預(yù)彎曲動(dòng)力學(xué)井斜控制技術(shù)在長(zhǎng)寧構(gòu)造氣體鉆井中的應(yīng)用

鄧 柯, 劉殿琛, 李宬曉

(1中石油川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院 2國(guó)家能源高含硫氣藏開采研發(fā)中心)

長(zhǎng)寧構(gòu)造為川南頁巖氣勘探開發(fā)的主力區(qū)塊，該構(gòu)造中下部地層韓家店～石牛欄段長(zhǎng)約700 m，巖性以粉砂巖、灰?guī)r為主，研磨性較強(qiáng)，可鉆性較差，常規(guī)鉆井鉆速慢。自2014年開始在韓家店～石牛欄層段采用氣體鉆井技術(shù)提速，因地層傾角較大(15°±3°)，非均質(zhì)性強(qiáng)，加大了氣體鉆井井斜控制難度[1]，采用鐘擺鉆具組合鉆進(jìn)，一旦鉆壓超過40 kN，井斜上漲較快，限制了氣體鉆井提速優(yōu)勢(shì)發(fā)揮。如寧Hb-6井在韓家店～石牛欄層段1 600 m～2 150 m氣體鉆井采用單扶正器鐘擺鉆具組合鉆進(jìn)，鉆壓控制在50 kN以內(nèi)，井斜5.5°～9.2°控制效果較差。

本文基于預(yù)彎曲鉆具組合動(dòng)力學(xué)特性分析[2]，通過開展氣體鉆井條件下預(yù)彎曲鐘擺鉆具組合動(dòng)態(tài)鐘擺力的仿真分析，提出了適合長(zhǎng)寧構(gòu)造地質(zhì)特征的氣體鉆井預(yù)彎曲動(dòng)力學(xué)井斜控制技術(shù)，在長(zhǎng)寧Ha、Hb平臺(tái)成功應(yīng)用，取得較好的應(yīng)用效果，對(duì)長(zhǎng)寧構(gòu)造及類似區(qū)塊起到一定得借鑒作用。

一、預(yù)彎曲鐘擺鉆具組合仿真分析

根據(jù)長(zhǎng)寧構(gòu)造韓家店～石牛欄地質(zhì)特征，及?215.9 mm井眼氣體鉆井鉆井參數(shù)，對(duì)長(zhǎng)寧構(gòu)造韓家店～石牛欄?215.9 mm井眼氣體鉆井預(yù)彎曲鐘擺鉆具組合開展了仿真分析[3]，優(yōu)選出鐘擺力最大的鉆具組合。

計(jì)算條件：地層傾角15°，鉆壓60 kN，轉(zhuǎn)速60 r/min。

仿真分析了兩種彎角度(0.75°、1°)、兩種扶正器安放位置所對(duì)應(yīng)的預(yù)彎單穩(wěn)、預(yù)彎雙穩(wěn)八種不同鐘擺鉆具組合的動(dòng)態(tài)鐘擺力[4-5](表1，表2)，優(yōu)選出鐘擺力最大的預(yù)彎雙穩(wěn)鐘擺鉆具組合用作氣體鉆井井斜控制：?215.9 mm鉆頭+?165.1 mm預(yù)彎短接(0.75°)×1 m+?165.1 mm鉆鋌1根+?165.1 mm短鉆鋌2根+?214 mm扶正器+?165.1 mm鉆鋌1根+?214 mm扶正器+?165.1 mm鉆鋌5根+…。

二、預(yù)彎曲短接設(shè)計(jì)與加工

0.75°預(yù)彎曲短接設(shè)計(jì)為短接本體彎曲的雙母短接，短接全長(zhǎng)0.8 m，外徑為?165.1 mm，內(nèi)經(jīng)?71.4 mm，扣型410，本體彎曲始點(diǎn)距離下端母扣長(zhǎng)度為L(zhǎng)1，距離上端母扣長(zhǎng)度為L(zhǎng)2，偏離短接原中心線0.72°(圖1)。

預(yù)彎曲短接選用42CrMo材質(zhì)，整體加工而成，按照GB/T 3077-1999《合金結(jié)構(gòu)鋼》技術(shù)要求進(jìn)行加工制造。開展金屬材料力學(xué)性能檢測(cè)，其抗拉強(qiáng)度、抗扭強(qiáng)度等性能指標(biāo)超過同尺寸的?165.1 mm一級(jí)鉆鋌強(qiáng)度(表3)，滿足安全鉆井需要。

表1 ?215.9 mm井眼八種預(yù)彎曲鐘擺鉆具組合

注：推薦鉆井參數(shù)均為：鉆壓≤60 kN,轉(zhuǎn)速60 r/min。

表2 ?215.9 mm井眼八種鉆具組合動(dòng)態(tài)鐘擺力

注：計(jì)算參數(shù)均為鉆壓60 kN,轉(zhuǎn)速60 r/min。

圖1 ?165.1 mm-0.75°預(yù)彎曲短接示意圖

三、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及效果分析

預(yù)彎曲動(dòng)力學(xué)井斜控制技術(shù)先后在長(zhǎng)寧構(gòu)造長(zhǎng)寧Ha、Hb平臺(tái)應(yīng)用5井次，氣體鉆井井斜較常規(guī)鐘擺鉆具組合鉆進(jìn)時(shí)得到大幅降低，取得了較好應(yīng)用效果。

表3 預(yù)彎曲短接機(jī)械性能對(duì)比

圖2 長(zhǎng)寧構(gòu)造韓家店～石牛欄氣體鉆井井斜曲線

長(zhǎng)寧Ha-5井、Hb-3井、Hb-4井、Hb-5井、Hb-6井韓家店～石牛欄層段均采用帶0.75°彎接頭的預(yù)彎曲鐘擺鉆具組合鉆進(jìn)，鉆壓30～60 kN，轉(zhuǎn)速60 r/min，通過井斜曲線(圖2)分析可以看出，實(shí)施了預(yù)彎動(dòng)力學(xué)仿斜技術(shù)的井段最大井斜在2°～3°(表4)，較采用常規(guī)鐘擺鉆具組合鉆進(jìn)的長(zhǎng)寧Ha-6井、Hb-2井最大井斜角降低50%以上。共使用?165.1 mm-0.75°預(yù)彎曲短接2只，單只累計(jì)入井使用時(shí)間最長(zhǎng)達(dá)296.2 h，承受最大拉力近1 300 kN，最大扭矩近20 kN·m，未發(fā)生安全事故。

1. 長(zhǎng)寧Ha-5井應(yīng)用實(shí)例

長(zhǎng)寧Ha-5井位于長(zhǎng)寧背斜構(gòu)造中奧頂構(gòu)造南翼，目的層是志留系龍馬溪組。2014年6月從井深1 602.1 m開始空氣鉆井，鉆進(jìn)至井深2 094.64 m轉(zhuǎn)為氮?dú)忏@井，鉆進(jìn)至目標(biāo)井深2 252 m，氣體鉆井鉆具組合為：?215.9 mm牙輪鉆頭+0.75°預(yù)彎接頭+?165.1 mm無磁鉆鋌+?165.1 mm短鉆鋌2根+?213 mm扶正器+?165.1 mm鉆鋌1根+?211 mm扶正器+?165.1 mm鉆鋌8根+?127 mm加重鉆桿30根+斜坡?127 mm鉆桿+頂驅(qū)，鉆壓30～60 kN，轉(zhuǎn)速60 r/min，所鉆井段井斜0.36°～2.99°，與同平臺(tái)井長(zhǎng)寧Ha-6井相比，最大井斜由9.2°降至2.99°，井斜下降67.5%。

表4 長(zhǎng)寧構(gòu)造韓家店～石牛欄氣體鉆井井斜統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

2. 長(zhǎng)寧Hb-5井應(yīng)用實(shí)例

長(zhǎng)寧Hb-5井位于長(zhǎng)寧背斜構(gòu)造中奧頂構(gòu)造南翼，目的層是志留系龍馬溪組。2014年10月從井深1 510 m實(shí)施空氣鉆井，鉆進(jìn)至井深1 641.71 m時(shí)鉆遇地層出氣，轉(zhuǎn)氮?dú)忏@井鉆至目標(biāo)井深2 094.50 m，氣體鉆井鉆具組合為：?215.9 mm牙輪鉆頭+0.75°預(yù)彎接頭+?165.1 mm無磁鉆鋌1根+?165.1 mm短鉆鋌2根+?215 mm扶正器+?165.1 mm鉆鋌1根+?213 mm扶正器+?165.1 mm鉆鋌6根+127 mm加重鉆桿15根+127 mm鉆桿+頂驅(qū)，鉆壓30～60 kN，轉(zhuǎn)速60 r/min，所鉆井段井斜0.66°～2.82°，同鄰井Hb-2井相比，最大井斜由6.38°降至2.82°，井斜控制較鐘擺鉆具組合得到明顯改善。

四、結(jié)論

(1)基于預(yù)彎曲鉆具動(dòng)力學(xué)防斜理論研究，優(yōu)選出了“0.75°預(yù)彎短接+雙扶正器”預(yù)彎鐘擺鉆具組合，為長(zhǎng)寧構(gòu)造韓家店～石牛欄層段氣體鉆井井斜控制提供了一條有效途徑。

(2)完成了?165.1 mm-0.75°預(yù)彎短接設(shè)計(jì)與加工，應(yīng)用5井次，單只預(yù)彎短接累計(jì)入井使用時(shí)間超過290 h，承受最大拉力近1 200 kN，最大扭矩近20 kN·m，未發(fā)生安全事故。

(3)在長(zhǎng)寧構(gòu)造應(yīng)用5井次，較常規(guī)鐘擺鉆具組合鉆壓提升20 kN，井斜降低50%以上，取得較好應(yīng)用效果。