李紅星 李 輝 王曉鵬 謝 濤 安申慶 李國梁

(1.中海油田服務(wù)股份有限公司 天津 300459； 2.中海石油(中國)有限公司天津分公司 天津 300459)

1 問題提出

由于受到作業(yè)費(fèi)用高、地質(zhì)構(gòu)造變化大、工藝措施及井下工具限制,側(cè)鉆技術(shù)在海上油田的發(fā)展應(yīng)用比較緩慢[1]。海上油田側(cè)鉆作業(yè)一直以長半徑側(cè)鉆為主[2-3]，側(cè)鉆點(diǎn)一般較淺，中短半徑側(cè)鉆目前還屬于“空白”[3-4]。目前對(duì)于海上低效井開發(fā)，為了最大限度地利用老井眼套管，減少鉆井進(jìn)尺，側(cè)鉆點(diǎn)一般較深，這就要求必須以較高的造斜率進(jìn)行側(cè)鉆才能滿足產(chǎn)層著陸的需要。綏中36-1油田調(diào)整井開發(fā)面臨大量開窗側(cè)鉆需求，大部分調(diào)整井需要利用φ244.48 mm技術(shù)套管進(jìn)行開窗側(cè)鉆φ209.55 mm井眼[5-6]，井眼尺寸較大，鉆具剛性較強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)高造斜率的難度較大。常規(guī)螺桿鉆具彎點(diǎn)距較大,鉆頭偏移量大,鉆具組合通過套管和窗口較困難，需要研制低彎點(diǎn)距設(shè)計(jì)的螺桿鉆具來解決高彎角鉆具組合通過套管和窗口的問題。

渤海綏中36-1油田地層疏松，造斜困難。目前大部分中短半徑井的側(cè)鉆都只是利用MWD的測斜結(jié)果，按照實(shí)際的造斜率推測鉆頭處的井斜。由于MWD測斜位置距鉆頭大約有15～20 m的距離，這種推測會(huì)造成鉆頭位置處的垂深有一定誤差，易導(dǎo)致在高造斜率軌道設(shè)計(jì)中實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地確定鉆頭位置的井斜角越來越困難，誤差越來越大，不能滿足現(xiàn)場高造斜率井眼軌跡控制的需要。因此，本文研制了高造斜率螺桿鉆具和近鉆頭測斜工具，在試驗(yàn)井高造斜側(cè)鉆試驗(yàn)中取得良好效果，進(jìn)而在綏中36-1油田調(diào)整井取得了成功應(yīng)用，可為海上油田開窗側(cè)鉆提供借鑒。

2 鉆具研制

2.1 高造斜率螺桿鉆具研制

2.1.1結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

高造斜率螺桿鉆具最顯著的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)體現(xiàn)在以下3個(gè)方面：

1) 低彎點(diǎn)距設(shè)計(jì)。為了提高鉆具組合的造斜率,通常在鉆具組合中使用大彎角螺桿鉆具和鉸接動(dòng)力鉆具[7]。渤海綏中36-1油田低效井側(cè)鉆要求達(dá)到10°/30 m～15°/30 m的高造斜率,采用1.75°～2.00°彎角的螺桿鉆具即可滿足造斜率的要求，而常規(guī)馬達(dá)彎角超過1.5°時(shí)不允許旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，以免螺桿鉆具發(fā)生疲勞破壞、脫落、折斷等事故[8]。根據(jù)修正的三點(diǎn)定圓法[9]計(jì)算單彎螺桿鉆具造斜率的原理，對(duì)相同彎角的螺桿鉆具采用低彎點(diǎn)距設(shè)計(jì)，一方面可提高造斜率，另一方面可允許螺桿鉆具在一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)，滿足高造斜率井眼軌跡控制及井眼凈化的需要。

2) 本體扶正器采用三瓣不等寬扶正帶設(shè)計(jì)，且低邊瓣采用加寬處理。一般常規(guī)螺桿鉆具的本體扶正器的扶正帶采用圓周三瓣對(duì)稱等寬設(shè)計(jì)，每片扶正帶寬約0.063 m，各扶正帶的徑向中心線呈120°分布；高造斜率螺桿鉆具本體扶正器的扶正帶采用圓周三瓣對(duì)稱不等寬設(shè)計(jì)，各扶正帶的徑向中心線呈120°分布。位于低邊處的扶正帶寬約0.155 m，比常規(guī)螺桿鉆具的扶正帶加寬了約146%,且在螺桿鉆具裝配時(shí)保持低邊扶正帶中心線與螺桿鉆具彎角高邊線處于相對(duì)的位置，其他兩片扶正帶寬約0.063 m，該加寬扶正帶的設(shè)計(jì)增強(qiáng)了螺桿鉆具滑動(dòng)鉆進(jìn)時(shí)造斜工具面的穩(wěn)定性。

3) 中低轉(zhuǎn)速、高輸出扭矩、等壁厚定子設(shè)計(jì)。為適應(yīng)在高造斜率情況下鉆進(jìn)作業(yè)抗扭的需要,螺桿鉆具采用了高強(qiáng)度密封萬向軸總成、中低轉(zhuǎn)速、高輸出扭矩、等壁厚定子設(shè)計(jì)，縮小了橡膠的厚度，增大了橡膠與金屬的接觸面積，橡膠厚度均勻，可以改善工作時(shí)定子的散熱性能，減緩橡膠的熱老化；等壁厚定子在運(yùn)動(dòng)過程中抗變形的能力好，在相同的條件下可以減少級(jí)數(shù)及定、轉(zhuǎn)子間的過盈量，在運(yùn)轉(zhuǎn)扭矩和效率等方面優(yōu)于常規(guī)螺桿鉆具，提高了鉆井速度；等壁厚定子橡膠溶脹、溫脹均勻，螺桿鉆具密封性能更好，可維持長時(shí)間高效率鉆井，保持螺桿鉆具較長的使用壽命。

2.1.2性能參數(shù)

低彎點(diǎn)螺桿鉆具為5級(jí)螺桿鉆具，外徑172 mm,轉(zhuǎn)子與定子頭數(shù)比為7∶8,轉(zhuǎn)速范圍84～168 r/min，排量范圍 1 183～2 366 L/min，工作扭矩9 866 N·m，工作壓降5.5 MPa， 可滿足15°/30 m的造斜需求。采用修正的三點(diǎn)定圓法計(jì)算單彎螺桿鉆具不同彎角的理論造斜能力(表1)。

表1 不同螺桿鉆具的造斜率Table 1 Build-up rate with different helicoid hydraulic motors

2.2 近鉆頭測斜工具研制

為了實(shí)現(xiàn)近鉆頭測斜的功能，提高特殊工藝井、定向井及水平井等高精度井施工中井眼軌跡控制能力,精確預(yù)測鉆頭位置處的垂深，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)基于超聲波的近鉆頭測斜信號(hào)跨傳技術(shù)[10]和基于電磁波的近鉆頭測斜信號(hào)跨傳技術(shù)做了大量的研究工作，后者在信號(hào)跨傳距離和穩(wěn)定性方面優(yōu)于前者。因此，本文采用基于電磁波的近鉆頭測斜信號(hào)跨傳原理，在近鉆頭測斜工具的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采用上下2個(gè)短接，其中下短接(近鉆頭測斜短接，長度約0.80 m)負(fù)責(zé)近鉆頭位置處井斜的測量，上短接(數(shù)據(jù)跨傳短接)負(fù)責(zé)無線跨傳通訊傳輸，在實(shí)際使用時(shí)上下2個(gè)短接間跨傳1根螺桿鉆具長度的距離(在鉆具組合中長度約為7.5 m)。測斜傳感器采用3支正交石英加速度計(jì)進(jìn)行精確重力場矢量測量，測量電路采用高精度、高帶寬A/D采樣和高性能數(shù)字處理電路，濾波解算采用井下實(shí)時(shí)濾波算法，在旋轉(zhuǎn)條件下井斜測量誤差精度達(dá)到±1°(考慮螺桿鉆具彎角的影響)。天線設(shè)計(jì)采用低阻抗發(fā)射天線和低噪聲接收天線，調(diào)制方式采用高效的數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)方法，收發(fā)電路采用專門為電池驅(qū)動(dòng)供電設(shè)計(jì)的低功耗傳輸電路。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室多次聯(lián)調(diào)和3次入井實(shí)鉆測試，證實(shí)研制的近鉆頭測斜工具所測得的數(shù)據(jù)能跨傳至上部數(shù)據(jù)跨傳短接中，并能通過Drilog無線隨鉆測井系統(tǒng)將測斜數(shù)據(jù)傳至地面。

3 現(xiàn)場試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)井井身結(jié)構(gòu)

經(jīng)過鉆具組合與套管尺寸的相容性計(jì)算，如果采用φ215.90 mm標(biāo)準(zhǔn)井眼側(cè)鉆，1.75°彎角螺桿鉆具與套管的間隙為3.0 mm；如果采用φ209.55 mm非標(biāo)井眼側(cè)鉆，1.75°彎角馬達(dá)與套管的間隙為6.3 mm?？紤]到窗口不規(guī)則因素的影響，優(yōu)選φ209.55 mm井眼尺寸更有利于高造斜率鉆具組合通過窗口。側(cè)鉆試驗(yàn)井JJSY-4井身結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3.2 套管及窗口的通過性試驗(yàn)

在與渤海綏中36-1油田套管相同的試驗(yàn)井JJSY-4井中采用3°斜面角的斜向器進(jìn)行套管開窗,斜向器坐封方位左45°。目標(biāo)區(qū)塊油井φ244.48 mm技術(shù)套管大部分采用N80 47PPF BTC扣的套管,壁厚11.95 mm,內(nèi)徑220.50 mm。設(shè)計(jì)的高造斜率鉆具組合如下：φ209.55mm PDC鉆頭(0.31m，噴嘴φ14 mm×2+φ12 mm×3+φ17 mm×2)+φ171.45 mm接頭(0.80 m)+φ172 mm低彎點(diǎn)螺桿鉆具(彎角1.75°，彎點(diǎn)距0.865 m，長度7.43 m)+φ165.10 mm定向接頭(0.55 m)+φ165.10 mm鉆鋌×3根(28.45 m)+φ165.10 mm震擊器(11.80 m)+φ127.00 mm加重鉆桿×8根(75.50 m)，采用陀螺儀測斜。經(jīng)過測試試驗(yàn)， 1.75°低彎點(diǎn)螺桿鉆具組合可順利通過套管和窗口。

圖1 JJSY-4試驗(yàn)井井身結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Test well structure schematic of Well JJSY-4

3.3 造斜能力及鉆進(jìn)工況試驗(yàn)

JJSY-4試驗(yàn)井 421.50～465.00 m井段1.5°彎角的螺桿鉆具組合滑動(dòng)鉆進(jìn)，平均造斜率11.09°/30 m，最大造斜率13.04°/30 m；465.00～486.30 m 井段1.75°彎角的螺桿鉆具組合滑動(dòng)鉆進(jìn)，平均造斜率13.44°/30 m，最大造斜率16.15°/30 m。試驗(yàn)結(jié)果表明，1.75°低彎點(diǎn)螺桿鉆具組合的造斜能力可滿足高造斜率側(cè)鉆要求。

根據(jù)綏中36-1油田調(diào)整井井眼軌跡要求，在完成高造斜率側(cè)鉆井眼段造斜至著陸后不起鉆，繼續(xù)完成后續(xù)約300 m的水平段進(jìn)尺，這就要求螺桿鉆具和MWD/LWD在高造斜率情況下能承受旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的惡劣工況，因此在JJSY-4試驗(yàn)井 486.30～491.20 m井段進(jìn)行了復(fù)合鉆進(jìn)，轉(zhuǎn)速20 r/min，扭矩4～10 kN·m ,扭矩值波動(dòng)在可接受范圍內(nèi)。

3.4 近鉆頭測斜工具測斜及跨傳功能試驗(yàn)

JJSY-4試驗(yàn)井鉆進(jìn)井段491.20～526.50 m鉆具組合 如下：φ209.55 mm PDC鉆頭(0.31 m，噴嘴φ14 mm×2+φ12 mm×3+φ17 mm×2)+φ171.45 mm近鉆頭測斜短節(jié)(0.79 m)+φ171.45 mm接頭(0.90 m)+φ165.10 mm鉆鋌×1(9.09 m)+φ171.45 mm測斜接收接頭(1.43 m)+φ165.10 mm定向接頭(0.55 m)+φ165.10 mm鉆鋌×2(19.36 m)+φ165.10 mm震擊器(11.80 m)+φ127.00 mm加重鉆桿×8(75.50 m)，試驗(yàn)結(jié)果表明近鉆頭測斜工具測斜功能正常，無線跨傳累計(jì)工作15 h，數(shù)據(jù)發(fā)送1 852幀，成功接收1 760幀，接收成功率達(dá)95%以上，且近鉆頭井斜測量數(shù)據(jù)與陀螺測斜數(shù)據(jù)吻合很好(圖2)。

圖2 JJSY-4試驗(yàn)井近鉆頭測斜工具測斜與陀螺測斜數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.2 Comparative map of inclination survey between near bit survey tool and gyroscope in Well JJSY-4

4 實(shí)際應(yīng)用

AXX井是綏中36-1油田的1口開發(fā)調(diào)整井,根據(jù)油田開發(fā)調(diào)整方案，需要對(duì)該井進(jìn)行開窗側(cè)鉆作業(yè)。針對(duì)AXX井井身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)(圖3)，對(duì)比分析了高造斜率側(cè)鉆方案與常規(guī)造斜率側(cè)鉆方案(表2)。由表2可知：采用本文高造斜率側(cè)鉆方案后可以減少進(jìn)尺約61.4%，減少螺桿鉆具組合滑動(dòng)鉆進(jìn)井段約73.8%，可有效降低鉆進(jìn)復(fù)雜情況；簡化了井身結(jié)構(gòu)，節(jié)省了φ177.80 mm技術(shù)套管費(fèi)用；側(cè)鉆作業(yè)可以選擇在館陶組底部以下的東營組進(jìn)行，為采用一趟鉆完鉆奠定了基礎(chǔ)，可節(jié)省大量的鉆井時(shí)間；可大幅度減少水平井A靶點(diǎn)的靶前位移，使原老井眼中心軸線周圍的剩余油開采利用，最大限度地利用油藏產(chǎn)能。因此，采用本文提出的高造斜率側(cè)鉆技術(shù)進(jìn)行調(diào)整井AXX的開窗側(cè)鉆作業(yè)。

圖3 綏中36-1油田AXX井井身結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Well structure schematic of Well AXX of SZ36-1 oilfield

本文提出的高造斜率側(cè)鉆技術(shù)在AXX井開窗側(cè)鉆作業(yè)中取得成功應(yīng)用(表3)，最高造斜率達(dá)19°/30 m，實(shí)現(xiàn)了一趟完鉆，套管和防砂管柱下入順利，相比常規(guī)造斜率側(cè)鉆節(jié)省約700萬元，大幅降低了開發(fā)投資成本，為渤海油田的穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)做出了貢獻(xiàn)，具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

表2 綏中36-1油田AXX井高造斜率側(cè)鉆方案與常規(guī)造斜率側(cè)鉆方案對(duì)比Table 2 Comparison of sidetrack drilling with high build-up rate and conventional build-up rate in Well AXX of SZ36-1 oilfield

表3 綏中36-1油田AXX井開窗側(cè)鉆作業(yè)統(tǒng)計(jì)Table 3 Statistics of sidetrack drilling operation in Well AXX of SZ36-1 oilfield

5 結(jié)束語

根據(jù)綏中36-1油田調(diào)整井井身結(jié)構(gòu)開窗側(cè)鉆特點(diǎn)，研制了高造斜率螺桿鉆具和近鉆頭測斜工具，該高造斜率側(cè)鉆鉆具組合可滿足15°/30 m的造斜需求。目前所研制的高造斜率側(cè)鉆鉆具組合已在綏中36-1油田AXX井開窗側(cè)鉆中取得成功應(yīng)用，最高造斜率達(dá)19°/30 m，實(shí)現(xiàn)了一趟完鉆，套管和防砂管柱下入順利，大幅降低了開發(fā)成本，為渤海油田的穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)做出了貢獻(xiàn)，具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

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