vorteX型動(dòng)力導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)在渤海油田的應(yīng)用

付建民， 韓雪銀， 馬英文， 王 佳， 冉宏應(yīng)

(1.中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司，天津 300452；2.中海石油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452；3.斯倫貝謝中國(guó)海洋服務(wù)公司，天津 300457)

JZ25-1S、BZ13-1和CFD18-2等油田是渤海油田建設(shè)的一批新油田，普遍具有儲(chǔ)層埋藏深、壓實(shí)程度高的特點(diǎn)，鉆井過程中多表現(xiàn)出鉆速低、周期長(zhǎng)等問題，導(dǎo)致投資較高、效益較低。對(duì)此進(jìn)行分析認(rèn)為，主要原因是鉆進(jìn)中鉆具的摩阻消耗了過多的頂驅(qū)輸出能量，造成傳至井底的破巖能量不足、井眼軌跡調(diào)整困難。針對(duì)這一情況，優(yōu)選并試用了vorteX型動(dòng)力導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，該系統(tǒng)效果很好，可以解決渤海油田鉆井中出現(xiàn)的問題，為該油田深井及大位移井鉆井提供了技術(shù)支持。

1 渤海油田開發(fā)難點(diǎn)及解決思路

1.1 渤海油田開發(fā)難點(diǎn)

隨著渤海油田開發(fā)的日益深化，深井和大位移井所占比例越來越大，如BZ13-1和CFD18-2等復(fù)雜斷塊油氣藏埋深超過3 000 m甚至4 000 m，需采用深井開發(fā)；而JZ25-1S和JX1-1B等控油面積大的油田多采用大位移井開發(fā)。這2類油田集中反映了渤海油田當(dāng)前的開發(fā)難點(diǎn)，具體為：

1) 開發(fā)層位深，機(jī)械鉆速低。開發(fā)層位多為東營(yíng)組或沙河街組地層，巖性以砂泥巖互層、大套泥巖為主，常含灰質(zhì)，質(zhì)地硬且壓實(shí)程度高，導(dǎo)致機(jī)械鉆速較低，如JZ25-1S油田的探井(見表1)。

2) 裸眼段長(zhǎng)，井眼軌跡控制困難。隨著井深增加，裸眼長(zhǎng)度也增加至2 000～3 000 m。超長(zhǎng)裸眼段帶來巨大的啟動(dòng)摩阻和摩擦阻力，產(chǎn)生滑動(dòng)脫壓、壓差卡鉆等問題，稍有不慎就出現(xiàn)井眼軌跡偏離、脫靶甚至卡鉆等故障，影響單井開發(fā)效果，造成經(jīng)濟(jì)損失。

表1 JZ251S油田探井作業(yè)情況Table 1 Operation summary of exploratory well in JZ251S Oilfield

3) 設(shè)備能力有限，井下風(fēng)險(xiǎn)激增。隨著井眼的延伸和井斜角的增大，設(shè)備的負(fù)荷逐步增大，作業(yè)參數(shù)要求和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備能力之間的矛盾突出，作業(yè)環(huán)境惡化，井下風(fēng)險(xiǎn)激增，如高扭矩帶來的鉆具刺漏和斷裂等問題時(shí)有發(fā)生，環(huán)空返速過低引起的憋卡等問題不時(shí)出現(xiàn)。

1.2 解決問題的技術(shù)思路

對(duì)于上述問題，現(xiàn)有鉆具均無法徹底解決。螺桿鉆具由地面鉆井泵提供動(dòng)力，可帶動(dòng)鉆頭高速轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到快速破巖的效果，但無法解決本體不動(dòng)帶來的滑動(dòng)效率低下問題。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具可全時(shí)旋轉(zhuǎn)，輕松完成井眼軌跡調(diào)整；但其動(dòng)力來自井口頂驅(qū)轉(zhuǎn)動(dòng)，超長(zhǎng)井眼消耗了過多能量，用于鉆頭破巖的動(dòng)力所剩無幾；此外，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向所需的高轉(zhuǎn)速，會(huì)造成扭矩過大，加速鉆具疲勞和磨損，這也是鉆具刺漏、斷裂等故障頻發(fā)的主要原因之一。分析認(rèn)為，“充足的井底破巖能力”和“輕松的井眼軌跡調(diào)整方式”是解決問題的關(guān)鍵，而這2點(diǎn)分別是螺桿鉆具和旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具的特點(diǎn)。因此，“井下動(dòng)力”配合“實(shí)時(shí)旋轉(zhuǎn)”，成為了解決“破巖動(dòng)力需求與設(shè)備能力限制”這一矛盾的技術(shù)思路。

基于以上分析，綜合考慮鉆具功能和經(jīng)濟(jì)效益，優(yōu)選并試驗(yàn)了vorteX型動(dòng)力導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)。

2 vorteX型動(dòng)力導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

2.1 結(jié)構(gòu)組成

vorteX型動(dòng)力導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)由大扭矩井下動(dòng)力總成、Filter+Flex總成、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)等組成(見圖1)。其中，動(dòng)力總成是一種功率大、可靠性高的直螺桿鉆具，其動(dòng)力由泵排量提供，可在井下產(chǎn)生額外動(dòng)力帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)頭高速轉(zhuǎn)動(dòng)并輸出能量(見圖2)；旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具主要負(fù)責(zé)鉆具的全程旋轉(zhuǎn)和接收并執(zhí)行井眼軌跡調(diào)整指令[1-2]。

圖1 vorteX型動(dòng)力導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及信號(hào)傳輸示意Fig.1 Schematic diagram of structure and signal transmission of PowerDrive vorteX drilling system

圖2 vorteX型動(dòng)力導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)中動(dòng)力總成輸出扭矩曲線Fig.2 Output curve of PowerDrive vorteX power section

信號(hào)傳輸方面，vorteX型動(dòng)力導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)與MWD儀器配合使用，通過C-Link途徑(一種短距離電磁波信號(hào)傳輸方式)和鉆井液脈沖構(gòu)成信號(hào)雙向傳導(dǎo)，從而成為統(tǒng)一整體。鉆進(jìn)中，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)執(zhí)行地面指令并將CU單元測(cè)得的近鉆頭數(shù)據(jù)(含伽馬、井斜角、方位角和系統(tǒng)工作模式代碼等數(shù)據(jù))通過C-Link途徑傳遞給動(dòng)力總成以上的MWD儀器，再由MWD儀器實(shí)時(shí)傳至地面儀器；當(dāng)需要進(jìn)行井眼軌跡調(diào)整時(shí)，由地面下達(dá)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向?qū)Ｓ弥噶?通過調(diào)整泵排量及持續(xù)時(shí)間發(fā)送)，實(shí)現(xiàn)預(yù)先設(shè)定的增降斜、扭方位和穩(wěn)斜穩(wěn)方位等作業(yè)目的。指令發(fā)送成功后，系統(tǒng)會(huì)通過C-Link發(fā)送一個(gè)代碼給MWD，用以確認(rèn)指令正確[3-4]。

2.2 技術(shù)原理

vorteX型動(dòng)力導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)結(jié)合了現(xiàn)有螺桿鉆具和旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具2種鉆具的優(yōu)點(diǎn)，其核心是將旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)和大扭矩井下動(dòng)力總成進(jìn)行結(jié)合，通過增加額外的井下動(dòng)力，達(dá)到提高機(jī)械鉆速和拓寬作業(yè)能力的目的。其中，利用螺桿鉆具的高轉(zhuǎn)速和鉆具轉(zhuǎn)動(dòng)傳遞的鉆壓來快速鉆進(jìn)，利用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)控制井眼軌跡，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確鉆進(jìn)[5]。在信號(hào)傳輸和整體化構(gòu)建方面，由于螺桿鉆具的介入阻斷了原有的通訊路徑，因此將鉆井液作為介質(zhì)進(jìn)行短程數(shù)據(jù)傳導(dǎo)(電信號(hào)在鉆井液中損耗較大，無法進(jìn)行長(zhǎng)距離傳導(dǎo))；同時(shí)配合使用鉆井液脈沖和MWD等儀器，構(gòu)成該動(dòng)力鉆井系統(tǒng)的閉環(huán)通訊。

2.3 技術(shù)特點(diǎn)

1) 動(dòng)力充足。動(dòng)力導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)配備的高扭矩動(dòng)力總成，可將鉆井液水力動(dòng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，帶動(dòng)鉆頭高速旋轉(zhuǎn)；在頂驅(qū)旋轉(zhuǎn)的配合下，顯著提高了鉆頭轉(zhuǎn)速，使其達(dá)200 r/min以上，并使鉆壓得以有效傳遞，機(jī)械鉆速明顯提高。此外，特別設(shè)計(jì)的軸承和傳輸系統(tǒng)可承受更大的操作載荷，能確保鉆井安全，增大單趟進(jìn)尺。

2) 全時(shí)旋轉(zhuǎn)。因?yàn)樗@地層為硬質(zhì)地層，因此vorteX型動(dòng)力導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)采用推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向方式，通過控制肋板對(duì)井壁的推靠達(dá)到控制井眼軌跡的目的，如圖3所示。其作用過程大致為：隨鉆柱一起旋轉(zhuǎn)的下盤閥上的液壓孔依次與上盤閥上的高壓孔接通，鉆柱內(nèi)部的高壓鉆井液通過該臨時(shí)接通的通道進(jìn)入相關(guān)的肋板以支撐液壓腔，在鉆柱內(nèi)外鉆井液壓差的作用下，肋板伸出。隨著鉆柱的旋轉(zhuǎn)，每個(gè)肋板都將在設(shè)計(jì)位置支出，為鉆頭提供一個(gè)側(cè)向力，產(chǎn)生導(dǎo)向作用。推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向方式使鉆具處于全時(shí)旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，徹底擺脫了滑動(dòng)摩阻的影響，使井眼軌跡控制變得簡(jiǎn)單高效。此外，該系統(tǒng)具有自動(dòng)穩(wěn)斜功能，無需工程師干預(yù)即可在穩(wěn)斜段自動(dòng)鉆進(jìn)，同時(shí)獲得較高的機(jī)械鉆速和更為精確的井眼軌跡控制。

圖3 支撐肋板及工作原理示意Fig.3 Rib of rotary steering system and its working principle diagram

3) 負(fù)荷降低。vorteX型動(dòng)力導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)使底部動(dòng)力大幅度提高，對(duì)鉆柱轉(zhuǎn)速及鉆機(jī)負(fù)荷的要求也隨之降低，可由120 r/min降至60 r/min，降低了鉆機(jī)能力要求；同時(shí)，上部套管的磨損狀況也得到了明顯緩解，保障了井下安全。通常情況下，鉆具磨損與鉆柱總回轉(zhuǎn)數(shù)成正比，即鉆柱總回轉(zhuǎn)數(shù)=(轉(zhuǎn)速/機(jī)械鉆速)×井段長(zhǎng)度。對(duì)于同樣的井段長(zhǎng)度，若機(jī)械鉆速提高1倍、轉(zhuǎn)速降低一半，則鉆柱總回轉(zhuǎn)數(shù)可降低至原來的1/4，磨損程度大大減輕。

4) 井眼清潔。根據(jù)Schlumberger公司提出的大位移理論，井眼中旋轉(zhuǎn)的鉆具如同巖屑傳輸帶，可將巖屑攪離井眼低邊并及時(shí)清理出井筒?；诖?，vorteX型鉆井系統(tǒng)全程旋轉(zhuǎn)的特性有助于井眼清潔，消除巖屑床，降低發(fā)生壓差卡鉆的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，螺桿鉆具鉆出的井眼屈曲度大、井壁粗糙，該系統(tǒng)鉆出的井眼平滑，更加有利于井眼清潔和套管的順利下入(見圖4)。

圖4 2種鉆具所鉆井眼對(duì)比Fig.4 The comparison of two BHA’s wellbore diameter

3 vorteX型動(dòng)力導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的應(yīng)用與評(píng)價(jià)

3.1 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及效果

vorteX型動(dòng)力導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)首先在BZ13-1油田進(jìn)行了試用。結(jié)果表明，與使用螺桿鉆具的A2井相比(機(jī)械鉆速5.34 m/h)，使用vorteX型動(dòng)力導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的A2s井、A4井、A5井、A6井、A1井和A9井的機(jī)械鉆速提高到6.96～16.29 m/h，機(jī)械鉆速提高30.34%～205.06%，如圖5所示。

此后，vorteX型動(dòng)力導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)在BZ25-1油田進(jìn)行了進(jìn)一步試驗(yàn)。BZ25-1油田的開發(fā)層位沙河街組為大套泥巖，隨著井深增加鉆機(jī)負(fù)荷驟增，鉆速緩慢。A17井在3 900～3 950 m井段扭矩最高達(dá)到45 kN·m。在這種情況下，開始使用vorteX型動(dòng)力導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)，取得明顯效果(見圖6)：扭矩顯著降低，最高值降為36 kN·m；鉆具刺漏情況大幅減少；平均機(jī)械鉆速由20 m/h提高至35～40 m/h。

圖5 螺桿鉆具與vorteX型鉆井系統(tǒng)的鉆井效果對(duì)比Fig.5 The comparison of two BHA’s performance

圖6 螺桿鉆具與vorteX型鉆井系統(tǒng)在A17井的效果對(duì)比Fig.6 The comparison of two BHA’s performance in Well A17

經(jīng)過多口井的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)之后，vorteX型動(dòng)力導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)在渤海油田開始推廣應(yīng)用。渤海BZ13-1、CFD18-2、JX1-1等油田在開發(fā)初期使用常規(guī)鉆具的鉆井時(shí)效見表2，應(yīng)用vorteX型動(dòng)力導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)后的情況見圖3。

表2渤海油田常規(guī)鉆具鉆井時(shí)效

Table2DrillingefficiencyofconventionalBHAinBohaiOilfield

應(yīng)用油田鉆具入井次數(shù)機(jī)械鉆速/(m·h-1)總進(jìn)尺/m日進(jìn)尺/mBZ13-1,CFD18-2螺桿鉆具53.41 00254旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向10.54010JX1-1,JZ25-1S和QK18-1螺桿鉆具320.51 540142旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向412.81 46685

由表2、表3及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況可知，vorteX型動(dòng)力導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)可以在旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)過程中實(shí)現(xiàn)井眼的三維控制，井眼軌跡平滑，提高了井身質(zhì)量，明顯減少了井下阻卡現(xiàn)象，降低了井下作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，完成了常規(guī)螺桿鉆具及常規(guī)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具不能完成的任務(wù)[6]。

表3渤海油田vorteX型鉆井系統(tǒng)應(yīng)用情況

Table3ApplicationsresultsofPowerDrivevorteXinBohaiOilfield

應(yīng)用油田井眼直徑/mm井?dāng)?shù)入井次數(shù)進(jìn)尺/m機(jī)械鉆速/(m·h-1)日進(jìn)尺/mBZ13-1215.9664 6489.28125CFD18-2215.9563 89414.20150JX1-1 B311.1565 30328.27163QK18-1215.911119 15223.36168JZ25-1S A215.91197833.40196

注：上述數(shù)據(jù)截至2013年5月。

3.2 經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)

vorteX型動(dòng)力導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)在渤海油田應(yīng)用，大幅度提高了機(jī)械鉆速和作業(yè)效率，節(jié)省了作業(yè)費(fèi)用。以BZ13-1等油田為例(見表4)，鉆井周期縮短達(dá)153 d，若使用日費(fèi)100萬元/d的鉆井船，則可節(jié)省費(fèi)用1億5 300萬元。同時(shí)，由于作業(yè)進(jìn)度提前，節(jié)約了鉆機(jī)資源，油田提前投產(chǎn)，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

表4 應(yīng)用Vortex型鉆井系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益分析Table 4 Economic benefits analysis of PowerDrive vorteX

注：常規(guī)鉆具指常規(guī)螺桿鉆具或旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具；上述數(shù)據(jù)截至2013年5月。

由表4可知，應(yīng)用vorteX型動(dòng)力導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)后，各油田的機(jī)械鉆速及鉆井效率明顯提高，鉆井周期大幅縮短，儲(chǔ)層保護(hù)及產(chǎn)能釋放效果顯現(xiàn)出來，油井在提前投產(chǎn)的同時(shí)，也獲得了很高的產(chǎn)能。以渤中和遼東多個(gè)油田為例，鉆前配產(chǎn)總額為2 871 m3/d，鉆后實(shí)際產(chǎn)量達(dá)到7 316 m3/d(是配產(chǎn)量的255%)，儲(chǔ)層保護(hù)及增產(chǎn)效果顯著。

4 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

1) vorteX型動(dòng)力導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的核心是將旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)和大扭矩井下動(dòng)力總成有效結(jié)合，通過增加額外的井下動(dòng)力，提高機(jī)械鉆速，降低地面設(shè)備負(fù)荷，降低施工難度和作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

2) vorteX型動(dòng)力導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)利用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向的全時(shí)旋轉(zhuǎn)特性，解決了螺桿鉆具在深井滑動(dòng)鉆進(jìn)中的問題，保障了高精度中靶。

3) vorteX型動(dòng)力導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)通過使用短距離電信號(hào)傳輸和鉆井液脈沖傳輸，構(gòu)成信號(hào)的雙向傳導(dǎo)通路，使旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)和動(dòng)力總成成為統(tǒng)一整體，既可實(shí)時(shí)反映井下情況，又可以做出及時(shí)調(diào)整，確保鉆井質(zhì)量。

4) vorteX型動(dòng)力導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)可顯著提高作業(yè)效率，使油層的浸泡時(shí)間大幅縮短、儲(chǔ)層產(chǎn)能得到有效保護(hù)，因此為渤海油田后續(xù)鉆進(jìn)深井及大位移井提供了有效的技術(shù)支撐。

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