连续取芯技术在长水平段水平井中应用探讨

张士超

（大庆油田钻探工程公司钻井工程技术研究院，黑龙江 大庆 163000）

1 技术难点及对策

我国老油田经过了几十年开发，目前已经进入了开发的中后期，勘探开发难度不断增加，优质储量区开发程度比较高，剩余区块以复杂断块为主。为了提高油田原油的产量，加大了对致密油、页岩油气的开发力度，这类油气藏属于特低空、特低渗油气藏，采用直井开发产量低，很难达到经济效益，通常使用水平井开发，特别是长水平段水平井，水平段比较长，与油藏接触面积大，提产效果比较明显，水平井产量可以达到直井的3 倍以上。控制采油不稳定因素，修复特殊油气藏，最大限度地提高其榨油效率。由于长水平井钻井技术涉及的作业过程相对复杂，施工作业较直井复杂得多，特别是长水平段水平井，由于其井身结构特殊，在水平井施工方面存在一定的技术局限性，需要不断加大技术攻关，提高长水平段水平井应用效果。近年来，随着钻井技术的不断进步，长水平段水平井钻井技术也得到了长足发展，特别是目前在非常规油气资源成勘探开发热点，在页岩气开发、页岩油开发等非常规油气资源开发中，应用越来越多，提产效果显著，已经成为非常规油气资源开发首选的井型。长水平段水平井水平段多在1000m以上，由于水平段较长，在储层中穿越，和储层接触面积大，控制油藏的面积也大，产油段长，因此，产量也大大提高，能够显著提升页岩油气的开发效益。长水平段钻孔技术是油气开发中的一项重要技术。它可以最大限度地提高水平井筒的长度，最大限度地提高井筒与储层的合流程度，使井筒与油气储层相互接触产品是最人性化的。在一些油气藏勘探开发活动中，水平井眼长水平井段已成为提高石油产量的重要技术保障。然而，在水平钻井的长水平部分由于钻井坡度大，随着水平段增长钻头的摩擦和扭矩急剧增加，这会影响钻头继续钻孔的效率。

1.1 轨迹控制难点

目前长水平井水平位移钻井主要有两种技术：一种是基于螺旋钻具弯曲护套的滑动复合钻井技术，另一种是基于旋转钻具钻井技术的旋转导向钻井技术。但是，无论采用何种钻孔方法目标是精确控制钻孔轨迹。增加水平段位移长度，尽可能提高机械钻速，保证相对较低的开采成本，目前纵向水平段扩轨技术在大多数国家仍然有限，同时基于弯曲夹套螺钉钻具的滑动结合钻井技术，钻孔清洁效果很差。钻柱与井壁的接触使井壁与井底的摩擦阻力完全作用在钻柱的轴线上，从而使钻柱扭结，难以将有效的钻压施加到井壁上，导致钻进困难。长水平段水平井钻井的最大难题是克服井壁摩擦阻力，以及提高井壁稳定性，防止发生井壁失稳。目前国外水平井的水平段是通过使用旋挖钻具钻进的，长度通常为2500～3000m，最大水平段长度可达6000m以上。

1.2 取芯技术难点

长水平段水平井钻探技术具有一定的特殊性，它不同于传统的钻孔技术，由于水平段长，穿越的层位多,在轨迹控制过程中，由于受到多种因素影响，水平井井壁稳定性较差。在取芯之前要做好设计，确保井筒稳定，避免出现井壁掉块、井眼不规则的情况。由于长水平段水平井具有较长的水平段，在取芯钻井过程中，摩擦阻力会比较大，加之在定向施工过程中，提供给钻头破岩的动力相对较小，钻压相对较低，可能导致钻进难度增加，导致井眼不规则。长水平段水平井技术的应用，涉及的设备较多，钻进量较大，相应的与井壁接触面积也较大。在重力作用下，与井壁的摩擦力大。在外部压力作用下，钻柱轴向摩擦阻力会增大，由于具有较长的水平段，钻具较长，相应的钻具下的岩屑也较多，持续钻进过程中，岩屑颗粒被碾碎，细碎的岩屑进入钻井液，会影响钻井液性能，改变了钻井液润滑性，导致摩擦阻力增大。由于水平段较长，钻进过程中容易发生偏心钻进，形成偏心环，导致岩屑大量堆积，形成岩屑床，套管摩擦增大，延长了套管滑移的进程。摩擦会影响外壳位置的准确性。套管有一定的严重性，水平段的上、下段发生一定的变化，引起层流问题，空间体积减小，碎屑含量增加，进一步增加了套管的滑动摩擦。减少摩擦的影响，劳动工作人员一般会调整水平段和斜井段的位置关系，使套管居中，以减少下方的摩擦。同时，下钻柱附着在钻孔底壁上时，钻孔底部周围环空的宽度发生显著变化，影响钻井泥浆的湍流，导致在当流速低时，钻孔中的宽间隙和窄间隙会增加剪切速率。在这些工况下，岩屑容易沉入井壁，不易清除，从而形成岩屑床。随着钻柱滑下钻进，钻孔底部形成的钻屑增加了钻柱的轴向摩擦力，阻碍了钻头的有效钻进；随着钻柱的旋转，钻孔下降，钻杆侧壁上形成的岩屑床增加了钻柱上的周向摩擦力矩，影响了钻头的旋转，这直接降低了钻井作业的效率，增加了井眼轨迹控制的难度。

1.3 钻井液技术难点

复合钻孔工艺以旋转钻孔为主，滑动钻孔为辅。这种方法虽然可以钻出水平段较长的水平井，但“滑—转—滑—转”的钻井过程，周期性交替，往往会导致钻孔弯曲，钻孔质量差，进而导致钻孔摩擦，减少了水平段的延伸长度，而且这种钻孔方法费时费力。在钻长水平段时，它不是一种有效的操作方法。采用旋转转向轮钻井系统的旋转导向钻井技术已被证明是一种有效的水平位移放大钻井方法，只有有效、平稳地增加位移，才能降低后续钻井和完井的运营成本。但是，由于中国没有自主研发的旋挖钻机系统，因此需要向许多大型海上油田公司租赁旋挖钻机设备。租金昂贵，必须提前预订，这意味着直接增加运营成本。因此，当使用本地生产的旋转钻井系统时通常需要结合预计的钻井产量来评估经济效益。由于国内石油储备不足，因此，在水平段较长的水平井中使用旋转钻井系统是不经济的。

2 关键工艺技术

2.1 取芯钻头及工具选择

受限于先进的旋转导向钻井工具，并考虑各种经济优势下稳定器的数量以及稳定器与钻头之间的距离将主要在钻井稳定斜坡的水平段时发生变化，例如，作为靠近钻头的稳定器。实现水平段稳定斜钻国内使用的“钻头+单螺杆钻头+双稳定器”或“钻头+单弧螺杆钻头+单稳定器”主要用于实现单弧螺杆钻孔。滑块控制钻孔轨迹，主要使用双稳定器或单稳定器在移动或转动钻头时在钻头上产生横向偏转力。使用复合钻孔技术进行稳定旋转钻孔时在稳定段下孔轨迹总偏转力的作用下斜率通常有轻微的上升或下降趋势。

2.2 取芯钻具组合设计

在旋挖钻进15～25m 后，需要减速定向钻进4～5m，以控制钻进轨迹。通过分析上节钻井摩擦对水平段位移和加长的影响。很明显，复合钻孔技术并不是一种理想的钻孔方法。决定使用哪种钻孔方法的关键在于打孔工具。并且钻头的浸入角趋于倾斜[1]，钻柱的总旋转不会同时改变钻头的方向。并释放稳定一致的偏斜能力，以补偿钻孔偏斜变化的自然趋势。当今钻井技术中最先进的井下导向钻机是电液一体化系统工具。它通常由两部分组成：控制机构和执行机构。内置的电子控制单元可以准确引导钻头，可水平钻孔。外部光滑而长。虽然目前国内还没有可用于工程应用的旋转导向钻井工具。经过十多年的研究形成了许多系统理论，包括整体原理图设计模型理论、分析控制理论和控制理论。在此基础上，一个技术原型诞生了，并实现扭转方向的偏转功能，因此在结合水平段钻井条件时以现有导向钻具的理论结果为参考。

2.3 取芯效果分析

静态偏置推入式旋转导向钻井工具（例如贝克休斯的AutoTrack）主要依靠非旋转外壳上的测控机构来稳定加强筋的膨胀，使井底组件错位。该工具的优点是可以利用先进的控制技术来控制井底组件的偏心，并在良好的轨迹控制中实现高精度、高侧负荷和快速的施工速度。但是，井眼中的复杂条件要求该工具对控制肋材伸缩的非旋转外套筒上的电磁阀具有极高的控制精度，并且转向执行器的结构复杂。动态预张紧旋转钻具（如斯伦贝谢的PowerDrive）在结构上比静态壁面旋转钻具更简单（可减少钻头摩擦），小型化倾向好。这确保该工具适用于各种复杂的任务，环境和轨道的可扩展性更强，但控制井内稳定平台的稳定性更难。并且翼肋（Wings）经常被拉伸，这很容易对井底和井壁造成振动和冲击。静态定向钻具（如哈里伯顿的Geo.pilot）利用静态工作原理来控制钻机的钻井特性，为钻具轴提供了一种有效的方法，并且施工速度由工具本身决定，不影响钻孔桩的岩性，在松软不平整的地层钻孔效果更佳。钻孔平稳无钻孔，缺点是钻柱要承受高强度交流电压。疲劳损伤、适度的位移膨胀、零件的精密加工、零件的装配、轴承的密封是保证手工效果的关键工具。

3 结论与认识

旋转钻孔法可以减少水平孔长度的水平部分的摩擦，并最大化水平部分的长度。当采用旋挖混合钻井技术时，钻井斜度通常表现为坡度增大或减小。水平截面不适合固定钻孔，为了改变钻孔路径的偏转特性，提出了一种旋转钻具。它可以稳定地撞击钻孔底部并产生合适的偏转测力计来补偿钻头吸收的侧向力。从旋转偏转冲头对下孔弯曲变形的影响，得到求解下孔弯曲力的非线性方程。偏转钻井工具控制轴扭矩稳定性分析表明，控制轴稳定性主要受重力块重量和重心到心轴轴线距离的影响。当重力块与心轴的距离最大时，扇形结构的重力块夹角为180°。为防止钻孔和钻孔过程中岩芯杆在轴向压力的影响下弯曲变形，在工具结构设计过程中，座垫通过螺钉固定在上支撑和外杯体上，下座垫采用机械支撑。通过改变活塞的横截面以及作用在手掌和销钉上的力之间的距离，可以改变执行器设计过程中浮子悬架的斜度大小。如今，水平纵向钻井在石油钻井领域是一项比较成熟的技术。并且没有足够的经验可以作为刀具设计的参考，国内外没有像本文介绍的旋挖钻具这样的刀具。本文档介绍的旋挖钻具能否与水平旋挖钻具配套使用？还需要进一步的实证证明，此外，在本文的研究过程中还有一点需要讨论：工具产生的力和钻头吸收的侧向力的具体变化尚不清楚。并且必须为复杂的钻井条件提供特定的模拟条件。工具受到的影响更大。需要研究仪器振动时控制轴的定量比。有限元分析主要部件在设计工具结构时尚未完成。