趙 峰

（中國(guó)石油渤海鉆探工程有限公司第一鉆井分公司，天津300280）

為謀求地下深部的油氣資源，深部油田鉆井開發(fā)是勢(shì)在必行的。水平井旋轉(zhuǎn)造斜鉆井是深部油田鉆井開發(fā)中最常見的鉆井開發(fā)方式，但由于油氣資源通常儲(chǔ)存在地下深部，導(dǎo)致水平井旋轉(zhuǎn)造斜鉆井具備很高的難度系數(shù)[1]。傳統(tǒng)水平井造斜鉆井過(guò)程中普遍存在鉆井效率低的問題，而鉆井工具的性能是決定水平井造斜鉆井效率的關(guān)鍵因素。結(jié)合以往研究表明水平井鉆井工具的造斜率越高，證明水平井旋轉(zhuǎn)造斜鉆井工具的性能越好，因此，有必要對(duì)水平井旋轉(zhuǎn)造斜鉆井工具展開優(yōu)化設(shè)計(jì)[2]。傳統(tǒng)水平井造斜鉆井工具設(shè)計(jì)主要以井眼軌跡為設(shè)計(jì)核心，第一代造斜鉆井工具為斜向器，其存在鉆速過(guò)低的問題；第二代造斜鉆井工具為彎節(jié)頭井底動(dòng)力鉆具，主要缺陷在于造斜能力弱；第三代造斜鉆井工具為彎外殼螺桿鉆具，其不足在于與地層摩擦力過(guò)大，經(jīng)常會(huì)造成井眼擴(kuò)大和托壓；第四代造斜鉆井工具以旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向?yàn)樵O(shè)計(jì)方面，致力于實(shí)現(xiàn)對(duì)水平井旋轉(zhuǎn)造斜鉆井工具的優(yōu)化設(shè)計(jì)?；诖?，本文以旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向造斜鉆井工具為目標(biāo)，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，致力于提高水平井旋轉(zhuǎn)造斜鉆井工具的造斜率。

1 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向介紹

1.1 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)概念

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)是20世紀(jì)90年代出現(xiàn)的一項(xiàng)尖端自動(dòng)化鉆井新技術(shù)，技術(shù)的核心是旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)。它主要由井下旋轉(zhuǎn)自動(dòng)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)、地面監(jiān)控系統(tǒng)和將上述兩部分聯(lián)系在一起的雙向通信技術(shù)組成，形成閉環(huán)自動(dòng)軌跡控制系統(tǒng)。

1.2 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向的優(yōu)勢(shì)

能實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高效鉆井，使鉆速達(dá)到最大，可能在特殊井段一趟鉆順利完成，井身質(zhì)量好，為優(yōu)質(zhì)固井提供保障。

能夠精確控制井身剖面軌跡，造斜率高，實(shí)現(xiàn)深井復(fù)雜結(jié)構(gòu)井的井眼軌跡控制。

鉆柱連續(xù)旋轉(zhuǎn)有助于懸浮鉆屑，對(duì)井眼清潔有利，并且能把鉆桿與井眼的摩擦降到最低。

油層鉆遇率高，隨鉆設(shè)備帶有地層評(píng)價(jià)參數(shù)，可取消電纜測(cè)井。

2 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的分析、計(jì)算及設(shè)計(jì)

2.1 分析旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具對(duì)井壁的推靠力

考慮到旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向在水平井旋轉(zhuǎn)造斜鉆井過(guò)程中會(huì)與井壁生成摩擦，進(jìn)而產(chǎn)生反向作用力，因此，需要分析旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向?qū)诘耐瓶苛4]。本文用F表示旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具對(duì)井壁推靠力的大小，可得公式（1）：

式中：l——旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具對(duì)井壁的推靠力作用點(diǎn)與井眼之間的距離，m；

d——水平井旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的旋轉(zhuǎn)阻力，N；

P——旋轉(zhuǎn)造斜角度。

通過(guò)公式（1），得出旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具對(duì)井壁的推靠力。由此可見，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具對(duì)井壁推靠力隨上述參數(shù)變化而變化，其中在旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具對(duì)井壁的推靠力作用點(diǎn)與井眼之間的距離與工具旋轉(zhuǎn)阻力一定時(shí)，可以通過(guò)調(diào)節(jié)工具最關(guān)鍵的旋轉(zhuǎn)造斜角度，進(jìn)而改變旋

轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具對(duì)井壁的推靠力。

2.2 計(jì)算旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具降斜作用力

在分析得出旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具對(duì)井壁的推靠力后，還需要進(jìn)一步計(jì)算旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具降斜作用力，進(jìn)而設(shè)定科學(xué)的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具參數(shù)[5]。在旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向設(shè)計(jì)中，由于水平井旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具自身的重力會(huì)與鉆頭之間形成一定的降斜力，為掌握降斜力對(duì)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具水平井旋轉(zhuǎn)造斜鉆井效果的影響，需要通過(guò)計(jì)算，判斷旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的降斜作用力。首先，計(jì)算水平井旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具自身的重力與鉆頭之間的降斜力，設(shè)其計(jì)算表達(dá)式為G，則有公式（2）：

式中：w——水平井所處地層的傾斜角度；

t——水平井旋轉(zhuǎn)造斜鉆井預(yù)計(jì)深度；

α——水平井旋轉(zhuǎn)造斜鉆井井眼面積。

通過(guò)公式（2），計(jì)算得出水平井旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具自身的重力與鉆頭之間的降斜力，在此基礎(chǔ)上，可推導(dǎo)出旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具降斜作用力的計(jì)算公式，設(shè)其為Gk，則有公式（3）：

式中：h——旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具水平鉆井速度。

通過(guò)公式（3）判斷旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具降斜作用力，以此為旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向設(shè)計(jì)關(guān)鍵參數(shù)，為下文提供數(shù)據(jù)支持。

2.3 實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向設(shè)計(jì)

通過(guò)上述對(duì)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向設(shè)計(jì)中兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)的計(jì)算分析，實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向設(shè)計(jì)[6]。結(jié)合《水平井旋轉(zhuǎn)造斜鉆井工具設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，設(shè)定旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向的主要參數(shù)，如表1所示。

表1為本次設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向的主要參數(shù)，以此為標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)水平井旋轉(zhuǎn)造斜鉆井的工作要求，以此完成水平井旋轉(zhuǎn)造斜鉆井工具設(shè)計(jì)。

表1 LWD旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向的主要參數(shù)

3 實(shí)例分析

3.1實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

構(gòu)建實(shí)例分析，本次選用某油田作為實(shí)驗(yàn)區(qū)域，在油田中隨機(jī)選取一口水平井作為本次實(shí)例分析對(duì)象。已知該水平井的井身尺寸為垂直深度2002m；水平位移1890m；水平段長(zhǎng)1666m，整體水平段地層特性為單斜構(gòu)造地層，地層傾角為10°~22°，其井斜控制屬于降井斜。在本次實(shí)例分析中，設(shè)定水平段井眼尺寸為215.9mm；復(fù)合（旋轉(zhuǎn)）鉆進(jìn)特性為微增井斜1°~3°/100m。在明確水平井基本信息的基礎(chǔ)上，首先使用傳統(tǒng)工具進(jìn)行水平井造斜鉆井，通過(guò)Matalb測(cè)得其鉆井造斜率，記為對(duì)照組；使用本文設(shè)計(jì)工具進(jìn)行水平井旋轉(zhuǎn)造斜鉆井，同樣通過(guò)Matalb測(cè)得其鉆井造斜率，記為實(shí)驗(yàn)組；由此可見，本次實(shí)例分析選取對(duì)比指標(biāo)為鉆井造斜率，工具的鉆井造斜率越高，證明其鉆井造斜能力越強(qiáng)，以此判斷水平井旋轉(zhuǎn)造斜鉆井工具性能。設(shè)定實(shí)驗(yàn)次數(shù)為10次，并記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

證明實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表

通過(guò)表2可知，本文設(shè)計(jì)的工具造斜率明顯高于對(duì)照組，對(duì)于水平井旋轉(zhuǎn)造斜鉆井的造斜能力更強(qiáng)，更具實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，有必要在水平井旋轉(zhuǎn)造斜鉆井方面加大使用力度。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)基于旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向設(shè)計(jì)水平井旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具，能夠取得一定的研究成果，解決傳統(tǒng)水平井造斜鉆井中存在的問題。由此可見，本文研究的水平井旋轉(zhuǎn)造斜鉆井工具是具有現(xiàn)實(shí)意義的，能夠指導(dǎo)水平井旋轉(zhuǎn)造斜鉆井工具優(yōu)化。在后期的發(fā)展中，應(yīng)加大本文研究水平井旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具在水平井旋轉(zhuǎn)造斜鉆井中的應(yīng)用力度。截至目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)水平井旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具研究中還需要進(jìn)一步對(duì)水平井旋轉(zhuǎn)造斜鉆井工具的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行深入研究，為提高水平井旋轉(zhuǎn)造斜鉆井工具的綜合性能提供參考。