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        大港油田大位移井井眼軌跡控制技術(shù)

        2021-12-22 10:17:00劉恩山
        科學(xué)與生活 2021年8期

        劉恩山

        摘要:本文分析了大港油田大位移水平井鉆井技術(shù)難點,論述了實施中的井眼軌跡設(shè)計技術(shù),導(dǎo)向馬達結(jié)合PDC鉆井技術(shù)、穩(wěn)定器預(yù)測、最大安全鉆壓控制技術(shù)等。結(jié)合現(xiàn)場實踐經(jīng)驗,利用軟件的分析技術(shù),論述了常規(guī)導(dǎo)淘技術(shù)鉆大位移井的可行性,為大位移井鉆井積累了寶貴經(jīng)驗。

        關(guān)鍵詞:大港油田;大位移井;井眼軌跡控制

        前言

        大港油田平臺大位移井由于剖面軌道設(shè)計及防碰預(yù)斜需要一般在100—200m左右,上部疏松地層不適合剛性強旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向設(shè)備的造斜施工。由于上部井眼擴大及井眼支撐能力弱,影響常規(guī)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向增斜側(cè)向力,無法保證一個正常的造斜率,影響整個井眼剖面的符合率,導(dǎo)致大井眼的控制失敗。通過經(jīng)驗總結(jié),大港油田通常在3300m左右上部采用常規(guī)導(dǎo)向組合控制軌跡,而在下部彎曲井眼無法滑動作業(yè)時采用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向作業(yè)取得了較好的效果。

        1大位移井眼軌跡控制難點

        1.1地層因素

        以大港油田埕海地區(qū)為例,部分淺層的大位移并靶點垂深埋深為明化館陶組1050-1550m左右,埕海二區(qū)深層沙河街地層目標(biāo)靶點埋深2600一2800m,上部明化館陶地層較軟巖性膠結(jié)為泥質(zhì)含量為1-15%,地層滲透率較高油層超過1000md屬于高滲透地層。平均空隙度超過35%。由于上部地層淺造漿力強加之大排量沖蝕,井眼擴大嚴(yán)重,實鉆施工中地層支撐力不足因素會降低單彎鉆具的側(cè)向力,使上部地層軟單彎接鉆頭穩(wěn)定器發(fā)揮不出杠桿增斜效果,造成上部井段定向造斜造困難。

        1.2設(shè)計因素

        大位移井施工井設(shè)計造斜率相對國外標(biāo)準(zhǔn)井高,大位移穩(wěn)斜井段長,采用雙增剖面大位移井段控制時鉆壓傳遞困難。同時由于雙增剖面第一次增斜井斜選擇為40-60之間此井段易發(fā)生巖屑起下鉆時雪蹦,及在大井眼鉆井中大斜度鉆井中排量不足巖屑固相往往超過7%容易在井眼下井壁沉積,造成托壓、磨阻力增大、卡鉆等復(fù)雜情況,更增加了軌跡控制中的鉆壓傳遞難度。針對以上問題,現(xiàn)場采取了分井段優(yōu)化施工工藝措施上部采用滑動控制,下部彎曲井眼采用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向施工,實現(xiàn)了鉆壓有效傳遞,保證了軌跡控制質(zhì)量也控制鉆井成本。

        1.3彎曲因素

        通常大位移井水垂比超過2,并且9-5/8”技套井眼下入較深的位置,確保下開井眼在上層套管保護下鉆的更遠(yuǎn)。在大井眼中由于5-1/2鉆桿與井眼之間的間隙大超過了井眼與接頭差為129mm而手冊上要求小于101mm,造成滑動加壓時鉆具與井眼的接觸面積大摩阻相對大,由于其空間面積大,鉆桿接頭得不到井眼的支撐,鉆具易產(chǎn)生彎曲造成大井眼劃動困難。工具面不穩(wěn),實際施工中旌工人員耐心不足而加壓300-500KN超過鉆具螺旋彎曲值,而旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆進中加壓靠經(jīng)驗加小了進尺緩慢,加大了鉆柱產(chǎn)生彎曲直接導(dǎo)致鉆具疲勞事故。

        2軌跡控制的對策

        大港油田部分大位移井的上部井眼為17-1/2”及12-1/4”井眼由于剛性、地層原因不適合旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向施工而由渤海鉆探定向井技術(shù)分公司采用常規(guī)帶地質(zhì)導(dǎo)向的LWD進行施工,通過使用國內(nèi)生產(chǎn)的單彎矩彎矩馬達產(chǎn)生較高側(cè)向力特點,保證了上部疏松的平原、明化地層安全造斜,杜決了由于上部采用不合理的旋轉(zhuǎn)造斜工具,無法依設(shè)計剖面線施工,而造成頻繁起鉆,下入大角度的造斜工具增大造斜率,使下部井眼軌跡起伏加大,造成大位移段剖面無法向前鉆進延伸直接影響套管串的安傘的下入。

        大位移井眼控制核心是狗腿角的控制及剖面符曲折度的合理控制。它包括井斜、方位的空間扭轉(zhuǎn)度變化,直接影響~口井最終質(zhì)量。實鉆中嚴(yán)格滑動及轉(zhuǎn)動的頻率及時測斜,可產(chǎn)生平滑的小曲折度井眼降低井下事故減少鉆具扭矩,并有利于減少滑動鉆井中托壓。利于馬達及PDC鉆頭小鉆壓施工。

        目前大港油田大位移井、定向井設(shè)計通常選擇2.4°/30m~3°/30m的增斜率,由于國內(nèi)大位移井設(shè)計剖面設(shè)計造斜率較高,造成滑動鉆井困難。而采用國外旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向雖能解決鉆具滑動彎曲問題,但由于此類鉆具剛性強長達系統(tǒng)總長35~50m、穩(wěn)定器扶正塊長,易阻、卡。實鉆證明對于311mm井眼旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具往往難以通過超過4°/30m井眼直接導(dǎo)致此類鉆具倒劃眼,卡鉆事故頻繁,而采用常規(guī)導(dǎo)向組合由于下部剛性長度只有20m左右易通過造斜率高的曲率井眼,另外采用合理的欠穩(wěn)定器可以通過鉆壓的改變可實現(xiàn)導(dǎo)向增降斜目標(biāo)取得了一定效果,所以我油田上部地層造斜普遍采用此工具。

        2.1選擇小角度單彎馬達造斜

        由于大位移井設(shè)計目標(biāo)垂相對深較淺,上部井眼造斜首先保證單彎馬達能發(fā)揮正常的造斜率并且能呈受高達120~150mm頂驅(qū)鉆速的需要,超過1.5°彎角的馬達廠家不允許高轉(zhuǎn)速,而常規(guī)1.25小角度馬達在直斜段初期造斜率低較難達設(shè)計2~3°/30m要求。通過上部井眼的實鉆分析發(fā)現(xiàn)短彎距及離近鉆頭穩(wěn)定器螺桿鉆具,保證在相同的馬達角度及本體穩(wěn)定器尺寸的情況下它們分別比正常產(chǎn)品距鉆頭的距離縮短0.4m及0.2m左右,獲得一個相對高的造斜能力。

        2.2選擇與地層匹配定向PDC鉆頭

        PDC鉆頭在砂泥巖地層機械鉆速高、鉆頭工作壽命長、耐高溫能力強于牙輪鉆頭,更適合定向井、水平井施工。在如何提高PDC鉆頭性能指標(biāo),優(yōu)選PDC鉆頭設(shè)計開展了工作。隨著機算機技術(shù)的成功應(yīng)用,低速高功率的馬達應(yīng)用,PDC鉆頭顯示出它的的優(yōu)勢。

        定向井技術(shù)不斷的發(fā)展,造斜鉆頭從平底、直刀冀外型、轉(zhuǎn)換成短保徑(增加側(cè)向力)、螺旋刀冀(防反轉(zhuǎn))、適合定向的PDC鉆頭不斷推出。最新方向盤式定向鉆頭的應(yīng)用,解決了在硬地層超深井眼,工具面的控制問題,提高了滑動效率。通過對內(nèi)、外錐的錐面高度及弧度長短,牙齒俯角及側(cè)角度設(shè)計,及切屑齒材料更新及計算機力平衡排列、高效的泄流槽設(shè)計,徹底解決了定向造斜低效率的問題,根據(jù)上述原則接合上部東營以上地層特點滑動采用19mm牙齒五刀翼旋短保徑的GPl9455EX取得較好效果。2.3優(yōu)化穩(wěn)定器尺寸

        通過對大位移井一開、二開定向資料總結(jié)埕海444.5mm井眼一般鉆至1200-1300m左右,311mm鉆至3200-3400m上部地層為明化鎮(zhèn),針對大井眼降斜鐘擺效應(yīng),分析總結(jié)出馬達后面不下入穩(wěn)定器,使鉆具組合只是馬達本體穩(wěn)定器的單穩(wěn)定器結(jié)構(gòu),有利于提高單彎馬達實鉆增斜,另外可以在穩(wěn)斜旋轉(zhuǎn)鉆井時保持井斜穩(wěn)定。對于311mm井眼明化鎮(zhèn)、東營地層下入 284—267m穩(wěn)定器由于泥巖吸水膨脹剝落井徑較大超過6%,馬達本體穩(wěn)定器無法發(fā)揮正常杠 桿作用,雖然第二個穩(wěn)定器尺寸較小但依然降斜。考慮鉆具安全及防疲勞、振動對NWD及LWD不利影響,下入小尺寸第二個穩(wěn)定器。

        2.4采用5-1/2鉆桿保證大位移井高扭矩作業(yè)

        成功鉆成一口大位移井,鉆柱設(shè)計必須滿足鉆柱抗拉強度及高抗扭要求。由于大位移井普遍采用下入深技套,采用5-1/2”G105鉆桿可高抗扭又增大鉆桿內(nèi)徑降低循環(huán)泵壓,保證大排量對井眼的清潔。

        2.5嚴(yán)控制狗腿角防止側(cè)向力超標(biāo)造成鉆井事故

        定向井鉆具事故主要發(fā)生在馬達、無磁鉆鋌與加重鉆桿之間的過渡帶。上部井眼的狗腿度超標(biāo),導(dǎo)致高側(cè)向力大于2000磅井段較長,因不同剛性鉆具在旋轉(zhuǎn)鉆進中不同的角速度產(chǎn)生不同頻率的側(cè)向抖動;而高狗腿產(chǎn)生更強的橫向振動;過渡帶不同速度扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的相互作用產(chǎn)生橫向扭屈及震動導(dǎo)致鉆具疲勞,絲扣脫落鉆具落井。

        因此最大可能控制井眼第一增斜段的狗腿角小于3°/30m,是成功鉆大位移井的關(guān)鍵。而側(cè)向力大小近似等于某點鉆具正拉力與此點全角變化率正弦函數(shù)的乘積值,即造斜點越淺,下部鉆桿的拉力越大,狗腿度越高側(cè)向力值也高。

        2.6優(yōu)化鉆井參數(shù)、鉆具紐合保證下部鉆具安全

        大位移井旋轉(zhuǎn)鉆壓應(yīng)根據(jù)增斜段單位造斜允許的受壓值及穩(wěn)斜段單位鉆具垂直分量值進行計算,而直井段鉆具只能受拉不受壓的原則,設(shè)計轉(zhuǎn)盤鉆井最大鉆壓量,保證鉆桿在不產(chǎn)生彎曲的情況下安全鉆進。

        中國石油大港油田分公司第五采油廠 天津 300280

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