Power Drive Xceed指向式旋轉導向鉆井系統在張海29-36L井的應用

郭 亮，霍如軍，楊 靜，張克正，許京國

（渤海鉆探第三鉆井工程公司，天津300280）

Power Drive Xceed指向式旋轉導向鉆井系統在張海29-36L井的應用

郭 亮*，霍如軍，楊 靜，張克正，許京國

（渤海鉆探第三鉆井工程公司，天津300280）

埕海2-2人工島是大港油田為實現海油陸采而建設的人工島，因受地面條件和地質靶點制約，主要采用大斜度井、大位移井、水平井等復雜井型進行開發。張海29-36L井是部署在埕海2-2人工島的一口三開大位移定向井，本井最大水平位移1764.51m，最大井斜76.16°，為有效克服三開滑動鉆井產生的頻繁托壓、粘卡現象。應用了斯倫貝謝公司的power drive xceed指向式旋轉導向鉆井系統，其工作原理是在鉆具旋轉狀態下實現定向作業，應用旋轉鉆進方式代替滑動鉆進方式，顯著地減小了鉆柱與井壁之間摩阻/扭矩。張海29-36L井應用結果表明，應用旋轉導向鉆井系統井段比未使用該工具的井段機械鉆速提高了71%，取得了非常顯著的提速效果；旋轉導向鉆井系統在張海29-36L井成功應用實例為探索大位移井鉆井提速提供了有益的參考。

Power Drive Xceed；旋轉導向鉆井系統；機械鉆速；大位移井；托壓；井眼軌跡控制

埕海2-2人工島是大港油田為實現海油陸采而建設的人工島，因受地面條件和地質靶點制約，在開發方案制定和調整的過程中，人工島上大多數井型為大斜度、大位移井及水平井[1-2]。但在實際鉆井過程中發現：大斜度、大位移定向井和水平井造斜段滑動鉆進時由于鉆柱受井壁摩阻大，導致無法將鉆壓平滑的傳遞，經常出現托壓、粘卡現象。減小鉆柱摩阻和扭矩的主要途徑包括：優化井眼軌跡，優化鉆具組合、優化鉆井液性能、應用減摩阻/扭矩工具和使用旋轉導向鉆井系統等。然而最有效的是旋轉導向鉆井技術[3-4]，斯倫貝謝的Power Drive Xceed工具代表了其最新發展方向[5-7]。張海29-36L井應用結果表明，應用旋轉導向鉆井系統井段比未使用該工具的井段機械鉆速提高了71%，取得了非常顯著的提速效果，大大地改善了滑動鉆進時鉆壓傳遞效率，工具面更容易控制，提高了大斜度、大位移和水平井鉆進施工效率。

1 Power Drive Xceed旋轉導向鉆井系統結構及工作原理

1.1 結構及工作原理

Power Drive Xceed旋轉導向鉆井系統是斯倫貝謝公司開發的第二代產品，屬于指向式旋轉導向鉆井系統，主要由動力輸出模塊、傳感器模塊、電子控制模塊和定向模塊4部分組成（見圖1），鉆頭與工具殼體呈0.6°的偏心布置，兩者同步旋轉，在鉆具連續旋轉的情況下，通過控制內部伺服電機相對鉆具等速反向旋轉控制鉆頭的指向即工具面始終處于設計要求不變，實現定向作業；由于鉆頭傳動軸與工具殼體軸線偏心布置，在穩斜作業時，通過以每10s間隔改變一次工具面來提供一個平均的工具面實現類似導向馬達的導向鉆進，因此井眼還會有一定的擴大率。系統工作模式由地面控制泥漿泵的排量變化向下部工具提供工作模式指令，下部工具中的MWD通過發出脈沖信號向地面提供工具工作參數和井眼軌跡參數，整個工具由渦輪發電機提供電源，工具使用不受時間限制。

1.2 工具的技術特點

（1）對惡劣環境的適應性。Power Drive Xceed系統適用于各種鉆井液，可以在高達150℃的溫度下工作。因為其采用內部導向系統，在砂巖及其它高研磨性巖層中工作時，其抗研磨性比普通外部導向系統更加優越。內部密封避免了攜帶了大量巖屑的鉆井液的接觸，從而提高了系統使用壽命。

（2）水力優化。Power Drive Xceed系統工作時對鉆頭壓降沒有要求，這使定向鉆井工程師在優化水力參數時擁有更大的靈活性，在鉆大位移井時避免超過井場最大壓力。

圖1 Power Drive Xceed旋轉導向鉆井系統結構示意圖

（3）自動追蹤操作。在自動追蹤的模式下，Power Drive Xceed可以自動的跟蹤設計的井眼軌跡，當井斜方位偏離設計時，Power Drive Xceed可以自動完成糾斜糾偏操作。此功能在鉆進長穩斜段和小靶區井段時效果更加顯著，它可以讓定向鉆井工程師專注于鉆井參數優化和提高機械鉆速，從而用最少時間完鉆。

（4）完全旋轉的優勢。Power Drive Xceed是Pow?er Drive旋轉導向系統家族中的一部分，所有這些系統都具備完全旋轉的特性，這使它們對于裝有不旋轉或者慢速旋轉組件的其他旋轉導向系統擁有極大的優勢。這種完全旋轉的設計是Power Drive Xceed的自身特性，不會降低鉆井作業效率，也不需要特殊的設備或操作。

1.3 完全旋轉系統改善鉆井效果的方式

（1）旋轉導向系統在井眼中的流場均勻，不會形成流動死區，因此巖屑通過鉆具組合更加順暢；

（2）高效的井眼清潔能力防止巖屑再次落到井底，避免了鉆屑重復破碎，機械鉆速得以提高；

（3）完全旋轉的特性避免了靜止部分摩阻，能量利用率提高，機械鉆速得以提高；

（4）鉆具組合完全旋轉，因為沒有靜止的部分接觸套管，斜向器及井壁，機械卡鉆與壓差卡鉆的風險因此降低，此特性同時也降低了沉砂卡鉆的風險。

圖2 埕海2-2人工島槽口位置、編號及對應井號示意圖

2 現場應用情況

2.1 張海29-36L井概況

埕海2-2號人工島位于河北省黃驊市張巨河村以東的灘涂海域地區，水深0～2m的淺海地區，人工島面積為14000m2，采用叢式井共布井73口（見圖2），應用整體移動模塊鉆機，已砸好?660mm導管×63.35m；鉆探的主要目的層為沙河街組地層，受地面條件和地質靶點制約，采用定向井、大斜度井、水平井、大位移井等復雜井型進行開發。張海29-36L井是部署在埕海2-2人工島的一口三開大位移定向井，本井最大水平位移1764.51m，最大井斜76.16°（見圖3），本井三開因造斜率高，導致定向鉆進效率低，且隨著井斜的增加，鉆進過程中鉆具與井壁間摩阻扭矩逐漸增大，托壓、憋泵現象頻繁發生，導致機械鉆速降低，間接造成生產周期延長，生產成本增加，工作效率降低。因此在張海29-36L井應用了旋轉導向鉆井系統進行三開增斜段、穩斜段鉆進，取得了明顯的提速效果，與使用導向馬達相比，平均機械鉆速提高了71%。

圖3 張海29-36L井身結構示意圖

2.2 鉆具組合

?215.9mm鉆頭×0.34m+?192mmPower Drive Xceed×7.52m+?175mmMWD短節×8.47m+?159mm無磁鉆鋌×9.42m+?127mm加重鉆桿×196.54m+?127mm鉆桿×3614.26m。

2.3 鉆進參數

張海29-36L井的鉆進參數見表1。

表1 張海29-36L井應用鉆進參數

2.4 應用情況

張海29-36L井為三開大斜度井，因設計井斜大（75.69°），最大造斜率高達4.5°，導致定向鉆進效率低，且隨著井斜的增加，鉆進過程中鉆具與井壁間摩阻扭矩逐漸增大，托壓、憋泵現象頻繁發生，導致機械鉆速降低，從而延長鉆井周期，增加生產成本。通過鄰井鉆井資料分析，決定三開增斜段、穩斜段采用Power Drive Xceed指向式旋轉導向鉆井系統進行鉆進。定向鉆進鉆壓80～100kN，排量控制在28～30L/s時，鉆進效率最高。復合鉆進時，鉆壓60～80kN，轉速60r/min，排量30L/s能達到最優鉆進效果。

張海29-36L井2815m下入新度90%的鉆頭，打到井深3837m完井，鉆進進尺1022m，起出后對鉆頭進行清洗、檢查、丈量，數據顯示鉆頭報廢。

3 應用效果評價

（1）與本井應用導向馬達井段對比分析。張海29-36L井在應用旋轉導向鉆井系統鉆具組合之前，使用常規導向鉆具組合：?215.9mm鉆頭× 0.35m+?172mm馬達×7.51m+?172mm浮閥×0.8m+ ? 212mm穩定器×1.51m+? 170mm無磁鉆鋌× 9.04m+?170mmMWD短節×1.93m+?172mm無磁鉆鋌×9.06m+?127mm加重鉆桿×196.54m+411/ NC52×1.15m+?127mm鉆桿×2588.61m，鉆頭選用的是江漢鉆頭廠的PDC鉆頭KM1942SGR。所鉆井段2600～2815m，純鉆時間41h，機械鉆速5.24m/h。而使用旋轉導向鉆井系統井段平均機械鉆速為8.94 m/h，與使用導向馬達相比，平均機械鉆速提高了71%（如表2所示）。

表2 旋轉導向鉆井系統與導向馬達對比

（2）與鄰井使用旋轉導向對比分析。張海29-36L井與張海29-33井位于同一埕海2-2號人工島，地層完全相同，地層巖性一致，鉆進深度相近，具有較強的可比性。通過分析可以看出，張海29-33井2481～3726m井段應用了馬達+MWD鉆井技術，平均機械鉆速是7.59m/h。而張海29-36L井使用指向式旋轉導向技術，平均機械鉆速為8.96m/h，比張海29-33井的平均機械鉆速提高1.37m/h，機械鉆速提高18%（見表3）。

表3 張海29-36L井應用旋轉導向與鄰井指標對比情況

通過表3對比分析看出，在埕海2-2號人工島大位移井中，應用指向式旋轉導向優于馬達+MWD鉆井技術。

4 結論及建議

（1）在大斜度、大位移井及水平井應用Power Drive Xceed旋轉導向鉆井系統，能夠減少鉆具與井壁間摩阻、托壓、憋泵現象，改善大位移井鉆井施工鉆壓傳遞效率，降低井身扭曲，增強井眼清潔能力，提高機械鉆速，有利于提高測井及固井質量，如配合LWD隨鉆測井則能進一步節約鉆井周期。

（2）Power Drive Xceed旋轉導向鉆井系統能有效的保護鉆頭，延長使用壽命。

（3）建議進一步在大港油田大斜度、大位移及水平井中應用Power Drive Xceed旋轉導向鉆井系統，同時加快Power Drive Xceed旋轉導向鉆井系統國產化產品的研發，早日打破技術壟斷。

[1]汪志明，翟羽佳，高清春.大位移井井眼清潔監測技術在大港油田的應用[J].石油鉆采工藝，2012，34（2）：17-19.

[2]陳德信，陶瑞東.紅9-1淺層大位移定向井鉆井技術實踐[J].石油鉆采工藝，1998，20（3）：10-14.

[3]薛啟龍，丁青山，黃蕾蕾，等.旋轉導向鉆井技術最新進展及發展趨勢[J].石油機械，2013，41（7）：1-6.

[4]姜偉，蔣世全，付鑫生，陳平.旋轉導向鉆井技術應用研究及其進展[J].天然氣工業，2013，33（4）：75-79.

[5]和鵬飛,孔志剛.Power Drive Xceed指向式旋轉導向系統在渤海某油田的應用[J].探礦工程：巖土鉆掘工程，2013，40（11）：45-48,51.

[6]王學明.Power Drive Xceed旋轉導向鉆井系統在澳大利亞Puffin-12井的應用[J].石油鉆探技術，2010，38（5）：90-94.

[7]李龍，王磊，王成林，等.Power Drive Xceed新型旋轉導向工具在南海西部的首次應用[J].石油鉆采工藝，2010，32（5）：24-27.

TE951

B

1004-5716（2016)12-0059-04

2016-02-18

2016-02-19

郭亮（1982-），男（漢族），四川安岳人，工程師，現從事鉆井技術工作。