定向井鉆井技術及可變徑穩定器應用研究

李 凱,高德利,宋執武

(中國石油大學石油工程教育部重點實驗室,北京102249) *

定向井鉆井技術及可變徑穩定器應用研究

李 凱1,高德利,宋執武

(中國石油大學石油工程教育部重點實驗室,北京102249)*

常規穩定器與鉆鋌構成的底部鉆具組合(BHA)力學性能不能改變,若與實際要求不相符合時,必須起下鉆更換。利用可變徑穩定器替代常規穩定器可減少起下鉆次數,降低油田建設開發成本。介紹了可變徑穩定器在定向井的應用,并對100多口定向井進行試驗分析,總結了可變徑穩定器的優點。合理使用可變徑穩定器不僅可以減少起下鉆次數,還能顯著提高井眼軌跡質量,降低狗腿度及減小扭矩和摩阻等。

可變徑穩定器;定向井;試驗;分析;井眼軌跡

迄今為止,定向鉆井技術經歷了3個里程碑:①利用造斜器(斜向器)定向鉆井;②利用井下馬達配合彎接頭定向鉆井(造斜率是彎接頭彎角、井下馬達剛度和地層巖石硬度的函數);③利用導向馬達(彎殼體井下馬達)定向鉆井(彎角點離鉆頭的距離近得多,因此產生的造斜率大)[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向海灘、湖泊、沙漠、海洋及復雜構造地層的油藏索取油氣資源[2-6]。井下可變徑穩定器以鉆井液壓力作為驅動力,是定向鉆井技術的執行機構和一種智能型導向工具[7-8]。

1 定向井鉆井技術

1.1 旋轉鉆井[9]

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

圖1 常規造斜工具

該方法最大的缺點是如果需要對方位角和井斜角做任何調整,就必須從井眼中提出BHA并改變其力學性能。在定向鉆井中,為了減少起下鉆次數,增大鉆頭進尺量,BHA經常超時工作,引起井眼軌跡的超常規修正,而過度修正井眼軌跡和使用的BHA組合會形成一種叫做“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 常規完鉆井穩斜段井眼軌跡

1.2 導向系統

導向系統的PDM包含了一個高扭矩泥漿馬達并安裝有彎外殼,使鉆頭軸線傾斜,如圖3。旋轉鉆柱鉆進時彎外殼不起作用,由PDM鉆出直線井眼。如果要改變井眼方位或井斜角,可以調節馬達至設計方向,使用PDM不旋轉模式,一旦達到井眼軌跡設計方位,應重新恢復旋轉模式。

圖3 容積式導向馬達及工具

PDM的高成本使得導向鉆井成本非常高,并且PDM在導向時極有可能產生粘滑現象,導致PDM的持續失速和其面角降低。當鉆進使用水基泥漿時,這種情況將更加惡化,因為水基泥漿的潤滑性低于油基泥漿。

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

圖4 造斜-降斜鉆具組合

由經驗可知,造斜率和降斜率升高或降低將由近鉆頭穩定器與可變徑穩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重。

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

圖5 穩斜-降斜鉆具組合

2 可變徑穩定器

2.1 設計特點

可變徑穩定器有 ?298.45 mm(11?/英寸)和?311.15 mm(12?/英寸)2種規格,設計有3道標準螺旋片,每一片有6個63.5 mm(2??英寸)表面硬化的活塞,內心軸有6個錐形凸輪,如圖6。工作時,凸輪滑動作用于相對應的活塞斜錐邊,使活塞滑出螺旋邊表面,從而增大可變徑穩定器的直徑。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,與標準套管穩定器相當。

圖6 井下可變徑穩定器

2.2 工作原理

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

為了使可變徑穩定器處于小直徑?298.45 mm (11?/英寸)狀態工作,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,可變徑穩定器處于小直徑狀態。即使泥漿流量再次上升至正常鉆進水平,可變徑穩定器仍然會處于小直徑狀態,這時可以再次下放鉆柱至井底,恢復正常的鉆進。

變換可變徑穩定器大直徑和小直徑狀態時,其內的限流器可以產生1.03 MPa的壓差,據此能夠確定可變徑穩定器處于何種狀態鉆進。為了節約連續鉆進時間,需經常改變可變徑穩定器的工作狀態。

有2種可選擇狀態的可變徑穩定器是靠鉆壓激活的,在該可變徑穩定器中安裝有碟形彈簧,彈簧預緊力必須要大于鉆壓,當鉆壓>彈簧預緊力時,可變徑穩定器才會處于大直徑工作狀態。可變徑穩定器被激活后將始終保持滿尺寸,直到將其提離井底才會自動恢復到原有狀態。如果鉆壓過大,可變徑穩定器將很難達到滿尺寸工作狀態;如果鉆壓過小,又可能會在不需要的情況下出現大直徑的狀態。為此設計了液壓栓系統,仍保留原可變徑穩定器機械式激活方式,工作狀態的鎖定則需由流量控制。新型可變徑穩定器一個明顯的優點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,因為只需要22.23 kN鉆壓該工具就能處于滿尺寸工作狀態。

在定向鉆井中,能夠頻繁并方便地變化可變徑穩定器直徑的機械裝置顯得尤為重要。例如,用可變徑穩定器鉆第1口井時,必須先設定一種工作狀態,直到造斜或降斜完成后,再通過不斷地改變穩定器的工作狀態來進行糾偏,才能準確地按照設計的井身軌跡鉆進,然后應用實時隨鉆測量技術(MWD)對井斜控制進行全面監控。

最初的研究認為,可變徑穩定器直徑變化達到12.7 mm(1/2英寸)可能會導致大的“狗腿”。因此設計的可變徑穩定器有多個可變的直徑范圍,例如?304.80～?311.15 mm(12～12?/英寸),使用?298.45～?311.15 mm(11?/～12?/英寸)的可變徑穩定器,可在大尺寸和小尺寸2種工作狀態之間改變,使用時沒有發現引起大的“狗腿”,反而能夠成功地控制井斜,并且正確地選擇近鉆頭穩定器和可變徑穩定器之間的短鉆鋌長度,可以讓BHA的力學性能很好地適應各種特殊的工況,把“狗腿”控制在一個最小的范圍。合理利用可變徑穩定器還可以減小管柱摩阻。

在定向井鉆井中使用可變徑穩定器可以極大地彌補現有傳統井斜測控技術和方法的不足。

2.3 性能指標檢驗

可變徑穩定器通常用于鉆進導向系統不能有效作業的地層,因此在北海油田 Cleeton和Ravenspurn氣田的42/29和42/30區塊得到了廣泛地運用,這幾個區塊包括了北海南部環境最惡劣的井,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為用常規旋轉鉆井技術完鉆的井眼,表現了巖性的不確定性,且沒有達到預計的造斜和降斜率,因此需要多次改變BHA結構,最后形成了一個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個可變徑穩定器來克服鉆遇地層的造斜性。

圖7 常規完鉆井井眼軌跡

圖8 使用可變徑穩定器完鉆井井眼軌跡

鉆大位移井時,摩擦損耗是設計井身的一個重要制約因素,所以井眼內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,必須要使實際鉆井井眼軌跡盡可能地接近設計的井眼軌跡。使用可變徑穩定器按設計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定器,在下鉆到2 416.45 m時起鉆更換了1次鉆頭。由圖9看出,在大位移井使用可變徑穩定器后,整個井段與設計的井眼軌跡幾乎沒有差別,充分驗證了可變徑穩定器的有效性。

2.4 現場應用效果

截止到目前,井下可變徑穩定器在北海油田已成功完鉆超過150口的定向井。現場應用可變徑穩定器結果如表1。

圖9 使用可變徑穩定器完鉆的傾斜井眼軌跡

表1 在?311.15 mm井眼應用可變徑穩定器鉆井結果

3 結論

1) 可變徑穩定器適用于鉆進導向系統不能有效作業的地層。

2) 在定向井中使用可變徑穩定器鉆進的井眼軌跡能夠完全符合設計井眼軌跡。

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

4) 可變徑穩定器在鉆進過程中性能可靠,比常規穩定器具有更好的性能,并且在鉆遇復雜惡劣地層時沒有結構缺陷。

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

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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,四川內江人,碩士研究生,研究方向為油氣井管柱力學與控制工程,E-mail:mesmerizing86@yahoo.cn。