機(jī)械方式緩解定向托壓技術(shù)原理與應(yīng)用

王建龍，劉學(xué)松，于志強(qiáng)，郭 菲，許京國(guó)

（1．中國(guó)石油集團(tuán)渤海鉆探工程技術(shù)研究院，天津 300450；2．中國(guó)石油集團(tuán)渤海鉆探第三鉆井公司，天津 300280）

·科技動(dòng)態(tài)·

油氣工程

機(jī)械方式緩解定向托壓技術(shù)原理與應(yīng)用

王建龍1，劉學(xué)松1，于志強(qiáng)1，郭 菲1，許京國(guó)2

（1．中國(guó)石油集團(tuán)渤海鉆探工程技術(shù)研究院，天津 300450；2．中國(guó)石油集團(tuán)渤海鉆探第三鉆井公司，天津 300280）

大港油田為了實(shí)現(xiàn)海油陸采，及有效控制日趨變小而且分散的剩余油，多布置大斜度井、大位移井及水平井等復(fù)雜結(jié)構(gòu)井。但是，定向托壓?jiǎn)栴}嚴(yán)重制約著鉆井提速、提效。因此，為了解決托壓?jiǎn)栴}，2015-2016年在大港油田開(kāi)展了緩解定向托壓技術(shù)探究，包括水力振蕩器、“水力振蕩器+巖屑床破壞器”、“水力振蕩器+液力推力器”、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)，并進(jìn)行了14口井現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，緩解托壓效果顯著。通過(guò)本文的研究，探索了一套緩解定向托壓配套技術(shù)，為有效解決復(fù)雜結(jié)構(gòu)井定向托壓?jiǎn)栴}提供了技術(shù)支持和理論指導(dǎo)。

復(fù)雜結(jié)構(gòu)井；水力振蕩器；液力推力器；巖屑床破壞器

大港油田為了實(shí)現(xiàn)海油陸采，及有效控制日趨變小而且分散的剩余油，多布置大斜度井、大位移井及水平井等復(fù)雜結(jié)構(gòu)井[1-4]。但是，在實(shí)鉆過(guò)程中，復(fù)雜結(jié)構(gòu)井在造斜段、增斜段、扭方位井段，經(jīng)常出現(xiàn)滑動(dòng)托壓現(xiàn)象，嚴(yán)重制約著定向段鉆井提速[5-8]。

因此，為了提高定向效率，2015-2016年在大港油田開(kāi)展了機(jī)械方式緩解定向托壓技術(shù)探究，并進(jìn)行了14口井現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與應(yīng)用，緩解托壓效果顯著。通過(guò)本文的研究，探索了一套機(jī)械方式緩解定向托壓配套技術(shù)，為有效解決復(fù)雜結(jié)構(gòu)井定向托壓?jiǎn)栴}提供了技術(shù)支持和理論指導(dǎo)。

1 關(guān)鍵技術(shù)及試驗(yàn)結(jié)果

2015-2016年在大港油田開(kāi)展了水力振蕩器、“水力振蕩器+巖屑床破壞器”、“水力振蕩器+液力推力器”、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)等技術(shù)緩解定向托壓技術(shù)試驗(yàn)與應(yīng)用，緩解定向托壓效果明顯。

1.1 水力振蕩器技術(shù)

水力振蕩器是一種振動(dòng)減阻工具，由振蕩短節(jié)和脈沖短節(jié)組成[3]。該工具在鉆井液的水力作用下產(chǎn)生溫和的軸向振動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)一定長(zhǎng)度的鉆柱振動(dòng)，從而可以有效地實(shí)現(xiàn)鉆柱與井壁間的靜摩阻向動(dòng)摩阻轉(zhuǎn)化，從而降低定向摩阻（見(jiàn)圖1）。一般情況下，靜摩阻系數(shù)比滑動(dòng)開(kāi)始后的摩阻系數(shù)大25%左右，即水力振蕩器可以降低25%的滑動(dòng)摩阻。

圖1 水力振蕩器緩解定向托壓原理示意圖

在大港油田板深1519井、官1601井、張海29-37井等10口井上進(jìn)行水力振蕩器應(yīng)用，具體數(shù)據(jù)（見(jiàn)表1）。

表1 水力振蕩器在大港油田應(yīng)用情況統(tǒng)計(jì)表

表1數(shù)據(jù)表明，滑動(dòng)摩阻60 kN～120 kN范圍內(nèi)，水力振蕩器緩解定向托壓效果明顯，平均滑動(dòng)機(jī)械鉆速提高87.4%，張海29-37井最高提高151.1%。另外，板16108井水力振蕩器技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用過(guò)程中，當(dāng)滑動(dòng)摩阻超過(guò)120 kN后，再次出現(xiàn)了托壓?jiǎn)栴}，定向效率大幅下降。分析認(rèn)為，當(dāng)滑動(dòng)摩阻超過(guò)120 kN以后，超出水力振蕩器降摩阻的能力，即無(wú)法有效緩解定向托壓。

1.2 “水力振蕩器+巖屑床破壞器”技術(shù)

“水力振蕩器+巖屑床破壞器”技術(shù)緩解定向托壓，主要是利用了水力振蕩器軸向振動(dòng)降低摩阻（具體原理見(jiàn)1.1水力振蕩器技術(shù)）；利用了巖屑床破壞器將沉積在井壁上的巖屑床清除掉，同時(shí)防止后續(xù)鉆進(jìn)過(guò)程中新的巖屑床的沉積（見(jiàn)圖2），這樣井壁上的巖屑床不存在了，摩阻系數(shù)相應(yīng)的就會(huì)降低，進(jìn)而降低摩阻，緩解托壓。

圖2 巖屑床破壞器清除巖屑床示意圖

港1603井三開(kāi)鉆進(jìn)過(guò)程中，當(dāng)井斜角超過(guò)55°以后，地面返砂急劇減少，并且上提附加拉力明顯增加，定向托壓也越來(lái)越嚴(yán)重。分析認(rèn)為，井斜角增大后，巖屑堆積在下井壁形成巖屑床，造成摩阻增大。

為了有效降低港1603井摩阻，提高定向效率，設(shè)計(jì)下入“套水力振蕩器+套巖屑床破壞器”。應(yīng)用該技術(shù)之后，巖屑返出量平均增加126.4%，摩阻降低30%以上，滑動(dòng)鉆進(jìn)平均機(jī)械鉆速提高31.5%以上。

1.3 “水力振蕩器+液力推力器”技術(shù)

“水力振蕩器+液力推力器”技術(shù)緩解定向托壓：（1）利用了水力振蕩器軸向振動(dòng)降低摩阻（具體原理見(jiàn)1.1水力振蕩器技術(shù)）；（2）利用了液力推力器（見(jiàn)圖3）的軸向緩沖作用，保證工具面的問(wèn)題。定向過(guò)程中，液力推力器在工作行程范圍內(nèi)處于伸出狀態(tài)，當(dāng)托壓釋放之后，伸縮桿會(huì)有一定的壓縮量，由于這一緩沖作用使托壓釋放產(chǎn)生的瞬間沖擊力不至于作用在鉆頭，進(jìn)而保證了工具面的穩(wěn)定。

圖3 液力推力器伸出-縮回示意圖

在官962-24井、莊1610井共進(jìn)行了“水力振蕩器+液力推力器”技術(shù)先導(dǎo)試驗(yàn)，兩口井使用之前滑動(dòng)摩阻高達(dá)130 kN～150 kN，托壓非常嚴(yán)重。使用該技術(shù)后，托壓現(xiàn)象雖然仍舊存在，但工具面相對(duì)穩(wěn)定，保證了定向連續(xù)性，滑動(dòng)機(jī)械鉆速大幅提高。官962-24井滑動(dòng)摩阻由155 kN下降至110 kN，降低29.03%；滑動(dòng)機(jī)械鉆速由1.48 m/h提高至3.1 m/h，提高109.9%。莊1610井滑動(dòng)摩阻由130 kN下降至102 kN，降低21.5%；滑動(dòng)機(jī)械鉆速由1.30 m/h提高至2.42 m/h，提高86.1%。

1.4 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)（見(jiàn)圖4）在鉆具旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)定向作業(yè)，應(yīng)用旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方式代替滑動(dòng)鉆進(jìn)方式，顯著減小了鉆柱與井壁之間的摩阻和扭矩，適用于高難度井[9-12]。為此，在大港油田埕海2-2島張海29-36L井上進(jìn)行了Power Drive Xceed旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)應(yīng)用。

張海29-36L井是大港油田埕海2-2島的一口三維大位移井，最大水平位移1 764.51 m，最大井斜角76.16°，最大造斜率4.5°/30 m。該井三開(kāi)增斜段、穩(wěn)斜段、扭方位井段托壓現(xiàn)象極其嚴(yán)重，2 600 m～2 815 m使用螺桿鉆具調(diào)整井斜、方位，平均機(jī)械鉆速5.24 m/h。自 2 815 m～3 837 m（井斜角 49°～76°）采用了指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)，一趟鉆進(jìn)尺1 022 m，平均機(jī)械鉆速達(dá)到8.96 m/h。與使用螺桿鉆具段相比，平均機(jī)械鉆速提高了71%。

圖4 Power Drive Xceed旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 結(jié)論

（1）水力振蕩器通過(guò)產(chǎn)生軸向振動(dòng)，使鉆柱與井壁間的摩阻由靜摩阻向動(dòng)摩阻轉(zhuǎn)化，滑動(dòng)摩阻能降低25%左右。對(duì)于滑動(dòng)摩阻在60 kN～120 kN以內(nèi)，緩解定向托壓的效果明顯。

（2）對(duì)于井斜角過(guò)45°井段，“水力振蕩器+巖屑床破壞器”既能實(shí)現(xiàn)靜摩阻向動(dòng)摩阻的轉(zhuǎn)化，又能清除沉積的巖屑床，達(dá)到雙重降摩阻、緩?fù)袎旱淖饔谩?/p>

（3）對(duì)于使用水力振蕩器后仍有托壓的高摩阻的井，“水力振蕩器+液力推力器”技術(shù)可以在一定程度上穩(wěn)定工具面，保證定向的連續(xù)性，提高定向效率。官962-24井、莊1610井使用該技術(shù)后，雖仍舊托壓，但是滑動(dòng)摩阻分別降低29.03%和21.5%，滑動(dòng)機(jī)械鉆速分別提高109.9%和86.1%。

（4）旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)能有效解決定向托壓?jiǎn)栴}，但是其成本較高，常規(guī)定向井實(shí)用性不強(qiáng)。建議在水力振蕩器、“水力振蕩器+巖屑床破壞器”、“水力振蕩器+液力推力器”無(wú)法有效緩解定向托壓的高難度井中使用。

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Principle and application of mechanical modification of backing pressure

WANG Jianlong1，LIU Xuesong1，YU Zhiqiang1，GUO Fei1，XU Jingguo2
（1.Bohai Drilling Engineering Technology Research Institute，CNPC，Tianjin 300450，China；2.NO.3 Drilling Engineering Company，BHDC，CNPC，Tianjin 300280，China）

In order to achieve the offshore oil production on land and effective control of increasingly smaller ad dispersed residual oil,Dagang oilfield deployed many complex wells,such as high-inclination well,extended-reach well and horizontal well.But,seriously back pressure problem restricts the drilling speed and efficiency.Therefore,in order to solve the problem,Dagang oilfield researched on slide back-pressure technology from 2015 to 2016,including hydraulic oscillator,"hydraulic oscillator+hole cleaning tools","hydraulic oscillator+hydraulic thruster",rotary steering system,and 14 wells was tested,which effect is remarkable.Through the study of this article,we work out a set technology of easing back pressure,which provides the technical support and theoretical guidance to effectively solve the problem of complex structure well.

complex structure well；hydraulic oscillator；hydraulic thrusters；hole cleaning tool

TE242.9

A

1673-5285（2017）10-0001-04

10.3969/j.issn.1673-5285.2017.10.001

2017－09-19

中石油渤海鉆探工程有限公司科技項(xiàng)目“潛山鉆井工程設(shè)計(jì)優(yōu)化與實(shí)施”資助，項(xiàng)目編號(hào)：2017D38Y-01；中石油渤海鉆探工程有限公司科技項(xiàng)目“大港油田中古生界鉆完井技術(shù)研究”資助，項(xiàng)目編號(hào)：2017ZD20Y。

王建龍，男（1984－），山東省沂水縣人，2013年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)油氣井工程專業(yè)，2013年獲油氣井工程碩士學(xué)位，工程師，主要從事鉆井提速工具研發(fā)與應(yīng)用工作，郵箱：383462010@qq.com。