Power Drive Xceed指向式旋转导向钻井系统在张海29-36L井的应用

2016-12-21霍如军张克正许京国

西部探矿工程 2016年12期

关键词：张海人工岛机械钻速

郭亮，霍如军，杨静，张克正，许京国

（渤海钻探第三钻井工程公司，天津300280）

Power Drive Xceed指向式旋转导向钻井系统在张海29-36L井的应用

郭亮*，霍如军，杨静，张克正，许京国

（渤海钻探第三钻井工程公司，天津300280）

埕海2-2人工岛是大港油田为实现海油陆采而建设的人工岛，因受地面条件和地质靶点制约，主要采用大斜度井、大位移井、水平井等复杂井型进行开发。张海29-36L井是部署在埕海2-2人工岛的一口三开大位移定向井，本井最大水平位移1764.51m，最大井斜76.16°，为有效克服三开滑动钻井产生的频繁托压、粘卡现象。应用了斯伦贝谢公司的power drive xceed指向式旋转导向钻井系统，其工作原理是在钻具旋转状态下实现定向作业，应用旋转钻进方式代替滑动钻进方式，显著地减小了钻柱与井壁之间摩阻/扭矩。张海29-36L井应用结果表明，应用旋转导向钻井系统井段比未使用该工具的井段机械钻速提高了71%，取得了非常显著的提速效果；旋转导向钻井系统在张海29-36L井成功应用实例为探索大位移井钻井提速提供了有益的参考。

Power Drive Xceed；旋转导向钻井系统；机械钻速；大位移井；托压；井眼轨迹控制

埕海2-2人工岛是大港油田为实现海油陆采而建设的人工岛，因受地面条件和地质靶点制约，在开发方案制定和调整的过程中，人工岛上大多数井型为大斜度、大位移井及水平井[1-2]。但在实际钻井过程中发现：大斜度、大位移定向井和水平井造斜段滑动钻进时由于钻柱受井壁摩阻大，导致无法将钻压平滑的传递，经常出现托压、粘卡现象。减小钻柱摩阻和扭矩的主要途径包括：优化井眼轨迹，优化钻具组合、优化钻井液性能、应用减摩阻/扭矩工具和使用旋转导向钻井系统等。然而最有效的是旋转导向钻井技术[3-4]，斯伦贝谢的Power Drive Xceed工具代表了其最新发展方向[5-7]。张海29-36L井应用结果表明，应用旋转导向钻井系统井段比未使用该工具的井段机械钻速提高了71%，取得了非常显著的提速效果，大大地改善了滑动钻进时钻压传递效率，工具面更容易控制，提高了大斜度、大位移和水平井钻进施工效率。

1 Power Drive Xceed旋转导向钻井系统结构及工作原理

1.1 结构及工作原理

Power Drive Xceed旋转导向钻井系统是斯伦贝谢公司开发的第二代产品，属于指向式旋转导向钻井系统，主要由动力输出模块、传感器模块、电子控制模块和定向模块4部分组成（见图1），钻头与工具壳体呈0.6°的偏心布置，两者同步旋转，在钻具连续旋转的情况下，通过控制内部伺服电机相对钻具等速反向旋转控制钻头的指向即工具面始终处于设计要求不变，实现定向作业；由于钻头传动轴与工具壳体轴线偏心布置，在稳斜作业时，通过以每10s间隔改变一次工具面来提供一个平均的工具面实现类似导向马达的导向钻进，因此井眼还会有一定的扩大率。系统工作模式由地面控制泥浆泵的排量变化向下部工具提供工作模式指令，下部工具中的MWD通过发出脉冲信号向地面提供工具工作参数和井眼轨迹参数，整个工具由涡轮发电机提供电源，工具使用不受时间限制。

1.2 工具的技术特点

（1）对恶劣环境的适应性。Power Drive Xceed系统适用于各种钻井液，可以在高达150℃的温度下工作。因为其采用内部导向系统，在砂岩及其它高研磨性岩层中工作时，其抗研磨性比普通外部导向系统更加优越。内部密封避免了携带了大量岩屑的钻井液的接触，从而提高了系统使用寿命。

（2）水力优化。Power Drive Xceed系统工作时对钻头压降没有要求，这使定向钻井工程师在优化水力参数时拥有更大的灵活性，在钻大位移井时避免超过井场最大压力。

图1 Power Drive Xceed旋转导向钻井系统结构示意图

（3）自动追踪操作。在自动追踪的模式下，Power Drive Xceed可以自动的跟踪设计的井眼轨迹，当井斜方位偏离设计时，Power Drive Xceed可以自动完成纠斜纠偏操作。此功能在钻进长稳斜段和小靶区井段时效果更加显著，它可以让定向钻井工程师专注于钻井参数优化和提高机械钻速，从而用最少时间完钻。

（4）完全旋转的优势。Power Drive Xceed是Pow⁃er Drive旋转导向系统家族中的一部分，所有这些系统都具备完全旋转的特性，这使它们对于装有不旋转或者慢速旋转组件的其他旋转导向系统拥有极大的优势。这种完全旋转的设计是Power Drive Xceed的自身特性，不会降低钻井作业效率，也不需要特殊的设备或操作。

1.3 完全旋转系统改善钻井效果的方式

（1）旋转导向系统在井眼中的流场均匀，不会形成流动死区，因此岩屑通过钻具组合更加顺畅；

（2）高效的井眼清洁能力防止岩屑再次落到井底，避免了钻屑重复破碎，机械钻速得以提高；

（3）完全旋转的特性避免了静止部分摩阻，能量利用率提高，机械钻速得以提高；

（4）钻具组合完全旋转，因为没有静止的部分接触套管，斜向器及井壁，机械卡钻与压差卡钻的风险因此降低，此特性同时也降低了沉砂卡钻的风险。

图2 埕海2-2人工岛槽口位置、编号及对应井号示意图

2 现场应用情况

2.1 张海29-36L井概况

埕海2-2号人工岛位于河北省黄骅市张巨河村以东的滩涂海域地区，水深0～2m的浅海地区，人工岛面积为14000m2，采用丛式井共布井73口（见图2），应用整体移动模块钻机，已砸好Ø660mm导管×63.35m；钻探的主要目的层为沙河街组地层，受地面条件和地质靶点制约，采用定向井、大斜度井、水平井、大位移井等复杂井型进行开发。张海29-36L井是部署在埕海2-2人工岛的一口三开大位移定向井，本井最大水平位移1764.51m，最大井斜76.16°（见图3），本井三开因造斜率高，导致定向钻进效率低，且随着井斜的增加，钻进过程中钻具与井壁间摩阻扭矩逐渐增大，托压、憋泵现象频繁发生，导致机械钻速降低，间接造成生产周期延长，生产成本增加，工作效率降低。因此在张海29-36L井应用了旋转导向钻井系统进行三开增斜段、稳斜段钻进，取得了明显的提速效果，与使用导向马达相比，平均机械钻速提高了71%。

图3 张海29-36L井身结构示意图

2.2 钻具组合

Ø215.9mm钻头×0.34m+Ø192mmPower Drive Xceed×7.52m+Ø175mmMWD短节×8.47m+Ø159mm无磁钻铤×9.42m+Ø127mm加重钻杆×196.54m+Ø127mm钻杆×3614.26m。

2.3 钻进参数

张海29-36L井的钻进参数见表1。

表1 张海29-36L井应用钻进参数

2.4 应用情况

张海29-36L井为三开大斜度井，因设计井斜大（75.69°），最大造斜率高达4.5°，导致定向钻进效率低，且随着井斜的增加，钻进过程中钻具与井壁间摩阻扭矩逐渐增大，托压、憋泵现象频繁发生，导致机械钻速降低，从而延长钻井周期，增加生产成本。通过邻井钻井资料分析，决定三开增斜段、稳斜段采用Power Drive Xceed指向式旋转导向钻井系统进行钻进。定向钻进钻压80～100kN，排量控制在28～30L/s时，钻进效率最高。复合钻进时，钻压60～80kN，转速60r/min，排量30L/s能达到最优钻进效果。

张海29-36L井2815m下入新度90%的钻头，打到井深3837m完井，钻进进尺1022m，起出后对钻头进行清洗、检查、丈量，数据显示钻头报废。

3 应用效果评价

（1）与本井应用导向马达井段对比分析。张海29-36L井在应用旋转导向钻井系统钻具组合之前，使用常规导向钻具组合：Ø215.9mm钻头× 0.35m+Ø172mm马达×7.51m+Ø172mm浮阀×0.8m+ Ø 212mm稳定器×1.51m+Ø 170mm无磁钻铤× 9.04m+Ø170mmMWD短节×1.93m+Ø172mm无磁钻铤×9.06m+Ø127mm加重钻杆×196.54m+411/ NC52×1.15m+Ø127mm钻杆×2588.61m，钻头选用的是江汉钻头厂的PDC钻头KM1942SGR。所钻井段2600～2815m，纯钻时间41h，机械钻速5.24m/h。而使用旋转导向钻井系统井段平均机械钻速为8.94 m/h，与使用导向马达相比，平均机械钻速提高了71%（如表2所示）。

表2 旋转导向钻井系统与导向马达对比

（2）与邻井使用旋转导向对比分析。张海29-36L井与张海29-33井位于同一埕海2-2号人工岛，地层完全相同，地层岩性一致，钻进深度相近，具有较强的可比性。通过分析可以看出，张海29-33井2481～3726m井段应用了马达+MWD钻井技术，平均机械钻速是7.59m/h。而张海29-36L井使用指向式旋转导向技术，平均机械钻速为8.96m/h，比张海29-33井的平均机械钻速提高1.37m/h，机械钻速提高18%（见表3）。