大港油田大位移井井眼軌跡控制技術(shù)

劉恩山

摘要：本文分析了大港油田大位移水平井鉆井技術(shù)難點(diǎn)，論述了實(shí)施中的井眼軌跡設(shè)計(jì)技術(shù)，導(dǎo)向馬達(dá)結(jié)合PDC鉆井技術(shù)、穩(wěn)定器預(yù)測(cè)、最大安全鉆壓控制技術(shù)等。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，利用軟件的分析技術(shù)，論述了常規(guī)導(dǎo)淘技術(shù)鉆大位移井的可行性，為大位移井鉆井積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：大港油田;大位移井;井眼軌跡控制

前言

大港油田平臺(tái)大位移井由于剖面軌道設(shè)計(jì)及防碰預(yù)斜需要一般在100—200m左右，上部疏松地層不適合剛性強(qiáng)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向設(shè)備的造斜施工。由于上部井眼擴(kuò)大及井眼支撐能力弱，影響常規(guī)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向增斜側(cè)向力，無法保證一個(gè)正常的造斜率，影響整個(gè)井眼剖面的符合率，導(dǎo)致大井眼的控制失敗。通過經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，大港油田通常在3300m左右上部采用常規(guī)導(dǎo)向組合控制軌跡，而在下部彎曲井眼無法滑動(dòng)作業(yè)時(shí)采用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向作業(yè)取得了較好的效果。

1大位移井眼軌跡控制難點(diǎn)

1.1地層因素

以大港油田埕海地區(qū)為例，部分淺層的大位移并靶點(diǎn)垂深埋深為明化館陶組1050-1550m左右，埕海二區(qū)深層沙河街地層目標(biāo)靶點(diǎn)埋深2600一2800m，上部明化館陶地層較軟巖性膠結(jié)為泥質(zhì)含量為1-15%，地層滲透率較高油層超過1000md屬于高滲透地層。平均空隙度超過35%。由于上部地層淺造漿力強(qiáng)加之大排量沖蝕，井眼擴(kuò)大嚴(yán)重，實(shí)鉆施工中地層支撐力不足因素會(huì)降低單彎鉆具的側(cè)向力，使上部地層軟單彎接鉆頭穩(wěn)定器發(fā)揮不出杠桿增斜效果，造成上部井段定向造斜造困難。

1.2設(shè)計(jì)因素

大位移井施工井設(shè)計(jì)造斜率相對(duì)國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)井高，大位移穩(wěn)斜井段長(zhǎng)，采用雙增剖面大位移井段控制時(shí)鉆壓傳遞困難。同時(shí)由于雙增剖面第一次增斜井斜選擇為40-60之間此井段易發(fā)生巖屑起下鉆時(shí)雪蹦，及在大井眼鉆井中大斜度鉆井中排量不足巖屑固相往往超過7%容易在井眼下井壁沉積，造成托壓、磨阻力增大、卡鉆等復(fù)雜情況，更增加了軌跡控制中的鉆壓傳遞難度。針對(duì)以上問題，現(xiàn)場(chǎng)采取了分井段優(yōu)化施工工藝措施上部采用滑動(dòng)控制，下部彎曲井眼采用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向施工，實(shí)現(xiàn)了鉆壓有效傳遞，保證了軌跡控制質(zhì)量也控制鉆井成本。

1.3彎曲因素

通常大位移井水垂比超過2，并且9-5/8”技套井眼下入較深的位置，確保下開井眼在上層套管保護(hù)下鉆的更遠(yuǎn)。在大井眼中由于5-1/2鉆桿與井眼之間的間隙大超過了井眼與接頭差為129mm而手冊(cè)上要求小于101mm，造成滑動(dòng)加壓時(shí)鉆具與井眼的接觸面積大摩阻相對(duì)大，由于其空間面積大，鉆桿接頭得不到井眼的支撐，鉆具易產(chǎn)生彎曲造成大井眼劃動(dòng)困難。工具面不穩(wěn)，實(shí)際施工中旌工人員耐心不足而加壓300-500KN超過鉆具螺旋彎曲值，而旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆進(jìn)中加壓靠經(jīng)驗(yàn)加小了進(jìn)尺緩慢，加大了鉆柱產(chǎn)生彎曲直接導(dǎo)致鉆具疲勞事故。

2軌跡控制的對(duì)策

大港油田部分大位移井的上部井眼為17-1/2”及12-1/4”井眼由于剛性、地層原因不適合旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向施工而由渤海鉆探定向井技術(shù)分公司采用常規(guī)帶地質(zhì)導(dǎo)向的LWD進(jìn)行施工，通過使用國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的單彎矩彎矩馬達(dá)產(chǎn)生較高側(cè)向力特點(diǎn)，保證了上部疏松的平原、明化地層安全造斜，杜決了由于上部采用不合理的旋轉(zhuǎn)造斜工具，無法依設(shè)計(jì)剖面線施工，而造成頻繁起鉆，下入大角度的造斜工具增大造斜率，使下部井眼軌跡起伏加大，造成大位移段剖面無法向前鉆進(jìn)延伸直接影響套管串的安傘的下入。

大位移井眼控制核心是狗腿角的控制及剖面符曲折度的合理控制。它包括井斜、方位的空間扭轉(zhuǎn)度變化，直接影響～口井最終質(zhì)量。實(shí)鉆中嚴(yán)格滑動(dòng)及轉(zhuǎn)動(dòng)的頻率及時(shí)測(cè)斜，可產(chǎn)生平滑的小曲折度井眼降低井下事故減少鉆具扭矩，并有利于減少滑動(dòng)鉆井中托壓。利于馬達(dá)及PDC鉆頭小鉆壓施工。

目前大港油田大位移井、定向井設(shè)計(jì)通常選擇2.4°/30m～3°/30m的增斜率，由于國(guó)內(nèi)大位移井設(shè)計(jì)剖面設(shè)計(jì)造斜率較高，造成滑動(dòng)鉆井困難。而采用國(guó)外旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向雖能解決鉆具滑動(dòng)彎曲問題，但由于此類鉆具剛性強(qiáng)長(zhǎng)達(dá)系統(tǒng)總長(zhǎng)35～50m、穩(wěn)定器扶正塊長(zhǎng)，易阻、卡。實(shí)鉆證明對(duì)于311mm井眼旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具往往難以通過超過4°/30m井眼直接導(dǎo)致此類鉆具倒劃眼，卡鉆事故頻繁，而采用常規(guī)導(dǎo)向組合由于下部剛性長(zhǎng)度只有20m左右易通過造斜率高的曲率井眼，另外采用合理的欠穩(wěn)定器可以通過鉆壓的改變可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向增降斜目標(biāo)取得了一定效果，所以我油田上部地層造斜普遍采用此工具。

2.1選擇小角度單彎馬達(dá)造斜

由于大位移井設(shè)計(jì)目標(biāo)垂相對(duì)深較淺，上部井眼造斜首先保證單彎馬達(dá)能發(fā)揮正常的造斜率并且能呈受高達(dá)120～150mm頂驅(qū)鉆速的需要，超過1.5°彎角的馬達(dá)廠家不允許高轉(zhuǎn)速，而常規(guī)1.25小角度馬達(dá)在直斜段初期造斜率低較難達(dá)設(shè)計(jì)2～3°/30m要求。通過上部井眼的實(shí)鉆分析發(fā)現(xiàn)短彎距及離近鉆頭穩(wěn)定器螺桿鉆具，保證在相同的馬達(dá)角度及本體穩(wěn)定器尺寸的情況下它們分別比正常產(chǎn)品距鉆頭的距離縮短0.4m及0.2m左右，獲得一個(gè)相對(duì)高的造斜能力。

2.2選擇與地層匹配定向PDC鉆頭

PDC鉆頭在砂泥巖地層機(jī)械鉆速高、鉆頭工作壽命長(zhǎng)、耐高溫能力強(qiáng)于牙輪鉆頭，更適合定向井、水平井施工。在如何提高PDC鉆頭性能指標(biāo)，優(yōu)選PDC鉆頭設(shè)計(jì)開展了工作。隨著機(jī)算機(jī)技術(shù)的成功應(yīng)用，低速高功率的馬達(dá)應(yīng)用，PDC鉆頭顯示出它的的優(yōu)勢(shì)。

定向井技術(shù)不斷的發(fā)展，造斜鉆頭從平底、直刀冀外型、轉(zhuǎn)換成短保徑（增加側(cè)向力）、螺旋刀冀（防反轉(zhuǎn)）、適合定向的PDC鉆頭不斷推出。最新方向盤式定向鉆頭的應(yīng)用，解決了在硬地層超深井眼，工具面的控制問題，提高了滑動(dòng)效率。通過對(duì)內(nèi)、外錐的錐面高度及弧度長(zhǎng)短，牙齒俯角及側(cè)角度設(shè)計(jì)，及切屑齒材料更新及計(jì)算機(jī)力平衡排列、高效的泄流槽設(shè)計(jì)，徹底解決了定向造斜低效率的問題，根據(jù)上述原則接合上部東營(yíng)以上地層特點(diǎn)滑動(dòng)采用19mm牙齒五刀翼旋短保徑的GPl9455EX取得較好效果。2.3優(yōu)化穩(wěn)定器尺寸

通過對(duì)大位移井一開、二開定向資料總結(jié)埕海444.5mm井眼一般鉆至1200-1300m左右，311mm鉆至3200-3400m上部地層為明化鎮(zhèn)，針對(duì)大井眼降斜鐘擺效應(yīng)，分析總結(jié)出馬達(dá)后面不下入穩(wěn)定器，使鉆具組合只是馬達(dá)本體穩(wěn)定器的單穩(wěn)定器結(jié)構(gòu)，有利于提高單彎馬達(dá)實(shí)鉆增斜，另外可以在穩(wěn)斜旋轉(zhuǎn)鉆井時(shí)保持井斜穩(wěn)定。對(duì)于311mm井眼明化鎮(zhèn)、東營(yíng)地層下入 284—267m穩(wěn)定器由于泥巖吸水膨脹剝落井徑較大超過6%，馬達(dá)本體穩(wěn)定器無法發(fā)揮正常杠 桿作用，雖然第二個(gè)穩(wěn)定器尺寸較小但依然降斜。考慮鉆具安全及防疲勞、振動(dòng)對(duì)NWD及LWD不利影響，下入小尺寸第二個(gè)穩(wěn)定器。

2.4采用5-1/2鉆桿保證大位移井高扭矩作業(yè)

成功鉆成一口大位移井，鉆柱設(shè)計(jì)必須滿足鉆柱抗拉強(qiáng)度及高抗扭要求。由于大位移井普遍采用下入深技套，采用5-1/2”G105鉆桿可高抗扭又增大鉆桿內(nèi)徑降低循環(huán)泵壓，保證大排量對(duì)井眼的清潔。

2.5嚴(yán)控制狗腿角防止側(cè)向力超標(biāo)造成鉆井事故

定向井鉆具事故主要發(fā)生在馬達(dá)、無磁鉆鋌與加重鉆桿之間的過渡帶。上部井眼的狗腿度超標(biāo)，導(dǎo)致高側(cè)向力大于2000磅井段較長(zhǎng)，因不同剛性鉆具在旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)中不同的角速度產(chǎn)生不同頻率的側(cè)向抖動(dòng);而高狗腿產(chǎn)生更強(qiáng)的橫向振動(dòng);過渡帶不同速度扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的相互作用產(chǎn)生橫向扭屈及震動(dòng)導(dǎo)致鉆具疲勞，絲扣脫落鉆具落井。

因此最大可能控制井眼第一增斜段的狗腿角小于3°/30m，是成功鉆大位移井的關(guān)鍵。而側(cè)向力大小近似等于某點(diǎn)鉆具正拉力與此點(diǎn)全角變化率正弦函數(shù)的乘積值，即造斜點(diǎn)越淺，下部鉆桿的拉力越大，狗腿度越高側(cè)向力值也高。

2.6優(yōu)化鉆井參數(shù)、鉆具紐合保證下部鉆具安全

大位移井旋轉(zhuǎn)鉆壓應(yīng)根據(jù)增斜段單位造斜允許的受壓值及穩(wěn)斜段單位鉆具垂直分量值進(jìn)行計(jì)算，而直井段鉆具只能受拉不受壓的原則，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)盤鉆井最大鉆壓量，保證鉆桿在不產(chǎn)生彎曲的情況下安全鉆進(jìn)。

中國(guó)石油大港油田分公司第五采油廠 天津 300280