鉆柱扭擺滑動鉆井技術在四川油氣田的應用

劉 偉, 楊曉峰, 張 華

(1中國石油集團川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術研究院 2國家能源頁巖氣研發(fā)(實驗)中心 3中國石油集團川慶鉆探工程有限公司 4中國石油西南油氣田公司蜀南氣礦)

目前實現(xiàn)定向井、水平井按預期在地層中鉆進主要有以下兩種技術：一是旋轉導向鉆井技術，二是滑動鉆井技術，該技術是當前國內(nèi)主流定向井、水平井井眼軌跡控制手段。該方法的優(yōu)點是成本較低，較常規(guī)鉆井只增加井下動力鉆具和隨鉆測量儀器；缺點是在滑動鉆井過程中，鉆頭以上的鉆柱不旋轉，只能沿井眼軸向滑動，易出現(xiàn)“托壓”現(xiàn)象，鉆壓不能有效傳遞至鉆頭，導致機械鉆速慢，鉆井效率低，或者鉆壓突然釋放導致井下動力鉆具制動，同時出現(xiàn)井下復雜的風險也大幅度增加。

為了提高滑動鉆井速度和效率，近年來業(yè)界產(chǎn)生了兩種技術。一種是井下振動降摩減阻技術，通過在距離鉆頭一定距離處加裝一個或多個水力振蕩器，在鉆井過程中把部分水力能量轉化為“微振動”能量，帶動與之相鄰的一定范圍內(nèi)的鉆柱“振動”，從而消除部分鉆柱與井筒的靜摩擦力，起到一定的提高滑動鉆井速度和效率的作用。該技術在四川油氣田已經(jīng)進行了試驗，取得了一定效果，但也存在不足。一是水力振蕩器可能失效，導致額外的起下鉆，增加了鉆井時間和費用；二是水力振蕩器的工作能量來至于水力能量，帶來鉆井過程中地面泵壓的增加，限制了其在高密度深井中的應用；三是該技術只能帶動與井下振動裝置相鄰的一定范圍內(nèi)的鉆柱“振動”，不能消除整個鉆柱的靜摩擦力，導致效果欠佳，甚至沒有。

另外一種技術就是近年來發(fā)展起來的鉆柱扭擺滑動鉆井技術。通過控制頂驅帶動鉆柱在一定的扭矩或者轉動角度內(nèi)持續(xù)的正反旋轉，改變鉆柱與井壁間的靜摩擦力為動摩擦力，進而降低滑動鉆井摩阻。研究認為，一般靜摩擦系數(shù)比動摩擦系數(shù)約大25%[1]。

國外對鉆柱扭擺快速滑動鉆井技術進行了大量的研究工作，率先開展了鉆柱扭擺降低滑動鉆井摩阻方面的研究，形成了以斯倫貝謝Slider系統(tǒng)為代表的產(chǎn)品，并進行了較大范圍的應用[1-4]。當前國內(nèi)對鉆柱扭擺快速滑動鉆井系統(tǒng)的研究還處于探索階段，但是已取得了一定進展，易先中等對國外鉆柱扭擺滑動鉆井技術研究進展作了詳細總結[5-6]；李智鵬等進行了定向控制系統(tǒng)的初步研發(fā)，但還未形成成熟產(chǎn)品[7]；武廣璦等提出了一種采用彎角馬達實現(xiàn)工具面自動控制的鉆井系統(tǒng)，并開展了初步研制用于室內(nèi)試驗[8]；徐文等研發(fā)了基于頂部驅動和井下動力鉆具的滑動鉆井導向控制技術(TDDS)，在SNO116-19H井得到了成功應用[9]。Slider等鉆柱扭擺系統(tǒng)已在國外得到廣泛應用且效果明顯，但在國內(nèi)的應用還較少，相關現(xiàn)場試驗資料也未見報道。

一、鉆柱扭擺控制系統(tǒng)優(yōu)選

鉆柱扭擺滑動鉆井控制系統(tǒng)以Schlumberger公司的Slider系統(tǒng)和Canrig公司的ROCKIT系統(tǒng)最為代表。其中Slider系統(tǒng)為Schlumberger的專利技術，通過控制頂驅帶動鉆柱按設定的扭矩限制值順時針、逆時針依次重復扭擺來提高滑動鉆井效率和控制工具面。Slider已在國外進行了廣泛應用，包括在美國非常規(guī)天然氣中完成了超過800口水平井，在美國路易斯安那州外大陸架上、沙特阿拉伯 Khurais油田大位移水平井以及墨西哥海灣都有成功應用，且效果明顯，同時該系統(tǒng)通用性較強，在國內(nèi)已經(jīng)開展了與北石頂驅的匹配和應用，具有良好的應用基礎和經(jīng)驗，所以優(yōu)選Schlumberger公司的Slider系統(tǒng)，來控制頂驅帶動鉆柱扭擺降摩減阻。

Slider系統(tǒng)主要由軟件和硬件兩部分組成見圖1。

圖1 Slider系統(tǒng)連接示意圖

1.硬件部分

硬件部分包括地面控制系統(tǒng)、人機界面系統(tǒng)以及各種連接線纜，地面控制系統(tǒng)與頂驅司鉆操作臺連接，并通過司鉆操作臺向頂驅發(fā)送指令，實現(xiàn)頂驅帶動鉆柱順時針、逆時針交替轉動?，F(xiàn)場應用時，僅需向司鉆控制箱接入信號線和少量的程序修改。

2.軟件部分

Slider軟件包括人機交換軟件和PLC控制軟件等，分別預裝在人機界面系統(tǒng)與地面控制系統(tǒng)之中，用于提供用戶向控制系統(tǒng)輸入扭矩等控制參數(shù)，包括左右擺動峰值扭矩、沖擊扭矩、左右旋轉峰值配比等。工作情況下，Slider系統(tǒng)直接控制地面鉆柱在給定的扭矩范圍內(nèi)按設計好的速度和模式，順時針、逆時針往復旋轉鉆柱，用戶通過軟件調整地面鉆柱旋轉扭矩范圍，使得在鉆柱所受的摩擦阻力減小的同時確保井下動力鉆具工具面穩(wěn)定。在搖擺過程中，為修正工具面的角度，司鉆可以通過發(fā)起扭矩脈動來左右轉動(左右搖晃)或沖撞工具面，通過右轉左轉的方式對工具面進行修正。

3.工作原理

鉆柱扭擺滑動鉆井時，井下鉆柱軸向摩擦阻力分布狀態(tài)有3個典型區(qū)間[10]，即地面扭擺作用區(qū)、中部靜摩擦阻區(qū)和下部動力鉆具反扭矩作用區(qū)。在滑動鉆井過程中，地面扭擺作用區(qū)代表了井下鉆柱受地面扭擺運動影響的范圍，通過改變該區(qū)鉆柱與井壁的相對運動形態(tài)，將靜摩擦變?yōu)閯幽Σ?，大幅降低滑動鉆井過程的鉆柱軸向摩擦阻力。Slider系統(tǒng)運行過程中，通過調整頂部鉆柱的左右擺動扭矩峰值，盡可能的擴展地面扭擺作用區(qū)的長度，最大限度實現(xiàn)降低摩阻的功能。施加給鉆柱的擺動扭矩峰值由操作人員根據(jù)工具面穩(wěn)定情況設置，不通過計算獲取。

二、現(xiàn)場應用及效果評價

四川油氣田磨溪-高石梯區(qū)塊大斜度井、水平井具有井深(5 000 m以上)、裸眼段長(2 000 m)、鉆井液密度高(2.0 g/cm3以上)特點，造斜井段普遍存在滑動鉆井“托壓”現(xiàn)象，鉆井效率低。針對以上工程特點，優(yōu)選斯倫貝謝公司的Slider系統(tǒng)在高石區(qū)塊進行了試驗應用。

1.應用井基本情況

GS001-XX井是部署在高石梯區(qū)塊的一口開發(fā)井，基礎數(shù)據(jù)見表1。

表1 井眼軌跡數(shù)據(jù)表

2.應用情況

應用井段：4 832.88～5 035 m。

鉆具組合：?215.9 mm PDC+?172 mm 1.5°彎螺桿+回壓凡爾+?165.1 mm無磁鉆鋌+?172 mm無磁懸掛短節(jié)+?127 mm加重鉆桿+?165.1 mm隨鉆震擊器+?127 mm加重鉆桿+?127 mm鉆桿。

井斜：16.7°～54°。

Slider正式運轉前，先將鉆頭提離井底，旋轉鉆具測試空載扭矩，按不超過空載扭矩值的50%設置Slider初始左擺扭矩/右擺扭矩，并在Slider作業(yè)過程中隨時調整，在工具面穩(wěn)定的情況下，增大設置扭矩，擴展地面扭擺作用區(qū)的長度從而最大限度的降低滑動摩阻。GS001-XX井現(xiàn)場設置左擺扭矩/右擺扭矩分別為4 000 N·m和2 000 N·m，隨著井深的增加，通過動態(tài)判斷，調整地面扭矩峰值達到最佳的擺動降摩阻效果。

3.應用效果分析

使用Slider系統(tǒng)期間工具面穩(wěn)定，工具面調整迅速，未出現(xiàn)靜摩擦力瞬間釋放導致鉆壓突然增大等情況，滑動鉆井“托壓”現(xiàn)象得到大幅改善，鉆壓一直維持在70～80 kN，應用井段平均機械鉆速提高約18%，總體提速效果明顯(圖2)。

圖2 滑動鉆進工具面穩(wěn)定

三、結論及建議

(1)Slider通過持續(xù)正反旋轉鉆柱，能夠有效減輕由于鉆柱靜止導致的滑動鉆井“托壓”現(xiàn)象，進而提高鉆井速度和滑動鉆井效率，特別適合于長水平段水平井或大位移井。

(2)Slider扭矩的設置來自于工程師經(jīng)驗和反復嘗試，可開展鉆柱扭擺力學研究，開發(fā)配套軟件，優(yōu)化初始扭矩設置，進一步提高鉆柱扭擺降摩減阻效果。

[1]Maidla E, Haci M, Jones S, Cluchey M, Alexander M, Warren T. Field proof of the new sliding technology for directional drilling [C]//SPE/IADC Drilling Conference ,23-25 February 2005, Amsterdam, The Netherlands. DOI: http://dx. doi. org /10.2118/ 92558-MS.

[2]Maidla E, Haci M. Understanding torque: The key to slide drilling directional wells[C]//IADC/SPE/ Drilling Conference, 2-4 March 2004, Dallas, Texas, USA, DOI: http://dx.doi.org/ 10.2118/87162-MS.

[3]Colin Gillan, Scott Boone, Gregory Kostiuk, et al. Applying precision drill rotation and oscillation to slide drilling problems[R].SPE 118656,2009.

[4]Gillan C, Boone S G, LeBlanc M G, Picard R P, Fox R T. Applying computer based precision drill pipe rotation and oscillation to automate slide drilling steering control[C]//Canadian Unconventional Resources Conference,15-17 November 2011,Alberta,Canada,DOI:http://dx.doi.org/10.2118/ 148192-MS.

[5]易先中,李智鵬,周元華,等. 地面鉆柱扭擺方法釋放井下摩阻的研究進展[J]. 鉆采工藝, 2014, 37(4): 73-76.

[6]易先中,吉源強,盛擁軍,等. 自動滑動鉆井控制系統(tǒng)的研究進展[J]. 鉆采工藝, 2013, 41(9): 12-15.

[7]李智鵬,易先中,陶瑞東,等. 定向滑動鉆進控制新方法研究[J]. 石油鉆探技術, 2014, 42(4): 59-62.

[8]武廣璦, 何保生, 鄧果. 工具面動態(tài)控制鉆井系統(tǒng)的室內(nèi)研究[J]. 石油機械, 2014, 42(9): 15-18.

[9]徐文, 劉新立, 馬瑞, 等. 基于頂部驅動的滑動鉆井導向控制技術[J]. 石油機械, 2013, 41(3): 27-30.

[10]韓烈祥. 基于靜摩擦扭矩釋放的快速滑動定向鉆井技術[J]. 天然氣工業(yè), 2015, 35(11): 60-65.