具造斜率低，無法實(shí)現(xiàn)軌跡的有效控制；易漏地層易造成井壁泥餅較厚、工具無法起出，堵漏易造成工具工作不正常。

1)井漏焦石壩地區(qū)鉆井過程中的漏失主要由地層復(fù)雜造成，其上部地層溶洞、裂縫發(fā)育豐富，漏失通道常與地表、暗河等連通，中下部地層主要是韓家店、小河壩和龍馬溪地層，以孔隙發(fā)育為主，漏失較為明顯。井漏影響旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的定向，巖屑難以返排，造成重復(fù)定向。

2)地層出水在嘉陵江組、飛仙關(guān)組出水嚴(yán)重，在鉆井過程中花費(fèi)大量時(shí)間進(jìn)行堵水作業(yè)，出水也使泡沫、氣體鉆井技術(shù)應(yīng)用受限。地層出水會(huì)導(dǎo)致井壁不穩(wěn)定，嚴(yán)重影響旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的使用，易發(fā)生卡、堵工具事故。

3)出氣或H2S長興組至韓家店組出氣或H2S頻繁，嚴(yán)重影響泡沫、氣體鉆井的使用，也對(duì)安全生產(chǎn)造成巨大威脅。出氣導(dǎo)致井底壓力不穩(wěn)定，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具不能正常工作；H2S會(huì)腐蝕工具的關(guān)鍵部位。

4)下鉆遇阻、卡鉆焦石壩地區(qū)地層泥頁巖水化膨脹，產(chǎn)生縮徑，會(huì)導(dǎo)致下鉆遇阻、卡鉆，垮塌常出現(xiàn)在井斜40～60°井段，加大處理難度。下鉆遇阻、卡鉆會(huì)大大減少工具的使用壽命，嚴(yán)重者會(huì)使工具報(bào)廢。

3.2設(shè)備因素

旋轉(zhuǎn)定向鉆井中扭矩波動(dòng)較大，平均扭矩在15～25kN，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于螺桿鉆具復(fù)合扭矩，扭矩過大易造成鉆具疲勞，發(fā)生斷鉆具事故。工具要求頂驅(qū)轉(zhuǎn)速控制在100r/min，超過該轉(zhuǎn)速易造成頂驅(qū)負(fù)荷過重，例如JY40-4井，頂驅(qū)轉(zhuǎn)速達(dá)到105r/min，在大扭矩、高轉(zhuǎn)速情況下，易造成頂驅(qū)損壞。工具轉(zhuǎn)速過低，不利于攜砂，同時(shí)影響了機(jī)械鉆速，例如JY52-3井，頂驅(qū)轉(zhuǎn)速最大只能達(dá)到50r/min，在該轉(zhuǎn)速下，井底巖屑不能充分地?cái)y帶出井，一部分巖屑?jí)撼衷诰仓?，反?fù)破碎，造成能量的嚴(yán)重浪費(fèi)，并降低了機(jī)械鉆速。在旋轉(zhuǎn)定向鉆井中，若是固相含量過高易造成儀器堵塞或沖蝕密封件，泥漿中的雜質(zhì)過多會(huì)纏住發(fā)電機(jī)葉輪，造成工具不工作。

3.3工具因素

3.4反復(fù)入井

據(jù)分析與統(tǒng)計(jì)(圖2)，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具在井下工作中，正常中完的比例只占到37.50%，造斜率不夠、機(jī)械鉆速慢、工具失效以及地層原因等都是影響導(dǎo)向工具反復(fù)入井的原因。機(jī)械鉆速慢是所有導(dǎo)向工具面臨的一項(xiàng)難題，受地質(zhì)、環(huán)境、人員以及技術(shù)的綜合約束；井下設(shè)備、環(huán)境的差異都會(huì)影響造斜率；工具失效與工具本身制造工藝和操作規(guī)范都會(huì)不同程度影響旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的反復(fù)入井。

圖2　旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具起下鉆原因分析

4　旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具優(yōu)化措施

1)工具轉(zhuǎn)速控制在合理范圍(100r/min以內(nèi))；在下部工具組合中安裝減震器并合理有效地控制扭矩，避免設(shè)備損壞。

2)優(yōu)化扶正器的結(jié)構(gòu)、尺寸和長度，以控制并降低施工中的扭矩。

3)優(yōu)化泥漿性能。施工中使用好固控設(shè)備，降低泥漿中的有害固相；儲(chǔ)備一定量的防漏堵漏材料，在泥漿中加入一定量的潤滑劑和消泡劑，確保井底合理的壓力控制以及井壁的穩(wěn)定性能。

4)在鉆具組合中，部分井段測(cè)斜磁干擾較強(qiáng)，測(cè)斜方位和實(shí)時(shí)方位波動(dòng)較大，給施工帶來難度，建議后續(xù)施工時(shí)在馬達(dá)上部加短無磁。

5)使用動(dòng)力旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向。在工具上方加大扭矩螺桿，可大大降低扭矩和摩阻，提供需要的鉆頭轉(zhuǎn)速，可比常規(guī)工具提高機(jī)械鉆速2～3倍。

6)優(yōu)化底部鉆具組合結(jié)構(gòu)。針對(duì)使用工具的地層情況，擴(kuò)大工具組合與鉆頭的匹配關(guān)系，增大工具的使用范圍，擴(kuò)大與地層的匹配性。

5　結(jié)論

1)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)在涪陵頁巖氣等非常規(guī)油氣開發(fā)中得到了一定應(yīng)用，并逐漸摸索出了一套適合于焦石壩工區(qū)的鉆具組合，實(shí)踐表明對(duì)于高難度、高技術(shù)復(fù)雜工藝井，具有顯著提高定向鉆井效率的作用。

2)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)能精準(zhǔn)高效地進(jìn)行工程和地質(zhì)導(dǎo)向，易進(jìn)行軌跡控制，保證井眼光滑[8]，相比較MWD而言，具有日進(jìn)尺多、鉆井周期短、事故頻率低、大大減少工具入井趟數(shù)等優(yōu)勢(shì)。

3)隨著技術(shù)的發(fā)展及試用工具領(lǐng)域的擴(kuò)大，仍需在試驗(yàn)中對(duì)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，合理改進(jìn)優(yōu)化鉆具組合，進(jìn)一步提高實(shí)際施工中的造斜率，以滿足各種井型需要。

[1]陳啟文,董瑜,土飛,等.蘇里格氣田水平井開發(fā)技術(shù)優(yōu)化[J].天然氣工業(yè),2012,32(6):39～42.

[2]徐坤吉,熊繼有,陳軍,等.深井水平井水平段水力延伸能力評(píng)價(jià)與分析[J].西南石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2012,34(6):101～106.

[3]姜偉,蔣世全,付鑫生,等.旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)應(yīng)用研究及其進(jìn)展[J].天然氣工業(yè)，2013,33(4):75～79.

[4]王鵬,盛利民,竇修榮,等.國外旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向最新技術(shù)進(jìn)展與發(fā)展趨勢(shì)[J].鉆采工藝，2013,36(6):32～35.

[5]肖仕紅,梁政.旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及展望[J].石油機(jī)械,2006,34(4):66～70.

[6]張紹槐.現(xiàn)代導(dǎo)向鉆井技術(shù)的新進(jìn)展及發(fā)展方向[J].西安石油學(xué)院學(xué)報(bào),2003,24(3):82～85.

[7]徐泓,劉匡曉,郭瑞昌,等.旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)在元壩超深水平井的應(yīng)用[J].鉆采工藝，2012,35(2):25～27.

[8]李增科,趙哲.旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)的應(yīng)用及探討[J].江漢石油職工大學(xué)學(xué)報(bào)，2015,28(2):25～27.

[編輯]帥群

2015-12-01

湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心基金項(xiàng)目(HBUOG-2014-1)。

張文澤(1989-)，男，碩士生，現(xiàn)主要從事鉆井工藝技術(shù)方面的學(xué)習(xí)與研究工作；通信作者：夏宏南，251603893@qq.com。

TE243

A

1673-1409(2016)17-0054-04

[引著格式]張文澤，夏宏南，白凱，等.旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)在焦石壩地區(qū)的應(yīng)用與分析[J].長江大學(xué)學(xué)報(bào)(自科版), 2016,13(17):54～57.