張 孟, 高立軍, 陶麗杰

（1.大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院,黑龍江大慶 163413;2.大慶油田有限責(zé)任公司采油工程研究院, 黑龍江大慶 163453）

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來的一項自動化鉆井新技術(shù), 是目前世界上最先進、高效的定向鉆井工具[1～2]。AutoTrak RCLS旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向閉環(huán)系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)的導(dǎo)向系統(tǒng), 該系統(tǒng)可以提高整體機械鉆速, 特別是在大位移井或水平井上能夠明顯地減小鉆柱的摩擦力, 減少卡鉆事故的發(fā)生、減少井壁的沖蝕以及更低的當(dāng)量循環(huán)密度, 井眼凈化效果更好。該系統(tǒng)工具面7500點矢量控制可實現(xiàn)高精度井眼軌跡控制, 水平段位移延伸能力更強, 更適合在復(fù)雜油氣藏中鉆超深定向井、叢式井、水平井及三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)井等特殊工藝井, 有效提高油氣藏勘探開發(fā)的綜合效益。

1 AutoTrak RCLS旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)組成

AutoTrak RCLS是推靠式的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)[3], 系統(tǒng)的井下偏置導(dǎo)向工具由不旋轉(zhuǎn)外套和旋轉(zhuǎn)心軸兩大部分通過上下軸承連接形成一可相對轉(zhuǎn)動的結(jié)構(gòu)（如圖1所示）。旋轉(zhuǎn)心軸上接鉆柱, 下接鉆頭, 起傳遞鉆壓、扭矩和輸送鉆井液的作用。不旋轉(zhuǎn)外套上設(shè)置有隨鉆測量、井下CPU、控制部分和支撐翼肋。

圖1 AutoTrak RCLS旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)組成示意圖

1.2 工作原理

井下液壓系統(tǒng)的三個獨立液壓油缸分別控制三個肋板伸縮, 當(dāng)三個肋板分別以不同液壓力支撐于井壁時,將使不旋轉(zhuǎn)外套不隨鉆柱旋轉(zhuǎn),同時,井壁的反作用力將對井下偏置導(dǎo)向工具產(chǎn)生一個偏置合力（如圖2所示）。通過控制三個肋板的支出液壓力的大小,可控制偏置力的大小和方向,以控制導(dǎo)向鉆井[4-5]。液壓力的大小由井下CPU控制井下控制系統(tǒng)來調(diào)整。井下CPU在下井前,預(yù)置了井眼軌跡數(shù)據(jù)。井下工作時,可將MWD測量的井眼軌跡信息或LWD測量的地層信息與設(shè)計數(shù)據(jù)進行對比,自動控制液壓力,也可根據(jù)接收到的地面指令調(diào)整設(shè)計參數(shù),控制液壓力,以實現(xiàn)導(dǎo)向鉆進。

圖2 導(dǎo)向系統(tǒng)偏執(zhí)原理

1.3 技術(shù)優(yōu)點

（1）推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向側(cè)向力大, 造斜率高, 鉆進時由于外筒不旋轉(zhuǎn), 近鉆頭扶正器不磨損, 工具連續(xù)造斜, 保證了造斜率。

（2）摩阻低、扭矩小, 推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)能鉆出較平滑的井眼, 有利于降低摩阻, 減小扭矩, 不受鉆頭壓降影響, 可以使用較大的鉆壓提高機械鉆速。

（3）可實現(xiàn)導(dǎo)向模式和穩(wěn)斜模式, 真正實現(xiàn)連續(xù)導(dǎo)向, 提高井眼延伸能力, 最大限度地減少或避免托壓問題的發(fā)生, 提高了鉆井效率。

（4）近鉆頭方位伽馬和井斜傳感器, 可以實現(xiàn)精確控制井眼軌跡, 地質(zhì)導(dǎo)向效果更好。

（5）可以測量井底循環(huán)當(dāng)量泥漿密度（ECD）, 從而監(jiān)測環(huán)空井眼清潔狀況, 一旦巖屑濃度增加, 可以及時采取措施避免卡鉆。

2 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向優(yōu)快鉆井技術(shù)措施

針對水平井鉆井過程中面臨的技術(shù)難題, 大慶油田通過不斷的現(xiàn)場實踐和攻關(guān)完善, 形成了一套適合于松遼盆地水平井鉆井提速技術(shù), 實現(xiàn)了水平井優(yōu)快鉆井的目的。

2.1 井眼軌跡精確控制技術(shù)

針對大慶地區(qū)地質(zhì)特點, 地層傾角下傾0.2°～0.3°左右, 水平段鉆進中井斜微增0.3°～1.0°/30m的特點,通過優(yōu)選個性鉆頭、優(yōu)化旋導(dǎo)鉆具組合及造斜力優(yōu)化控制等技術(shù)措施, 實現(xiàn)了水平段穩(wěn)斜效果。

2.1.1 個性化鉆頭優(yōu)選

鉆頭可根據(jù)所鉆地層巖石的研磨性、可鉆性等力學(xué)性質(zhì)來合理優(yōu)化, 由于青一段巖性主要為層狀頁巖與紋層狀頁巖, 常規(guī)定向用的19mm齒及長保徑PDC鉆頭震動高、扭矩大、造斜能力差。因此, 靜態(tài)推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向應(yīng)選用鉆頭總長短、短保徑、淺內(nèi)錐、高側(cè)向力的PDC鉆頭, 以保障旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向?qū)嶃@造斜力及高鉆壓下具有適中的震動。

通過鉆頭優(yōu)化選擇及多口井現(xiàn)場應(yīng)用, 百施特五刀翼短保徑PDC鉆頭單只最長進尺2509m, 平均機械鉆速20.19m/h（詳見表1）。

表1 百施特PDC鉆頭鉆井時效

2.1.2 優(yōu)化旋導(dǎo)鉆具組合

保障旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具安全、提高水平井鉆井時效是優(yōu)化鉆具組合的關(guān)鍵, 在長水平段油層中旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具、欠穩(wěn)定器、無磁加重鉆桿、震擊器形成柔性鉆具組合, 可以有效地減少起下鉆、避免倒劃眼阻卡、降低井下震動。

AutoTrak G3最佳配置為導(dǎo)向頭連接一支穩(wěn)定器, LWD上端連接一支穩(wěn)定器, 工具串形成兩個支點, 以保證鉆具的穩(wěn)定性及鉆壓的正常傳遞。增加或減少穩(wěn)定器數(shù)量直接影響井下鉆具的扭矩波動、鉆壓傳遞、鉆具震動及機械鉆速。

水平段鉆具組合：?215.9mmPDC鉆頭+?172mm旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向+?127mm無磁加重鉆桿+?165mm浮閥+?127mm加重鉆桿×2柱+?165mm隨鉆震擊器+?127mm（?139.7mm）鉆桿。

2.1.3 造斜力優(yōu)化控制

推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具造斜能力的大小受地層巖性、井徑、鉆井參數(shù)的影響外, 設(shè)定不同的肋板力百分比和工作模式, 可獲得不同的造斜率。實踐證明, 旋導(dǎo)施工的4口井出現(xiàn)電阻率極化現(xiàn)象同時伴隨著井斜和方位變化, 將Hold模式改為Steer模式, 調(diào)整工具的造斜力和導(dǎo)向力至100%, 同時降低排量和降低鉆壓控速鉆進, 能有效提高旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向的造斜率和扭方位率, 保證井眼軌跡平衡地層傾向, 提高井眼軌跡控制質(zhì)量。

ZP～24井水平段出現(xiàn)電阻率極化現(xiàn)象時井眼軌跡伴隨不同程度的失控問題。Hold模式鉆進至2880m時方位由182.3°增加至183.5°, 電阻率出現(xiàn)極值, 導(dǎo)向力由-40調(diào)整至-70, 方位減小至180.4°。鉆速15.3m/h, Hold模式鉆進至3915m時井斜由90.1°增加至90.85°, 電阻率出現(xiàn)極值, 改為Steer模式工具面180°, 造斜力96, 控速6～7m/h, 井斜逐漸降低至90.2°。因此, 及時有效選擇導(dǎo)向頭工作模式和造斜力大小是保障井眼軌跡精準(zhǔn)控制的關(guān)鍵。

2.2 激進式鉆井技術(shù)

為解決水平井長水平段水力功率不足、環(huán)空壓耗和巖屑上返困難等鉆井技術(shù)難題, 克服了以前對于鉆井參數(shù)的固有保守思維, 結(jié)合AutoTrak G3旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具特點, 開展了激進式鉆井參數(shù)技術(shù)研究, 強化井下鉆具及循環(huán)裝備配套升級, 采用大鉆壓、大排量、大扭矩、高泵壓、高轉(zhuǎn)速等配套提速技術(shù), 達到了優(yōu)快鉆井目的。

2.2.1 強化鉆井裝備配套

井下鉆具使用?139.7mm+?127mm大水眼復(fù)合鉆桿或?127mm大水眼鉆桿, 減少鉆柱內(nèi)流動摩阻, 降低環(huán)空壓力及泵壓。配置三臺52MPa高性能泥漿泵, 并配套使用高質(zhì)量的缸套和活塞, 將原來35MPa地面高壓管匯升級為52MPa, 以滿足大排量、高泵壓的要求。

2.2.2 強化鉆井參數(shù)執(zhí)行

應(yīng)用理論研究及隨鉆當(dāng)量循環(huán)密度ECD監(jiān)測可知, 隨著鉆具轉(zhuǎn)速及鉆井液排量的增大, 巖屑床的厚度和懸浮的巖屑濃度都會降低, 說明提高鉆具轉(zhuǎn)速和鉆井液排量有利于改善井眼清潔, 降低旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的粘滑震動, 保障井下安全。

AutoTrak G3旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向三個獨立液壓控制系統(tǒng), 井下工具總壓降1～1.5MPa, 可以增加鉆頭壓降實現(xiàn)高壓噴射作用, 實現(xiàn)35L/s以上大排量鉆井, 同時高排量下泥漿形成的紊流可以更好地提高巖屑上返速度, 達到清潔井眼、降低摩阻, 實現(xiàn)鉆壓正常傳遞。

通過激進式鉆井技術(shù)現(xiàn)場實踐, 采取“三大兩高”鉆井參數(shù), 平均機械鉆速17.33m/h（詳見表2）, 實現(xiàn)了井眼清潔、保障了井下安全, 達到了旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向優(yōu)快鉆井目的。

表2 鉆井參數(shù)統(tǒng)計分析

2.3 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向防卡技術(shù)

隨著水平段長度的不斷延伸, 鉆具在井下摩擦阻力、扭矩隨著增大, 井壁容易垮塌、巖屑難以及時上返, 極易造成頻繁遇阻及卡鉆風(fēng)險。為此, 在分析卡鉆原因的基礎(chǔ)上, 加強旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向防卡技術(shù)措施的執(zhí)行, 是保障井下安全的關(guān)鍵。

2.3.1 鉆進作業(yè)

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆進期間, 以安全、高效施工為前提, 嚴(yán)格落實“三大兩高”鉆井參數(shù), 四級固控設(shè)備運轉(zhuǎn)正常。鉆進期間遇不明原因的鉆速明顯變慢、變快、扭矩增大、摩阻增加、跳鉆、泵壓增降等異常情況時, 應(yīng)立即停止鉆進, 采用鉆進時排量和轉(zhuǎn)速循環(huán), 分析原因并采取相應(yīng)措施, 判斷井下無施工風(fēng)險后, 再恢復(fù)鉆進。鉆進期間出現(xiàn)異常情況（如：檢修設(shè)備、處理復(fù)雜等）及儀器下發(fā)指令, 鉆具靜止時間不得超過3min, 每次活動鉆具距離大于10m, 全程應(yīng)保持鉆進排量循環(huán), 有條件時應(yīng)保持鉆具轉(zhuǎn)動。

2.3.2 接立柱作業(yè)

鉆完立柱單根后, 剎住絞車停止送鉆, 保持鉆進轉(zhuǎn)速和排量循環(huán)5min以上, 待扭矩平穩(wěn)后, 保持排量不變, 頂驅(qū)轉(zhuǎn)速60～80r/min, 采用倒劃眼方式上提鉆具, 前5m倒劃眼速度不大于2m/min, 倒劃眼5m后速度不超過3m/min, 上提過程如果發(fā)現(xiàn)扭矩、泵壓、懸重異常, 保持原地循環(huán)或下放鉆具劃眼到底, 保持鉆進參數(shù)再次循環(huán)15min以上, 再上提倒劃。接立柱前應(yīng)確保鉆具處于自由狀態(tài), 卸扣前先停頂驅(qū)再停泵, 充分釋放鉆具扭矩。接立柱后先小排量頂通, 觀察泵壓及泥漿返出情況, 正常后再將排量提至鉆進排量進行測斜。

2.3.3 起下鉆作業(yè)

為保證安全鉆進, 應(yīng)根據(jù)鉆進、返砂及井下實際情況進行短起下作業(yè), 測試井眼安全性。起鉆及短起時, 剎住絞車停止送鉆, 保持鉆進轉(zhuǎn)速和排量循環(huán)5min以上, 收回旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向肋板, 待扭矩平穩(wěn)后, 倒劃眼上提鉆具前5m倒劃眼速度不大于2m/min, 上下劃眼活動鉆具不少于10m, 循環(huán)至少1個遲到時間, 保證井眼清潔后按正常起鉆程序起鉆。

上提遇卡不超過10t, 以下放循環(huán)為主, 采取倒劃眼方式通過遇卡井段, 發(fā)現(xiàn)扭矩、泵壓、懸重異常, 下放1～2個立柱, 循環(huán)一個遲到時間以上, 正常后繼續(xù)起鉆。下鉆遇阻不超過5t, 否則倒劃眼上提鉆具, 開泵開頂驅(qū)劃眼通過遇阻井段。

2.3.4 卡鉆后處理

發(fā)生卡鉆后, 應(yīng)分析卡鉆原因。上提過程中發(fā)生卡鉆, 應(yīng)第一時間下放鉆具至原懸重, 若不能解卡, 進一步下壓鉆具至頂驅(qū)加游車懸重, 嚴(yán)禁通過上提方式解卡鉆具。下放過程發(fā)生卡鉆, 先小排量開泵, 再以向上活動為主?？ㄣ@發(fā)生初期可考慮開頂驅(qū)、開泵循環(huán)、泵入稠漿和稀漿攜砂沖刷。如果未能解卡, 上下活動鉆具啟動震擊器, 上提遇卡下?lián)? 下放遇阻上擊。

3 現(xiàn)場應(yīng)用效果

水平井旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向優(yōu)快鉆井技術(shù)已進行了多口井現(xiàn)場應(yīng)用, 平均井深4945m, 鉆井周期35.92d, 平均機械鉆速17.33m/h（詳見表3）。與2019年完鉆的2口水平井相比機械鉆速提高了36.2%, 鉆井周期縮短29.5%。

表3 水平井應(yīng)用效果

（1）機械鉆速明顯提高, 降低了鉆井成本。應(yīng)用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng),在鉆進過程中可以隨時監(jiān)測井下工具的工作狀態(tài),通過優(yōu)選鉆井參數(shù),可以最大程度地提高機械鉆速, 水平段平均機械鉆速17.33m/h, 縮短了鉆井周期, 鉆井成本大幅度減少。

（2）井眼軌跡平滑, 摩阻扭矩降低, 避免了井下復(fù)雜事故。與常規(guī)螺桿鉆具滑動鉆進相比, 使用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具鉆成的井眼軌跡平滑, 摩阻扭矩明顯減少, 水平段長度有效延伸至2529m, 避免了井下復(fù)雜事故的發(fā)生, 實現(xiàn)了勘探開發(fā)效益最大化。

（3）水平段控制精度高, 有效鉆遇儲層。旋轉(zhuǎn)地質(zhì)導(dǎo)向工具不僅能夠在旋轉(zhuǎn)的條件下對井斜和方位進行調(diào)整, 還擁有近鉆頭伽馬和電阻率, 能夠及時發(fā)現(xiàn)儲層的變化, 保證了儲層有效鉆遇率100%。

4 結(jié)論與認(rèn)識

（1）通過旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)攻關(guān)與現(xiàn)場實踐, 初步形成了適應(yīng)大慶水平井特點的井眼軌跡精確控制、激進式鉆井、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向防卡等水平井關(guān)鍵技術(shù), 提高了水平井井身質(zhì)量與鉆井效率, 降低了旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具施工風(fēng)險。

（2）應(yīng)用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)鉆出的井眼軌跡平滑,利用近鉆頭伽馬和電阻率傳感器, 為準(zhǔn)確鉆遇目的層, 實現(xiàn)水平段的有效延伸提供了技術(shù)保障, 進一步提高了水平井的單井產(chǎn)量, 為高效開發(fā)創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

（3）大慶水平井旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向優(yōu)快鉆井技術(shù)解決了井眼軌跡控制難度大、摩阻扭矩大易發(fā)生卡鉆等技術(shù)難題, 為進一步提高機械鉆速、延長水平段長度, 應(yīng)加強高溫儀器、近鉆頭地質(zhì)導(dǎo)向及旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具等高精密儀器的研發(fā)和改進, 以滿足高效勘探開發(fā)的需求。