綏中36-1油田調整井開窗側鉆高造斜率鉆具研制及應用*

李紅星 李 輝 王曉鵬 謝 濤 安申慶 李國梁

(1.中海油田服務股份有限公司 天津 300459； 2.中海石油(中國)有限公司天津分公司 天津 300459)

1 問題提出

由于受到作業費用高、地質構造變化大、工藝措施及井下工具限制,側鉆技術在海上油田的發展應用比較緩慢[1]。海上油田側鉆作業一直以長半徑側鉆為主[2-3]，側鉆點一般較淺，中短半徑側鉆目前還屬于“空白”[3-4]。目前對于海上低效井開發，為了最大限度地利用老井眼套管，減少鉆井進尺，側鉆點一般較深，這就要求必須以較高的造斜率進行側鉆才能滿足產層著陸的需要。綏中36-1油田調整井開發面臨大量開窗側鉆需求，大部分調整井需要利用φ244.48 mm技術套管進行開窗側鉆φ209.55 mm井眼[5-6]，井眼尺寸較大，鉆具剛性較強，實現高造斜率的難度較大。常規螺桿鉆具彎點距較大,鉆頭偏移量大,鉆具組合通過套管和窗口較困難，需要研制低彎點距設計的螺桿鉆具來解決高彎角鉆具組合通過套管和窗口的問題。

渤海綏中36-1油田地層疏松，造斜困難。目前大部分中短半徑井的側鉆都只是利用MWD的測斜結果，按照實際的造斜率推測鉆頭處的井斜。由于MWD測斜位置距鉆頭大約有15～20 m的距離，這種推測會造成鉆頭位置處的垂深有一定誤差，易導致在高造斜率軌道設計中實時準確地確定鉆頭位置的井斜角越來越困難，誤差越來越大，不能滿足現場高造斜率井眼軌跡控制的需要。因此，本文研制了高造斜率螺桿鉆具和近鉆頭測斜工具，在試驗井高造斜側鉆試驗中取得良好效果，進而在綏中36-1油田調整井取得了成功應用，可為海上油田開窗側鉆提供借鑒。

2 鉆具研制

2.1 高造斜率螺桿鉆具研制

2.1.1結構特點

高造斜率螺桿鉆具最顯著的結構特點體現在以下3個方面：

1) 低彎點距設計。為了提高鉆具組合的造斜率,通常在鉆具組合中使用大彎角螺桿鉆具和鉸接動力鉆具[7]。渤海綏中36-1油田低效井側鉆要求達到10°/30 m～15°/30 m的高造斜率,采用1.75°～2.00°彎角的螺桿鉆具即可滿足造斜率的要求，而常規馬達彎角超過1.5°時不允許旋轉鉆進，以免螺桿鉆具發生疲勞破壞、脫落、折斷等事故[8]。根據修正的三點定圓法[9]計算單彎螺桿鉆具造斜率的原理，對相同彎角的螺桿鉆具采用低彎點距設計，一方面可提高造斜率，另一方面可允許螺桿鉆具在一定轉速范圍內旋轉，滿足高造斜率井眼軌跡控制及井眼凈化的需要。

2) 本體扶正器采用三瓣不等寬扶正帶設計，且低邊瓣采用加寬處理。一般常規螺桿鉆具的本體扶正器的扶正帶采用圓周三瓣對稱等寬設計，每片扶正帶寬約0.063 m，各扶正帶的徑向中心線呈120°分布；高造斜率螺桿鉆具本體扶正器的扶正帶采用圓周三瓣對稱不等寬設計，各扶正帶的徑向中心線呈120°分布。位于低邊處的扶正帶寬約0.155 m，比常規螺桿鉆具的扶正帶加寬了約146%,且在螺桿鉆具裝配時保持低邊扶正帶中心線與螺桿鉆具彎角高邊線處于相對的位置，其他兩片扶正帶寬約0.063 m，該加寬扶正帶的設計增強了螺桿鉆具滑動鉆進時造斜工具面的穩定性。

3) 中低轉速、高輸出扭矩、等壁厚定子設計。為適應在高造斜率情況下鉆進作業抗扭的需要,螺桿鉆具采用了高強度密封萬向軸總成、中低轉速、高輸出扭矩、等壁厚定子設計，縮小了橡膠的厚度，增大了橡膠與金屬的接觸面積，橡膠厚度均勻，可以改善工作時定子的散熱性能，減緩橡膠的熱老化；等壁厚定子在運動過程中抗變形的能力好，在相同的條件下可以減少級數及定、轉子間的過盈量，在運轉扭矩和效率等方面優于常規螺桿鉆具，提高了鉆井速度；等壁厚定子橡膠溶脹、溫脹均勻，螺桿鉆具密封性能更好，可維持長時間高效率鉆井，保持螺桿鉆具較長的使用壽命。

2.1.2性能參數

低彎點螺桿鉆具為5級螺桿鉆具，外徑172 mm,轉子與定子頭數比為7∶8,轉速范圍84～168 r/min，排量范圍 1 183～2 366 L/min，工作扭矩9 866 N·m，工作壓降5.5 MPa， 可滿足15°/30 m的造斜需求。采用修正的三點定圓法計算單彎螺桿鉆具不同彎角的理論造斜能力(表1)。

表1 不同螺桿鉆具的造斜率Table 1 Build-up rate with different helicoid hydraulic motors

2.2 近鉆頭測斜工具研制

為了實現近鉆頭測斜的功能，提高特殊工藝井、定向井及水平井等高精度井施工中井眼軌跡控制能力,精確預測鉆頭位置處的垂深，國內外學者對基于超聲波的近鉆頭測斜信號跨傳技術[10]和基于電磁波的近鉆頭測斜信號跨傳技術做了大量的研究工作，后者在信號跨傳距離和穩定性方面優于前者。因此，本文采用基于電磁波的近鉆頭測斜信號跨傳原理，在近鉆頭測斜工具的總體結構設計上采用上下2個短接，其中下短接(近鉆頭測斜短接，長度約0.80 m)負責近鉆頭位置處井斜的測量，上短接(數據跨傳短接)負責無線跨傳通訊傳輸，在實際使用時上下2個短接間跨傳1根螺桿鉆具長度的距離(在鉆具組合中長度約為7.5 m)。測斜傳感器采用3支正交石英加速度計進行精確重力場矢量測量，測量電路采用高精度、高帶寬A/D采樣和高性能數字處理電路，濾波解算采用井下實時濾波算法，在旋轉條件下井斜測量誤差精度達到±1°(考慮螺桿鉆具彎角的影響)。天線設計采用低阻抗發射天線和低噪聲接收天線，調制方式采用高效的數據調制解調方法，收發電路采用專門為電池驅動供電設計的低功耗傳輸電路。經過實驗室多次聯調和3次入井實鉆測試，證實研制的近鉆頭測斜工具所測得的數據能跨傳至上部數據跨傳短接中，并能通過Drilog無線隨鉆測井系統將測斜數據傳至地面。

3 現場試驗

3.1 試驗井井身結構

經過鉆具組合與套管尺寸的相容性計算，如果采用φ215.90 mm標準井眼側鉆，1.75°彎角螺桿鉆具與套管的間隙為3.0 mm；如果采用φ209.55 mm非標井眼側鉆，1.75°彎角馬達與套管的間隙為6.3 mm。考慮到窗口不規則因素的影響，優選φ209.55 mm井眼尺寸更有利于高造斜率鉆具組合通過窗口。側鉆試驗井JJSY-4井身結構如圖1所示。

3.2 套管及窗口的通過性試驗

在與渤海綏中36-1油田套管相同的試驗井JJSY-4井中采用3°斜面角的斜向器進行套管開窗,斜向器坐封方位左45°。目標區塊油井φ244.48 mm技術套管大部分采用N80 47PPF BTC扣的套管,壁厚11.95 mm,內徑220.50 mm。設計的高造斜率鉆具組合如下：φ209.55mm PDC鉆頭(0.31m，噴嘴φ14 mm×2+φ12 mm×3+φ17 mm×2)+φ171.45 mm接頭(0.80 m)+φ172 mm低彎點螺桿鉆具(彎角1.75°，彎點距0.865 m，長度7.43 m)+φ165.10 mm定向接頭(0.55 m)+φ165.10 mm鉆鋌×3根(28.45 m)+φ165.10 mm震擊器(11.80 m)+φ127.00 mm加重鉆桿×8根(75.50 m)，采用陀螺儀測斜。經過測試試驗， 1.75°低彎點螺桿鉆具組合可順利通過套管和窗口。

圖1 JJSY-4試驗井井身結構示意圖Fig.1 Test well structure schematic of Well JJSY-4

3.3 造斜能力及鉆進工況試驗

JJSY-4試驗井 421.50～465.00 m井段1.5°彎角的螺桿鉆具組合滑動鉆進，平均造斜率11.09°/30 m，最大造斜率13.04°/30 m；465.00～486.30 m 井段1.75°彎角的螺桿鉆具組合滑動鉆進，平均造斜率13.44°/30 m，最大造斜率16.15°/30 m。試驗結果表明，1.75°低彎點螺桿鉆具組合的造斜能力可滿足高造斜率側鉆要求。

根據綏中36-1油田調整井井眼軌跡要求，在完成高造斜率側鉆井眼段造斜至著陸后不起鉆，繼續完成后續約300 m的水平段進尺，這就要求螺桿鉆具和MWD/LWD在高造斜率情況下能承受旋轉鉆進的惡劣工況，因此在JJSY-4試驗井 486.30～491.20 m井段進行了復合鉆進，轉速20 r/min，扭矩4～10 kN·m ,扭矩值波動在可接受范圍內。

3.4 近鉆頭測斜工具測斜及跨傳功能試驗

JJSY-4試驗井鉆進井段491.20～526.50 m鉆具組合 如下：φ209.55 mm PDC鉆頭(0.31 m，噴嘴φ14 mm×2+φ12 mm×3+φ17 mm×2)+φ171.45 mm近鉆頭測斜短節(0.79 m)+φ171.45 mm接頭(0.90 m)+φ165.10 mm鉆鋌×1(9.09 m)+φ171.45 mm測斜接收接頭(1.43 m)+φ165.10 mm定向接頭(0.55 m)+φ165.10 mm鉆鋌×2(19.36 m)+φ165.10 mm震擊器(11.80 m)+φ127.00 mm加重鉆桿×8(75.50 m)，試驗結果表明近鉆頭測斜工具測斜功能正常，無線跨傳累計工作15 h，數據發送1 852幀，成功接收1 760幀，接收成功率達95%以上，且近鉆頭井斜測量數據與陀螺測斜數據吻合很好(圖2)。

圖2 JJSY-4試驗井近鉆頭測斜工具測斜與陀螺測斜數據對比Fig.2 Comparative map of inclination survey between near bit survey tool and gyroscope in Well JJSY-4

4 實際應用

AXX井是綏中36-1油田的1口開發調整井,根據油田開發調整方案，需要對該井進行開窗側鉆作業。針對AXX井井身結構特點(圖3)，對比分析了高造斜率側鉆方案與常規造斜率側鉆方案(表2)。由表2可知：采用本文高造斜率側鉆方案后可以減少進尺約61.4%，減少螺桿鉆具組合滑動鉆進井段約73.8%，可有效降低鉆進復雜情況；簡化了井身結構，節省了φ177.80 mm技術套管費用；側鉆作業可以選擇在館陶組底部以下的東營組進行，為采用一趟鉆完鉆奠定了基礎，可節省大量的鉆井時間；可大幅度減少水平井A靶點的靶前位移，使原老井眼中心軸線周圍的剩余油開采利用，最大限度地利用油藏產能。因此，采用本文提出的高造斜率側鉆技術進行調整井AXX的開窗側鉆作業。

圖3 綏中36-1油田AXX井井身結構示意圖Fig.3 Well structure schematic of Well AXX of SZ36-1 oilfield

本文提出的高造斜率側鉆技術在AXX井開窗側鉆作業中取得成功應用(表3)，最高造斜率達19°/30 m，實現了一趟完鉆，套管和防砂管柱下入順利，相比常規造斜率側鉆節省約700萬元，大幅降低了開發投資成本，為渤海油田的穩產增產做出了貢獻，具有較好的推廣應用價值。

表2 綏中36-1油田AXX井高造斜率側鉆方案與常規造斜率側鉆方案對比Table 2 Comparison of sidetrack drilling with high build-up rate and conventional build-up rate in Well AXX of SZ36-1 oilfield

表3 綏中36-1油田AXX井開窗側鉆作業統計Table 3 Statistics of sidetrack drilling operation in Well AXX of SZ36-1 oilfield

5 結束語

根據綏中36-1油田調整井井身結構開窗側鉆特點，研制了高造斜率螺桿鉆具和近鉆頭測斜工具，該高造斜率側鉆鉆具組合可滿足15°/30 m的造斜需求。目前所研制的高造斜率側鉆鉆具組合已在綏中36-1油田AXX井開窗側鉆中取得成功應用，最高造斜率達19°/30 m，實現了一趟完鉆，套管和防砂管柱下入順利，大幅降低了開發成本，為渤海油田的穩產增產做出了貢獻，具有較好的推廣應用價值。

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