雙驅(qū)復(fù)合鉆井軌跡控制技術(shù)研究分析

1、雙驅(qū)復(fù)合鉆井軌跡控制技術(shù)研究?jī)?nèi)容提要 雙驅(qū)復(fù)合鉆井技術(shù)是近年來(lái)在中原油田鉆井作業(yè)中普遍使用的一項(xiàng)鉆井新技術(shù)，它能夠大幅度地提高機(jī)械鉆速，縮短鉆井周期，經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。雙驅(qū)復(fù)合鉆井軌跡控制技術(shù)研究針對(duì)穩(wěn)斜段穩(wěn)不住、定向滑動(dòng)鉆進(jìn)井段長(zhǎng)，滑動(dòng)鉆進(jìn)速度慢，雙驅(qū)復(fù)合鉆進(jìn)增斜時(shí)，增斜率難以控制、使用單彎螺桿鉆直井段時(shí)，易發(fā)生井斜等問(wèn)題進(jìn)行研究，為減少滑動(dòng)鉆進(jìn)時(shí)間，提高機(jī)械鉆速和井眼軌跡控制技術(shù)水平，開展適合中原油田的雙驅(qū)復(fù)合鉆井軌跡控制技術(shù)研究具有十分重要的意義。主題詞 復(fù)合鉆井 軌跡控制 螺桿 研究1 前言中原油田是典型的斷塊油氣田，隨著油田進(jìn)入開發(fā)后期對(duì)開采剩余油氣藏的需要，越來(lái)越多地采用多目標(biāo)大斜

2、度定向井、小位移井來(lái)進(jìn)行開發(fā)，而且對(duì)井身質(zhì)量的要求也越來(lái)越高，靶區(qū)半徑要求由原來(lái)的3050m縮小到目前的20m甚至10m。若要達(dá)到上述要求，按照常規(guī)的鉆井方式，直井段需要小鉆壓吊打,糾斜段、斜井段需要經(jīng)常扭方位和多次起下鉆改變鉆具結(jié)構(gòu)，不僅控制井眼軌跡的難度大，而且嚴(yán)重地制約了鉆井速度。針對(duì)以上問(wèn)題，2001年以來(lái)，中原油田開展了一糸列研究工作，通過(guò)動(dòng)力鉆具優(yōu)選、高效鉆頭優(yōu)選、井眼軌跡控制技術(shù)研究等，形成了以井下動(dòng)力鉆具配合高效鉆頭為核心的鉆井技術(shù)。該技術(shù)的成功應(yīng)用，大幅度地提高了機(jī)械鉆速，縮短了建井周期，節(jié)約了鉆井成本，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。2 雙驅(qū)復(fù)合鉆井軌跡控制技術(shù)研究主要內(nèi)容2.

3、1 地層對(duì)井斜變化的影響規(guī)律2.1.1. 當(dāng)井斜角小于地層傾角時(shí)， 沿地層上傾方向鉆進(jìn)時(shí)，地層的增斜作用最強(qiáng)；但隨著井斜角的增大，地層的增斜作用下降； 沿地層傾向鉆進(jìn)時(shí)，地層只有降斜作用；隨井斜的增大，地層的增斜作用增強(qiáng)； 沿其他方向鉆進(jìn)時(shí)，需根據(jù)具體的條件（如鉆具組合、鉆井參數(shù)等）來(lái)決定地層的增、降斜作用。2.1.2 當(dāng)井斜角等于地層傾角時(shí)， 沿地層上傾方向鉆進(jìn)時(shí)，地層無(wú)增斜、降斜作用，井眼將沿地層層面的法線方向鉆進(jìn)； 沿傾向鉆進(jìn)，地層的降斜作用最強(qiáng)； 沿其他方向鉆進(jìn)時(shí)，地層均為降斜作用。2.1.3 當(dāng)井斜角大于地層傾角時(shí)，存在臨界井斜角。當(dāng)時(shí)，沿傾向附近鄰域鉆進(jìn)，地層具有增斜作用，沿其他方

4、向鉆進(jìn)時(shí)，地層均為降斜作用。2.2 地層對(duì)方位漂移的影響規(guī)律2.2.1 鉆進(jìn)時(shí)，井眼方位與地層上傾方向或傾向一致時(shí)，地層漂移方位參數(shù)恒等于零，與其他量無(wú)關(guān)。也就是說(shuō)，沿這兩個(gè)方向鉆進(jìn)，井眼方位最穩(wěn)定，地層無(wú)漂方位作用。2.2.2 一般情況下，無(wú)論、取何值，地層對(duì)方位的影響規(guī)律是：取地層傾向?yàn)?度，0鉆進(jìn)方位180時(shí)，地層右漂（增）方位；180鉆進(jìn)方位 360時(shí)，地層左漂（減）方位。不過(guò)，當(dāng)井斜角達(dá)到某一臨界值時(shí)，在沿地層傾向附近地層對(duì)方位漂移的影響規(guī)律與上述分析結(jié)果相反。2.2.3 隨井斜角的增大，地層對(duì)井眼方位漂移的影響效果減弱。2.2.4 鉆進(jìn)時(shí)，當(dāng)?shù)貙影l(fā)生改變，井眼方位隨地層構(gòu)造狀況而變

5、，一般漂向地層上傾方向；不過(guò)其漂移效果受上部井眼變化趨勢(shì)的影響很大。上部井眼井斜角較小時(shí)，影響較小；上部井眼井斜角較大時(shí)，影響也較大。2.3井下動(dòng)力鉆具的優(yōu)選井下動(dòng)力鉆具包括單彎螺桿、雙彎螺桿、直螺桿和渦輪等。根據(jù)鉆具特性，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用分析，優(yōu)選出了適合中原油田的井下動(dòng)力鉆具：直螺桿和單彎螺桿。直螺桿接彎接頭滑動(dòng)鉆進(jìn)時(shí)，即為常規(guī)定向；接直接頭配合轉(zhuǎn)盤復(fù)合鉆進(jìn)時(shí)，其特性相當(dāng)于普通鉆鋌，鉆頭轉(zhuǎn)速相當(dāng)于轉(zhuǎn)盤與螺桿轉(zhuǎn)速的疊加1，有利于防斜打快。單彎螺桿滑動(dòng)鉆進(jìn)時(shí)的造斜率及復(fù)合鉆進(jìn)時(shí)的增降斜率主要受彎角大小、扶正器（位置、數(shù)量、外徑大?。┖偷貙拥纫蛩氐挠绊?。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，優(yōu)選出了適合中原油田地層鉆井的

6、單彎螺桿及鉆具組合類型：“0.75或1單彎螺桿+單扶正器”組合，“1或1.25單彎螺桿+雙扶正器”組合。一般情況下，直螺桿用于直井、降斜井段、較長(zhǎng)直井段的復(fù)合鉆進(jìn)，單彎螺桿則用于定向井各井段的施工。在現(xiàn)場(chǎng)施工中，工程技術(shù)人員主要根據(jù)待鉆井的具體情況來(lái)選擇螺桿型號(hào)；根據(jù)待鉆井井眼曲率要求，選取單彎螺桿合適彎角大小及扶正器位置、數(shù)量，從而獲得最佳的井眼軌跡控制效果。2.4高效鉆頭的優(yōu)選 中原油田地層自上至下依次為平原組、明化鎮(zhèn)組、館陶組、東營(yíng)組、沙河街組等。上部平原組館陶組巖性主要為松軟泥巖、含礫砂巖，不適應(yīng)PDC鉆頭鉆進(jìn)，應(yīng)選用高轉(zhuǎn)速三牙輪鋼齒鉆頭。下部東營(yíng)組、沙河街組地層巖性以紫紅色泥巖、灰色

7、泥巖、粉砂巖等為主，為典型泥巖剖面，選用高效PDC鉆頭鉆進(jìn)較好，它既能適應(yīng)高轉(zhuǎn)速，又能在定向井中的各種工序如定向造斜段、穩(wěn)斜段中使用，提高鉆井速度3。在現(xiàn)場(chǎng)施工中，鉆頭選型的一般原則是：根據(jù)地層特性，選擇綜合性能良好，使用壽命長(zhǎng)，機(jī)械鉆速高，能適應(yīng)動(dòng)力鉆具特性的高效鉆頭。在PDC鉆頭選型上，要綜合考慮刀冀、復(fù)合片、布齒等與地層的匹配問(wèn)題，一般情況下，軟到中軟地層要選擇刀冀少，復(fù)合片大，布齒密度中等的PDC鉆頭，如P265MF等；硬地層則選擇多刀冀，小復(fù)合片，密布齒的鉆頭，如GP545等。2.5 鉆具組合和鉆井參數(shù)優(yōu)選通過(guò)對(duì)井下動(dòng)力鉆具配合高效鉆頭鉆井特性的應(yīng)用研究，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)推廣應(yīng)用分析，優(yōu)選總

8、結(jié)出了適合中原油田地層的鉆具組合為：組合直螺桿型：鉆頭+直螺桿+無(wú)磁鉆鋌+扶正器+鉆鋌+鉆桿；組合單彎單扶正器型：鉆頭+扶正器+單彎螺桿+無(wú)磁鉆鋌+鉆鋌+鉆桿；組合單彎雙扶正器型：鉆頭+扶正器+單彎螺桿+扶正器+無(wú)磁鉆鋌+鉆鋌+鉆桿。各鉆具組合特性及適用鉆井參數(shù)見表1。表1 中原油田動(dòng)力鉆具組合特性及鉆井參數(shù)鉆具組合彎角（）復(fù)合鉆進(jìn)滑動(dòng)鉆進(jìn)排量（L/s）泵壓（MPa）特性增斜率（/30m）鉆壓（kN）轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速（r/min）造斜率（/30m）鉆壓（kN）組合直接頭降斜-0.75-1.0208045652832814組合0.75增斜0.62.4208045653.04.22012028328141

9、增斜0.92.43.35.51.25增斜0.92.63.57.0組合0.75微降-10.45208045651.22.02012028328141穩(wěn)斜-0.50.63.34.61.25微增0.450.64.05.52.6 井眼軌跡控制技術(shù)2.6.1 直井段井眼軌跡控制不論是311mm井眼還是216mm井眼，館陶組（約1500m）以上均選用鋼齒三牙輪鉆頭，采用高壓噴射鉆井技術(shù)鉆進(jìn)。過(guò)館陶組后，將鋼齒鉆頭換為高效PDC鉆頭，如果定向點(diǎn)淺（1800m以內(nèi)）可直接下入單彎螺桿組合或組合實(shí)施雙驅(qū)復(fù)合鉆進(jìn)至造斜點(diǎn)，然后滑動(dòng)鉆進(jìn)定向造斜，可節(jié)約起下鉆時(shí)間。如果造斜點(diǎn)深或是直井，則下入組合復(fù)合鉆進(jìn)。在直井段施

10、工中，必須及時(shí)測(cè)斜監(jiān)測(cè)井眼軌跡，根據(jù)測(cè)斜結(jié)果及時(shí)調(diào)整鉆井參數(shù)，保證直井段打直打快。在井斜大于3時(shí)禁止下入單彎螺桿組合鉆直井段。實(shí)鉆經(jīng)驗(yàn)表明，單彎螺桿在井斜大于3時(shí)，穩(wěn)方位效果良好。因此，即使井斜很小，井底位移也很容易超標(biāo)。2.6.2 造斜段軌跡控制2.6.2.1 造斜點(diǎn)優(yōu)選。定向井施工中，造斜點(diǎn)的選擇非常重要。造斜點(diǎn)過(guò)高勢(shì)必造成長(zhǎng)井段穩(wěn)斜，而造斜點(diǎn)過(guò)低，定向期間勢(shì)必要全力增斜，一旦造斜率低于設(shè)計(jì)造斜率，就很難中靶。根據(jù)動(dòng)力鉆具鉆進(jìn)的現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn)，選擇造斜點(diǎn)的原則是：根據(jù)上部直井段位移大小，結(jié)合剖面設(shè)計(jì)，在I靶位移允許的情況下，井斜大于20的井，造斜率按3.6/30m計(jì)算，定向至井斜15以上后，

11、再按0.91.8/30m計(jì)算，到I靶之前，井斜達(dá)到設(shè)計(jì)最大，位移又不超標(biāo)為最佳，然后穩(wěn)斜中靶。井斜小于20的井，造斜率按3.4/30m計(jì)算，直接造斜至最大井斜，然后進(jìn)行穩(wěn)斜鉆進(jìn)。2.6.2.2初始方位角的確定。在定向井施工中，為避免扭方位，定向時(shí)均要確定一個(gè)合適的方位提前角。但受諸多因素的限制和影響，確定合適的初始方位角難度相當(dāng)大。動(dòng)力鉆具鉆進(jìn)實(shí)踐表明，單彎螺桿配合PDC鉆頭復(fù)合鉆進(jìn)時(shí)，穩(wěn)方位效果較好。由此，方位初始角的確定相對(duì)比較容易。在施工中，可結(jié)合鄰井資料進(jìn)行分析。若地層方位有右漂趨勢(shì)，將方位初始角定在靶心與上靶邊（順時(shí)針）之間；反之定在靶心與下靶邊之間。據(jù)此確定的初始角，一般情況下，中

12、途不用扭方位。2.6.2.3軌跡控制。定向井施工中，使用常規(guī)“直螺桿+彎接頭+牙輪鉆頭”的井底鉆具組合時(shí)定向速度慢，全角變化率不能有效控制，不能進(jìn)行復(fù)合鉆進(jìn)，同時(shí)還容易發(fā)生掉牙輪事故。而采用單彎螺桿配合PDC鉆頭鉆具組合造斜，同時(shí)配合隨鉆測(cè)斜儀監(jiān)測(cè)，能有效解決上述問(wèn)題。該鉆具組合的優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)為鉆速快，鉆頭壽命長(zhǎng)，鉆具轉(zhuǎn)動(dòng)容易，并能通過(guò)復(fù)合鉆進(jìn)與滑動(dòng)鉆進(jìn)的有效結(jié)合，控制全角變化率，實(shí)現(xiàn)井眼軌跡的連續(xù)控制。所使用的鉆具組合主要是組合和組合兩種。一般當(dāng)設(shè)計(jì)井斜在20以內(nèi)時(shí)，選用組合，用1或1.25單彎直接造斜到最大井斜后復(fù)合鉆進(jìn)穩(wěn)斜中靶。當(dāng)設(shè)計(jì)井斜大于20時(shí)，選用組合，用0.75或1單彎造斜到15以上

13、后，啟動(dòng)轉(zhuǎn)盤復(fù)合鉆進(jìn)自然增斜。定向造斜過(guò)程中，要根據(jù)實(shí)際造斜率大小靈活掌握滑動(dòng)鉆進(jìn)與復(fù)合鉆進(jìn)井段長(zhǎng)短，以達(dá)到最佳的造斜效果。 2.6.3 穩(wěn)斜段井眼軌跡控制通常情況下，穩(wěn)斜段采用鉆具組合，用1或1.25單彎螺桿?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐證明，若地層傾向與設(shè)計(jì)方位為順向時(shí)，采用該鉆具組合復(fù)合鉆進(jìn)表現(xiàn)為穩(wěn)斜或微增斜，增斜率為0.450.6/30m；若地層為逆向，則表現(xiàn)為降斜，降斜率為0.61.2/30m。因此，在下入單彎雙扶正器鉆具組合時(shí)，要充分考慮地層傾向傾角與設(shè)計(jì)方位之間的關(guān)糸，并對(duì)下步的增降率留有余量，以便順利中靶。2.6.4 降斜段井眼軌跡控制降斜井段一般采用組合配合高效PDC鉆頭鉆進(jìn)，該鉆具組合既能提高

14、鉆井速度，又能保證井身質(zhì)量，一般情況下，降斜率為0.751/30m。施工過(guò)程中，使用單點(diǎn)測(cè)斜儀監(jiān)測(cè)，并根據(jù)測(cè)斜情況，及時(shí)調(diào)整鉆井參數(shù)，以保證順利中靶。2.6.5 調(diào)整井斜方位雖然單彎螺桿配合PDC鉆頭復(fù)合鉆進(jìn)時(shí)穩(wěn)斜穩(wěn)方位效果良好，但鉆遇某些異常地層時(shí)，調(diào)整井斜方位也是難以避免的。此時(shí)，一般選用造斜鉆具組合，滑動(dòng)鉆進(jìn)結(jié)束后，再實(shí)施復(fù)合鉆進(jìn)。實(shí)踐證明：五段制定向井深部調(diào)整井斜方位，直井段井斜過(guò)大后糾斜以及地質(zhì)錄井不允許混原油的深井中在調(diào)整井斜方位時(shí)要用直螺桿+彎接頭配合牙輪鉆頭鉆進(jìn)，上述情況下單彎螺桿施工效果較差。3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用3.1應(yīng)用的整體效果動(dòng)力鉆具配合高效鉆頭鉆井技術(shù)應(yīng)用以來(lái)，以其機(jī)械鉆速高

15、，井眼軌跡控制容易，起下鉆次數(shù)少，鉆具簡(jiǎn)化，井下事故少，節(jié)約成本效果明顯等優(yōu)勢(shì)，很快在中原油田得到了全面推廣，并廣泛應(yīng)用于直井、小位移井、大斜度多目標(biāo)定向井、水平井等各種井的鉆井施工中。2001年以來(lái)，通過(guò)對(duì)該技術(shù)的推廣應(yīng)用，平均機(jī)械鉆速由2000年的6.99m/h提高到2003年的10.32m/h，機(jī)械鉆速對(duì)比提高47.64%。在平均井深增加161m的情況下，建井周期縮短了13.05d/口井（表2）。表2 中原油田年度鉆井速度指標(biāo)對(duì)比表年份平均井深（m）機(jī)械鉆速（m/h）建井周期（d）200030356.9951.80200132687.9751.122002 33218.4648.1020

16、03319610.3238.753.2 典型井例井例1：X13井。該井是一口雙靶定向井，設(shè)計(jì)井深4400m，最大井斜45.95，靶心要求見表3。表3 X13井靶心設(shè)計(jì)與實(shí)際數(shù)據(jù)表I靶II靶垂深(m)位移(m)方位()靶心距(m)垂深(m)位移(m)方位()靶心距(m)設(shè)計(jì)3690387.90307.05204080789.51310.5920實(shí)際3690386.47310.5918.354080797.38311.7417.65該井上部直井段館陶組之前采用常規(guī)塔式鉆具組合，使用鋼齒三牙輪鉆頭配合高壓噴射鉆井技術(shù)。過(guò)館陶組后起鉆，換“AG526PDC鉆頭+直螺桿”鉆具組合，快速鉆進(jìn)至中完井深25

17、00m，平均機(jī)械鉆速達(dá)到25.36m/h，而井底位移僅為0.38m。第三次開鉆采用一只鋼齒鉆頭鉆穿阻流板后，下入G545PDC鉆頭與1單彎螺桿雙扶正器鉆具組合進(jìn)行復(fù)合鉆進(jìn)。跟蹤測(cè)斜發(fā)現(xiàn)，方位在290300左右，與設(shè)計(jì)方位基本相符。于是決定起鉆換1單彎單扶正器鉆具組合自然增斜，復(fù)合鉆進(jìn)至井深3198m，井斜增至15，方位300，閉合位移為68.02m，兩靶處于一條線上，于是采用滑動(dòng)鉆進(jìn)方式定向造斜至3292m，井斜26，方位314。經(jīng)計(jì)算，采用復(fù)合鉆進(jìn)方式增斜與穩(wěn)斜交替進(jìn)行，能安全中靶，并且能大幅度提高機(jī)械鉆速，所以，從3292m開始，采用復(fù)合鉆進(jìn)并及時(shí)跟蹤測(cè)斜，根據(jù)測(cè)斜情況調(diào)整鉆井參數(shù)和鉆具組

18、合，跟蹤測(cè)斜數(shù)據(jù)見表13。方位一直在313左右，井眼軌跡數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)基本相符，并達(dá)到中靶要求。完井井深4425m，井底位移844.62m，機(jī)械鉆速8.50m/h，鉆井周期43d22h，全井安全無(wú)事故，節(jié)約建井周期30余天，創(chuàng)同區(qū)塊歷年來(lái)鉆井最高指標(biāo)。表4 跟蹤測(cè)斜數(shù)據(jù)井深（m）井斜()方位()鉆井性質(zhì)347236312增斜358634313穩(wěn)斜389642313增斜440246.5315穩(wěn)斜井例2：W360-38井。該井是一口設(shè)計(jì)井深為3200m的雙靶定向井，井身剖面為五段制剖面，造斜點(diǎn)為1950m，設(shè)計(jì)最大井斜19.17。為減小施工難度，優(yōu)化施工剖面為三段制，造斜點(diǎn)定在1878m。設(shè)計(jì)剖面和實(shí)

19、鉆結(jié)果見表5。表5 W360-38井剖面設(shè)計(jì)和實(shí)鉆數(shù)據(jù)表I靶II靶垂深(m)位移(m)方位()靶心距(m)垂深(m)位移(m)方位()靶心距(m)設(shè)計(jì)2900218.15471547.1530實(shí)際2900195.4350.8826.423099222.8042.4118.78該井二開上部直井段采用常規(guī)鐘擺鉆具組合鉆進(jìn)，過(guò)館陶組后（1475m），下入單彎雙扶正器鉆具組合，目的是一趟鉆鉆完剩余直井段、造斜段和穩(wěn)斜段，以減少起下鉆作業(yè)，提高鉆進(jìn)效率。鉆具組合為：215.9mmWH461-5 PDC鉆頭+210mm扶正器+165mm單彎螺桿（1）1根+210mm扶正器+158

20、mmNDc1根+158mmDc5根+ +127mmDP。復(fù)合鉆進(jìn)至造斜點(diǎn)1878m，井斜2.1，方位196，閉合位移16.10m，機(jī)械鉆速33.64m/h，達(dá)到了防斜打快的目的。定向造斜時(shí)，因造斜點(diǎn)方位與設(shè)計(jì)方位不一致，故先扭方位再增斜，滑動(dòng)鉆進(jìn)至1954m，井斜10，方位68.6，扭方位速率167.3/100m，井斜變化率10.39/100m。然后啟動(dòng)轉(zhuǎn)盤復(fù)合鉆進(jìn)，至井深2527m，井斜10，方位60.1，井斜基本不變，方位減少8.5。由于井斜偏小，方位偏大，于是鎖定轉(zhuǎn)盤滑動(dòng)定向，至2570m，井斜16.5，方位41。增斜率15.47/100m?？紤]到靶心半徑較大，中靶已有把握，啟動(dòng)轉(zhuǎn)盤復(fù)合鉆進(jìn)，