水平井一趟钻变径稳定器的研制与应用

陈　霖，王立宏，张盘龙

(1.川庆钻探工程有限公司 长庆钻井总公司，西安 710018；2.长江大学 机械工程学院，湖北 荆州 434000)①



水平井一趟钻变径稳定器的研制与应用

陈霖1，2，王立宏1，张盘龙1

(1.川庆钻探工程有限公司 长庆钻井总公司，西安 710018；2.长江大学 机械工程学院，湖北 荆州 434000)①

摘要：长庆油田部分区域钻井施工周期短、一趟钻技术能够明显减少钻井周期，提高施工效率。介绍了研制的水平井一趟钻变径稳定器的工作原理和现场应用情况。分析了目前投阀型、排量型、电传控制型3种型号控制机构的优缺点，并提出了变径稳定器的发展方向。

关键词：变径稳定器；水平井；一趟钻

在长庆油田部分区域，水平井使用增斜钻具组合完成斜井段施工，到达入窗点之后，需将BHA更换为稳斜组合，其关键点是变换BHA中钻具稳定器的外径。可变径稳定器在水平井入窗之后，稳定器外径增加，使BHA由增斜组合更改为稳斜组合，减少一次起下钻更换钻具组合过程，实现二开到完井一趟钻[1-2]。

长庆油田部分区域水平井一趟钻技术对可变径稳定器的要求为：在入窗点实现变径后，在正常钻进过程中外径无需再次改变，对钻井泵要求低，操作简单，工具工作状态容易确认。

目前可变径稳定器种类繁多，常用可变径稳定器通常依靠井口对泵压的改变来实现变径目的，需要人为记住开关泵次数，操作繁琐，容易出现无法确认稳定器井下工作状态的情况[3]。针对长庆油田部分区域水平井一趟钻的需要，研制了操作简易、结构可靠的可变径稳定器。

1技术分析

1.1变径机构

可变径稳定器变径机构种类较多，液力驱动型变径机构基本原理为液力推动活塞移动，扶正块与活塞相对位置改变，扶正块弹出。在变径机构设计中，主要遵循以下3个原则：①活塞结构不承受钻柱拉力和转矩；②可变外径恒定；③不停泵则扶正块不收回。基于以上设计思想，所设计的变径机构如图1。

图1　可变径稳定器变径机构

其特点是拥有一个独立作用于活塞的液流通道，只要对该通道进行开关控制，就能使变径机构进行动作。这种结构的优点在于有专用液流通道作用于活塞，使整个变径机构动作简单，零件数少，减少了机构的不可靠性，且易于确认工具的井下工作状态。

1.2控制机构

根据变径机构的特点，设计了3种不同原理的控制机构，分别为投阀型、排量型、电传控制型。

1.2.1投阀型

投阀型变径稳定器控制机构包含液流开关接头、多液流通道无磁钻铤、多液流通道MWD循环短节、投入阀、密封座，如图2。

图2　投阀式变径稳定器控制机构

投阀式控制机构的核心结构为贯穿无磁钻铤和MWD循环短接而独立于水眼的流道。液流开关接头具有与水眼相通的旁通流道。在入窗点之前，旁通流道关闭。在投入阀投入后，密封座下移，打开液流开关接头内的旁通流道，此时液流开关接头的旁通流道与主流道同时开启，旁通流道中的液流经过多液流通道无磁钻铤、多液流通道MWD循环短节的独立流道后，进入变径机构的活塞腔内。该机构的优点在于操作后能够确认液流通道打开。其缺点在于需改造无磁钻铤和MWD循环短节，配套加工复杂。

1.2.2排量型

排量型控制机构核心是中心管带有活塞机构，顶部拥有喷嘴。其作用方式是在工具排量增大至设定值后，中心管下移，中心管的液流控制孔离开密封位置，液流进入变径机构，扶正块弹出，然后将排量降低至正常工作值，扶正块保持弹出状态，变径稳定器正常工作，结构如图3。

图3　排量型变径稳定器控制机构

该工具设计难点在于排量变化时中心管所受力的变化。

根据连续方程：

Q=Av

根据伯努利方程：

在求出活塞压差Δp后，活塞受力可由公式(1)获得：

F=ΔpA

(1)

式中：Q为排量，m3/h；A为中心管受力面横截面积，m2；v为流速，m/s；p1，p2分别为中心管受力面前后表面压力，MPa；ρ为泥浆密度，kg/m3

将各参数条件代入上述公式中，即可得出弹簧选型和排量控制范围。

该工具优点在于变径机构控制简单，缺点是该控制方式对排量要求高，在不同的井队施工需更换不同的喷嘴，提升了操作难度。

1.2.3电传控制型

电传控制型变径稳定器利用机电液一体化设计，其主要包含程序控制板、电池、陀螺仪、传动电机、密封结构，如图4。其作用方式是在变径稳定器到达设计井斜角后，电机自动将密封结构拔出，打开液流通道，此时变径机构发挥作用。该结构的优点为自动化程度高、使用简便。其缺点为在井下高温高压环境下，电器元件的不稳定性增加。

图4　电传控制型变径稳定器控制机构

2现场应用

2.1投阀式变径稳定器入井试验

固平25-29井是一口水平式油井，设计井深2 775 m，表层下深819 m，造斜点1 000 m，靶前距341 m，偏移距40.38 m，水平段835 m，斜井段940 m。

该井在二开后，接入投阀式变径稳定器。井底钻具组合：ø212.7 mm钻头+螺杆钻具+投阀式变径稳定器+多液流通道MWD循环短接+多液流通道无磁钻铤+液流开关接头+ø165钻铤+ø127钻杆。184-209型投阀式变径稳定器基本参数如表1。

2014-09-30，在固平25-29井进行试验。按设计钻具组合接好工具，此时在液流开关接头内不放入密封座，小排量开泵，扶正块弹出，测量扶正外径为209 mm。停泵后装入密封座，再次小排量开泵，扶正块不弹出，加大排量至正常排量，扶正块保持不动，判断此时液流开关接头内的旁通液流通道已关闭。工具在井口试验正常。

表1　184-209型投阀式变径稳定器基本参数

在钻进至入窗点1 940 m时，下入投阀，此时泵压由2.5 MPa升至5.5 MPa，判断液流通道已打开，继续加压至15.5 MPa，泵压骤降到11.2 MPa，判断投阀密封膜破裂，此时水眼贯通。变径稳定器完成既定动作，正常钻进。水平段钻进过程中复合最大增斜率为10.99°/100 m，最小增斜率为1.40°/100 m，平均增斜率3.6°/100 m，滑动钻进111 m，占整个水平段总长的13.29%，符合预期效果。

通过试验表明，投阀式可变径稳定器可以满足水平井二开后一趟钻技术要求。

2.2电传控制型变径稳定器入井试验

宁106-22井位于甘肃省合水县，是一口定向井，完钻井深1 371.06 m，设计位移373.24 m。将井斜27°设置为流道门限打开值，井斜21°为流道门限关闭值。

工具在井口测试时，排量30 L/s，泵压4～6 MPa，扶正块处于收缩，工具没有出现渗漏点，密封可靠。该井在井深264 m二开，此时下入工具，钻具组合：ø212.7 mm钻头+螺杆钻具+电传控制变径稳定器+无磁钻铤+ø165 mm钻铤+ø127 mm钻杆。

253～646 m井段，钻进过程中井斜出现强增，说明扶正块处于收缩状态。

772 m处井斜28°，达到井斜设置门限值(门限值27°)，停泵静止6 min开泵实施变径作业，根据757～858 m这段数据分析变径失败。858 m处井斜29.18°，再次实施变径操作，同时滑动降斜，消除前期的强增趋势，从916～1 002 m井段呈现稳定状态，说明扶正块张开，在直罗组底部砂岩段出现微增斜，属于正常，进入延安组后开始降斜，并且随着井深增加降斜率逐渐增大，也进一步证明扶正块处于张开状态。

随着延安组下部地层的降斜率增大，需要进一步变径将扶正块收缩回去来抑制降斜，1 231 m处井斜18.19°，实施变径作业，同时通过滑动来消除强降趋势，1 279～1 355 m井段基本处于稳斜状态，说明再次变径成功。该井测深-井斜关系如图5。

此次试验虽然未在水平井进行试验，但通过井斜变化证明，电传控制型变径稳定器能够根据井斜角度设定值，在井下实现变径功能。

图5　宁106-22井深-井斜关系

3可变径稳定器的发展趋势

随着钻井技术的发展，机液式变径稳定器仅能符合特定条件下钻井施工需要，在面对复杂结构井时，机液式变径稳定器只能进行预定的增斜或稳斜作业，在需多次改变BHA力学特性时，需要取出进行重新设置，局限性大。

国内外科研机构目前正在进行的可变径稳定器设计主要有两种：一种为井下闭环自控型；另一种为井口遥控开环型。井下闭环自控型的主要优点在于其通过对钻井轨迹的实时采集，与预设轨迹进行对比后，自行发出指令，控制作业。井口遥控开环型通过机电液一体式设计，通过泥浆传递信号，在不起钻的作用下，可以多次进行降斜或增斜作业，可在复杂井施工中大幅缩短建井周期，减少施工成本[4]。以上两种变径稳定器都需要机械设计与机电传动结合，充分利用微电子技术的发展成果，实现变径稳定器的自动化、智能化。具体到长庆油田，可根据入井试验结果，在电传控制型变径稳定器的基础上进行优化设计，使其具备分段、多级自主控制变径能力，以满足其他复杂结构井的需求。

4结语

1)长庆油田部分区域钻井的建井周期短，特别是水平类油井，二开之后起下钻一次时间几乎能占到整个钻井周期的1/15，二开之后采用一趟钻可变径稳定器完成造斜段和水平段施工，能够减少一次起下钻时间，提高钻井效率，缩短建井周期。

2)介绍的3种变径稳定器各有优劣，可根据试验结果，在不同井选用。

3)可变径稳定器应向机电液一体化方向发展，以满足复杂结构井需要。

参考文献：

[1]蒙启腾，王可仁，杨碧学.苏里格气田水平井斜井段一趟钻技术[J].内蒙古石油化工 ，2014，40(20)：89-90.

[2]冯义，杨永红，程海涛.吐哈油田丛式井一趟钻快速钻井技术研究与应用[J].西部探矿工程，2010，22(12)：105.

[3]李凯，高德利，宋执武.定向井钻井技术及可变径稳定器应用研究[J].石油矿场机械，2011，40(7)：4-8.

[4]苏义脑，林雅玲，李佳军，等.井下控制机构与系统设计学概述[J].石油机械，2014，42(2)：1-5.

文章编号：1001-3482(2016)07-0087-03

收稿日期：①2016-01-21

作者简介：陈霖(1986-)，男，四川南充人，工程师，主要从事石油钻井井下工具的设计工作。

中图分类号：TE931.2

文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.07.020

Development and Application of One Trip Drilling Tapered Stabilizer for Horizontal Wells

CHEN Lin1，2，WANG Lihong1，ZHANG Panlong1

(1.ChangqingDrillingCompany，CCDC，Xi’an710018，China；2.SchoolofMechanicalEngineering，YangtzeUniversity，Jingzhou434000，China)

Abstract：Changqing oil field part area drilling cycle is short，“one trip drilling”technology can reduce drilling period significantly，improving operation efficiency.An introduction is made for“one trip drilling”tapered stabilizer principles and field application developed by Changqing general drilling company，which will be used in horizontal wells.The advantages and disadvantages of three models are analyzed，and tapered stabilizer development direction is proposed as well.

Keywords：tapered stabilizer；horizontal wells；one trip drilling