高摩阻定向井防托壓提速鉆井技術

摘 要：臨盤工區，夏70塊定向井軌道屬于典型的高摩阻定向井軌道，解決高摩阻定向托壓是高摩阻定向井提速的關鍵技術。定向井的高摩阻主要歸因于設計軌道的復雜化，表現為多段制化、長裸眼化、大井斜化、大位移化及三維空間化等特征，伴隨出現了定向托壓問題和鉆頭粘滑振動破巖效率低等問題。水力振蕩器是一種新型防托壓減阻工具，主要優點在于減小摩阻，防止托壓，產生縱向的往復運動，使鉆具在井下的靜摩擦變成動摩擦，大大降低了摩擦阻力，保證有效的鉆壓，提高機械鉆速。在夏70塊的夏70-斜075井等10口井中推廣應用水力振蕩器和配套軌跡優化控制技術，取得了良好的防托壓和提速效果。

關鍵詞：高摩阻定向井;防托壓;軌道優化;水力振蕩器;鉆井提速

1.高摩阻定向井軌道鉆井提速難點分析

1.1設計軌道復雜摩阻扭矩大

非典型井軌道特點：多段制化、大井斜化、大位移化、三維扭方位化和“S”型降斜化，由于五化特征的存在，實鉆過程中摩阻扭矩大，對鉆速提高的制約主要表現為 1）滑動鉆進易托壓，定向耗時長;? 2）復合鉆進扭矩高，鉆井參數優化空間小;

1.2環空存在巖屑床

大井斜段及軌跡拐點處，環空下井壁巖屑濃度高，存在巖屑床，使鉆具與鉆井液之間的固液摩擦變成了固 固摩擦，使鉆具受到的摩擦力進一步增大，有效清理巖屑床的方法是提高環空返速及鉆具轉速，如表1所示 ，通過兩表的經驗數據可知：轉速120r/min，排量32L/s 以上能有效清理巖屑床，但現場受泵壓、扭矩和儀器等諸多條件限制，所以巖屑床難以清除，導致定向易托壓。

1.3長裸眼井身結構加劇了地層的高摩阻特性

中高滲透性砂巖地層，泥餅較厚，對鉆具包角較大，易粘吸鉆具而造成托壓，泥頁巖井壁不規則，易形成沙橋，會增加扶正器、鉆桿接頭等鉆具變徑部分的通過阻力。

2 高摩阻定向井提速關鍵技術

2.1 軌跡優化控制

應用準懸鏈線軌道優化方法將設計軌道的一部分圓弧段和一部分穩斜段優化為一段曲率遞減或曲率恒定的懸鏈線軌道，充分利用單彎螺桿鉆具的導向增斜特性，減少滑動進尺，提高機械鉆速。懸鏈線井的這一獨特性質可減小活動鉆具的摩阻力，并將上、下活動鉆具的拉力減少到最小程度。多數定向井，隨著鉆井施工的進行，井斜角不斷增加和減少，從而導致了一系列的正弦形狗腿。由于懸鏈線不會有這種情況，因此，產生鍵槽的可能性大大減少， 扭矩及阻力的減少能夠對鉆頭施加更大的鉆壓以提高機械鉆速。

2.2 集成應用水力振蕩器減阻工具

鉆具組合中加入水力振蕩器，通過周期性定頻振蕩鉆柱，使得 BHA產生軸向振動，將靜摩擦轉變為動摩擦，減少滑動鉆進和旋轉鉆進時井壁與鉆桿之間的摩擦，提高鉆壓傳遞效率，水力振蕩器在小鉆壓鉆進中，可有效地消除鉆具重量在井壁某段的聚集效應;減少摩阻，防止托壓。水力振蕩器可以有效地減少因井眼軌跡而產生的鉆具托壓現象，如使用大鉆壓鉆進， 振動短節的彈簧將受到壓縮， 這樣就會降低工具的使用效果;在井斜較小的井眼鉆井中， 水力振蕩器應安放在受壓位置（中性點以下）， 以避免跳鉆發生，可以提高高效PDC鉆頭的適用性及高摩阻定向井中PDC鉆頭的連續鉆進能力。

3 水力振蕩器的鉆井提速優勢

3.1 改變鉆頭的加壓方式。把單純的機械式加壓改為機械與液力相結合的加壓方式，為鉆頭提供真實、有效的鉆壓。

3.2 防托壓效果顯著。減少摩阻，防止托壓。水力振蕩器在鉆進過程中使其上下鉆具在井眼產生縱向的往復運動，使鉆具在井下的靜摩擦變成動摩擦，大大降低了摩擦阻力，工具可以有效地減少因井眼軌跡而產生的鉆具托壓現象，保證有效的鉆壓，提高機械鉆速。

3.3起到減振效果。鉆進過程中可減少鉆具的橫向振動和扭轉振動，從而減少鉆具的疲勞破壞，可延長鉆柱和鉆頭的使用壽命，降低鉆井成本。

3.4實現使用螺桿長距離水平鉆進。使用水力振蕩器減少鉆進中滑動鉆進時間，減少倒劃鉆具、短起下次數，有效保護頂驅等設備。

3.5和MWD/LWD儀器兼容。水力振蕩器頻率高于MWD/LWD儀器，不會干擾MWD/LWD信號，同時，水力振蕩器可降低引起MWD/LWD工具破壞的側向和周向振動。

4 現場提速鉆井應用

4.1 夏70-斜075井典型井應用

該井原軌道為直—增—穩—扭—增—扭—穩，井身結構結構表層600m，二開裸眼段長3600m ，最大井斜：51.97° ，扭方位量：38°，增斜扭方位的井段側向力超過了裸眼經驗值0.992T/10m的250%。 增斜扭方位的井段側向力也達到了0.8-0.9T/10m的臨界狀態，起下鉆過程中摩阻30T-50T，滑動定向鉆進時摩阻25-35T ，是典型的高摩阻大井斜三維空間軌道。

實鉆中，通過優化軌跡，將原剖面增斜段的一部分和穩斜段的一部分優化為“準懸鏈線”軌道，減少25%的滑動進尺，二開PDC鉆頭+常規單彎1.5°螺桿鉆具+水力振蕩器組合 ，鉆進1990m～2300m的“準懸鏈線軌道”，導向/定向比31：1，第二段長穩斜段軌道應用PDC鉆頭+X：120mY：2m+水力振蕩器鉆具組合，實現導向/定向比15：1，水力振蕩器效果顯著，單只PDC鉆頭連續鉆進1306m。

5 結論與建議

（1）在大斜度長裸眼非典型軌道定向井中，應用準懸鏈線軌道優化控制實鉆軌跡可以減少滑動進尺，提高軌跡平滑度。

（2）托壓主要由鉆柱與井壁之間的摩擦力造成的，其影響因素包括：井身結構井眼軌跡的平滑度、井眼清潔程度、鉆具組合、鉆井液的潤滑性和地層類型。

（3）優化井眼軌道、優化鉆具組合、提高井眼清潔程度、提高鉆井液的潤滑性、采用改善托壓的井下工具可以有效控制托壓問題。

（4）建議在高摩阻非典型軌道定向井中推廣應用水力振蕩器等減阻工具，實現該類型井的優快鉆井

參考文獻

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作者簡介：覃勇，高級工程師，鉆井專家（1971.12.5-），性別：男，民族：漢族，籍貫：廣西博白，學歷：本科，研究方向：鉆井技術管理與新技術推廣