Vortex鉆具組合在東海φ212.7 mm井眼中的應(yīng)用

陳 剛，孫乾坤，姜小龍，張建文，田明康

（中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)上海分公司，上海 200335）

目前開(kāi)發(fā)井中常用的鉆具組合包括鉆頭+旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向儀器、鉆頭+馬達(dá)+旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向儀器等，使用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向控制井眼軌跡，馬達(dá)進(jìn)行深部提速。東海儲(chǔ)層具有油藏埋深大，地層可鉆性差，井眼軌跡復(fù)雜，井底溫度高等特點(diǎn)。常規(guī)的鉆具組合在東海應(yīng)用中，面臨機(jī)械鉆速低、鉆具套管磨損大、井眼清潔差，劃眼較多的情況。較低的機(jī)械鉆速造成套管和鉆桿磨損加劇，為井下安全帶來(lái)隱患。為解決上述難題，首次嘗試在東海φ212.7 mm井段使用Vortex鉆具組合，該鉆具為東海φ212.7 mm井眼中首次使用，機(jī)械鉆速大幅提高，鉆具和套管磨損較少，井眼清潔得到改善，獲得了一定的經(jīng)濟(jì)效益。本文通過(guò)該組合的現(xiàn)場(chǎng)使用，摸索出一些經(jīng)驗(yàn)和認(rèn)識(shí)，為后續(xù)鉆井作業(yè)提供參考。

1 東海φ212.7 mm井段特點(diǎn)

東海φ212.7 mm井段一般鉆遇花港組、平湖組，兩套地層為主要儲(chǔ)層段，花港組巖性主要為細(xì)砂巖，其次是粉砂巖、中砂巖；平湖組主要為中砂巖，細(xì)砂巖、粉砂巖次之[1]。本井段地層相較上部φ311.2 mm井段，地層強(qiáng)度更高，研磨性強(qiáng)，可鉆性差，井溫高等特點(diǎn)。

1.1 地層成巖性好，可鉆性差

東海地層經(jīng)長(zhǎng)期的壓實(shí)作用，導(dǎo)致地層成巖度高。平湖組—花港組砂泥巖間互，蓋層非常發(fā)育?；ǜ劢M上段的泥巖厚度大，連續(xù)性好，具有良好的可塑性，會(huì)導(dǎo)致鉆頭出現(xiàn)卡滑等情況，影響破巖速度，致使機(jī)械鉆速慢。根據(jù)已鉆探井顯示，花港組和平湖組平均埋深均在3 000 m（垂深）以上，埋深較深，壓實(shí)強(qiáng)度高。

1.2 井眼段長(zhǎng)，井斜大，摩阻、托壓嚴(yán)重

φ212.7 mm井段井眼深，且井段長(zhǎng)，會(huì)產(chǎn)生巨大的摩阻，造成托壓現(xiàn)象。在鉆井過(guò)程中出現(xiàn)托壓會(huì)導(dǎo)致鉆壓無(wú)法有效傳遞至鉆頭，致使鉆頭不能持續(xù)高鉆壓高轉(zhuǎn)速均勻切削地層，造成機(jī)械鉆速較慢，一方面影響機(jī)械鉆速，另外對(duì)井眼軌跡的控制不利。本井段井斜大，多為水平井段和大斜度井段，其中某井水平段長(zhǎng)達(dá)1 470 m，為東海最長(zhǎng)水平段。

1.3 設(shè)備負(fù)荷大，套管、鉆具磨損多

隨著井眼延伸，井斜增大，設(shè)備負(fù)荷增加。深部鉆進(jìn)，鉆具長(zhǎng)，破巖扭矩與井眼摩阻疊加造成的高扭矩值，對(duì)鉆具強(qiáng)度提出了更高的要求。常規(guī)鉆具通過(guò)更高的轉(zhuǎn)速來(lái)獲得較快的機(jī)械鉆速，導(dǎo)致鉆具與套管之間的摩擦頻率大，增加了套管和鉆具的磨損情況，造成出現(xiàn)鉆桿偏磨強(qiáng)度不足甚至刺漏的風(fēng)險(xiǎn)，套管易出現(xiàn)磨穿。井深大，循環(huán)壓耗的增加，泵壓增大，泥漿泵載荷也提出了更高的要求。

φ212.7 mm井段為東海首次使用此類(lèi)尺寸的工具，且國(guó)內(nèi)其他海域本井段的使用經(jīng)驗(yàn)較少，儀器的安全性和穩(wěn)定性有待驗(yàn)證。為解決上述作業(yè)難點(diǎn)，兼顧經(jīng)濟(jì)和時(shí)效，首次嘗試在φ212.7 mm井段使用Vortex鉆具組合。

2 Vortex鉆具組合構(gòu)成及特點(diǎn)

2.1 構(gòu)成

Vortex鉆具是指在常規(guī)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具上面增加一根馬達(dá)，通過(guò)泥漿驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，使馬達(dá)為鉆頭提供額外的輸出轉(zhuǎn)速和扭矩，來(lái)獲得更高的機(jī)械鉆速。

它主要由PDC鉆頭、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具（Xceed）、馬達(dá)、無(wú)線發(fā)射器（UP C-link/DOWN C-link）、MWD/LWD、震擊器、鉆具等組成[2]（圖1）。

圖1 Vortex鉆具組合結(jié)構(gòu)

根據(jù)花港組、平湖組地層巖性特征結(jié)合KQT氣田探井相關(guān)資料，優(yōu)選使用六刀翼、16 mm齒PDC鉆頭，其抗沖擊性?xún)?yōu)先，攻擊性次之，具有高轉(zhuǎn)速切削特征。

最新的指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具Xceed，更加精確先進(jìn)，與常規(guī)推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向比較，其完全屬于內(nèi)部導(dǎo)向機(jī)制的鉆井系統(tǒng)（圖2），能夠解決推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向在可鉆性差、研磨性強(qiáng)地層，推靠塊磨損，造成井眼軌跡無(wú)法控制的問(wèn)題。

圖2 Xceed旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

Xceed與隨鉆MWD、LWD配合使用，通過(guò)上下無(wú)線收發(fā)器（UP C-link/DOWN C-link）接收并傳遞信號(hào)。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(guò)C-link途徑傳遞給馬達(dá)以上的MWD、LWD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弥噶睿ㄍㄟ^(guò)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(guò)C-link發(fā)送一個(gè)代碼給MWD，用以確認(rèn)指令正確[3]。

2.2 特點(diǎn)

（1）增大輸出扭矩，提高PDC鉆頭切削速度，提高機(jī)械鉆速

PDC鉆頭在鉆進(jìn)過(guò)程中出刃量較大，其破巖機(jī)理主要是依靠PDC復(fù)合片與巖石之間的壓入和切削作用，鉆頭的轉(zhuǎn)速快，單位時(shí)間內(nèi)切削量增加，進(jìn)而提高機(jī)械鉆速[4]。使用的高抗溫高輸出扭矩馬達(dá)，相比同類(lèi)型國(guó)產(chǎn)馬達(dá)，其使用壽命和穩(wěn)定性更高。在鉆進(jìn)排量達(dá)2 000 L/min時(shí)，井下鉆頭的轉(zhuǎn)速約高達(dá)70 r/m，加上頂驅(qū)轉(zhuǎn)速，鉆頭的復(fù)合轉(zhuǎn)速最高可達(dá)150 r/m以上。高轉(zhuǎn)速確保了鉆頭的切削速度。

（2）減少鉆進(jìn)扭矩、摩阻和托壓情況

深部井眼段長(zhǎng)，鉆具長(zhǎng)度大，空轉(zhuǎn)扭矩已經(jīng)很高，考慮到工具的抗扭極限，無(wú)形中限制了工程參數(shù)的使用，導(dǎo)致鉆進(jìn)時(shí)效低。鉆進(jìn)中因馬達(dá)額外提供了破巖轉(zhuǎn)速，地面轉(zhuǎn)速處于中低轉(zhuǎn)速就能滿(mǎn)足破巖需求，進(jìn)而降低了鉆進(jìn)扭矩，使工程參數(shù)使用方面有更大調(diào)整空間，以期獲得更高的機(jī)械鉆速。馬達(dá)驅(qū)動(dòng)下部旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向高速旋轉(zhuǎn)，減少了與井壁的接觸時(shí)間，緩解了摩阻和托壓情況。

（3）減小鉆具和套管磨損，井下設(shè)備故障率減少

馬達(dá)下部鉆頭高速旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，對(duì)地面頂驅(qū)轉(zhuǎn)速要求較低，因此使用較合理的頂驅(qū)轉(zhuǎn)速就能夠滿(mǎn)足攜砂和鉆進(jìn)的要求，使鉆桿與套管之間的磨損減少，保護(hù)了鉆桿和套管。常規(guī)鉆具組合頂驅(qū)轉(zhuǎn)速需達(dá)到90~150 r/m才能滿(mǎn)足攜砂和鉆進(jìn)的需求，Vortex鉆具組合頂驅(qū)轉(zhuǎn)速在60~90 r/m時(shí)能夠獲得較好的效果，機(jī)械鉆速相對(duì)能夠獲得提高。轉(zhuǎn)速的降低，對(duì)于減輕套管和鉆桿磨損情況不言而喻。同時(shí)由于該組合與鉆柱等速旋轉(zhuǎn)，扭轉(zhuǎn)振動(dòng)和其他破壞性振動(dòng)均得以減輕，井下儀器故障率得以降低（見(jiàn)圖3）。

圖3 2種旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)振動(dòng)模擬對(duì)比

3 應(yīng)用實(shí)例

Vortex鉆具組合首次在東海φ212.7 mm井眼中使用，應(yīng)用了三口井，并取得了良好的使用效果。

3.1 機(jī)械鉆速

A5井使用常規(guī)鉆具組合，其余三口均使用了Vortex鉆具組合，機(jī)械鉆速對(duì)比如圖（圖4）所示。

通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)三口井相同層位地層，使用Vortex鉆具組合，能夠明顯提高機(jī)械鉆速，機(jī)械鉆速由5.2 m/hr提高至6.3~10.2 m/hr，提高約20%~100%。

圖4 常規(guī)鉆具組合與Vortex鉆具各井使用效果對(duì)比

3.2 扭矩及井下震動(dòng)

A2H井中均使用了多趟鉆具組合，在減少鉆進(jìn)扭矩方面，Vortex鉆具組合也有良好的效果。

由圖5可以看出在使用Vortex組合后，鉆進(jìn)扭矩較相較常規(guī)鉆具組合小且扭矩波動(dòng)更加平穩(wěn)，這說(shuō)明鉆頭在持續(xù)穩(wěn)定的進(jìn)行破巖鉆進(jìn)，機(jī)械鉆速穩(wěn)定。

圖5 Vortex鉆具組合與常規(guī)鉆具在A2H井中扭矩與井深對(duì)比

使用Vortex鉆具組合后，井下儀器的井下震動(dòng)明顯減少如上圖6所示，使用Vortex鉆具井下振動(dòng)值基本無(wú)，前兩組鉆具組合為0~60之間波動(dòng)，鉆頭工作狀態(tài)穩(wěn)定。Stickslip值與常規(guī)Xceed鉆具組合來(lái)說(shuō)，明顯降低，均處于25以下，且相對(duì)比較平穩(wěn)。

圖6 井下工具震動(dòng)情況對(duì)比

4 問(wèn)題及建議

（1）φ212.7 mm井段屬于儲(chǔ)層段，砂巖鉆遇率較高，鉆井液中未處理干凈的細(xì)砂粒及其他有害固相，在高排量下，對(duì)馬達(dá)上部過(guò)濾鉆井液中大尺寸雜物的濾網(wǎng)接頭造成沖蝕嚴(yán)重的情況，有部分大尺寸雜物易堵塞濾網(wǎng)接頭，造成儀器故障。濾網(wǎng)的制造材質(zhì)，耐沖蝕性和接頭網(wǎng)眼大小工藝有待進(jìn)一步提高。

（2）Xceed上共有兩個(gè)螺旋扶正器，考慮到工具造斜能力，下扶正器尺寸一般欠3.18 mm，為φ209.6 mm，上扶正器欠1.6 mm。兩個(gè)扶正器之間距離一般約4 m，扶正器的尺寸較大，再加上扶正翼之間流道較小，距離較短，巖屑在上返過(guò)程中，經(jīng)過(guò)扶正器時(shí)會(huì)反復(fù)研磨，造成扭矩上漲，不利于巖屑的上返，扶正器之間巖屑無(wú)法清除干凈[5]，且轉(zhuǎn)速越高研磨越嚴(yán)重，扭矩值越大，如下圖7所示。

可考慮增加扶正翼之間流道深度和寬度，確保巖屑上返通道，兼顧井眼軌跡控制的同時(shí)，選用小尺寸扶正器Xceed，以增大環(huán)空間隙，避免巖屑通過(guò)扶正器的難度，減少巖屑重復(fù)研磨。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)使用經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，選擇使用上扶正器采用欠3.2 mm尺寸，下扶正器欠6.4 mm的Xceed工具，能夠減少上述情況，且井眼軌跡控制良好。

（3）組合中旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向（Xceed）工具啟動(dòng)排量為1 800 L/min，Vortex系統(tǒng)的推薦排量為1 100~2 200 L/min，啟動(dòng)排量與推薦使用排量差值較小，小排量差值在深部地層泵壓的波動(dòng)不明顯。而該鉆具組合需要通過(guò)改變泵沖來(lái)進(jìn)行指令的傳遞，嚴(yán)格意義上說(shuō)，發(fā)指令是通過(guò)改變泵沖來(lái)改變泵壓，使泵壓產(chǎn)生波動(dòng)和變化，不同的改變頻率為不同的指令，通過(guò)井下儀器接收并解碼，來(lái)控制井眼軌跡。泵壓波動(dòng)小，儀器無(wú)法接受并解碼，因此發(fā)指令的成功率不高。在后續(xù)的作業(yè)中可選取旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向（Xceed）工具啟動(dòng)排量較小的儀器，以增加與該系統(tǒng)的匹配性，使軌跡調(diào)整指令成功率增加。

（4）在易坍塌井段使用Vortex鉆具時(shí)要注意防止出現(xiàn)馬達(dá)制動(dòng)造成的憋壓。井壁出現(xiàn)掉塊，會(huì)卡在鉆頭位置，造成鉆頭突然滯動(dòng)，鉆頭滯動(dòng)，上部驅(qū)動(dòng)的馬達(dá)也會(huì)發(fā)生滯動(dòng)憋壓的情況，且憋壓會(huì)很迅速，一旦處理不及時(shí)，會(huì)造成馬達(dá)膠皮被擊穿，地面泥漿泵缸套憋漏等情況。因此，使用在易出現(xiàn)掉塊井段，應(yīng)精細(xì)操作防止憋壓，對(duì)于已經(jīng)出現(xiàn)井壁失穩(wěn)的井段，應(yīng)更換不帶馬達(dá)鉆具進(jìn)行通井，處理井眼干凈后再使用Vortex鉆具組合進(jìn)行鉆進(jìn)。

圖7 Vortex鉆具組合中轉(zhuǎn)速與扭矩關(guān)系曲線

5 小結(jié)

Vortex鉆具組合首次在東海φ212.7 mm井眼中的應(yīng)用是成功的，對(duì)于提高機(jī)械鉆速方面具有一定優(yōu)勢(shì)，井眼軌跡的控制也有良好的使用效果，對(duì)于東海深部地層提速和井眼軌跡控制具有借鑒意義。

在使用前應(yīng)優(yōu)選上下扶正器尺寸合適、啟動(dòng)排量與Vortex系統(tǒng)向配伍的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具（Xceed），工具易沖蝕和故障部位重點(diǎn)關(guān)注，在鉆井中合理使用鉆井工程參數(shù)，才能更好的發(fā)揮Vortex鉆具組合的優(yōu)勢(shì)，獲得更高的經(jīng)濟(jì)效益。不同的井況選用合適的鉆具組合，進(jìn)行區(qū)別性?xún)?yōu)選。

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