水平井一趟鉆變徑穩(wěn)定器的研制與應(yīng)用

陳　霖，王立宏，張盤龍

(1.川慶鉆探工程有限公司 長慶鉆井總公司，西安 710018；2.長江大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖北 荊州 434000)①

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水平井一趟鉆變徑穩(wěn)定器的研制與應(yīng)用

陳霖1，2，王立宏1，張盤龍1

(1.川慶鉆探工程有限公司 長慶鉆井總公司，西安 710018；2.長江大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖北 荊州 434000)①

摘要：長慶油田部分區(qū)域鉆井施工周期短、一趟鉆技術(shù)能夠明顯減少鉆井周期，提高施工效率。介紹了研制的水平井一趟鉆變徑穩(wěn)定器的工作原理和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況。分析了目前投閥型、排量型、電傳控制型3種型號(hào)控制機(jī)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，并提出了變徑穩(wěn)定器的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：變徑穩(wěn)定器；水平井；一趟鉆

在長慶油田部分區(qū)域，水平井使用增斜鉆具組合完成斜井段施工，到達(dá)入窗點(diǎn)之后，需將BHA更換為穩(wěn)斜組合，其關(guān)鍵點(diǎn)是變換BHA中鉆具穩(wěn)定器的外徑?？勺儚椒€(wěn)定器在水平井入窗之后，穩(wěn)定器外徑增加，使BHA由增斜組合更改為穩(wěn)斜組合，減少一次起下鉆更換鉆具組合過程，實(shí)現(xiàn)二開到完井一趟鉆[1-2]。

長慶油田部分區(qū)域水平井一趟鉆技術(shù)對(duì)可變徑穩(wěn)定器的要求為：在入窗點(diǎn)實(shí)現(xiàn)變徑后，在正常鉆進(jìn)過程中外徑無需再次改變，對(duì)鉆井泵要求低，操作簡單，工具工作狀態(tài)容易確認(rèn)。

目前可變徑穩(wěn)定器種類繁多，常用可變徑穩(wěn)定器通常依靠井口對(duì)泵壓的改變來實(shí)現(xiàn)變徑目的，需要人為記住開關(guān)泵次數(shù)，操作繁瑣，容易出現(xiàn)無法確認(rèn)穩(wěn)定器井下工作狀態(tài)的情況[3]。針對(duì)長慶油田部分區(qū)域水平井一趟鉆的需要，研制了操作簡易、結(jié)構(gòu)可靠的可變徑穩(wěn)定器。

1技術(shù)分析

1.1變徑機(jī)構(gòu)

可變徑穩(wěn)定器變徑機(jī)構(gòu)種類較多，液力驅(qū)動(dòng)型變徑機(jī)構(gòu)基本原理為液力推動(dòng)活塞移動(dòng)，扶正塊與活塞相對(duì)位置改變，扶正塊彈出。在變徑機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中，主要遵循以下3個(gè)原則：①活塞結(jié)構(gòu)不承受鉆柱拉力和轉(zhuǎn)矩；②可變外徑恒定；③不停泵則扶正塊不收回?；谝陨显O(shè)計(jì)思想，所設(shè)計(jì)的變徑機(jī)構(gòu)如圖1。

圖1　可變徑穩(wěn)定器變徑機(jī)構(gòu)

其特點(diǎn)是擁有一個(gè)獨(dú)立作用于活塞的液流通道，只要對(duì)該通道進(jìn)行開關(guān)控制，就能使變徑機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)作。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于有專用液流通道作用于活塞，使整個(gè)變徑機(jī)構(gòu)動(dòng)作簡單，零件數(shù)少，減少了機(jī)構(gòu)的不可靠性，且易于確認(rèn)工具的井下工作狀態(tài)。

1.2控制機(jī)構(gòu)

根據(jù)變徑機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了3種不同原理的控制機(jī)構(gòu)，分別為投閥型、排量型、電傳控制型。

1.2.1投閥型

投閥型變徑穩(wěn)定器控制機(jī)構(gòu)包含液流開關(guān)接頭、多液流通道無磁鉆鋌、多液流通道MWD循環(huán)短節(jié)、投入閥、密封座，如圖2。

圖2　投閥式變徑穩(wěn)定器控制機(jī)構(gòu)

投閥式控制機(jī)構(gòu)的核心結(jié)構(gòu)為貫穿無磁鉆鋌和MWD循環(huán)短接而獨(dú)立于水眼的流道。液流開關(guān)接頭具有與水眼相通的旁通流道。在入窗點(diǎn)之前，旁通流道關(guān)閉。在投入閥投入后，密封座下移，打開液流開關(guān)接頭內(nèi)的旁通流道，此時(shí)液流開關(guān)接頭的旁通流道與主流道同時(shí)開啟，旁通流道中的液流經(jīng)過多液流通道無磁鉆鋌、多液流通道MWD循環(huán)短節(jié)的獨(dú)立流道后，進(jìn)入變徑機(jī)構(gòu)的活塞腔內(nèi)。該機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于操作后能夠確認(rèn)液流通道打開。其缺點(diǎn)在于需改造無磁鉆鋌和MWD循環(huán)短節(jié)，配套加工復(fù)雜。

1.2.2排量型

排量型控制機(jī)構(gòu)核心是中心管帶有活塞機(jī)構(gòu)，頂部擁有噴嘴。其作用方式是在工具排量增大至設(shè)定值后，中心管下移，中心管的液流控制孔離開密封位置，液流進(jìn)入變徑機(jī)構(gòu)，扶正塊彈出，然后將排量降低至正常工作值，扶正塊保持彈出狀態(tài)，變徑穩(wěn)定器正常工作，結(jié)構(gòu)如圖3。

圖3　排量型變徑穩(wěn)定器控制機(jī)構(gòu)

該工具設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于排量變化時(shí)中心管所受力的變化。

根據(jù)連續(xù)方程：

Q=Av

根據(jù)伯努利方程：

在求出活塞壓差Δp后，活塞受力可由公式(1)獲得：

F=ΔpA

(1)

式中：Q為排量，m3/h；A為中心管受力面橫截面積，m2；v為流速，m/s；p1，p2分別為中心管受力面前后表面壓力，MPa；ρ為泥漿密度，kg/m3

將各參數(shù)條件代入上述公式中，即可得出彈簧選型和排量控制范圍。

該工具優(yōu)點(diǎn)在于變徑機(jī)構(gòu)控制簡單，缺點(diǎn)是該控制方式對(duì)排量要求高，在不同的井隊(duì)施工需更換不同的噴嘴，提升了操作難度。

1.2.3電傳控制型

電傳控制型變徑穩(wěn)定器利用機(jī)電液一體化設(shè)計(jì)，其主要包含程序控制板、電池、陀螺儀、傳動(dòng)電機(jī)、密封結(jié)構(gòu)，如圖4。其作用方式是在變徑穩(wěn)定器到達(dá)設(shè)計(jì)井斜角后，電機(jī)自動(dòng)將密封結(jié)構(gòu)拔出，打開液流通道，此時(shí)變徑機(jī)構(gòu)發(fā)揮作用。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)為自動(dòng)化程度高、使用簡便。其缺點(diǎn)為在井下高溫高壓環(huán)境下，電器元件的不穩(wěn)定性增加。

圖4　電傳控制型變徑穩(wěn)定器控制機(jī)構(gòu)

2現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

2.1投閥式變徑穩(wěn)定器入井試驗(yàn)

固平25-29井是一口水平式油井，設(shè)計(jì)井深2 775 m，表層下深819 m，造斜點(diǎn)1 000 m，靶前距341 m，偏移距40.38 m，水平段835 m，斜井段940 m。

該井在二開后，接入投閥式變徑穩(wěn)定器。井底鉆具組合：?212.7 mm鉆頭+螺桿鉆具+投閥式變徑穩(wěn)定器+多液流通道MWD循環(huán)短接+多液流通道無磁鉆鋌+液流開關(guān)接頭+?165鉆鋌+?127鉆桿。184-209型投閥式變徑穩(wěn)定器基本參數(shù)如表1。

2014-09-30，在固平25-29井進(jìn)行試驗(yàn)。按設(shè)計(jì)鉆具組合接好工具，此時(shí)在液流開關(guān)接頭內(nèi)不放入密封座，小排量開泵，扶正塊彈出，測(cè)量扶正外徑為209 mm。停泵后裝入密封座，再次小排量開泵，扶正塊不彈出，加大排量至正常排量，扶正塊保持不動(dòng)，判斷此時(shí)液流開關(guān)接頭內(nèi)的旁通液流通道已關(guān)閉。工具在井口試驗(yàn)正常。

表1　184-209型投閥式變徑穩(wěn)定器基本參數(shù)

在鉆進(jìn)至入窗點(diǎn)1 940 m時(shí)，下入投閥，此時(shí)泵壓由2.5 MPa升至5.5 MPa，判斷液流通道已打開，繼續(xù)加壓至15.5 MPa，泵壓驟降到11.2 MPa，判斷投閥密封膜破裂，此時(shí)水眼貫通。變徑穩(wěn)定器完成既定動(dòng)作，正常鉆進(jìn)。水平段鉆進(jìn)過程中復(fù)合最大增斜率為10.99°/100 m，最小增斜率為1.40°/100 m，平均增斜率3.6°/100 m，滑動(dòng)鉆進(jìn)111 m，占整個(gè)水平段總長的13.29%，符合預(yù)期效果。

通過試驗(yàn)表明，投閥式可變徑穩(wěn)定器可以滿足水平井二開后一趟鉆技術(shù)要求。

2.2電傳控制型變徑穩(wěn)定器入井試驗(yàn)

寧106-22井位于甘肅省合水縣，是一口定向井，完鉆井深1 371.06 m，設(shè)計(jì)位移373.24 m。將井斜27°設(shè)置為流道門限打開值，井斜21°為流道門限關(guān)閉值。

工具在井口測(cè)試時(shí)，排量30 L/s，泵壓4～6 MPa，扶正塊處于收縮，工具沒有出現(xiàn)滲漏點(diǎn)，密封可靠。該井在井深264 m二開，此時(shí)下入工具，鉆具組合：?212.7 mm鉆頭+螺桿鉆具+電傳控制變徑穩(wěn)定器+無磁鉆鋌+?165 mm鉆鋌+?127 mm鉆桿。

253～646 m井段，鉆進(jìn)過程中井斜出現(xiàn)強(qiáng)增，說明扶正塊處于收縮狀態(tài)。

772 m處井斜28°，達(dá)到井斜設(shè)置門限值(門限值27°)，停泵靜止6 min開泵實(shí)施變徑作業(yè)，根據(jù)757～858 m這段數(shù)據(jù)分析變徑失敗。858 m處井斜29.18°，再次實(shí)施變徑操作，同時(shí)滑動(dòng)降斜，消除前期的強(qiáng)增趨勢(shì)，從916～1 002 m井段呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)，說明扶正塊張開，在直羅組底部砂巖段出現(xiàn)微增斜，屬于正常，進(jìn)入延安組后開始降斜，并且隨著井深增加降斜率逐漸增大，也進(jìn)一步證明扶正塊處于張開狀態(tài)。

隨著延安組下部地層的降斜率增大，需要進(jìn)一步變徑將扶正塊收縮回去來抑制降斜，1 231 m處井斜18.19°，實(shí)施變徑作業(yè)，同時(shí)通過滑動(dòng)來消除強(qiáng)降趨勢(shì)，1 279～1 355 m井段基本處于穩(wěn)斜狀態(tài)，說明再次變徑成功。該井測(cè)深-井斜關(guān)系如圖5。

此次試驗(yàn)雖然未在水平井進(jìn)行試驗(yàn)，但通過井斜變化證明，電傳控制型變徑穩(wěn)定器能夠根據(jù)井斜角度設(shè)定值，在井下實(shí)現(xiàn)變徑功能。

圖5　寧106-22井深-井斜關(guān)系

3可變徑穩(wěn)定器的發(fā)展趨勢(shì)

隨著鉆井技術(shù)的發(fā)展，機(jī)液式變徑穩(wěn)定器僅能符合特定條件下鉆井施工需要，在面對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)井時(shí)，機(jī)液式變徑穩(wěn)定器只能進(jìn)行預(yù)定的增斜或穩(wěn)斜作業(yè)，在需多次改變BHA力學(xué)特性時(shí)，需要取出進(jìn)行重新設(shè)置，局限性大。

國內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)目前正在進(jìn)行的可變徑穩(wěn)定器設(shè)計(jì)主要有兩種：一種為井下閉環(huán)自控型；另一種為井口遙控開環(huán)型。井下閉環(huán)自控型的主要優(yōu)點(diǎn)在于其通過對(duì)鉆井軌跡的實(shí)時(shí)采集，與預(yù)設(shè)軌跡進(jìn)行對(duì)比后，自行發(fā)出指令，控制作業(yè)。井口遙控開環(huán)型通過機(jī)電液一體式設(shè)計(jì)，通過泥漿傳遞信號(hào)，在不起鉆的作用下，可以多次進(jìn)行降斜或增斜作業(yè)，可在復(fù)雜井施工中大幅縮短建井周期，減少施工成本[4]。以上兩種變徑穩(wěn)定器都需要機(jī)械設(shè)計(jì)與機(jī)電傳動(dòng)結(jié)合，充分利用微電子技術(shù)的發(fā)展成果，實(shí)現(xiàn)變徑穩(wěn)定器的自動(dòng)化、智能化。具體到長慶油田，可根據(jù)入井試驗(yàn)結(jié)果，在電傳控制型變徑穩(wěn)定器的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其具備分段、多級(jí)自主控制變徑能力，以滿足其他復(fù)雜結(jié)構(gòu)井的需求。

4結(jié)語

1)長慶油田部分區(qū)域鉆井的建井周期短，特別是水平類油井，二開之后起下鉆一次時(shí)間幾乎能占到整個(gè)鉆井周期的1/15，二開之后采用一趟鉆可變徑穩(wěn)定器完成造斜段和水平段施工，能夠減少一次起下鉆時(shí)間，提高鉆井效率，縮短建井周期。

2)介紹的3種變徑穩(wěn)定器各有優(yōu)劣，可根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，在不同井選用。

3)可變徑穩(wěn)定器應(yīng)向機(jī)電液一體化方向發(fā)展，以滿足復(fù)雜結(jié)構(gòu)井需要。

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文章編號(hào)：1001-3482(2016)07-0087-03

收稿日期：①2016-01-21

作者簡介：陳霖(1986-)，男，四川南充人，工程師，主要從事石油鉆井井下工具的設(shè)計(jì)工作。

中圖分類號(hào)：TE931.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.07.020

Development and Application of One Trip Drilling Tapered Stabilizer for Horizontal Wells

CHEN Lin1，2，WANG Lihong1，ZHANG Panlong1

(1.ChangqingDrillingCompany，CCDC，Xi’an710018，China；2.SchoolofMechanicalEngineering，YangtzeUniversity，Jingzhou434000，China)

Abstract：Changqing oil field part area drilling cycle is short，“one trip drilling”technology can reduce drilling period significantly，improving operation efficiency.An introduction is made for“one trip drilling”tapered stabilizer principles and field application developed by Changqing general drilling company，which will be used in horizontal wells.The advantages and disadvantages of three models are analyzed，and tapered stabilizer development direction is proposed as well.

Keywords：tapered stabilizer；horizontal wells；one trip drilling