李 凱,高德利,宋執(zhí)武

(中國石油大學(xué)石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京102249) *

定向井鉆井技術(shù)及可變徑穩(wěn)定器應(yīng)用研究

李 凱1,高德利,宋執(zhí)武

(中國石油大學(xué)石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京102249)*

常規(guī)穩(wěn)定器與鉆鋌構(gòu)成的底部鉆具組合(BHA)力學(xué)性能不能改變,若與實(shí)際要求不相符合時(shí),必須起下鉆更換。利用可變徑穩(wěn)定器替代常規(guī)穩(wěn)定器可減少起下鉆次數(shù),降低油田建設(shè)開發(fā)成本。介紹了可變徑穩(wěn)定器在定向井的應(yīng)用,并對100多口定向井進(jìn)行試驗(yàn)分析,總結(jié)了可變徑穩(wěn)定器的優(yōu)點(diǎn)。合理使用可變徑穩(wěn)定器不僅可以減少起下鉆次數(shù),還能顯著提高井眼軌跡質(zhì)量,降低狗腿度及減小扭矩和摩阻等。

可變徑穩(wěn)定器;定向井;試驗(yàn);分析;井眼軌跡

迄今為止,定向鉆井技術(shù)經(jīng)歷了3個(gè)里程碑:①利用造斜器(斜向器)定向鉆井;②利用井下馬達(dá)配合彎接頭定向鉆井(造斜率是彎接頭彎角、井下馬達(dá)剛度和地層巖石硬度的函數(shù));③利用導(dǎo)向馬達(dá)(彎殼體井下馬達(dá))定向鉆井(彎角點(diǎn)離鉆頭的距離近得多,因此產(chǎn)生的造斜率大)[1]。隨著易開采石油資源的日益枯竭,世界上廣泛采用定向井技術(shù)向海灘、湖泊、沙漠、海洋及復(fù)雜構(gòu)造地層的油藏索取油氣資源[2-6]。井下可變徑穩(wěn)定器以鉆井液壓力作為驅(qū)動(dòng)力,是定向鉆井技術(shù)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和一種智能型導(dǎo)向工具[7-8]。

1 定向井鉆井技術(shù)

1.1 旋轉(zhuǎn)鉆井[9]

傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)鉆井方法是利用彎接頭和容積式馬達(dá)(PDM)(如圖1)朝預(yù)定方向造斜。造斜完成以后,將彎接頭和PDM組合從井眼中提出,并以常規(guī)穩(wěn)定器與鉆鋌構(gòu)成的旋轉(zhuǎn)底部鉆具組合(BHA)取代之,這時(shí)需要用大直徑或小直徑穩(wěn)定器對井斜進(jìn)行控制,如果鉆遇數(shù)個(gè)不同的地層時(shí),BHA的性能預(yù)測將顯得異常困難,因此必須要經(jīng)常起鉆并更換BHA組合來改變其力學(xué)性能。如果井斜方位角開始偏離井眼軌跡時(shí),還需要重新更換彎接頭和PDM以更正井眼方向。

圖1 常規(guī)造斜工具

該方法最大的缺點(diǎn)是如果需要對方位角和井斜角做任何調(diào)整,就必須從井眼中提出BHA并改變其力學(xué)性能。在定向鉆井中,為了減少起下鉆次數(shù),增大鉆頭進(jìn)尺量,BHA經(jīng)常超時(shí)工作,引起井眼軌跡的超常規(guī)修正,而過度修正井眼軌跡和使用的BHA組合會(huì)形成一種叫做“過山車”式的井眼軌跡(如圖2),這意味著附加了扭矩和摩阻。

圖2 常規(guī)完鉆井穩(wěn)斜段井眼軌跡

1.2 導(dǎo)向系統(tǒng)

導(dǎo)向系統(tǒng)的PDM包含了一個(gè)高扭矩泥漿馬達(dá)并安裝有彎外殼,使鉆頭軸線傾斜,如圖3。旋轉(zhuǎn)鉆柱鉆進(jìn)時(shí)彎外殼不起作用,由PDM鉆出直線井眼。如果要改變井眼方位或井斜角,可以調(diào)節(jié)馬達(dá)至設(shè)計(jì)方向,使用PDM不旋轉(zhuǎn)模式,一旦達(dá)到井眼軌跡設(shè)計(jì)方位,應(yīng)重新恢復(fù)旋轉(zhuǎn)模式。

圖3 容積式導(dǎo)向馬達(dá)及工具

PDM的高成本使得導(dǎo)向鉆井成本非常高,并且PDM在導(dǎo)向時(shí)極有可能產(chǎn)生粘滑現(xiàn)象,導(dǎo)致PDM的持續(xù)失速和其面角降低。當(dāng)鉆進(jìn)使用水基泥漿時(shí),這種情況將更加惡化,因?yàn)樗酀{的潤滑性低于油基泥漿。

旋轉(zhuǎn)鉆井與井下可變徑穩(wěn)定器的組合是一個(gè)半導(dǎo)向系統(tǒng),不需要起鉆,也不需要像全導(dǎo)向系統(tǒng)那樣安裝PDM就可以對井斜進(jìn)行控制。在北海油田?311.15 mm(12?/英寸)的穩(wěn)斜段或“J”、“S”形井段,該鉆具組合使用得非常廣泛,通常被當(dāng)作第1鉆柱穩(wěn)定器來使用(如圖4),其功能與常規(guī)旋轉(zhuǎn)鉆定向井完全一樣。當(dāng)可變徑穩(wěn)定器處于小直徑?298.45 mm(11?/英寸)時(shí),近鉆頭穩(wěn)定器上方的鉆鋌將偏斜至井眼的低邊,這時(shí)近鉆頭穩(wěn)定器如同1個(gè)支點(diǎn)使鉆頭朝高邊方向傾斜,使BHA造斜;當(dāng)可變徑穩(wěn)定器處于大直徑?311.15 mm(12?/英寸)時(shí)能很好地支撐住BHA,使其在井眼內(nèi)始終居中,并能夠視地層特點(diǎn)的不同進(jìn)行穩(wěn)斜或降斜。

圖4 造斜-降斜鉆具組合

由經(jīng)驗(yàn)可知,造斜率和降斜率升高或降低將由近鉆頭穩(wěn)定器與可變徑穩(wěn)定器之間鉆鋌的長度決定。這段鉆鋌長度通常為2.44～4.57 m(8～15英尺),該段鉆鋌越短,造斜或降斜的趨勢也越嚴(yán)重。

可變徑穩(wěn)定器也可作為近鉆頭穩(wěn)定器在“S”形井眼用來控制降斜率(如圖5)?？勺儚椒€(wěn)定器處于大直徑時(shí)BHA將穩(wěn)斜;處于小直徑時(shí)將降斜。用大直徑和小直徑的組合基本能夠控制降斜率。

圖5 穩(wěn)斜-降斜鉆具組合

2 可變徑穩(wěn)定器

2.1 設(shè)計(jì)特點(diǎn)

可變徑穩(wěn)定器有 ?298.45 mm(11?/英寸)和?311.15 mm(12?/英寸)2種規(guī)格,設(shè)計(jì)有3道標(biāo)準(zhǔn)螺旋片,每一片有6個(gè)63.5 mm(2??英寸)表面硬化的活塞,內(nèi)心軸有6個(gè)錐形凸輪,如圖6。工作時(shí),凸輪滑動(dòng)作用于相對應(yīng)的活塞斜錐邊,使活塞滑出螺旋邊表面,從而增大可變徑穩(wěn)定器的直徑。該工具在任何情況下都能保持360°與井眼接觸,有效接觸面積能超過0.058 m2,與標(biāo)準(zhǔn)套管穩(wěn)定器相當(dāng)。

圖6 井下可變徑穩(wěn)定器

2.2 工作原理

為了使可變徑穩(wěn)定器處于大直徑?311.15 mm (12?/英寸)狀態(tài)工作,下入井底時(shí)應(yīng)保持泥漿流量≤81.83 m3/h,鉆壓為13.34～22.23 kN。保持鉆壓穩(wěn)定后逐漸加大泥漿流量至正常鉆進(jìn)值,流量的增加能鎖定可變徑穩(wěn)定器處于大直徑狀態(tài),只有當(dāng)流量再次減小到81.83 m3/h以下時(shí)才會(huì)消除。

為了使可變徑穩(wěn)定器處于小直徑?298.45 mm (11?/英寸)狀態(tài)工作,需要將流量降到81.83 m3/h或以下。由于流量的下降而解除鎖定,鉆柱將被提離井底并使活塞縮回,可變徑穩(wěn)定器處于小直徑狀態(tài)。即使泥漿流量再次上升至正常鉆進(jìn)水平,可變徑穩(wěn)定器仍然會(huì)處于小直徑狀態(tài),這時(shí)可以再次下放鉆柱至井底,恢復(fù)正常的鉆進(jìn)。

變換可變徑穩(wěn)定器大直徑和小直徑狀態(tài)時(shí),其內(nèi)的限流器可以產(chǎn)生1.03 MPa的壓差,據(jù)此能夠確定可變徑穩(wěn)定器處于何種狀態(tài)鉆進(jìn)。為了節(jié)約連續(xù)鉆進(jìn)時(shí)間,需經(jīng)常改變可變徑穩(wěn)定器的工作狀態(tài)。

有2種可選擇狀態(tài)的可變徑穩(wěn)定器是靠鉆壓激活的,在該可變徑穩(wěn)定器中安裝有碟形彈簧,彈簧預(yù)緊力必須要大于鉆壓,當(dāng)鉆壓>彈簧預(yù)緊力時(shí),可變徑穩(wěn)定器才會(huì)處于大直徑工作狀態(tài)?？勺儚椒€(wěn)定器被激活后將始終保持滿尺寸,直到將其提離井底才會(huì)自動(dòng)恢復(fù)到原有狀態(tài)。如果鉆壓過大,可變徑穩(wěn)定器將很難達(dá)到滿尺寸工作狀態(tài);如果鉆壓過小,又可能會(huì)在不需要的情況下出現(xiàn)大直徑的狀態(tài)。為此設(shè)計(jì)了液壓栓系統(tǒng),仍保留原可變徑穩(wěn)定器機(jī)械式激活方式,工作狀態(tài)的鎖定則需由流量控制。新型可變徑穩(wěn)定器一個(gè)明顯的優(yōu)點(diǎn)是增大了鉆井的靈活性,既使在高扭矩情況下也能正常工作,因?yàn)橹恍枰?2.23 kN鉆壓該工具就能處于滿尺寸工作狀態(tài)。

在定向鉆井中,能夠頻繁并方便地變化可變徑穩(wěn)定器直徑的機(jī)械裝置顯得尤為重要。例如,用可變徑穩(wěn)定器鉆第1口井時(shí),必須先設(shè)定一種工作狀態(tài),直到造斜或降斜完成后,再通過不斷地改變穩(wěn)定器的工作狀態(tài)來進(jìn)行糾偏,才能準(zhǔn)確地按照設(shè)計(jì)的井身軌跡鉆進(jìn),然后應(yīng)用實(shí)時(shí)隨鉆測量技術(shù)(MWD)對井斜控制進(jìn)行全面監(jiān)控。

最初的研究認(rèn)為,可變徑穩(wěn)定器直徑變化達(dá)到12.7 mm(1/2英寸)可能會(huì)導(dǎo)致大的“狗腿”。因此設(shè)計(jì)的可變徑穩(wěn)定器有多個(gè)可變的直徑范圍,例如?304.80～?311.15 mm(12～12?/英寸),使用?298.45～?311.15 mm(11?/～12?/英寸)的可變徑穩(wěn)定器,可在大尺寸和小尺寸2種工作狀態(tài)之間改變,使用時(shí)沒有發(fā)現(xiàn)引起大的“狗腿”,反而能夠成功地控制井斜,并且正確地選擇近鉆頭穩(wěn)定器和可變徑穩(wěn)定器之間的短鉆鋌長度,可以讓BHA的力學(xué)性能很好地適應(yīng)各種特殊的工況,把“狗腿”控制在一個(gè)最小的范圍。合理利用可變徑穩(wěn)定器還可以減小管柱摩阻。

在定向井鉆井中使用可變徑穩(wěn)定器可以極大地彌補(bǔ)現(xiàn)有傳統(tǒng)井斜測控技術(shù)和方法的不足。

2.3 性能指標(biāo)檢驗(yàn)

可變徑穩(wěn)定器通常用于鉆進(jìn)導(dǎo)向系統(tǒng)不能有效作業(yè)的地層,因此在北海油田 Cleeton和Ravenspurn氣田的42/29和42/30區(qū)塊得到了廣泛地運(yùn)用,這幾個(gè)區(qū)塊包括了北海南部環(huán)境最惡劣的井,相對松軟的Lias粘土層的井身為?311.15 mm(12?/英寸),接著是極其復(fù)雜的Bunter砂巖地層,最下部是Bunter頁巖地層和Brockelschieffer沙泥巖。

圖7為用常規(guī)旋轉(zhuǎn)鉆井技術(shù)完鉆的井眼,表現(xiàn)了巖性的不確定性,且沒有達(dá)到預(yù)計(jì)的造斜和降斜率,因此需要多次改變BHA結(jié)構(gòu),最后形成了一個(gè)并不理想的井眼軌跡。圖8為在沒有起下鉆的情況下完鉆的一口?311.15 mm(12?/英寸)井,并使用1個(gè)可變徑穩(wěn)定器來克服鉆遇地層的造斜性。

圖7 常規(guī)完鉆井井眼軌跡

圖8 使用可變徑穩(wěn)定器完鉆井井眼軌跡

鉆大位移井時(shí),摩擦損耗是設(shè)計(jì)井身的一個(gè)重要制約因素,所以井眼內(nèi)摩阻和扭矩問題顯得尤為重要[10-12]。為了把摩擦損耗控制在最小范圍內(nèi),必須要使實(shí)際鉆井井眼軌跡盡可能地接近設(shè)計(jì)的井眼軌跡。使用可變徑穩(wěn)定器按設(shè)計(jì)井眼軌跡完鉆的傾斜井眼軌跡如圖9,從套管鞋732.13 m開始到2 416.45 m井段使用了可變徑穩(wěn)定器,在下鉆到2 416.45 m時(shí)起鉆更換了1次鉆頭。由圖9看出,在大位移井使用可變徑穩(wěn)定器后,整個(gè)井段與設(shè)計(jì)的井眼軌跡幾乎沒有差別,充分驗(yàn)證了可變徑穩(wěn)定器的有效性。

2.4 現(xiàn)場應(yīng)用效果

截止到目前,井下可變徑穩(wěn)定器在北海油田已成功完鉆超過150口的定向井?，F(xiàn)場應(yīng)用可變徑穩(wěn)定器結(jié)果如表1。

圖9 使用可變徑穩(wěn)定器完鉆的傾斜井眼軌跡

表1 在?311.15 mm井眼應(yīng)用可變徑穩(wěn)定器鉆井結(jié)果

3 結(jié)論

1) 可變徑穩(wěn)定器適用于鉆進(jìn)導(dǎo)向系統(tǒng)不能有效作業(yè)的地層。

2) 在定向井中使用可變徑穩(wěn)定器鉆進(jìn)的井眼軌跡能夠完全符合設(shè)計(jì)井眼軌跡。

3) 現(xiàn)場應(yīng)用表明,在定向井中使用 PDC鉆頭,只有<18%的井需要對方位角進(jìn)行修正,PDC鉆頭與可變徑穩(wěn)定器配合使用效果顯著。

4) 可變徑穩(wěn)定器在鉆進(jìn)過程中性能可靠,比常規(guī)穩(wěn)定器具有更好的性能,并且在鉆遇復(fù)雜惡劣地層時(shí)沒有結(jié)構(gòu)缺陷。

5) 使用可變徑穩(wěn)定器能夠提高鉆井效率,減少下鉆次數(shù),平均每口井減少2次以上下鉆次數(shù),每口井完鉆周期可縮短1 d以上,可極大地節(jié)省鉆井時(shí)間。

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Application Research of Directional Well Drilling Technology and Variable G auge Stabilizer

LI Kai,GAO De-li,SON G Zhi-wu
(MOE Key L aboratory ofPetroleum Engineering,China University ofPetroleum,Beijing102249,China)

This paper evaluates the use of downhole adjustable stabilizers through the tangent sections of directional wells.It includes a survey of more than 100 directional wells and illustrates typical applications of the tool.The strategic placement of under gauge and full gauge near bit and/or first string stabilizers to control hole inclination is now proving unnecessary.A correctly positioned adjustable stabilizer allows changes to be made to bottom hole assembly(BHA)without pulling out of hole.Not only can expensive BHA trips be avoided,but correct utilization of an adjustable stabilizer will improve the trajectory of hole section and minimize doglegs to reduce torque and pipe drag.

downhole adjustable gauge stabilizer;directionalwell;experiment;analysis; hole trajectory

1001-3482(2011)07-0004-05

TE243

A

2010-12-13

李 凱,(1986-),男,四川內(nèi)江人,碩士研究生,研究方向?yàn)橛蜌饩苤W(xué)與控制工程,E-mail:mesmerizing86@yahoo.cn。