機械方式緩解定向托壓技術原理與應用

王建龍，劉學松，于志強，郭 菲，許京國

（1．中國石油集團渤海鉆探工程技術研究院，天津 300450；2．中國石油集團渤海鉆探第三鉆井公司，天津 300280）

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油氣工程

機械方式緩解定向托壓技術原理與應用

王建龍1，劉學松1，于志強1，郭 菲1，許京國2

（1．中國石油集團渤海鉆探工程技術研究院，天津 300450；2．中國石油集團渤海鉆探第三鉆井公司，天津 300280）

大港油田為了實現海油陸采，及有效控制日趨變小而且分散的剩余油，多布置大斜度井、大位移井及水平井等復雜結構井。但是，定向托壓問題嚴重制約著鉆井提速、提效。因此，為了解決托壓問題，2015-2016年在大港油田開展了緩解定向托壓技術探究，包括水力振蕩器、“水力振蕩器+巖屑床破壞器”、“水力振蕩器+液力推力器”、旋轉導向系統，并進行了14口井現場試驗，緩解托壓效果顯著。通過本文的研究，探索了一套緩解定向托壓配套技術，為有效解決復雜結構井定向托壓問題提供了技術支持和理論指導。

復雜結構井；水力振蕩器；液力推力器；巖屑床破壞器

大港油田為了實現海油陸采，及有效控制日趨變小而且分散的剩余油，多布置大斜度井、大位移井及水平井等復雜結構井[1-4]。但是，在實鉆過程中，復雜結構井在造斜段、增斜段、扭方位井段，經常出現滑動托壓現象，嚴重制約著定向段鉆井提速[5-8]。

因此，為了提高定向效率，2015-2016年在大港油田開展了機械方式緩解定向托壓技術探究，并進行了14口井現場試驗與應用，緩解托壓效果顯著。通過本文的研究，探索了一套機械方式緩解定向托壓配套技術，為有效解決復雜結構井定向托壓問題提供了技術支持和理論指導。

1 關鍵技術及試驗結果

2015-2016年在大港油田開展了水力振蕩器、“水力振蕩器+巖屑床破壞器”、“水力振蕩器+液力推力器”、旋轉導向系統等技術緩解定向托壓技術試驗與應用，緩解定向托壓效果明顯。

1.1 水力振蕩器技術

水力振蕩器是一種振動減阻工具，由振蕩短節和脈沖短節組成[3]。該工具在鉆井液的水力作用下產生溫和的軸向振動，進而帶動一定長度的鉆柱振動，從而可以有效地實現鉆柱與井壁間的靜摩阻向動摩阻轉化，從而降低定向摩阻（見圖1）。一般情況下，靜摩阻系數比滑動開始后的摩阻系數大25%左右，即水力振蕩器可以降低25%的滑動摩阻。

圖1 水力振蕩器緩解定向托壓原理示意圖

在大港油田板深1519井、官1601井、張海29-37井等10口井上進行水力振蕩器應用，具體數據（見表1）。

表1 水力振蕩器在大港油田應用情況統計表

表1數據表明，滑動摩阻60 kN～120 kN范圍內，水力振蕩器緩解定向托壓效果明顯，平均滑動機械鉆速提高87.4%，張海29-37井最高提高151.1%。另外，板16108井水力振蕩器技術現場應用過程中，當滑動摩阻超過120 kN后，再次出現了托壓問題，定向效率大幅下降。分析認為，當滑動摩阻超過120 kN以后，超出水力振蕩器降摩阻的能力，即無法有效緩解定向托壓。

1.2 “水力振蕩器+巖屑床破壞器”技術

“水力振蕩器+巖屑床破壞器”技術緩解定向托壓，主要是利用了水力振蕩器軸向振動降低摩阻（具體原理見1.1水力振蕩器技術）；利用了巖屑床破壞器將沉積在井壁上的巖屑床清除掉，同時防止后續鉆進過程中新的巖屑床的沉積（見圖2），這樣井壁上的巖屑床不存在了，摩阻系數相應的就會降低，進而降低摩阻，緩解托壓。

圖2 巖屑床破壞器清除巖屑床示意圖

港1603井三開鉆進過程中，當井斜角超過55°以后，地面返砂急劇減少，并且上提附加拉力明顯增加，定向托壓也越來越嚴重。分析認為，井斜角增大后，巖屑堆積在下井壁形成巖屑床，造成摩阻增大。

為了有效降低港1603井摩阻，提高定向效率，設計下入“套水力振蕩器+套巖屑床破壞器”。應用該技術之后，巖屑返出量平均增加126.4%，摩阻降低30%以上，滑動鉆進平均機械鉆速提高31.5%以上。

1.3 “水力振蕩器+液力推力器”技術

“水力振蕩器+液力推力器”技術緩解定向托壓：（1）利用了水力振蕩器軸向振動降低摩阻（具體原理見1.1水力振蕩器技術）；（2）利用了液力推力器（見圖3）的軸向緩沖作用，保證工具面的問題。定向過程中，液力推力器在工作行程范圍內處于伸出狀態，當托壓釋放之后，伸縮桿會有一定的壓縮量，由于這一緩沖作用使托壓釋放產生的瞬間沖擊力不至于作用在鉆頭，進而保證了工具面的穩定。

圖3 液力推力器伸出-縮回示意圖

在官962-24井、莊1610井共進行了“水力振蕩器+液力推力器”技術先導試驗，兩口井使用之前滑動摩阻高達130 kN～150 kN，托壓非常嚴重。使用該技術后，托壓現象雖然仍舊存在，但工具面相對穩定，保證了定向連續性，滑動機械鉆速大幅提高。官962-24井滑動摩阻由155 kN下降至110 kN，降低29.03%；滑動機械鉆速由1.48 m/h提高至3.1 m/h，提高109.9%。莊1610井滑動摩阻由130 kN下降至102 kN，降低21.5%；滑動機械鉆速由1.30 m/h提高至2.42 m/h，提高86.1%。

1.4 旋轉導向系統

旋轉導向系統（見圖4）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，顯著減小了鉆柱與井壁之間的摩阻和扭矩，適用于高難度井[9-12]。為此，在大港油田埕海2-2島張海29-36L井上進行了Power Drive Xceed旋轉導向系統應用。

張海29-36L井是大港油田埕海2-2島的一口三維大位移井，最大水平位移1 764.51 m，最大井斜角76.16°，最大造斜率4.5°/30 m。該井三開增斜段、穩斜段、扭方位井段托壓現象極其嚴重，2 600 m～2 815 m使用螺桿鉆具調整井斜、方位，平均機械鉆速5.24 m/h。自 2 815 m～3 837 m（井斜角 49°～76°）采用了指向式旋轉導向系統，一趟鉆進尺1 022 m，平均機械鉆速達到8.96 m/h。與使用螺桿鉆具段相比，平均機械鉆速提高了71%。

圖4 Power Drive Xceed旋轉導向鉆井系統結構示意圖

2 結論

（1）水力振蕩器通過產生軸向振動，使鉆柱與井壁間的摩阻由靜摩阻向動摩阻轉化，滑動摩阻能降低25%左右。對于滑動摩阻在60 kN～120 kN以內，緩解定向托壓的效果明顯。

（2）對于井斜角過45°井段，“水力振蕩器+巖屑床破壞器”既能實現靜摩阻向動摩阻的轉化，又能清除沉積的巖屑床，達到雙重降摩阻、緩托壓的作用。

（3）對于使用水力振蕩器后仍有托壓的高摩阻的井，“水力振蕩器+液力推力器”技術可以在一定程度上穩定工具面，保證定向的連續性，提高定向效率。官962-24井、莊1610井使用該技術后，雖仍舊托壓，但是滑動摩阻分別降低29.03%和21.5%，滑動機械鉆速分別提高109.9%和86.1%。

（4）旋轉導向系統能有效解決定向托壓問題，但是其成本較高，常規定向井實用性不強。建議在水力振蕩器、“水力振蕩器+巖屑床破壞器”、“水力振蕩器+液力推力器”無法有效緩解定向托壓的高難度井中使用。

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Principle and application of mechanical modification of backing pressure

WANG Jianlong1，LIU Xuesong1，YU Zhiqiang1，GUO Fei1，XU Jingguo2
（1.Bohai Drilling Engineering Technology Research Institute，CNPC，Tianjin 300450，China；2.NO.3 Drilling Engineering Company，BHDC，CNPC，Tianjin 300280，China）

In order to achieve the offshore oil production on land and effective control of increasingly smaller ad dispersed residual oil,Dagang oilfield deployed many complex wells,such as high-inclination well,extended-reach well and horizontal well.But,seriously back pressure problem restricts the drilling speed and efficiency.Therefore,in order to solve the problem,Dagang oilfield researched on slide back-pressure technology from 2015 to 2016,including hydraulic oscillator,"hydraulic oscillator+hole cleaning tools","hydraulic oscillator+hydraulic thruster",rotary steering system,and 14 wells was tested,which effect is remarkable.Through the study of this article,we work out a set technology of easing back pressure,which provides the technical support and theoretical guidance to effectively solve the problem of complex structure well.

complex structure well；hydraulic oscillator；hydraulic thrusters；hole cleaning tool

TE242.9

A

1673-5285（2017）10-0001-04

10.3969/j.issn.1673-5285.2017.10.001

2017－09-19

中石油渤海鉆探工程有限公司科技項目“潛山鉆井工程設計優化與實施”資助，項目編號：2017D38Y-01；中石油渤海鉆探工程有限公司科技項目“大港油田中古生界鉆完井技術研究”資助，項目編號：2017ZD20Y。

王建龍，男（1984－），山東省沂水縣人，2013年畢業于中國石油大學油氣井工程專業，2013年獲油氣井工程碩士學位，工程師，主要從事鉆井提速工具研發與應用工作，郵箱：383462010@qq.com。