塔里木油田超深井超小井眼定向鉆井技術研究與應用

章景城，馬立君，劉 勇，文 亮，張緒亮，嚴運康，全 健

(1.中國石油塔里木油田分公司，新疆 庫爾勒 841000；2.新疆加華能源技術有限公司，新疆 克拉瑪依 834000)

0 引 言

超小井眼鉆井技術比小井眼鉆井技術更具生命力[1]，是解決小井眼鉆井難題的有效手段，對認識油氣藏、直接獲取地質參數(shù)、提高儲層動用程度等具有特殊意義[2-3]，能夠有效避免鉆井工程報廢，大幅降低鉆井成本，減少環(huán)保壓力[4-5]。為了實現(xiàn)超深低產井挖潛，提高區(qū)塊油氣采收率等目標，塔里木油田開展了Φ104.8 mm超深井超小井眼鉆井配套技術攻關和探索。

1 塔里木油田超深井超小井眼定向鉆井難點

在塔里木油田超深井鉆井實踐中，超小井眼定向鉆井技術的難點主要包括2個方面：一是工程技術問題，如機械鉆速低、圧耗大、卡鉆風險大等；二是鉆具和井下儀器的局限性大。

(1) 超小井眼定向鉆井小尺寸鉆具柔性大、機械鉆速低、加壓困難，定向滑動鉆進過程中，4 000 kg鉆壓便可引起屈曲變形，轉盤復合鉆進過程中，9 500 kg鉆壓便可引起屈曲變形。

(2) 由于Φ104.8 mm超小井眼環(huán)空間隙小，Φ73.0 mm鉆桿長(長達1 500 m)，導致小尺寸鉆桿內外壓耗大，約占總循環(huán)壓耗的80%以上。

(3) 受井眼規(guī)格和排量影響，巖屑上返困難，形成巖屑床，易造成卡鉆。因此，小井眼鉆井多存在縮徑卡鉆和砂卡風險。

(4) 超小井眼難以采取有效降溫措施，MWD與螺桿鉆具長時間暴露在高溫(井底溫度約為160 ℃，循環(huán)溫度約為150 ℃)下易失效，也易導致MWD儀器信號傳輸強度受到影響，信號穩(wěn)定性較差[6]。

(5) 超小尺寸鉆具的振動、沖擊、渦動、托壓相對劇烈，極易損壞MWD等鉆具，且小尺寸螺桿鉆具易制動，平均壽命短[7-9]。

(6) 超小井眼采用滑動方式控制水平段的軌跡平均長度為200 m，當水平段長度超過300 m后，滑動定向鉆進極為困難，且超小尺寸BHA(井底鉆柱組合)滑動工具面不穩(wěn)定，軌跡控制難度大，易造成軌跡偏離設計[10-12]。

2 BHA優(yōu)化

2.1 螺桿鉆具的優(yōu)選

為了更好地控制軌跡，提高機械鉆速，避免超小井眼鉆井時螺桿鉆具頻繁制動，尤其是目前常用螺桿鉆具中Φ89.0 mm螺桿脫膠現(xiàn)象嚴重的問題，綜合考慮塔里木油田鉆井要求，決定采用5LZ80×7.0I型螺桿鉆具。

2.1.1 新型抗高溫防脫膠螺桿

該螺桿鉆具使用新型H-NBR抗高溫硬橡膠，并進行了等壁厚新流線設計：①新型H-NBR硬橡膠具有良好的耐高溫性能和機械性能，邵氏硬度為82 HA，抗拉強度為67 MPa，抗撕裂強度為75 MPa，耐溫為175 ℃；②螺桿鉆具定子采用疊片式等壁厚橡膠層，增大了橡膠層與疊片的黏接面積，較好解決了變形剝落和高溫失效問題；③定子與轉子的共軛線型采用三次樣條函數(shù)擬合優(yōu)化設計曲線輪廓，最終獲得過流面積趨于最大化、偏心趨于最小化、且嚙合性能強的轉子與定子共軛線型。轉子與定子的頭數(shù)比為5∶6，最大過流面積為3 758.66 m2，定子與轉子的偏心距為6 mm，最大相對滑動率為0.167。

經過上述優(yōu)化后，螺桿鉆具性能大幅提升：排量由的2.5～7.0 L/s增至7.0～13.0 L/s，最大工作扭矩由620 N·m增至2 050 N·m，最大制動扭矩由930 N·m增至3 060 N·m，最大鉆壓由25 kN增至125 kN，功率擴大近4倍，達到78 kW。實驗效果顯示，螺桿鉆具在165 ℃高溫下持續(xù)工作72 h，高溫環(huán)境下動力衰減不超過15%，且可保持2.8 m/h的機械鉆速。

2.1.2 傳動單元和防脫機構優(yōu)化

傳動單元主要由傳動軸總成、萬向軸總成和防掉總成等組成。為了適應超小井眼鉆井對傳動結構及動力的特殊要求，在結構上對螺桿鉆具傳動單元和防脫機構(圖1)進行了優(yōu)化改進。

圖1 傳動單元和防脫機構

(1) 萬向軸部件為了克服花瓣齒間易疲勞缺陷的問題，將花瓣式萬向軸結構改為球接觸萬向軸結構，螺桿的行星運動通過鋼球在球窩內的滾動來實現(xiàn)，螺桿的扭矩通過鋼球的剪切運動來傳遞，軸向力則通過萬向軸總成的撓動軸端部球頭來傳遞，具有較高的疲勞極限，可靠性更強，使用壽命提高了230%。

(2) 采用推力串軸承結構設計，即所謂的多聯(lián)止推角接觸球軸承。利用推力串軸承平衡螺桿馬達的軸向力，使軸承的每列鋼球與相鄰2個內圈和外圈同時接觸，可以承受高達11 450 kg的雙向軸向載荷，非常適用于扭矩大、轉速較低以及振動劇烈的超小井眼鉆井環(huán)境，模擬和實測均顯示橫向振動減小，可靠性提高60%。

(3) 采用有限元模擬分析防掉殼體、防掉桿、防掉帽的載荷環(huán)境，并根據(jù)材質性能參數(shù)校核防掉總成各部件強度。

2.2 MWD優(yōu)化

考慮超深超小井眼定向井井下振動大、鉆壓傳遞困難等問題，對MWD井下振動進行實時監(jiān)測，并優(yōu)化抗振性能。

(1) 設計特殊減振裝置，該裝置主要由抗壓筒、扶正器、高壓尾帽、減震膠棒、減震膠塊和減震墊片組成(圖2)。其中，減震膠塊和減震墊片通過螺釘固定在扶正器本體的圓周面上，且減震墊片位于扶正器本體與減震膠塊之間，可有效吸收沖擊，緩沖系統(tǒng)的振動，大幅降低井下震動對無線隨鉆測斜儀的損害，橫向振動最大值為37g(g為重力加速度，m/s2)。

(2) 采用懸掛式安裝方式，外殼主體內外采用雙花鍵結構，無脫鍵風險，增大了阻尼材料接觸面積，滿足剛度的同時便于加工和拆裝。

(3) 減小抗壓筒外徑，僅為44 mm，與無磁鉆鋌56 mm的內徑相匹配。

(4) 降低系統(tǒng)電力損耗，高溫下電池壽命可達300 h。

MWD減震工具有良好的抗疲勞強度、減振效果和黏性阻尼特性，提高了儀器的可靠性。

圖2 減震裝置示意圖

2.3 無磁鉆鋌的優(yōu)選

基于保障鉆具強度的同時增加環(huán)空間隙和水眼面積，減少環(huán)空壓耗的考慮，選用進口P550材質的無磁鉆鋌，其性能參數(shù)如表1所示。其屈服強度和疲勞強度大幅度提高，分別達到965 MPa和550 MPa；通過有限元模擬計算，設計無磁鉆鋌的尺寸與扣型，外徑最小處為82.6 mm，內徑為55.8 mm，扣型采用非API特級扣。

表1 無磁鉆具材料力學性能參數(shù)(室溫，下限值)

2.4 鉆頭的優(yōu)選

由于塔里木地區(qū)地層主要為灰?guī)r，考慮到定向井軌跡控制的需要，設計了B713D型PDC鉆頭，采用混合式布齒方式，以等磨損原則布置切削齒，切削齒直徑為13 mm和16 mm，后傾角為15.0 °，內錐角為75.0 °，冠頂旋轉半徑為44.0 mm，冠頂圓半徑為33.2 mm，外錐高度為32.2 mm，噴嘴組合為Φ10.0 mm×4。利用計算流體力學和粒子成像測速技術對4個噴嘴的出口流場進行仿真測試獲取噴嘴軸向速度，推薦鉆壓為10～20 kN，鉆井液排量為5～15 L/s，轉速為50～300 r/min。這些參數(shù)和所用螺桿的功率等參數(shù)相匹配，可有效提高機械鉆速。

2.5 鉆具組合優(yōu)化

針對塔里木地區(qū)井身結構特點和造斜需求，優(yōu)化設計先導試驗井YueM6C1下部鉆具組合：Φ104.8mm PDC鉆頭×0.28 m+Φ80.0 mm 1.5 °馬達×4.03 m+轉換接頭+Φ88.9 mm無磁鉆鋌×9.52 m+Φ86.0 mm MWD 懸掛短節(jié)×1.65 m+轉換接頭+Φ73.0 mm鉆桿×1 581.40 m+轉換接頭+Φ83.0 mm浮閥+Φ88.9 mm加重鉆桿×276.00 m(30根)+Φ88.9 mm鉆桿×3 000.00 m(315根)+轉換接頭+Φ101.6 mm鉆桿×2 535.00 m。

同時，根據(jù)YueM6C1井井身結構，利用Landmark軟件模擬計算井下鉆柱受力載荷情況。結果顯示：套管內和裸眼段的摩阻系數(shù)分別取0.25和0.35，鉆壓為4 000 kg，起下鉆速度為18 m/min時，7 000.00 m范圍內井下鉆柱的抗拉、抗扭載荷均在拉力強度和抗扭強度范圍之內，全部滿足強度要求。

另外，考慮到井下鉆柱屬于細長桿模型，振動較大，達120 g左右，超過50 g就會對MWD儀器產生嚴重損壞。因此，結合細長桿模型特點，研發(fā)了前文所述的特殊減振器。加入減振器后井下鉆柱的軸向振動基本上消除，橫向振動大多由原來的30g降到10g以下，減振效果顯著。

3 施工參數(shù)優(yōu)化

3.1 排量的優(yōu)化

基于井眼軌跡設計、井身結構、鉆具組合以及鉆井參數(shù)(鉆井液密度為1.23 g/cm3，機械鉆速為1.5 m/h，裸眼段井徑擴大率為10%，轉盤轉速為40 r/min)等基礎數(shù)據(jù)，利用超小井眼水力學理論計算模型，模擬計算YueM6C1井在完鉆井深時滿足井眼清潔所需的最小攜巖鉆井液排量和不同排量下的系統(tǒng)循環(huán)壓耗。模擬結果顯示：①當鉆井液排量為8～11 L/s時，系統(tǒng)圧耗小于3.6 MPa，能夠滿足完鉆井深7 400.00 m處最小攜巖要求，數(shù)據(jù)顯示固相含量低于0.1%，巖屑床厚度幾乎可以忽略不計。②當鉆井液排量為8 L/s時，泵壓約為21.0 MPa；當排量增至10 L/s時，對應的泵壓將達25.0 MPa。根據(jù)鉆井液排量模擬(0～10 L/s)，對MWD儀器作出了相應的改進并調整脈沖間隙，可在井深超過8 000.00 m時仍能保證MWD儀器信號的傳輸強度和穩(wěn)定性。

3.2 鉆壓的優(yōu)化

YueM6C1井屬于典型的超深超小井眼井，滑動鉆進時鉆壓不足，極易引起小井斜段的鉆具發(fā)生屈曲變形。通過Landmark軟件模擬不同井深條件下鉆壓和管柱發(fā)生屈曲時的關系，模擬結果顯示：①由于管柱的橫向變形受到約束，隨著鉆壓的增大，管柱在初始屈曲后將會經歷正弦屈曲構型狀態(tài)、螺旋屈曲構型狀態(tài)，直至最后鎖死。②正弦屈曲發(fā)生托壓的井段為6 700.00～7 300.00 m，臨界載荷為75 kN；螺旋屈曲發(fā)生托壓的井段為6 950.00～7 300.00 m，臨界載荷為105 kN；③發(fā)生正弦屈曲井段的鉆柱摩阻比螺旋屈曲井段的鉆柱摩阻大，鉆壓施加更加困難。為了兼顧攜屑和井眼清潔要求，優(yōu)選鉆壓為10～30 kN。

3.3 起下鉆速度優(yōu)化

如果起鉆速度太快，抽汲壓力使井底壓力變小；同樣，如果下鉆速度太快，激動壓力使井底壓力變大。尤其是小井眼條件下起下鉆時受鉆桿接箍等影響，井底壓力變化特別大。為此，采用Landmark軟件模擬不同起下鉆速度對波動壓力的影響。模擬結果顯示：起鉆速度不大于90 s/柱，下鉆速度不大于60 s/柱，不會因激動壓力或抽汲壓力變化而引起井底當量泥漿密度的太大變化，壓力波動小于2.0 MPa，可以滿足起下鉆時的井下安全。

4 實施效果

先導試驗井YueM6C1井是在YueM6井基礎上開鉆的，原YueM6井是2015年4月完鉆的一口直井，原井筒技術套管外徑為200.0 mm，下深為6 380.00 m。為實現(xiàn)一間房組儲層改造目的，設計從其下部側鉆加深。受原井筒尺寸限制及目的層(一間房組)低壓層的影響，需先開窗側鉆Φ171.5 mm小井眼到達目的層頂部，下入Φ127.0 mm套管；再鉆Φ104.8 mm超小井眼后裸眼完井，設計井深為7 409.00 m。

YueM6C1井施工過程中，井底靜止溫度為161 ℃，井底循環(huán)溫度為152 ℃，所采用的BHA入井時間為91.5 h，循環(huán)時間為39.5 h，純鉆進時間為33.5 h，一趟鉆完成7 340.00～7 409.00 m井段超小井眼鉆進，純進尺為69.00 m，精準鉆穿目的層至設計井深，先導試驗取得了較好的效果：①優(yōu)化后的BHA，鉆柱橫向振動從150g降低至30g～40g；②MWD信號良好，個性化定制的高溫螺桿動力強勁，7 340.00～7 410.00 m井段鉆壓扭矩(8～9 kN)較平穩(wěn)且較大，平均機械鉆速達到3.5 m/h，是同規(guī)格常規(guī)鉆具的2.5倍，提速明顯，出井鉆頭磨損較小，且切削齒磨損明顯；③鉆進過程井斜、方位調整符合設計要求，井眼軌跡控制和設計吻合較好，靶心距為1.6 m。

5 結 論

(1) 為滿足超深井超小井眼鉆井的工藝要求，對螺桿鉆具、無磁鉆鋌和鉆頭的優(yōu)選，以及鉆具組合、水力參數(shù)和MWD的優(yōu)化等關鍵技術進行了研究，形成了Φ104.8 mm超深井超小井眼定向鉆井技術。

(2) 在塔里木油田YueM6C1井進行了超深井超小井眼鉆井先導試驗，證明該技術術可有效提高機械鉆速，鉆井軌跡符合鉆井設計要求，較好地解決了塔里木油田超小井眼鉆井技術難題。

(3) 新型減振設計、MWD優(yōu)化改進能夠滿足超小尺寸MWD儀器在高溫高壓條件下長時間穩(wěn)定、高效工作，但鉆柱疲勞破壞、定向鉆井系統(tǒng)的穩(wěn)定性及井眼清潔問題仍然是超深超小井眼鉆井過程中一直存在的問題，因此，后續(xù)仍需結合現(xiàn)場情況開展配套的超深井超小井眼鉆井工藝技術研究，以實現(xiàn)安全鉆井。