預彎曲動力學井斜控制技術在長寧構造氣體鉆井中的應用

鄧 柯, 劉殿琛, 李宬曉

(1中石油川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術研究院 2國家能源高含硫氣藏開采研發中心)

長寧構造為川南頁巖氣勘探開發的主力區塊，該構造中下部地層韓家店～石牛欄段長約700 m，巖性以粉砂巖、灰巖為主，研磨性較強，可鉆性較差，常規鉆井鉆速慢。自2014年開始在韓家店～石牛欄層段采用氣體鉆井技術提速，因地層傾角較大(15°±3°)，非均質性強，加大了氣體鉆井井斜控制難度[1]，采用鐘擺鉆具組合鉆進，一旦鉆壓超過40 kN，井斜上漲較快，限制了氣體鉆井提速優勢發揮。如寧Hb-6井在韓家店～石牛欄層段1 600 m～2 150 m氣體鉆井采用單扶正器鐘擺鉆具組合鉆進，鉆壓控制在50 kN以內，井斜5.5°～9.2°控制效果較差。

本文基于預彎曲鉆具組合動力學特性分析[2]，通過開展氣體鉆井條件下預彎曲鐘擺鉆具組合動態鐘擺力的仿真分析，提出了適合長寧構造地質特征的氣體鉆井預彎曲動力學井斜控制技術，在長寧Ha、Hb平臺成功應用，取得較好的應用效果，對長寧構造及類似區塊起到一定得借鑒作用。

一、預彎曲鐘擺鉆具組合仿真分析

根據長寧構造韓家店～石牛欄地質特征，及?215.9 mm井眼氣體鉆井鉆井參數，對長寧構造韓家店～石牛欄?215.9 mm井眼氣體鉆井預彎曲鐘擺鉆具組合開展了仿真分析[3]，優選出鐘擺力最大的鉆具組合。

計算條件：地層傾角15°，鉆壓60 kN，轉速60 r/min。

仿真分析了兩種彎角度(0.75°、1°)、兩種扶正器安放位置所對應的預彎單穩、預彎雙穩八種不同鐘擺鉆具組合的動態鐘擺力[4-5](表1，表2)，優選出鐘擺力最大的預彎雙穩鐘擺鉆具組合用作氣體鉆井井斜控制：?215.9 mm鉆頭+?165.1 mm預彎短接(0.75°)×1 m+?165.1 mm鉆鋌1根+?165.1 mm短鉆鋌2根+?214 mm扶正器+?165.1 mm鉆鋌1根+?214 mm扶正器+?165.1 mm鉆鋌5根+…。

二、預彎曲短接設計與加工

0.75°預彎曲短接設計為短接本體彎曲的雙母短接，短接全長0.8 m，外徑為?165.1 mm，內經?71.4 mm，扣型410，本體彎曲始點距離下端母扣長度為L1，距離上端母扣長度為L2，偏離短接原中心線0.72°(圖1)。

預彎曲短接選用42CrMo材質，整體加工而成，按照GB/T 3077-1999《合金結構鋼》技術要求進行加工制造。開展金屬材料力學性能檢測，其抗拉強度、抗扭強度等性能指標超過同尺寸的?165.1 mm一級鉆鋌強度(表3)，滿足安全鉆井需要。

表1 ?215.9 mm井眼八種預彎曲鐘擺鉆具組合

注：推薦鉆井參數均為：鉆壓≤60 kN,轉速60 r/min。

表2 ?215.9 mm井眼八種鉆具組合動態鐘擺力

注：計算參數均為鉆壓60 kN,轉速60 r/min。

圖1 ?165.1 mm-0.75°預彎曲短接示意圖

三、現場應用及效果分析

預彎曲動力學井斜控制技術先后在長寧構造長寧Ha、Hb平臺應用5井次，氣體鉆井井斜較常規鐘擺鉆具組合鉆進時得到大幅降低，取得了較好應用效果。

表3 預彎曲短接機械性能對比

圖2 長寧構造韓家店～石牛欄氣體鉆井井斜曲線

長寧Ha-5井、Hb-3井、Hb-4井、Hb-5井、Hb-6井韓家店～石牛欄層段均采用帶0.75°彎接頭的預彎曲鐘擺鉆具組合鉆進，鉆壓30～60 kN，轉速60 r/min，通過井斜曲線(圖2)分析可以看出，實施了預彎動力學仿斜技術的井段最大井斜在2°～3°(表4)，較采用常規鐘擺鉆具組合鉆進的長寧Ha-6井、Hb-2井最大井斜角降低50%以上。共使用?165.1 mm-0.75°預彎曲短接2只，單只累計入井使用時間最長達296.2 h，承受最大拉力近1 300 kN，最大扭矩近20 kN·m，未發生安全事故。

1. 長寧Ha-5井應用實例

長寧Ha-5井位于長寧背斜構造中奧頂構造南翼，目的層是志留系龍馬溪組。2014年6月從井深1 602.1 m開始空氣鉆井，鉆進至井深2 094.64 m轉為氮氣鉆井，鉆進至目標井深2 252 m，氣體鉆井鉆具組合為：?215.9 mm牙輪鉆頭+0.75°預彎接頭+?165.1 mm無磁鉆鋌+?165.1 mm短鉆鋌2根+?213 mm扶正器+?165.1 mm鉆鋌1根+?211 mm扶正器+?165.1 mm鉆鋌8根+?127 mm加重鉆桿30根+斜坡?127 mm鉆桿+頂驅，鉆壓30～60 kN，轉速60 r/min，所鉆井段井斜0.36°～2.99°，與同平臺井長寧Ha-6井相比，最大井斜由9.2°降至2.99°，井斜下降67.5%。

表4 長寧構造韓家店～石牛欄氣體鉆井井斜統計數據

2. 長寧Hb-5井應用實例

長寧Hb-5井位于長寧背斜構造中奧頂構造南翼，目的層是志留系龍馬溪組。2014年10月從井深1 510 m實施空氣鉆井，鉆進至井深1 641.71 m時鉆遇地層出氣，轉氮氣鉆井鉆至目標井深2 094.50 m，氣體鉆井鉆具組合為：?215.9 mm牙輪鉆頭+0.75°預彎接頭+?165.1 mm無磁鉆鋌1根+?165.1 mm短鉆鋌2根+?215 mm扶正器+?165.1 mm鉆鋌1根+?213 mm扶正器+?165.1 mm鉆鋌6根+127 mm加重鉆桿15根+127 mm鉆桿+頂驅，鉆壓30～60 kN，轉速60 r/min，所鉆井段井斜0.66°～2.82°，同鄰井Hb-2井相比，最大井斜由6.38°降至2.82°，井斜控制較鐘擺鉆具組合得到明顯改善。

四、結論

(1)基于預彎曲鉆具動力學防斜理論研究，優選出了“0.75°預彎短接+雙扶正器”預彎鐘擺鉆具組合，為長寧構造韓家店～石牛欄層段氣體鉆井井斜控制提供了一條有效途徑。

(2)完成了?165.1 mm-0.75°預彎短接設計與加工，應用5井次，單只預彎短接累計入井使用時間超過290 h，承受最大拉力近1 200 kN，最大扭矩近20 kN·m，未發生安全事故。

(3)在長寧構造應用5井次，較常規鐘擺鉆具組合鉆壓提升20 kN，井斜降低50%以上，取得較好應用效果。