郭福祥,高立軍,宮 華

（大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院,黑龍江大慶163413）

在復(fù)雜油氣藏中鉆超深井、水平井、大位移井、分支井及三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)井等特殊工藝井中推廣應(yīng)用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)，既提高了機(jī)械鉆速，也降低了鉆井成本[1-2]。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的核心是井下旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具系統(tǒng)，根據(jù)其導(dǎo)向方式可以分為推靠式（Push the Bit）和指向式（Point the Bit）2種[3]。推靠式是在鉆頭附近直接給鉆頭提供側(cè)向力，指向式是通過近鉆頭處鉆柱的彎曲使鉆頭指向井眼軌跡控制方向。Baker?Hughes的AutoTrak旋轉(zhuǎn)閉環(huán)鉆井系統(tǒng)和Schlumberg?er的Power Drive調(diào)制式全旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)屬于推靠式，Halliburton的Geo-Pilot旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向自動(dòng)鉆井系統(tǒng)屬于指向式。

1 Geo-Pilot旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)組成

Geo-Pilot是指向式的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)，主要由驅(qū)動(dòng)軸、外殼、驅(qū)動(dòng)軸密封裝置、非旋轉(zhuǎn)設(shè)備、上下軸承、偏心裝置、近鉆頭井斜傳感器、近鉆頭穩(wěn)定器、控制電路等部件構(gòu)成（圖1）。系統(tǒng)外筒裝有2個(gè)偏心環(huán)，一個(gè)位于另一個(gè)的內(nèi)部，該偏心環(huán)總成組成了精細(xì)、緊湊、經(jīng)久耐用的計(jì)算機(jī)控制的偏心單元，2個(gè)偏心環(huán)驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)軸偏離鉆具中心，致使鉆頭產(chǎn)生偏斜力，從而實(shí)現(xiàn)全部旋轉(zhuǎn)的導(dǎo)向鉆進(jìn)模式[4]。

圖1 Geo-Pilot旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)組成示意圖

1.2 工作原理

Geo-Pilot旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)靠不旋轉(zhuǎn)外筒與驅(qū)動(dòng)軸之間的偏心裝置使驅(qū)動(dòng)軸彎曲，從而為鉆頭提供了一個(gè)與井眼軸線不一致的傾角,產(chǎn)生導(dǎo)向作用。Geo-Pilot旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)軸貫穿整個(gè)系統(tǒng)，其兩端安裝在軸承上，上部和鉆具連接，下部和鉆頭連接，是驅(qū)動(dòng)鉆頭轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)力傳輸裝置。系統(tǒng)的外殼安裝在軸承的外圍，相對(duì)地層不旋轉(zhuǎn)，以此提供一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的工具面。外殼內(nèi)部有一個(gè)傳感器組，用以測量近鉆頭井斜、方位伽馬和系統(tǒng)的工具面。外殼中間的偏心裝置是系統(tǒng)的核心部件（圖2），偏心裝置由2個(gè)獨(dú)立的偏心環(huán)組成。當(dāng)2個(gè)偏心環(huán)的偏心位置正好相反時(shí)，此時(shí)驅(qū)動(dòng)軸不彎曲。當(dāng)2個(gè)偏心環(huán)的偏心方向一致時(shí)，此時(shí)驅(qū)動(dòng)軸彎曲幅度最大（其導(dǎo)向能力達(dá)到最強(qiáng)）。2個(gè)偏心環(huán)的偏心位置不在同一直線時(shí)驅(qū)動(dòng)軸的彎曲度介于彎曲幅度最大和不彎曲之間，由此控制系統(tǒng)不同的造斜能力。偏心裝置和井下控制軟件一起工作，自動(dòng)調(diào)整2個(gè)偏心環(huán)的偏心位置，防止系統(tǒng)在設(shè)計(jì)工具面誤差范圍外的狀態(tài)下工作，以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制目的[5]。

圖2 偏心環(huán)相對(duì)位置及造斜力示意圖

1.3 技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

（1）造斜率可靠度高，鉆進(jìn)時(shí)由于外筒不旋轉(zhuǎn)，近鉆頭扶正器不磨損，工具連續(xù)造斜，保證了造斜率。

（2）摩阻低、扭矩小，指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)能鉆出較平滑的井眼，有利于降低摩阻，減小扭矩，可以使用較大的鉆壓提高機(jī)械鉆速。

（3）井眼清潔效果更好，利用該系統(tǒng)有利于消除井眼螺旋，最大限度地減少或避免托壓問題的發(fā)生，提高了鉆井效率。

（4）近鉆頭方位伽馬和井斜傳感器，距離鉆頭最近（距離鉆頭1m），可以實(shí)現(xiàn)精確控制井眼軌跡，地質(zhì)導(dǎo)向效果更好。

2 現(xiàn)場應(yīng)用分析

大慶油田引進(jìn)的Geo-Pilot7600導(dǎo)向系統(tǒng)在6口水平井的水平段進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用，最大完鉆斜深3825m,水平段最長1321m，最大垂深2169m，最大平均機(jī)械鉆速12.83m/h，實(shí)現(xiàn)了在水平段應(yīng)用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具提速、提質(zhì)、提效的目的[6]。針對(duì)施工中2口井施工復(fù)雜情況（表1）的原因分析[7]，對(duì)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的工作特點(diǎn)及現(xiàn)場應(yīng)用有了進(jìn)一步認(rèn)識(shí)。

2.1 J34-P2井應(yīng)用情況

表1 Geo-Pilot旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)施工復(fù)雜情況

（1）基本情況。J34-P2井表層套管下深1709m，造斜點(diǎn)1830m，著陸點(diǎn)2344m，完鉆井深3490m。

（2）卡鉆經(jīng)過。鉆進(jìn)至井深3162m，機(jī)械鉆速逐漸變慢，鉆速由6～7m/h降至2～4m/h，并且扭矩由15～20kN·m增大至20～25kN·m。決定起鉆檢查，在起鉆初期有卡鉆顯示，最大超拉30kN，開泵，開頂驅(qū)處理后解卡，起出鉆頭保徑有磨損，外徑214mm，決定通井。通井后再次鉆進(jìn)至井深3169m，鉆壓8～10kN，扭矩17～19kN·m，摩阻15kN，頂驅(qū)轉(zhuǎn)速110r/min，機(jī)械鉆速2.7m/h，由于進(jìn)尺較慢，上提2m左右后，憋停頂驅(qū)，發(fā)生卡鉆。大噸位活動(dòng)鉆具，上提130～230kN，下放至40kN，反復(fù)活動(dòng)，處理6h后上提230kN解卡。

（3）原因分析。通井期間無顯示，振動(dòng)篩返砂增多；起出鉆具后鉆頭保徑磨損，旋導(dǎo)工具扶正器及支撐輪均無異常。分析原因?yàn)榫壮辽拜^多，環(huán)空不暢，鉆頭縮徑導(dǎo)致卡鉆。

2.2 ZP20井應(yīng)用情況

（1）基本情況。ZP20井表層套管下深118m，技套下深1513m，造斜點(diǎn)1551m，著陸點(diǎn)2014m，完鉆井深3232m。

（2）卡鉆經(jīng)過。鉆進(jìn)至井深3232m甲方通知完鉆，開始循環(huán)起鉆，摩阻30～40kN，起鉆至1980m后倒劃眼至1957m，扭矩18～20kN·m，排量27～30L/s，懸重70t，上提至100～110kN，下放至40～50kN，期間頂驅(qū)偶有憋停現(xiàn)象，個(gè)別點(diǎn)出現(xiàn)上提和下放遇阻現(xiàn)象，循環(huán)暢通。起鉆至1853m，上提懸重超拉40kN，開泵后泵壓由13.4MPa上升至17.7MPa，扭矩由9.26kN·m上升至20.78kN·m，發(fā)生卡鉆。處理35h后泡油上提至170kN解卡。

（3）原因分析。解卡后循環(huán)鉆井液，振動(dòng)篩返出大量巖屑，青山口組屬不穩(wěn)定地層，井壁坍塌導(dǎo)致卡鉆。

2.3 改進(jìn)技術(shù)措施

2.3.1 優(yōu)化軌跡設(shè)計(jì)，精確軌跡控制

造斜段是水平井施工的關(guān)鍵，施工前根據(jù)直井段的位移偏差對(duì)井眼軌跡進(jìn)行優(yōu)化，選擇造斜率最低、摩阻和扭矩最小、施工效率最高的井眼軌跡剖面[8]。原則上設(shè)計(jì)造斜率不得超過6.5°/30m，實(shí)際最大狗腿度不得超過設(shè)計(jì)的30%，連續(xù)3點(diǎn)實(shí)際狗腿度不能同時(shí)超過8°/30m，下入旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具前30m的狗腿度小于5°/30m，利于旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具下一步施工。

水平段施工要以提高砂巖鉆遇率，實(shí)現(xiàn)水平段的有效延伸為目的，以旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具不產(chǎn)生較大震動(dòng)為原則，水平段最大井斜角不超過92°，狗腿度連續(xù)3點(diǎn)不超過3°/30m?，F(xiàn)場施工人員要根據(jù)近鉆頭井斜及隨鉆曲線的變化，對(duì)軌跡及時(shí)調(diào)整，做到精細(xì)控制，同時(shí)要根據(jù)井下震動(dòng)及扭矩的變化，對(duì)施工參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選，保證實(shí)鉆井眼軌跡光滑，降低施工的摩阻和扭矩，避免井下復(fù)雜發(fā)生[9]。

2.3.2 降低鉆具剛性，優(yōu)化鉆具組合

為盡可能降低鉆具的剛性強(qiáng)度，保證鉆具在井下的通過能力，將無磁鉆鋌改造為柔性短節(jié)，并進(jìn)行抗壓、抗扭、抗拉強(qiáng)度校核以及剛度校核對(duì)比（表2），表明自研柔性短節(jié)滿足柔性短節(jié)鉆具性能要求，鉆具剛度較無磁鉆鋌大大降低，既能提高井下工具的安全性，又能保證測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性[10]。

對(duì)于215.9mm井眼，應(yīng)選用5刀翼及以上的PDC鉆頭，以減小儀器在井下震動(dòng)。同時(shí)要確保鉆頭保徑良好，避免小井眼卡鉆、影響鉆進(jìn)速度或損壞旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具。通過現(xiàn)場應(yīng)用和理論分析建立如下鉆具組合：?215.9mmPDC鉆頭+?193mmRSS+?172mm（PCD柔性短節(jié)）+?172mmLWD+?172mmPCM短節(jié)+?172mm浮閥+?127mm加重鉆桿×3根+?165mm震擊器+?127mm加重鉆桿×3根+?127mm鉆桿。

2.3.3 提高鉆井液性能，保證井眼暢通

針對(duì)水平井裸眼井段長、摩阻扭矩大、井壁容易垮塌、巖屑攜帶困難等施工難點(diǎn)，優(yōu)選具有強(qiáng)抑制性、封堵性和潤滑性的高性能水基鉆井液體系。主要采取以下技術(shù)措施保證井眼暢通：

（1）鉆進(jìn)過程中保證鉆井液排量在32L/s以上，鉆井液的動(dòng)塑比3%～5%，粘度小于75s，提高攜巖能力。

（2）調(diào)整鉆井液流變性能，使用振動(dòng)篩目不小于120目，保證四級(jí)固控設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)正常，及時(shí)清除有害固相和鉆井液中的巖屑。

（3）每鉆完一個(gè)單根至少正、倒劃眼一次，每鉆完一柱再進(jìn)行正、倒劃眼一次，同時(shí)根據(jù)施工摩阻和扭矩情況，實(shí)時(shí)進(jìn)行短起下鉆破壞巖屑床，保證井下安全。

表2 無磁鉆鋌與柔性短節(jié)性能對(duì)比表

3 應(yīng)用效果

X38-P1井設(shè)計(jì)斜深3431.00m，垂深1834.93m，最大井 斜角 92.02°，網(wǎng) 格 方 位 350.69°，水平 位移1814.65m，水平段長1321.00m。按油藏方案要求，為了保證水平段的砂巖鉆遇率，實(shí)現(xiàn)水平段的有效延伸，水平段使用改進(jìn)后的Geo-Pilot旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具，采取有效的技術(shù)措施，從著陸點(diǎn)2120m下入旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具，鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)井深3431m完鉆，全井未出現(xiàn)任何井下復(fù)雜事故，應(yīng)用效果良好。

（1）機(jī)械鉆速明顯提高，降低了鉆井成本。應(yīng)用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng),在鉆進(jìn)過程中可以隨時(shí)監(jiān)測井下工具的工作狀態(tài),通過優(yōu)選鉆井參數(shù),可以最大程度地提高機(jī)械鉆速，水平段平均機(jī)械鉆速12.83m/h，縮短了施工周期，鉆井成本大幅度減少。

（2）井眼軌跡圓滑,摩阻扭矩降低,避免了井下復(fù)雜事故。與常規(guī)螺桿鉆具滑動(dòng)鉆進(jìn)相比，使用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具鉆成的井眼軌跡圓滑,摩阻扭矩明顯減少，實(shí)鉆與設(shè)計(jì)井眼軌跡吻合程度高，水平段全角變化率最大1.78°/30m，避免了井下復(fù)雜事故的發(fā)生。

（3）水平段控制精度高,有效鉆遇目的油層。旋轉(zhuǎn)地質(zhì)導(dǎo)向工具不僅能夠在旋轉(zhuǎn)的條件下對(duì)井斜和方位進(jìn)行調(diào)整，還擁有近鉆頭伽馬和電阻率，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)層的變化。X38-P1井水平段設(shè)計(jì)與實(shí)鉆軌跡數(shù)據(jù)對(duì)比見表3，實(shí)鉆軌跡與設(shè)計(jì)軌跡吻合較好，實(shí)鉆水平段長1311m,砂巖有效鉆遇率87%。

表3 X38-P1井設(shè)計(jì)與實(shí)鉆軌跡數(shù)據(jù)對(duì)比表

4 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

（1）通過Geo-Pilot旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向應(yīng)用技術(shù)攻關(guān)與實(shí)踐，初步形成了適應(yīng)大慶油田水平井特點(diǎn)的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，井眼軌跡優(yōu)化與精確控制，鉆井參數(shù)優(yōu)選與鉆具組合優(yōu)化等旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向配套技術(shù)，提高了水平井井身質(zhì)量與鉆井效率，降低了旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具施工風(fēng)險(xiǎn)。

（2）應(yīng)用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)鉆出的井眼軌跡圓滑,利用近鉆頭伽馬和電阻率傳感器，為準(zhǔn)確鉆遇目的層，實(shí)現(xiàn)水平段的有效延伸提供了技術(shù)保障，進(jìn)一步提高了水平井的單井產(chǎn)量，為油田開發(fā)創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

（3）Geo-Pilot旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的引進(jìn)與應(yīng)用，為國內(nèi)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的研發(fā)和改進(jìn)提供了技術(shù)依據(jù)，可借鑒世界先進(jìn)技術(shù),研制具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的、成熟的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)。

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