連續取芯技術在長水平段水平井中應用探討

張士超

（大慶油田鉆探工程公司鉆井工程技術研究院，黑龍江 大慶 163000）

1 技術難點及對策

我國老油田經過了幾十年開發，目前已經進入了開發的中后期，勘探開發難度不斷增加，優質儲量區開發程度比較高，剩余區塊以復雜斷塊為主。為了提高油田原油的產量，加大了對致密油、頁巖油氣的開發力度，這類油氣藏屬于特低空、特低滲油氣藏，采用直井開發產量低，很難達到經濟效益，通常使用水平井開發，特別是長水平段水平井，水平段比較長，與油藏接觸面積大，提產效果比較明顯，水平井產量可以達到直井的3 倍以上。控制采油不穩定因素，修復特殊油氣藏，最大限度地提高其榨油效率。由于長水平井鉆井技術涉及的作業過程相對復雜，施工作業較直井復雜得多，特別是長水平段水平井，由于其井身結構特殊，在水平井施工方面存在一定的技術局限性，需要不斷加大技術攻關，提高長水平段水平井應用效果。近年來，隨著鉆井技術的不斷進步，長水平段水平井鉆井技術也得到了長足發展，特別是目前在非常規油氣資源成勘探開發熱點，在頁巖氣開發、頁巖油開發等非常規油氣資源開發中，應用越來越多，提產效果顯著，已經成為非常規油氣資源開發首選的井型。長水平段水平井水平段多在1000m以上，由于水平段較長，在儲層中穿越，和儲層接觸面積大，控制油藏的面積也大，產油段長，因此，產量也大大提高，能夠顯著提升頁巖油氣的開發效益。長水平段鉆孔技術是油氣開發中的一項重要技術。它可以最大限度地提高水平井筒的長度，最大限度地提高井筒與儲層的合流程度，使井筒與油氣儲層相互接觸產品是最人性化的。在一些油氣藏勘探開發活動中，水平井眼長水平井段已成為提高石油產量的重要技術保障。然而，在水平鉆井的長水平部分由于鉆井坡度大，隨著水平段增長鉆頭的摩擦和扭矩急劇增加，這會影響鉆頭繼續鉆孔的效率。

1.1 軌跡控制難點

目前長水平井水平位移鉆井主要有兩種技術：一種是基于螺旋鉆具彎曲護套的滑動復合鉆井技術，另一種是基于旋轉鉆具鉆井技術的旋轉導向鉆井技術。但是，無論采用何種鉆孔方法目標是精確控制鉆孔軌跡。增加水平段位移長度，盡可能提高機械鉆速，保證相對較低的開采成本，目前縱向水平段擴軌技術在大多數國家仍然有限，同時基于彎曲夾套螺釘鉆具的滑動結合鉆井技術，鉆孔清潔效果很差。鉆柱與井壁的接觸使井壁與井底的摩擦阻力完全作用在鉆柱的軸線上，從而使鉆柱扭結，難以將有效的鉆壓施加到井壁上，導致鉆進困難。長水平段水平井鉆井的最大難題是克服井壁摩擦阻力，以及提高井壁穩定性，防止發生井壁失穩。目前國外水平井的水平段是通過使用旋挖鉆具鉆進的，長度通常為2500～3000m，最大水平段長度可達6000m以上。

1.2 取芯技術難點

長水平段水平井鉆探技術具有一定的特殊性，它不同于傳統的鉆孔技術，由于水平段長，穿越的層位多,在軌跡控制過程中，由于受到多種因素影響，水平井井壁穩定性較差。在取芯之前要做好設計，確保井筒穩定，避免出現井壁掉塊、井眼不規則的情況。由于長水平段水平井具有較長的水平段，在取芯鉆井過程中，摩擦阻力會比較大，加之在定向施工過程中，提供給鉆頭破巖的動力相對較小，鉆壓相對較低，可能導致鉆進難度增加，導致井眼不規則。長水平段水平井技術的應用，涉及的設備較多，鉆進量較大，相應的與井壁接觸面積也較大。在重力作用下，與井壁的摩擦力大。在外部壓力作用下，鉆柱軸向摩擦阻力會增大，由于具有較長的水平段，鉆具較長，相應的鉆具下的巖屑也較多，持續鉆進過程中，巖屑顆粒被碾碎，細碎的巖屑進入鉆井液，會影響鉆井液性能，改變了鉆井液潤滑性，導致摩擦阻力增大。由于水平段較長，鉆進過程中容易發生偏心鉆進，形成偏心環，導致巖屑大量堆積，形成巖屑床，套管摩擦增大，延長了套管滑移的進程。摩擦會影響外殼位置的準確性。套管有一定的嚴重性，水平段的上、下段發生一定的變化，引起層流問題，空間體積減小，碎屑含量增加，進一步增加了套管的滑動摩擦。減少摩擦的影響，勞動工作人員一般會調整水平段和斜井段的位置關系，使套管居中，以減少下方的摩擦。同時，下鉆柱附著在鉆孔底壁上時，鉆孔底部周圍環空的寬度發生顯著變化，影響鉆井泥漿的湍流，導致在當流速低時，鉆孔中的寬間隙和窄間隙會增加剪切速率。在這些工況下，巖屑容易沉入井壁，不易清除，從而形成巖屑床。隨著鉆柱滑下鉆進，鉆孔底部形成的鉆屑增加了鉆柱的軸向摩擦力，阻礙了鉆頭的有效鉆進；隨著鉆柱的旋轉，鉆孔下降，鉆桿側壁上形成的巖屑床增加了鉆柱上的周向摩擦力矩，影響了鉆頭的旋轉，這直接降低了鉆井作業的效率，增加了井眼軌跡控制的難度。

1.3 鉆井液技術難點

復合鉆孔工藝以旋轉鉆孔為主，滑動鉆孔為輔。這種方法雖然可以鉆出水平段較長的水平井，但“滑—轉—滑—轉”的鉆井過程，周期性交替，往往會導致鉆孔彎曲，鉆孔質量差，進而導致鉆孔摩擦，減少了水平段的延伸長度，而且這種鉆孔方法費時費力。在鉆長水平段時，它不是一種有效的操作方法。采用旋轉轉向輪鉆井系統的旋轉導向鉆井技術已被證明是一種有效的水平位移放大鉆井方法，只有有效、平穩地增加位移，才能降低后續鉆井和完井的運營成本。但是，由于中國沒有自主研發的旋挖鉆機系統，因此需要向許多大型海上油田公司租賃旋挖鉆機設備。租金昂貴，必須提前預訂，這意味著直接增加運營成本。因此，當使用本地生產的旋轉鉆井系統時通常需要結合預計的鉆井產量來評估經濟效益。由于國內石油儲備不足，因此，在水平段較長的水平井中使用旋轉鉆井系統是不經濟的。

2 關鍵工藝技術

2.1 取芯鉆頭及工具選擇

受限于先進的旋轉導向鉆井工具，并考慮各種經濟優勢下穩定器的數量以及穩定器與鉆頭之間的距離將主要在鉆井穩定斜坡的水平段時發生變化，例如，作為靠近鉆頭的穩定器。實現水平段穩定斜鉆國內使用的“鉆頭+單螺桿鉆頭+雙穩定器”或“鉆頭+單弧螺桿鉆頭+單穩定器”主要用于實現單弧螺桿鉆孔。滑塊控制鉆孔軌跡，主要使用雙穩定器或單穩定器在移動或轉動鉆頭時在鉆頭上產生橫向偏轉力。使用復合鉆孔技術進行穩定旋轉鉆孔時在穩定段下孔軌跡總偏轉力的作用下斜率通常有輕微的上升或下降趨勢。

2.2 取芯鉆具組合設計

在旋挖鉆進15～25m 后，需要減速定向鉆進4～5m，以控制鉆進軌跡。通過分析上節鉆井摩擦對水平段位移和加長的影響。很明顯，復合鉆孔技術并不是一種理想的鉆孔方法。決定使用哪種鉆孔方法的關鍵在于打孔工具。并且鉆頭的浸入角趨于傾斜[1]，鉆柱的總旋轉不會同時改變鉆頭的方向。并釋放穩定一致的偏斜能力，以補償鉆孔偏斜變化的自然趨勢。當今鉆井技術中最先進的井下導向鉆機是電液一體化系統工具。它通常由兩部分組成：控制機構和執行機構。內置的電子控制單元可以準確引導鉆頭，可水平鉆孔。外部光滑而長。雖然目前國內還沒有可用于工程應用的旋轉導向鉆井工具。經過十多年的研究形成了許多系統理論，包括整體原理圖設計模型理論、分析控制理論和控制理論。在此基礎上，一個技術原型誕生了，并實現扭轉方向的偏轉功能，因此在結合水平段鉆井條件時以現有導向鉆具的理論結果為參考。

2.3 取芯效果分析

靜態偏置推入式旋轉導向鉆井工具（例如貝克休斯的AutoTrack）主要依靠非旋轉外殼上的測控機構來穩定加強筋的膨脹，使井底組件錯位。該工具的優點是可以利用先進的控制技術來控制井底組件的偏心，并在良好的軌跡控制中實現高精度、高側負荷和快速的施工速度。但是，井眼中的復雜條件要求該工具對控制肋材伸縮的非旋轉外套筒上的電磁閥具有極高的控制精度，并且轉向執行器的結構復雜。動態預張緊旋轉鉆具（如斯倫貝謝的PowerDrive）在結構上比靜態壁面旋轉鉆具更簡單（可減少鉆頭摩擦），小型化傾向好。這確保該工具適用于各種復雜的任務，環境和軌道的可擴展性更強，但控制井內穩定平臺的穩定性更難。并且翼肋（Wings）經常被拉伸，這很容易對井底和井壁造成振動和沖擊。靜態定向鉆具（如哈里伯頓的Geo.pilot）利用靜態工作原理來控制鉆機的鉆井特性，為鉆具軸提供了一種有效的方法，并且施工速度由工具本身決定，不影響鉆孔樁的巖性，在松軟不平整的地層鉆孔效果更佳。鉆孔平穩無鉆孔，缺點是鉆柱要承受高強度交流電壓。疲勞損傷、適度的位移膨脹、零件的精密加工、零件的裝配、軸承的密封是保證手工效果的關鍵工具。

3 結論與認識

旋轉鉆孔法可以減少水平孔長度的水平部分的摩擦，并最大化水平部分的長度。當采用旋挖混合鉆井技術時，鉆井斜度通常表現為坡度增大或減小。水平截面不適合固定鉆孔，為了改變鉆孔路徑的偏轉特性，提出了一種旋轉鉆具。它可以穩定地撞擊鉆孔底部并產生合適的偏轉測力計來補償鉆頭吸收的側向力。從旋轉偏轉沖頭對下孔彎曲變形的影響，得到求解下孔彎曲力的非線性方程。偏轉鉆井工具控制軸扭矩穩定性分析表明，控制軸穩定性主要受重力塊重量和重心到心軸軸線距離的影響。當重力塊與心軸的距離最大時，扇形結構的重力塊夾角為180°。為防止鉆孔和鉆孔過程中巖芯桿在軸向壓力的影響下彎曲變形，在工具結構設計過程中，座墊通過螺釘固定在上支撐和外杯體上，下座墊采用機械支撐。通過改變活塞的橫截面以及作用在手掌和銷釘上的力之間的距離，可以改變執行器設計過程中浮子懸架的斜度大小。如今，水平縱向鉆井在石油鉆井領域是一項比較成熟的技術。并且沒有足夠的經驗可以作為刀具設計的參考，國內外沒有像本文介紹的旋挖鉆具這樣的刀具。本文檔介紹的旋挖鉆具能否與水平旋挖鉆具配套使用？還需要進一步的實證證明，此外，在本文的研究過程中還有一點需要討論：工具產生的力和鉆頭吸收的側向力的具體變化尚不清楚。并且必須為復雜的鉆井條件提供特定的模擬條件。工具受到的影響更大。需要研究儀器振動時控制軸的定量比。有限元分析主要部件在設計工具結構時尚未完成。