魯邁拉S型定向井降摩減扭技術

陳紹云

大慶鉆探工程公司鉆井工程技術研究院

魯邁拉S型定向井降摩減扭技術

陳紹云

大慶鉆探工程公司鉆井工程技術研究院

引用格式：陳紹云. 魯邁拉S型定向井降摩減扭技術［J］. 石油鉆采工藝，2016，38（4）：446-451.

為降低魯邁拉S型定向井摩阻扭矩，針對魯邁拉地質特點和鉆井難點，建立了井眼軌道曲線計算模型，并開展了三項提速技術試驗。從而確定了軌道剖面為五段制，最優井眼曲率為2.85～3（°）/30 m、最大井斜角為30°。對于水平位移大于500 m或Mishrif層定向鉆進的S型定向井采用旋轉導向系統鉆進可縮短鉆井周期3 d以上，而其余的井則推薦采用常規定向+水力震蕩器組合方式，可提高機械鉆速35%以上，縮短鉆井周期1 d以上。通過3種液體潤滑劑和超細石墨固體潤滑劑的優選復配與應用，裸眼內摩阻因數由0.52降至0.35，套管內摩阻因數由0.35降至0.28。通過上述技術的綜合研究與應用，魯邁拉S型定向井實際頂驅扭矩降低30%以上，尤其是隨著井深和水平位移的不斷增加，部分井扭矩降低近150%，機械鉆速提高37.73%。

摩阻扭矩； S型定向井；井眼軌道； 旋轉導向； 水力震蕩器； 潤滑劑

伊拉克魯邁拉油田開發45年來，已在1 800 km2油田內累計鉆井1 000余口，井網密度不斷加大。同時由于管理不當、戰爭損壞等原因，造成補鉆井數量增加、測斜資料缺失。魯邁拉油田定向井數量逐年增多，地面由于存在聯合站、公路等基礎設施和未排爆雷區的影響可選井口位置受限，地下由于存在大段嚴重漏失層、含硫水層、易塌頁巖層和高滲層的影響可供定向選擇井段不足900 m，因此造成魯邁拉油田S型定向井數量不斷增加，鉆井難度日益加大。尤其是Mishrif層定向鉆進極易卡鉆，采取泡油泡酸等各種處理措施沒有效果，最終選擇側鉆增加了鉆井周期和成本。因此，有必要開展魯邁拉S型定向井降摩減扭技術研究與應用。

1　地層特點和鉆井難點Formation features and difficulties in drilling operations

魯邁拉油田地層發育穩定，主要目的層為Zubair油層，且通過地震及實鉆資料證實，該地區幾乎沒有斷層存在。但地層巖性結構較為復雜，巖性軟硬程度頻繁交錯，局部含硫化鐵礦物，給井身質量及井斜控制帶來了不同程度的困難。各層組具有如下地質巖性特點及工程風險［1］。

（1）全井共發育6套漏失地層，占總井深的51.19%，其中Dammam層（井段420～680 m，90%以上井發生嚴重漏失）、Hartha層（井段1 600～1 850 m，50%以上井發生嚴重漏失，南魯尤為嚴重）為裂縫、孔隙極其發育的白云巖、石灰巖，為主要漏失層。部分井更是存在溶洞，造成鉆井過程中鉆井液失返及井壁坍塌。

（2）全井共發育2套含硫水層段長為260～300 m，Ummer-rad層底100 m和Tayarat層全部均發育含硫水層。例如：RU-XXX井鉆至Hartha層1 724 m完全漏失后含硫水溢出并伴有H2S氣體，井控風險增加。

（3）Rus層、Ummer-rad層、Tayarat層等多個層位存在礫巖、硬石膏、硫鐵礦夾層，造成機械鉆速低、PDC鉆頭崩齒、定向工具面不穩等情況。

（4）Shiranish層、Mishrif層、Zubair層滲透率高達1 000～4 000 mD。同時由于該油田開發已達45年，部分井Mishrif層、Up-shale層孔隙壓力梯度下降0.1～0.23，進一步增加了壓差卡鉆的幾率。

（5）由于戰爭以及管理不當等原因，部分老井相關資料缺失嚴重，與國內外防碰井多為“單點”或“小段”防碰相比［2］，魯邁拉S型定向井下部井段防碰掃描段長（1 500～2 000 m）。

2　井眼軌道優化設計Optimization of borehole trajectory design

2.1井眼剖面

Borehole profiles

井眼軌道設計主要有恒曲率和變曲率2種，其中恒曲率法設計思路簡單易行，現場施工便于實現，但施工摩阻較大。變曲率法摩阻較小，但設計復雜，現場施工過程中不易于實現。通過不同軌道類型分析計算及現場試驗對比，發現在鉆達相同靶點情況下，J型井比S型井進尺約少50 m，但從壓差計算公式中不難看出隨著井斜增大，高滲透層越易產生壓差卡鉆。同時，J型井由于其定向段位于三開井段，從而造成其周期比S型多10～20 d，同時對于井斜角大于15°的J型井，還需要采用旋轉導向鉆進，由于甲方考慮后期作業而要求設計成S型定向井。因此，從進尺、鉆進風險、周期、成本等多方面綜合分析后，在魯邁拉應用了恒曲率法與變曲率法相結合的變曲率多圓弧直—增—穩—降—直五段制剖面。

2.2靶前距

Frontal distance from target point

靶前距優化設計主要考慮所用造斜工具的造作能力、曲率與摩阻的關系，最終確定在滿足地質設計要求和安全施工的前提下確定最低摩阻的靶前距離。同時由于魯邁拉油田開發時間長以及戰爭等因素的影響，地面情況較為復雜（聯合站、油田公路、未排爆雷區等），而且出于對施工隊伍安全防護的需求（增加防彈墻、防彈溝、鐵絲網等設施）井場面積一般增大為180 m×180 m，因此可選擇井位范圍較小。

針對魯邁拉不同地質和地面情況，在如表1所示開展摩阻扭矩分析的情況下，建立了魯邁拉油田井型劃分方法。如圖1所示，根據地面建設情況和采油集輸管線的布置大致確定井眼方位后，便通過已知的地質靶點，再根據合理的靶前距（即線段長度），確定最優的井口坐標。

圖1　井口反算示意圖Fig.1 Diagram of wellhead inversion

表1　不同造斜和水平位移條件下摩阻扭矩分析Table 1 Frictional torque at different inclinations and horizontal displacement

式中，X為井口橫坐標；X1為靶點橫坐標；Y為井口縱坐標；Y1為靶點縱坐標；K為造斜率，（°）/30 m；L為靶前距，m。

2.3井眼軌道

Borehole trajectory

首先建立二維垂直坐標系，坐標系取設計方位線上的垂直平面。已知井口坐標范圍，目標點e處坐標，圓弧造斜段造斜率k1、穩斜段井斜角為α、降伏段造斜率k2，建立數學模型，求解井眼軌道曲線方程及各點的坐標N值和E值［3］。

式中，S為水平位移，m；H為造斜點至降斜完垂直增量，m；H0、H4分別為造斜點井深，m；K1、K2分別為造斜段和降斜造斜率，（°）/30 m；L1、L2分別為造斜段和降斜段的段長，m。

根據魯邁拉定向井實鉆情況設定邊界條件：（1）魯邁拉定向井造斜率K1、K2取值≤3（°）/30 m，最優范圍為2.85～3（°）/30 m；（2）由于RUS層比較硬，一般為進入Umm層15 m（垂深870 m）；（3）為了降低固井施工難度和成本，自由落體式分級箍投球推薦最大井斜角為28.5°；（4）由于Hartha層孔隙度大、滲透率高，易發生井漏，因此一般要求在該層前降斜至0°，垂深為1 600～1 700 m左右。同時根據魯邁拉地質特點和定向難點擬合實際情況，初始圓弧設計相對較小的造斜率，隨著井斜角的增加、造斜趨勢的形成，穩斜段后提高造斜率，減少降斜段長，形成最優軌道設計方案［4］，詳見表2。

表2　Ru-151A井井眼軌道優化結果Table 2 Borehole trajectory optimization of Well Ru-151A

3　降摩減扭技術研究與應用Development and application of techniques for friction reduction and torque minimization

魯邁拉定向井主要通過MWD監控，用單彎螺桿實現定向控制，但在定向過程中由于摩阻扭矩大、易產生托壓現象。托壓問題不僅嚴重影響定向井的機械鉆速，同時也易引起黏卡等井下復雜事故的發生，尤其對于位移超過500 m或定向施工必須進入Mishrif層的井，黏卡幾率高達80%以上，為進一步提高鉆井效率，減少井下施工風險，在位移較大的定向井（定向施工進入Mishrif層）開展了三項技術研究與試驗。

3.1旋轉導向技術試驗

Tests of rotary steering model

旋轉導向系統能夠最大限度地解放鉆壓，同時又能夠控制井斜，針對魯邁拉S型定向井摩阻、扭矩大的特點，從性價比和市場競爭方面，優選貝克休斯公司的AutoTrak系統開展2口井現場試驗。其中R-569z是北魯的第1口井底位移大于500 m的S型定向井，在三開卡鉆后經過嘗試解卡無效后，爆炸松扣，填井側鉆。只在三開鉆進中使用了旋轉導向，所以沒有什么可比性。第2口井同樣是井底位移大于500 m的S型定向井，在二開定向后使用貝克休斯旋轉導向，二開進尺1 529 m，平均機械鉆速10.23 m，是大慶鉆井隊伍在魯邁拉油田定向井中取得的最快二開鉆速。與相鄰2口具有代表性的井相比節約時間分別為3.24 d和4.87 d，平均節省4.06 d。

3.2水力震蕩器的試驗

Tests of hydraulic oscillator

在S型定向井尤其是大位移定向井中，軸向力傳遞困題，如在大位移井中，摩擦阻力相當高，有時會導致鉆柱發生自鎖，從而使軸向力下傳開始變得困難，鉆柱起下摩阻或屈曲，鉆井液馬達滑動鉆進、鉆柱與完井管柱的下入、鉆進期間為鉆頭傳遞鉆壓都將變得異常困難，為減少摩阻并實現軸向力的連續傳遞，國內外已經采用了許多方法與工具，具體包括液體或固體的潤滑添加劑、滾輪減阻等機械工具、將鉆鋌或加重鉆桿接到鉆桿之上來向下推動整個鉆柱、旋轉鉆桿、清潔井眼等［5］。水力震蕩器的研發應用可解決托壓問題、實現有效的鉆壓傳遞、減少滑動鉆進期間的鉆具拖拉現象、減少馬達制動現象、提高對工具面的控制能力并最終實現提速增效。目前，獲得ISO認證的水力震蕩器只有NOV公司的AGITATOR，該工具產生小振幅、高頻率的震動，可以有效地減小摩阻、避免托壓現象發生［6］。Ru460井在822～1 773 m井段試驗水力震蕩器，總進尺951 m，總鉆時127.85 h，平均機械鉆速7.43 m/h，與鄰井Ru-046A井相比，摩阻相對減小2～4 t，機械鉆速提高37.85%，節省時間38 h。

3.3降摩減扭鉆井液技術

Drilling fluid for friction reduction and torque minimization

為滿足S型定向井現場施工要求，同時甲方從環保考慮不許用油溶類潤滑劑，因此需從二方面考慮解決問題，一是通過配伍性實驗，選擇多類型水基潤滑劑配合使用，改善濾餅上潤滑劑的分布，從而增強鉆井液的潤滑性，并考慮引入固體石墨來降低摩阻；二是從地層本身的孔隙度分析，選擇合理粒徑的屏蔽暫堵處理劑實現“暫時降低孔滲”目的，并通過流型調節劑、降失水劑的優化調配，降低高溫高壓失水和靜失水，從而形成薄而致密的濾餅，降低壓差卡鉆的風險［7-10］。

3.3.1液體潤滑劑優選 選擇了國內常用、效果好的潤滑劑：RH3、RH525、JYR、RH8501、DG5A、DG5B、RT9501、NJYR，分別考察了它們對不同密度鉆井液的降摩阻性及溫度對潤滑劑的影響，其中RH3、DG525、DG5A效果較好，其余潤滑劑在實驗過程中呈現出鉆井液變稠無法流動的現象，說明配伍性存在問題。最終通過反復實驗，確定了3種潤滑劑的復配配方為：RH3的加量為3%，RH525和DG5A的加量為0.5%，見表3、4。

表3　潤滑劑EP潤滑性（極壓摩擦因數）比較實驗Table 3 Lubrication performance of EP lubricant （friction coefficient under extreme pressure）

表4　潤滑劑高溫前后EP潤滑性（極壓摩擦因數）比較實驗Table 4 Lubrication performance of EP before and after application of high temperature （friction coefficient under extreme pressure）

實驗結果表明，RH3能夠有效降低鉆井液的極壓摩擦因數，在高溫條件下效果更加明顯。對優選的鉆井液潤滑劑RH3在實驗配方中進行了詳細的實驗，實驗結果見表5。

3.3.2固體潤滑劑優選 固體潤滑劑的粒子有晶體層格結構，可使滑動摩擦變為滾動摩擦，可大幅度降低鉆具在鉆進過程中的磨損，防止壓差卡鉆事故的發生，延長鉆具使用壽命。常用的固體潤滑劑有石墨、二硫化鉬、聚四氟乙烯、尼龍、氮化硼和氟化石墨等。選擇了國內常用的固體潤滑劑JS-5、超細膨化石墨、OCRH，分別考察了他們對鉆井液潤滑性與流變性的影響，結果見表6。

實驗結果表明，超細膨化石墨在所有備選潤滑劑中效果最佳，且通過現場應用來看對鉆井液的性能影響不明顯，可以作為配方的處理劑，保證鉆井液具有良好的潤滑防卡能力，保證施工安全。

表5　不同密度下潤滑劑加量的鉆井液摩阻性實驗Table 5 Frictional resistance test of drilling fluids of lubricant dosage at different densities

表6　固體潤滑劑EP潤滑性與NF潤滑性實驗Table 6 Lubrication performance tests of solid lubricant EP and NF

總體而言，運用Landmark軟件對現場應用數據回歸得出，液體潤滑劑最優加量HR3為3%、RH525 和DG5A為0.5%［11］，固體潤滑劑超細膨化石墨最優加量為3%，裸眼內摩阻因數由0.52降至0.35，套管內摩阻因數由0.35降至0.28。

4　應用實例Applicaation

4.1室內軟件模擬計算

Indoor softeware simulation and calculation

鉆井液潤滑性能是影響摩阻和扭矩的主要參數。用landmark軟件計算優化前后鉆井液使扭矩降低38.46%，如圖2、3所示。

圖2　優化前扭矩Fig.2 Torque before optimization

圖3　優化后扭矩Fig.3 Torque after optimization

4.2應用效果

Application results

定向井降摩減扭技術在現場累計應用13口井，與原有的7口同類定向井相比，實際頂驅扭矩降低30%以上，尤其是隨著井深和水平位移的不斷增加，部分井扭矩降低近150%，機械鉆速提高37.73%（其中，二開定向段機械鉆速提高13.89%，三開機械鉆速提高65.75%）。

5　結論Conclusions

（1）井眼軌道是影響S型定向井摩阻扭矩的一個關鍵因素，通過最優靶前距和井眼軌道曲線方程的建立，結合魯邁拉實際情況，采用五段制剖面，確定最優井眼曲率為2.85～3（°）/30 m、最大井斜角為30°。

（2）當水平位移大于500 m或Mishrif層定向鉆進的S型定向井采用旋轉導向系統鉆進可縮短鉆井周期3 d以上，而其余井則推薦采用常規定向+水力震蕩器組合方式，可提高機械鉆速35%以上，縮短鉆井周期1 d以上。

（3）通過RH3、RH525、DG5A液體潤滑劑和超細石墨固體潤滑劑的優選復配與應用，裸眼內摩阻因數由0.52降至0.35，套管內摩阻因數由0.35降至0.28。

（4）通過井眼軌道優化設計、旋轉導向系統、水力震蕩器、鉆井液潤滑劑的研究與應用，魯邁拉S型定向井扭矩降低30%以上，機械鉆速提高37.73%。

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（修改稿收到日期 2016-07-09）

〔編輯 薛改珍〕

Friction reduction and torque minimization techniques for directional wells in S-shape in Rumaila

CHEN Shaoyun
Drilling Engineering Technology Research Institute of CNPC Daqing Drilling & Exploration Engineering Corporation，Daqing， Heilongjiang 163413， China

To reduce frictional torque in S-shape directional wells in Rumaila， according to geologic conditions and difficulties in drilling operations in Rumaila， a model for calculating borehole trajectory has been built， and three speed-enhancing techniques have been tested， which shows the trajectory profile should have five segments， with the optimal borehole curvature of 2.85-3（°）/30 m and maximum deviation angle of 30°. For wells with horizontal displacement of over 500 m or directional wells in S-shape drilled in the Mishrif Formation， using rotary steering system can shorten the drilling cycle by over 3 d. As for other wells， combination of conventional directional + hydraulic oscillator is recommended， which can enhance ROP for over 35%， and shorten drilling cycle by over 1d. Three liquid lubricants and solid lubricant made of ultra-fine graphic were used in different combinations to reduce internal friction factor in open-hole from 0.52 to 0.35， whereas the friction factor in casing reduced from 0.35 to 0.28. Through comprehensive development and application of above techniques， actual torque in top drive for drilling of directional well in S-shape in Rumaila can be reduced for over 30%. With the increase of well depth and horizontal well displacement， some wells reduced by up to 150% in torques， and enhanced by 37.73% in ROP.

frictional torque； directional well in S-shape； borehole trajectory； rotary steering； hydraulic oscillator； lubricant

TE21

A

1000 - 7393（ 2016 ） 04- 0446- 06

10.13639/j.odpt.2016.04.008

CHEN Shaoyun. Friction reduction and torque minimization techniques for directional wells in S-shape in Rumaila［J］. Oil Drilling & Production Technology， 2016， 38（4）: 446-451.

陳紹云（1982-），2007 年畢業于大慶石油學院石油工程專業，現從事鉆井工程設計與相關科研方面的研究。通訊地址：（163413）黑龍江省大慶市紅崗區八百坰鉆井工程技術研究院設計中心。電話：0459-4893596。E-mail：chenshaoyun@cnpc.com.cn