牙輪、PDC鉆頭配合在營6-平12井軌跡控制中的應(yīng)用

管錫斌

1長江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北省荊州市 434023

2勝利鉆井工程技術(shù)公司定向井公司定向三隊(duì)，山東省東營市 257064

牙輪、PDC鉆頭配合在營6-平12井軌跡控制中的應(yīng)用

管錫斌1.2

1長江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北省荊州市 434023

2勝利鉆井工程技術(shù)公司定向井公司定向三隊(duì)，山東省東營市 257064

PDC鉆頭在定向井成功應(yīng)用，可以大大提高機(jī)械轉(zhuǎn)速，但由于PDC鉆頭在結(jié)構(gòu)與鉆進(jìn)參數(shù)上的特殊性，造成了定向井中井眼軌跡控制方面上的難度；牙輪鉆頭恰恰相反，雖然在軌跡控制上更容易，但是其機(jī)械鉆速卻不能與PDC鉆頭同日而語。營6-平12井根據(jù)牙輪、PDC鉆頭的不同特點(diǎn)在現(xiàn)場(chǎng)施工過程中靈活配合使用,加之技術(shù)保證措施正確,各方面配合密切,取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

牙輪；PDC；特點(diǎn)；軌跡控制；機(jī)械鉆速

1.牙輪鉆頭和PDC鉆頭的特點(diǎn)及規(guī)律

1.1 牙輪、PDC鉆頭特點(diǎn)

三牙輪鉆頭破巖以壓碎和沖擊破巖為主,牙輪在井底滾動(dòng)時(shí)伴隨產(chǎn)生一定的剪切破巖。所以三牙輪鉆頭時(shí)應(yīng)用大鉆壓、低轉(zhuǎn)速的參數(shù)組合。

PDC鉆頭破巖是以剪切破巖為主 ,并伴隨少量的壓碎破巖。這一破巖機(jī)理決定了在使用PDC鉆頭時(shí)應(yīng)用小鉆壓、高轉(zhuǎn)速的參數(shù)組合。

由于PDC鉆頭的破巖特點(diǎn)決定了 PDC鉆頭所適應(yīng)的地層應(yīng)是軟到中硬地層 ,且?guī)r性均質(zhì)、脆性較大。一般的地層剪切強(qiáng)度要小于抗壓強(qiáng)度,剪切破碎的巖石體積大于 PDC切削塊的吃入體積 ,且PDC鉆頭沒有牙輪鉆頭的壓持效應(yīng),所以在 PDC鉆頭適應(yīng)的地層,其機(jī)械鉆速比三牙輪的機(jī)械鉆速明顯提高。[1]

由于鉆壓的差異，進(jìn)行復(fù)合鉆進(jìn)時(shí)采用牙輪鉆頭往往會(huì)產(chǎn)生明顯的增斜效果，而使用PDC鉆頭卻是穩(wěn)斜甚至降斜效果。但是在剛開始定向時(shí)，由于PDC鉆頭與牙輪鉆頭相比在破巖機(jī)理、鉆進(jìn)參數(shù)的特點(diǎn)，往往難以控制，而且由于其對(duì)鉆壓的超敏感性，只要鉆壓稍大或稍小，工具面都會(huì)跑，給定向施工帶來一定的困難，所以在定向時(shí)很多井隊(duì)都喜歡使用牙輪鉆頭，這點(diǎn)也是牙輪鉆頭和PDC鉆頭相比獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

1.2 工作規(guī)律

在總結(jié)現(xiàn)場(chǎng)施工的經(jīng)驗(yàn)時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)使用PDC鉆頭鉆進(jìn)時(shí)，井眼方位飄移遵循以下規(guī)律：

1、井斜角越大，井眼方位飄移量越??；井斜大于15°時(shí)，井眼方位比使用牙輪鉆頭穩(wěn)定。

2、提高轉(zhuǎn)速，可使井眼方位左漂趨勢(shì)減弱，甚至出現(xiàn)右漂。

2.營6-平12井軌跡控制

2.1 營6 -平12井基本數(shù)據(jù)

2.2 井眼軌跡控制的技術(shù)難點(diǎn)

1、本井為水平井，施工難度大，不可預(yù)見性因素較多。

2、中靶難度大。該井靶半高要求僅為上下0.5m,靶半寬為左右5 m,中靶難度的增大對(duì)井斜控制提出了更高的技術(shù)要求。

3、防斜打直段長，防碰井較多。對(duì)于水平井來說,直井段的井身質(zhì)量要求十分嚴(yán)格,一旦井斜或井底位移超標(biāo),就會(huì)對(duì)以后造斜段和水平段的井眼軌跡控制造成很大的困難。而該井直井段長約2420 m,所以需采取有效的防斜打直技術(shù)措施予以保證。本井為老區(qū)開發(fā)井，臨井較多，防碰情況較為復(fù)雜，加強(qiáng)實(shí)時(shí)監(jiān)控，勤做防碰掃描，加密測(cè)點(diǎn)，以求提高測(cè)量精度。在直井段即要求進(jìn)行繞障，如不進(jìn)行繞障，直井段距離營6-斜29井最近距離0.24m。

4、本井上部地層松軟，地層造斜能力差，且是在大尺寸井眼鍛造斜，因此造斜難度較大。

5、井身軌跡撓度變化大,鉆具在井內(nèi)多處彎曲,導(dǎo)致摩阻和扭矩增加,鉆壓不易傳遞至鉆頭,突然釋放摩阻或扭矩時(shí),將會(huì)損壞鉆頭,大大降低鉆頭壽命。

2.3 井眼軌跡控制

本井全井使用動(dòng)力鉆具，為做好軌跡控制，根據(jù)鉆具鉆進(jìn)的效果合理選擇施工措施，調(diào)整好滑動(dòng)鉆進(jìn)與復(fù)合鉆進(jìn)的比率，保證井眼軌跡的平滑，為后期水平段的延伸做好前期降摩工作。

1、二開井段軌跡控制：

(1)、二開直井段351.00～2422m,地層是明化鎮(zhèn)組～沙三段，設(shè)計(jì)要求井斜角＜45′。

由于直井段既要節(jié)約施工時(shí)間，又要保證井斜要求。所以利用PDC鉆頭機(jī)械鉆速的優(yōu)勢(shì)，在二開直井段采用PDC鉆頭加低度數(shù)動(dòng)力鉆具的組合，如下：Ф311. 20mmPDC鉆頭*0.40m+Ф197.00mm*1. 25°動(dòng)力鉆具*8.42m+631×630回壓凡爾*0.46m+631×630定向接頭*0.58m+Φ 203.20mm無磁鉆鋌*8.00m+Φ203.20mm鉆鋌*17.40m +631×410配合接頭*0.49m+ Ф177.80mm無磁鉆鋌*8.99m+Φ177.80mm鉆鋌*42.77m+Φ127.00mm斜坡鉆桿*343. 58m+Φ127.00mm加重鉆桿*135.49m +Φ 127.00mm鉆桿。

在復(fù)合鉆進(jìn)過程中保持鉆壓30～40KN，泵壓：8～10MPa。其間測(cè)得一點(diǎn)井斜1.01°，超過設(shè)計(jì)小于45′的要求。為防止井斜角繼續(xù)增大，對(duì)下面的造斜段和水平段產(chǎn)生更大的負(fù)面影響，及時(shí)采取了吊打鉆進(jìn)的措施，將鉆壓減為20KN，井斜角糾正回0.27°，滿足設(shè)計(jì)要求。PDC鉆頭的高機(jī)械鉆速在直井段發(fā)揮得淋漓盡致，即使在吊打過程中也高效的完成任務(wù)。

(2)、二開繞障段800～900m，井斜5°，方位270°，狗腿10°/100m。

在二開繞障段利用三牙輪鉆頭在定向時(shí)對(duì)工具面的相對(duì)穩(wěn)定性，再加上上部地層松軟，造斜能力差，為滿足5°的設(shè)計(jì)井斜要求，選擇1.50°動(dòng)力鉆具。鉆具組合如下：Ф311.20mmHAT127鉆頭*0.25m+ Ф197.00mm*1.50°動(dòng)力鉆具*8. 49m+631×530配合接頭*0.48m+531× 630定向接頭*0.38m+Φ203.20mm無磁鉆鋌*8.00m+631×410配合接頭*0.49m+ Φ177.80mm無磁鉆鋌*8.99m+Ф127. 00mm加重鉆桿*135.49m+Ф127.00mm鉆桿。

為防止狗腿過大超過設(shè)計(jì)要求，并考慮到地層松軟等原因，在730m即開始定向繞障，保持鉆壓40～50KN，泵壓8～10Mpa。繞障過程中，沒有出現(xiàn)明顯的因地層松軟不起斜的現(xiàn)象，所以不采用整單根定向的方法，改為半定半轉(zhuǎn)，定轉(zhuǎn)結(jié)合，效果較好，在793m達(dá)到井斜5.02°，方位271°。牙輪鉆頭的穩(wěn)定性在造斜過程中表現(xiàn)突出，工具面基本穩(wěn)定在要求范圍內(nèi)，上下波動(dòng)不超過10°。

繞障成功后，為及時(shí)修正井斜和方位，再次利用牙輪鉆頭的穩(wěn)定性配合1.75°動(dòng)力鉆具組合如下：Ф311.20mmHAT127鉆頭*0. 25m+Ф197.00mm*1.75°動(dòng)力鉆具*8. 41m+631×530配合接頭*0.48m+531×630定向接頭*0.38m+Φ203.20mm無磁鉆鋌*8. 00m+631×410配合接頭*0.49m+Φ177. 80mm無磁鉆鋌*8.99m+Ф127.00mm加重鉆桿*135.49m+Ф127.00mm鉆桿。

鉆壓20～50KN，泵壓8～10MPa，根據(jù)設(shè)計(jì)為保證方位角不變化，井斜糾正回0°，900m開始回扣井斜，在角差量取計(jì)算準(zhǔn)確的前提下，工具面擺置全降井斜。為避免狗腿超過5°/100m的設(shè)計(jì)要求，仍然采取定轉(zhuǎn)結(jié)合的方法。牙輪鉆頭的穩(wěn)定性再次凸顯出來，至井斜回復(fù)0°，方位角的變化在4°以內(nèi)。

2、三開井段軌跡控制：

(1)、三開直井段2422～2460m。地層進(jìn)入沙三段，要求井斜角＜ 45′，優(yōu)選參數(shù)，提高機(jī)械鉆速。

因?yàn)樵O(shè)計(jì)中明確要求提高機(jī)械鉆速，所以在施工過程中采用如下鉆具組合：Φ 215.90mmPDC鉆頭*0.30m+Φ172. 00mm*1.50°動(dòng)力鉆具*7.84m+431*4A10配合接頭*0.50m +Φ158.80mm無磁鉆鋌*8.81m+4A11*410配合接頭*0.50m +Φ 177.80mm懸掛短節(jié)*4.72m+Φ127.00mm無磁承壓鉆桿*9.27m +Φ127.00mm加重鉆桿*128.00m+Φ127.00mm。

由于此直井段長度較短，并且二開直井段井斜控制較好，所以在快速鉆進(jìn)的過程中井斜沒有出現(xiàn)較大偏差。

(2)、三開造斜段2460～2909.29m 。地層沙三段，井斜角：0～88.27°。

由于PDC鉆頭在此深度定向時(shí)，工具面不穩(wěn)定性非常明顯，所以改為牙輪鉆頭配合1.50°動(dòng)力鉆具的組合如下：Φ215. 90mmHAT447鉆頭*0.30m+Φ172. 00mm*1.50°動(dòng)力鉆具*7. 46m+431*4A10+配合接頭*0.40m +Φ 212.00mm扶正器*0.65m+4A11*410+配合接頭*0.50m +Φ177.80mmFEWD*7.06m +Φ177.80mm懸掛短節(jié)*4.72m+Φ127. 00mm無磁承壓鉆桿*9.27m +Φ127. 00mm鉆桿*429.41m+Φ127.00mm加重鉆桿*128.00m+Φ127.00mm鉆桿。

鉆壓控制在100～120KN，泵壓12～15MPa。轉(zhuǎn)高邊后在2530.67～2594.30 m 高邊工具面為60°～70°, 井斜已達(dá)27.2°，方位228.31°。在2594.30～2662.68m ,工具面處于80°～90°之間，方位緩慢調(diào)整至267. 01°,井斜已達(dá)40.39°,在后面的施工中根據(jù)LANMARK軟件的掃描數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控井身軌跡做好防碰，隨鉆隨測(cè)監(jiān)控井眼軌跡，根據(jù)實(shí)際情況采用滑動(dòng)鉆進(jìn)和復(fù)合鉆進(jìn)兩種方式施工，隨時(shí)調(diào)整井斜方位，逐步逼近設(shè)計(jì)線直至入靶。

(3)、三開水平段2909.29～3206.62m。地層沙三段，井斜角：88.27°。

一般情況下,斜井段、入窗段以滑動(dòng)鉆進(jìn)為主 ,水平段以復(fù)合鉆進(jìn)為主,且水平段巖性穩(wěn)定 ,所以斜井段、入窗段以三牙輪鉆頭為主力鉆頭較好,水平段應(yīng)用 PDC鉆頭提高鉆進(jìn)效率、減少起下鉆時(shí)間。

因此，在進(jìn)入水平段后，鉆具組合改為：Φ215.90mmPDC鉆頭*0.30m+Φ172. 00mm*1.25°動(dòng)力鉆具*7.46m+431*410配合接頭*0.50m +Φ177.80mm懸掛短節(jié)*4.72m+Φ127.00mm無磁承壓鉆桿*9. 27m +Φ127.00mm鉆桿*429.41m +Φ 127.00mm加重鉆桿*128.00m+Φ127. 00mm。

控制鉆壓20～40KN，泵壓12～15MPa。少滑動(dòng)多復(fù)合，微調(diào)整勤調(diào)整。順利完鉆。

3.認(rèn)識(shí)總結(jié)

1)充分利用兩種鉆頭復(fù)合鉆進(jìn)時(shí)的方位漂移規(guī)律，將原來傳統(tǒng)向左預(yù)留3～4°余量改為不留余量或向右留余量。

2)根據(jù)PDC鉆頭的在東營組和沙一段地層采用1擋低速鉆進(jìn)時(shí)左漂、采用2檔高速鉆進(jìn)時(shí)右漂的特點(diǎn)，采用1檔2檔交替鉆進(jìn)的方式，可以有效控制方位飄移。

3)鉆井參數(shù)和鉆頭的優(yōu)選是水平井施工中一個(gè)很重要的技術(shù)環(huán)節(jié),在長造斜段和水平段的施工過程中,建議使用PDC鉆頭,以進(jìn)一步節(jié)省鉆井成本。

4)FEWD儀器可以對(duì)巖性變化有效識(shí)別,但未能對(duì)其進(jìn)行提前預(yù)測(cè),而且由于增加了測(cè)斜零長井身軌跡控制的難度加大,不利于水平段滑動(dòng)鉆進(jìn)的施工,這是需要改進(jìn)的地方。

[1]陳庭根，管志川.鉆井工程理論與技術(shù).石油大學(xué)出版社.2000.8

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.15.018

管錫斌，山東科技大學(xué)學(xué)士，長江大學(xué)工程碩士，助理工程師。研究方向，鉆井工程，定向井跡控制。