四川油氣田定向井、水平井鉆井效率提升研究

四川油氣田定向井、水平井鉆井效率提升研究

目前，主要技術(shù)有：一是旋轉(zhuǎn)導向開挖技術(shù)，二是滑動開挖技術(shù)，其特點是目前國內(nèi)主導定向井和水平井的軌道跟蹤技術(shù)。該方法的優(yōu)點是成本較低,較常規(guī)鉆井只增加井下動力鉆具和隨鉆測量儀器;缺點是在滑動鉆井過程中,鉆頭以上的鉆柱不旋轉(zhuǎn),只能沿井眼軸向滑動,易出現(xiàn)“托壓”現(xiàn)象,鉆壓不能有效傳遞至鉆頭,導致機械鉆速慢,鉆井效率低,或者鉆壓突然釋放導致井下動力鉆具制動,同時出現(xiàn)井下復雜的風險也大幅度增加。為了提高滑動鉆井速度和效率,近年來業(yè)界產(chǎn)生了兩種技術(shù)。一種是井下振動降摩減阻技術(shù),通過在距離鉆頭一定距離處加裝一個或多個水力振蕩器,在鉆井過程中把部分水力能量轉(zhuǎn)化為“微振動”能量,帶動與之相鄰的一定范圍內(nèi)的鉆柱“振動”,從而消除部分鉆柱與井筒的靜摩擦力,起到一定的提高滑動鉆井速度和效率的作用。該技術(shù)在四川油氣田已經(jīng)進行了試驗,取得了一定效果,但也存在不足。一是水力振蕩器可能失效,導致額外的起下鉆,增加了鉆井時間和費用;二是水力振蕩器的工作能量來至于水力能量,帶來鉆井過程中地面泵壓的增加,限制了其在高密度深井中的應(yīng)用;三是該技術(shù)只能帶動與井下振動裝置相鄰的一定范圍內(nèi)的鉆柱“振動”,不能消除整個鉆柱的靜摩擦力,導致效果欠佳,甚至沒有。另外一種技術(shù)就是近年來發(fā)展起來的鉆柱扭擺滑動鉆井技術(shù)。通過控制頂驅(qū)帶動鉆柱在一定的扭矩或者轉(zhuǎn)動角度內(nèi)持續(xù)的正反旋轉(zhuǎn),改變鉆柱與井壁間的靜摩擦力為動摩擦力,進而降低滑動鉆井摩阻。研究認為,一般靜摩擦系數(shù)比動摩擦系數(shù)約大25%國外對鉆柱扭擺快速滑動鉆井技術(shù)進行了大量的研究工作,率先開展了鉆柱扭擺降低滑動鉆井摩阻方面的研究,形成了以斯倫貝謝Slider系統(tǒng)為代表的產(chǎn)品,并進行了較大范圍的應(yīng)用一、頂驅(qū)帶動鉆柱扭擺控制策略鉆柱扭擺滑動鉆井控制系統(tǒng)以Schlumberger公司的Slider系統(tǒng)和Canrig公司的ROCKIT系統(tǒng)最為代表。其中Slider系統(tǒng)為Schlumberger的專利技術(shù),通過控制頂驅(qū)帶動鉆柱按設(shè)定的扭矩限制值順時針、逆時針依次重復扭擺來提高滑動鉆井效率和控制工具面。Slider已在國外進行了廣泛應(yīng)用,包括在美國非常規(guī)天然氣中完成了超過800口水平井,在美國路易斯安那州外大陸架上、沙特阿拉伯Khurais油田大位移水平井以及墨西哥海灣都有成功應(yīng)用,且效果明顯,同時該系統(tǒng)通用性較強,在國內(nèi)已經(jīng)開展了與北石頂驅(qū)的匹配和應(yīng)用,具有良好的應(yīng)用基礎(chǔ)和經(jīng)驗,所以優(yōu)選Schlumberger公司的Slider系統(tǒng),來控制頂驅(qū)帶動鉆柱扭擺降摩減阻。Slider系統(tǒng)主要由軟件和硬件兩部分組成見圖1。1.地面控制系統(tǒng)與頂驅(qū)司鉆操作臺連接硬件部分包括地面控制系統(tǒng)、人機界面系統(tǒng)以及各種連接線纜,地面控制系統(tǒng)與頂驅(qū)司鉆操作臺連接,并通過司鉆操作臺向頂驅(qū)發(fā)送指令,實現(xiàn)頂驅(qū)帶動鉆柱順時針、逆時針交替轉(zhuǎn)動。現(xiàn)場應(yīng)用時,僅需向司鉆控制箱接入信號線和少量的程序修改。2.旋轉(zhuǎn)扭矩控制Slider軟件包括人機交換軟件和PLC控制軟件等,分別預裝在人機界面系統(tǒng)與地面控制系統(tǒng)之中,用于提供用戶向控制系統(tǒng)輸入扭矩等控制參數(shù),包括左右擺動峰值扭矩、沖擊扭矩、左右旋轉(zhuǎn)峰值配比等。工作情況下,Slider系統(tǒng)直接控制地面鉆柱在給定的扭矩范圍內(nèi)按設(shè)計好的速度和模式,順時針、逆時針往復旋轉(zhuǎn)鉆柱,用戶通過軟件調(diào)整地面鉆柱旋轉(zhuǎn)扭矩范圍,使得在鉆柱所受的摩擦阻力減小的同時確保井下動力鉆具工具面穩(wěn)定。在搖擺過程中,為修正工具面的角度,司鉆可以通過發(fā)起扭矩脈動來左右轉(zhuǎn)動(左右搖晃)或沖撞工具面,通過右轉(zhuǎn)左轉(zhuǎn)的方式對工具面進行修正。3.工作原則鉆柱扭擺滑動鉆井時,井下鉆柱軸向摩擦阻力分布狀態(tài)有3個典型區(qū)間二、水平井井深四川油氣田磨溪-高石梯區(qū)塊大斜度井、水平井具有井深(5000m以上)、裸眼段長(2000m)、鉆井液密度高(2.0g/cm1.應(yīng)用井的基本情況GS001-XX井是部署在高石梯區(qū)塊的一口開發(fā)井,基礎(chǔ)數(shù)據(jù)見表1。2.旋轉(zhuǎn)鉆具調(diào)整應(yīng)用井段:4832.88~5035m。鉆具組合:?215.9mmPDC+?172mm1.5°彎螺桿+回壓凡爾+?165.1mm無磁鉆鋌+?172mm無磁懸掛短節(jié)+?127mm加重鉆桿+?165.1mm隨鉆震擊器+?127mm加重鉆桿+?127mm鉆桿。井斜:16.7°~54°。Slider正式運轉(zhuǎn)前,先將鉆頭提離井底,旋轉(zhuǎn)鉆具測試空載扭矩,按不超過空載扭矩值的50%設(shè)置Slider初始左擺扭矩/右擺扭矩,并在Slider作業(yè)過程中隨時調(diào)整,在工具面穩(wěn)定的情況下,增大設(shè)置扭矩,擴展地面扭擺作用區(qū)的長度從而最大限度的降低滑動摩阻。GS001-XX井現(xiàn)場設(shè)置左擺扭矩/右擺扭矩分別為4000N·m和2000N·m,隨著井深的增加,通過動態(tài)判斷,調(diào)整地面扭矩峰值達到最佳的擺動降摩阻效果。3.滑動鉆井“托壓”效果使用Slider系統(tǒng)期間工具面穩(wěn)定,工具面調(diào)整迅速,未出現(xiàn)靜摩擦力瞬間釋放導致鉆壓突然增大等情況,滑動鉆井“托壓”現(xiàn)象得到大幅改善,鉆壓一直維持在70~80kN,應(yīng)用井段平均機械鉆速提高約18%,總體提速效果明顯(圖2)。三、提高鉆井速度和滑動鉆井效率(1)Slider通過持續(xù)正反旋轉(zhuǎn)鉆柱,能夠有效減輕由于鉆柱靜止導致的滑動鉆井“