防斜打直技术在川东地区高倾角地层的应用

2017-01-13陈涛刘德平

天然气技术与经济 2016年6期

关键词：钟摆液力钻具

陈涛刘德平

（中国石油川庆钻探工程公司川东钻探公司，重庆 400021）

防斜打直技术在川东地区高倾角地层的应用

陈涛刘德平

（中国石油川庆钻探工程公司川东钻探公司，重庆 400021）

川东地区地质情况复杂、地层变化大，高陡构造普遍倾角比较大，上部地层易斜一直以来是该地区提速的难点，常规塔式钻具、钟摆钻具、满眼钻具等被动防斜工具常常以牺牲钻压为代价来控制井斜，其防斜、纠斜能力远远不能满足复杂井、定向井及高倾角井的提速需要。针对这一难点，应用了气体钻井防斜技术、钟摆钻具带液力推进器组合钻井技术、偏轴钻具组合防斜钻井技术、VTK垂直钻井技术、三棱钻铤带滚轮划眼器防斜技术、弯螺杆带MWD防斜打直技术等特色防斜技术，提速效果明显。

川东高倾角防斜钻具组合

0 引言

随着石油钻探的技术不断发展，石油钻探的要求越来越高、难度越来越大，大斜度井、水平井日益增多，提高钻井速度已经成为提高经济效益的主要方法之一。川东地区地质情况复杂、高陡构造多、钻井中特别是上部地层钻进井斜控制难度大，有些构造的地层倾角大（最大达85°），泥页岩、砂岩互层，易井斜，且井斜规律性差，井斜控制难度大。

目前井斜的控制主要靠塔式钻具、钟摆钻具、满眼钻具等被动防斜工具，其降斜能力还不能完全满足高陡构造上井的防斜打快要求。而且目前使用气体钻井方式较多，常规的防斜理论、工具难以满足气体钻井防斜需要。

为解决这一难题，在川东地区易斜地区及高陡构造上使用了气体钻井防斜技术、钟摆钻具带液力推进器组合钻井技术、偏轴钻具组合防斜钻井技术、VTK垂直钻井技术、三棱钻铤带滚轮划眼器防斜技术、弯螺杆带MWD防斜打直技术等特色防斜技术，提速效果明显，有效地解决了高陡构造上的防斜打快问题。

1 气体钻井防斜技术

气体钻井时井底岩石主要受水平应力作用，与常规钻井液相比地层各向异性显著增大，因此，钻压稍大即导致井斜急增，常规的防斜理论难以满足气体钻井防斜需要［1］。为了提高气体钻井防斜打快效果，应用空气锤可以在较低钻压条件下获得理想的机械钻速，可以有效地控制井斜。

1.1 空气锤防斜机理

空气锤钻进方法是指用联接在钻头上的空气锤对钻具施加压力并同时回转，予钻头以高频冲击能量，进行井底冲击回转钻井。

气体钻井采用空气锤具有较好的防斜效果。空气锤钻进钻压20～30 kN，是311 mm牙轮钻头钻压的十分之一，转速为30～40 r/min，每分钟冲击1 200～1 500次，不仅能获得理想的机械钻速，还能够达到防斜打快、减少钻具及套管磨损之目的。

1.2 钟摆钻具带空气锤组合防斜机理

钟摆钻具带空气锤组合，由于钻压较低，可以提高稳定器的安放高度，可以有效获得更大的钟摆力，该组合具有较好的防斜效果。

1.3 钻具组合

311.2 mm钻头（空气锤）＋强制式回压阀2只＋228.6 mm减振器＋228.6 mm钻铤×3根＋203.2 mm螺旋钻铤×6根＋177.8 mm螺旋钻铤×6根＋139.7 mm钻杆

1.4 现场应用

LG1井采用空气钻头塔式钻具组合，井斜迅速增加，最大井斜为8.93°，全段平均井斜为7.13°。在气体钻井中采用空气锤钻井，空气锤钻进钻压20～30 kN、转速35 r/min，空气锤钻进全段井斜低于2.57°，井斜得到了有效控制（图1）。

图1 LG1井井斜曲线图

2 钟摆钻具带液力推进器组合钻井技术

液力推进器以钻井液为动力，借助钻头喷嘴压降产生的压降作用在其活塞上产生推力，使推力直接作用于钻头，弥补有效钻压不足，保证钻头平稳钻进，提高机械钻速。

2.1 钟摆钻具带液力推进器组合防斜机理

液力推进器的液体反作用力与钻压相等，但是钻铤承受的反作用力小于钻压，其余载荷作用于井口，减小钻铤弯曲，有利于防斜打直。

2.2 钻井参数设计

液力推进器产生的推力即为液力推进器是利用钻井液流过以下钻具（如马达、钻头等）的压降作用在其活塞上产生推力［2］。根据钻压确定推力值（设计推力值应超过实际钻压的1.2倍以上），根据推力值、钻井液密度、钻进排量等参数通过以下两个基本公式进行设计，在喷嘴组合、钻具结构一定的情况下，液力推进器产生的推力与钻进排量有关，排量越大推力越大，排量与推力、压差的关系见公式（1）和（2）。

式中，Δp为钻头压差，MPa；S为液力推进器活塞面积，cm3；P为产生的推力，kN；ρ为钻井液密度，g/cm3；Q为钻井液排量，L/s；C为喷嘴流量系数，一般取0.98；de为喷嘴当量直径，cm。

根据设计推力（一般按220～250 kN推力设计）计算压差Δp；根据钻井所需要的较低排量设计喷嘴当量直径；当喷嘴选定后，根据排量、密度计算对应压差Δp；根据不同的Δp值计算相应的推力值。

2.3 现场应用

2.3.1 钻具组合

311.2 mm钻头＋228.6 mm液力推进器＋228.6 mm钻铤×3根＋310 mm稳定器＋228.6 mm钻铤×3根＋203.2 mm钻铤×6根＋177.8 mm钻铤×6根＋127 mm钻杆

2.3.2 效果评价

在川东地区的GX4、TD80、WQ003-X2、CJ1等井上部地层倾角为50～80°，上部侏罗系地层段长1 600～2 000 m，岩性为泥岩、页岩及粉砂岩，采用钟摆钻具组合，钻压在120～140 kN的情况下井斜仍然难以控制。应用钟摆钻具带液力推进器组合，钻压得到较大解放，一般在200～220 kN，最大井斜5°左右，钻井速度提高30%～50%。

3 偏轴钻具组合防斜钻井技术

偏轴接头接在钻具上以后，使偏轴接头上下钻具不在同一条轴线上，使钻具在转动中产生离心力效应［3］。偏轴接头上下钻具不在同一条轴线上，在转动过程中偏轴组合中“重边”从井眼上侧转到下侧时，“重边”下落，产生有利于降斜的冲击力效应。

3.1 钟摆钻具带偏轴钻具组合防斜原理

钟摆钻具带偏轴钻具组合结合了钟摆钻具、偏轴钻具组合的优势，一方面是充分利用了钟摆钻具带偏轴钻具组合的公转，钻头产生侧向离心力效应；另一方面加稳定器可以获得较大的钟摆力。

3.2 钻具组合

311.2 mm钻头＋228.6 mm钻铤×1根＋偏轴接头＋228.6 mm钻铤×2根＋308 mm稳定器＋228.6 mm钻铤×3根＋203.2 mm钻铤×6根＋177.8 mm钻铤×6根＋127 mm钻杆

3.3 现场应用

川东地区沙坪场高陡构造井上部地层倾角一般在50～80°，上部侏罗系地层段长1 800～2 200 m。在TD86、TD91等井上部地层进行了偏轴钻具组合防斜技术试验研究，较好地解决了井眼轨迹控制和提高钻井速度的矛盾，该钻具组合钻压较钟摆钻具提高了30%～50%，试验井段进尺4 786 m，平均机械钻速为1.94 m/h，提高近1倍。

4 VTK垂直钻井技术

VertiTrak系统是贝克休斯旗下的一个模块化的钻井系统，它是综合了闭环旋转导向系统（AUTO⁃TRAK）、高性能X-TREME马达、可靠的随钻测试（MWD）等3种技术而开发出来的一种闭环自动垂直钻井系统，可以钻出像枪管一样笔直的井眼［4］。

4.1 VTK垂直钻井技术原理

钻进时当MWD重力传感器检测到有井斜趋势时，即可启动液压部件，通过1～2个肋板向井壁施加30 kN作用力以对抗这一趋势，同时MWD传输实时井斜数据到地面系统以方便跟踪和监测。

4.2 钻具组合

311.2 mm PDC钻头＋241.3 mm VTK工具＋浮阀＋滤网＋308 mm扶正器＋228.6 mm减震器×3.97 m＋228.6 mm钻铤×3根＋203.2 mm钻铤×6根＋177.8 mm钻铤×6根＋127 mm钻杆

4.3 现场应用

在川东地区的TD004-X3、BD006-H1、TD017-H8、TD017-H7、YA006-X5、YA006-X6、MY1等井现场应用7井次，试验井段井斜控制在1°以内，实现了全压钻进，累计节约钻井周期200余天。

5 三棱钻铤带滚轮划眼器防斜技术

三棱钻铤是在规径圆材上，均布地铣出3个面，3面的内切圆直径与钻铤的标准系列匹配，形成外形具有3个直棱的钻铤。外棱镶崁有硬质合金齿，增大它的耐磨性，延长它的使用寿命。其特点是在满足环空过流面积以及防止挂砂的条件下，所获得的刚度为最大。

5.1 防斜机理

三棱钻铤的特点在于将传统满眼钻具组合中的点支撑变为线支撑，同时增大底部钻具抗弯刚度，在较高的钻压下保持钻头稳定、不偏移，使其沿轴向钻进，从而实现防斜打快。

5.2 钻具组合

三棱钻铤带滚轮划眼器典型钻具组合：钻头＋三棱钻铤（1根）＋三滚轮划眼器＋上部钻具组合（普通钻铤＋钻杆）

5.3 现场应用

在YD001-H2、YD4和BJ001-H5井3口井试验使用1 008.15 m，平均机械钻速为3.96 m/h，对比同井段常规钟摆钻具及刚性满眼钻具的机械钻速提高10%以上，井斜控制在设计范围内。

6 弯螺杆带MWD防斜打直技术

弯螺杆带MWD防斜打直技术采用弯螺杆、稳定器与MWD仪器的合理组合，形成了能够及时读取数据并调整井眼轨迹的预防和纠正技术，是基于定向井、水平井基础上发展而来的主动式防斜技术［5］。

6.1 弯螺杆带MWD钻具组合防斜机理

弯螺杆带MWD防斜打直是预弯曲动力学防斜打直技术中的一种，主要利用预弯曲动力学防斜打快钻具组合在井眼中的涡动特征，在钻头上形成一个远大于钟摆降斜力的防斜力［6］。当此防斜力不能满足井斜控制要求时，可以采取定向降斜的方式及时调整井眼轨迹。既充分发挥了PDC钻头高效、快速的优势，又实现了预弯曲动力学钻具的防斜效果，同时还能够满足井眼轨迹控制要求。

6.2 钻具组合

弯螺杆带MWD典型钻具组合：PDC钻头＋弯螺杆钻具（带欠尺寸稳定器）＋MWD仪器＋短钻铤＋欠尺寸稳定器＋钻铤＋钻杆6.3 现场应用

在YA26、DT002-X9、YC1、XY6井等8口井现场应用该技术，井眼轨迹均得到较好的控制，同时大幅度提高了机械钻速。其中YA26井是云安厂构造的一口预探井，该井上部地层倾角高达68°，地层易斜，而且该井处于多个断层带，上部直井段井眼轨迹控制难度极大，在云安26井应用弯螺杆带MWD防斜打直技术，钻至井深2 612 m时上部井段最大井斜仅有3°，闭合距30.42 m，达到了设计要求。