變徑穩(wěn)定器在鄂北水平井鉆井應(yīng)用研究

李德紅，羅宏志，李 季，溫 偉，李明忠，宋文宇，王 超，王旭升

（中石化華北石油工程有限公司，河南 鄭州 450006）

0 引言

鉆井過程中通過調(diào)整井下鉆具組合控制井眼軌跡，不同的鉆具組合在井下受力狀態(tài)不同，其中穩(wěn)定器在鉆具組合中發(fā)揮著重要作用，不同穩(wěn)定器位置和數(shù)量會導(dǎo)致不同的井下受力，井眼軌跡也會因受力不同有所區(qū)別。鉆井中較為常見的幾種鉆具組合主要有單扶增斜［1］、雙扶穩(wěn)斜［2］、三扶滿眼穩(wěn)斜［3］、鐘擺降斜等鉆具組合形式，還可以與動力鉆具搭配，且不同的鉆井參數(shù)效果也略有差異。

目前國內(nèi)導(dǎo)向鉆井［4］主要采用彎螺桿動力鉆具，配合不同的鉆具組合，可有效控制軌跡，并達到快速鉆井的目的［5］。在水平井施工中，水平段設(shè)計軌道一般為矩形靶框穩(wěn)斜設(shè)計，為達到較好的穩(wěn)斜效果，減少軌跡調(diào)整次數(shù)，現(xiàn)場施工中多采用“單彎螺桿+雙扶穩(wěn)斜”鉆具組合，既具有一定軌跡調(diào)整能力，復(fù)合鉆進［6］又具備穩(wěn)斜作用，綜合性能較好。但不足之處是造斜能力受到抑制，造斜率偏低，在軌跡調(diào)整中效率較低。

本文通過分析鄂爾多斯北部盆地儲層特征和施工難點，研究穩(wěn)定器在不同鉆具組合中的作用效果，進一步開展變徑穩(wěn)定器［7］的研究與應(yīng)用，為提高水平段軌跡高效控制、減少滑動鉆進占比、提高鉆井時效起到借鑒意義。

1 地質(zhì)與工程概況

1.1 儲層地質(zhì)情況

鄂爾多斯盆地北部（大牛地氣田、東勝氣田）以水平井開發(fā)為主，上古生界主力儲層為變狀河沉積相，致密砂巖儲層中存在泥巖夾層。水平段鉆遇主要目的層為二疊系上石盒子組、下石盒子組、山西組和太原組，巖性為棕褐色、灰色、深灰色泥巖，淺灰色、灰色砂巖以及灰白色含礫砂巖、砂泥巖呈等厚互層分布，儲層非均質(zhì)性強，主要目的層相變較大。

1.2 鉆井工程情況

大牛地氣田、東勝氣田水平井以二級和三級井身結(jié)構(gòu)為主，垂深一般在3000～3500 m 之間，斜深4000～5000 m，水平段井眼尺寸分別為215.9 mm（二級結(jié)構(gòu)）和152.4 mm（三級結(jié)構(gòu)），水平段長約1000～2000 m，井斜一般在89°～92°之間，一般矩形靶框要求為上下偏離≯1 m，左右偏離≯5 m，整體靶框為穩(wěn)斜設(shè)計，水平段從著陸點開始每100 m 設(shè)計1 個靶點。

2 水平段軌跡控制難點

（1）儲層非均質(zhì)性強，縱橫向變化大，難以準確預(yù)測砂體展布和優(yōu)質(zhì)儲層，一旦鉆遇泥巖夾層油氣顯示下降，井壁失穩(wěn)風(fēng)險增大，需大幅調(diào)整井斜改變垂深，盡快鉆離泥巖重返砂巖儲層；

（2）儲層地層傾角大，自然造斜能力強，造成軌跡調(diào)整頻繁，滑動占比高，嚴重影響水平段鉆井施工效率；

（3）隨著水平段延伸，摩阻不斷增大，滑動鉆進中出現(xiàn)嚴重托壓現(xiàn)象［8］，造成滑動鉆時較慢，定向造斜率偏低，嚴重影響機械鉆速。

3 鉆具組合作用分析與優(yōu)化

3.1 單彎單穩(wěn)鉆具組合

單彎單穩(wěn)鉆具組合為：鉆頭+（下穩(wěn)定器）單彎螺桿+單流閥+MWD+定向接頭+無磁承壓鉆桿+斜坡鉆桿+加重鉆桿+斜坡鉆桿。該鉆具組合屬于單扶增斜組合（見圖1）。水平段定向滑動鉆進底部鉆具受力后，近鉆頭穩(wěn)定器起到支點作用［9］，螺桿彎點在穩(wěn)定器上部2 m 處左右，以穩(wěn)定器為支點，可有利提高單彎螺桿造斜效果，實現(xiàn)軌跡高效控制的目的。在水平段復(fù)合鉆進時，下部鉆具平置于井眼低邊，底部鉆具組合受力后，在近鉆頭穩(wěn)定器的支點作用下，有一定的復(fù)合鉆進增斜作用［10］。該鉆具組合有利于軌跡調(diào)整控制，不利于水平段的穩(wěn)斜鉆進。

圖1 單彎單穩(wěn)鉆具組合Fig.1 Schematic diagram of the single?bend BHA with a single stablizer

3.2 單彎雙穩(wěn)鉆具組合

單彎雙穩(wěn)鉆具組合為：鉆頭+（下穩(wěn)定器）單彎螺桿+穩(wěn)定器+單流閥+MWD+定向接頭+無磁承壓鉆桿+斜坡鉆桿+加重鉆桿+斜坡鉆桿。該鉆具組合屬于雙扶穩(wěn)斜組合。除了螺桿下部穩(wěn)定器以外，在螺桿上部增加1 個穩(wěn)定器，增強了下部鉆具組合的剛性，在水平段復(fù)合鉆進時，即使底部鉆具組合受力，但由于較強的剛性使鉆具在旋轉(zhuǎn)鉆進過程中仍趨于軸向運動，具有較好的穩(wěn)定井斜的作用。在滑動定向鉆進時，底部鉆具受力后，由于單彎螺桿上下兩端穩(wěn)定器的雙支點作用，造成定向鉆進中底部鉆具發(fā)生偏離軸向更加困難，影響單彎螺桿的造斜效果。所以該鉆具組合穩(wěn)斜效果較好，但一旦出現(xiàn)鉆遇泥巖需大幅調(diào)整軌跡時，無法實現(xiàn)較快地進入儲層砂體，不利于軌跡調(diào)整與控制，造成水平段的嚴重浪費，甚至導(dǎo)致填井側(cè)鉆。

3.3 鉆具組合優(yōu)化

水平段靶框設(shè)計為長方體靶，一般儲層砂體走勢穩(wěn)定，軌跡主要以穩(wěn)斜設(shè)計為主。但鄂爾多斯盆地北部儲層非均質(zhì)性較強，并且儲層泥巖薄層多，因鉆遇泥巖夾層調(diào)整軌跡時有發(fā)生，并且鉆進中也會由于地層傾角導(dǎo)致軌跡偏離，同樣需要軌跡調(diào)整。因此需要一種鉆具組合，既能在需要調(diào)整軌跡時實現(xiàn)高效控制，又能在復(fù)合鉆進時抑制地層自然造斜，起到較好的穩(wěn)斜效果。

變徑穩(wěn)定器具有外徑大小可以控制的特點，在鉆具組合中采用變徑穩(wěn)定器替代普通穩(wěn)定器，使井下鉆具組合隨著變徑穩(wěn)定器外徑的變化而改變。既可以滿足水平段需要穩(wěn)斜鉆進時起到穩(wěn)斜作用，抑制地層自然造斜，減少軌跡的調(diào)整次數(shù)，又具有靈活調(diào)整能力，實現(xiàn)軌跡高效控制的目的，有效解決水平段施工中單一鉆具組合存在的缺陷。

4 變徑穩(wěn)定器結(jié)構(gòu)與工作原理

4.1 基本結(jié)構(gòu)

國內(nèi)一些研究機構(gòu)從20 世紀90 年代已經(jīng)開始研制遙控變徑穩(wěn)定器［11］，先后開發(fā)了提壓鉆柱式、投球式、排量控制式等3 種遙控變徑穩(wěn)定器，本文介紹的是一種通過開關(guān)泵瞬間的水力壓差完成變徑伸縮工作狀態(tài)切換的遙控變徑穩(wěn)定器［12］（見圖2）。

圖2 變徑穩(wěn)定器Fig.2 Schematic diagram of the variable diameter stabilizer

該變徑穩(wěn)定器關(guān)鍵由變徑結(jié)構(gòu)、變徑執(zhí)行機構(gòu)、變徑控制機構(gòu)、花鍵套控制機構(gòu)和密封系統(tǒng)等組成［13］。變徑結(jié)構(gòu)主要由變徑殼體、心軸、復(fù)位彈簧、小活塞（扶正塊）等組成。在穩(wěn)定器本體內(nèi)螺旋布置3 組能徑向伸出的小活塞，當(dāng)小活塞伸出時，本體外徑增大且旋轉(zhuǎn)時相對井壁尺寸連續(xù)，小活塞不伸出時，穩(wěn)定器本體尺寸不變。

4.2 工作原理

變徑執(zhí)行機構(gòu)由心軸斜面和復(fù)位彈簧等組成，心軸斜面受內(nèi)外側(cè)壓差作用，下行推出小活塞，內(nèi)外壓差消失，心軸斜面受復(fù)位彈簧作用回位，小活塞縮回，控制部件結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 變徑穩(wěn)定器控制部件結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Schematic diagram of the control components of the variable diameter stabilizer

變徑控制機構(gòu)由動花鍵套、靜花鍵套及心軸活塞等組成，心軸斜面連接心軸活塞，井筒內(nèi)外壓差驅(qū)動心軸活塞下行，動花鍵套連接在心軸活塞上，靜花鍵套與殼體固定連接，動、靜花鍵套相對角度相差1齒，心軸斜面可以下行變徑，相差0 齒，心軸斜面不能下行而不變徑（見圖4）。

數(shù)據(jù)驅(qū)動中關(guān)于操作模式優(yōu)化的定義：在允許的操作模式空間Ω中，尋找最優(yōu)的操作模式Popt，在該操作模式的作用下，使得生產(chǎn)的工藝指標達到最優(yōu)[13]。即：表示工藝指標。對于紙漿洗滌過程就是從過程的運行數(shù)據(jù)中挖掘出輸入條件、狀態(tài)參數(shù)、操作參數(shù)以及工藝指標之間的關(guān)系，并根據(jù)輸入條件以及當(dāng)前狀態(tài)，尋找合適的操作參數(shù)。

圖4 變徑控制機構(gòu)Fig.4 Diameter control mechanism

在鉆井過程中，遙控變徑穩(wěn)定器工作時串接在井下鉆具組合中，內(nèi)外利用環(huán)空孔來連通，通過開關(guān)鉆井泵來控制它的狀態(tài)。開泵時，由于該工具內(nèi)部鉆井液壓強＞工具外部環(huán)空的壓強，在工具的上、下心軸產(chǎn)生壓差，產(chǎn)生使工具心軸向下運動的推動力，使工具心軸克服復(fù)位彈簧的彈力向下運動，從而帶動斜面塊也向下運動，推動徑向布置的活塞伸出；當(dāng)停泵時，工具內(nèi)外鉆井液壓強差消失，工具心軸在復(fù)位彈簧的帶動下向上運動，帶動斜面塊也向上運動，拉動扶正活塞縮回工具本體內(nèi)。

具體的變徑動作過程：比如立管壓力為P，在停泵的狀態(tài)下，工具扶正活塞縮在工具本體內(nèi)，工具處于內(nèi)縮狀態(tài)，當(dāng)首次開泵后，扶正活塞將伸至同工具本體外殼齊平，工具變?yōu)辇R平狀態(tài)，立管壓力為P，此時停泵扶正活塞縮回，工具重回內(nèi)縮狀態(tài)；再次開泵后，扶正活塞將伸出工具本體外殼外，此時工具工作外徑最大，工具變?yōu)樯斐鰻顟B(tài)，立管壓力為P+P1（P1為變徑穩(wěn)定器伸出狀態(tài)下增加的壓耗），再次停泵，扶正活塞再次縮回工具本體內(nèi)，工具重回內(nèi)縮狀態(tài)。通過不斷的開泵和停泵，工具將在不同的3 種狀態(tài)下循環(huán)，形成工具的狀態(tài)控制循環(huán)規(guī)律。同時當(dāng)工具產(chǎn)生相應(yīng)的動作后，利用其內(nèi)部的節(jié)流示位機構(gòu)，通過泵壓變化傳遞工具的狀態(tài)信息。

通過調(diào)節(jié)變徑穩(wěn)定器的外徑尺寸實現(xiàn)變徑，改變井下鉆具組合狀態(tài)［14］。當(dāng)需要穩(wěn)斜作用時，通過開關(guān)泵控制變徑穩(wěn)定器本體內(nèi)螺旋布置的3 組扶正塊徑向伸出，當(dāng)扶正塊伸出時，本體外徑增大且旋轉(zhuǎn)時相對井壁尺寸連續(xù)，起到雙穩(wěn)定器穩(wěn)斜控制效果；當(dāng)需要調(diào)整軌跡時，變徑穩(wěn)定器通過開關(guān)泵控制將扶正塊收縮回去，變徑穩(wěn)定器變?yōu)楸倔w尺寸，使鉆具組合變?yōu)閱畏€(wěn)定器，提高鉆具組合軌跡調(diào)整能力。

5 現(xiàn)場應(yīng)用

5.1 變徑穩(wěn)定器鉆具組合

為更好地完成水平段軌跡控制，施工井三開水平段采用的鉆具組合［15-16］和鉆進參數(shù)如下。

鉆具組合：?152.4 mm 鉆頭+?127 mm×1.25°單扶螺桿+單流閥+?120 mm 變徑穩(wěn)定器+MWD×1+?116 mm 無磁鉆鋌×1 根+?88.9 mm鉆桿+?88.9 mm 加重鉆桿×30 根+?88.9 mm鉆桿。

鉆進參數(shù)：鉆壓40～60 kN，排量16～18 L/s，轉(zhuǎn)速為螺桿轉(zhuǎn)速+40 r/min。變徑穩(wěn)定器主要工作參數(shù)見表1。

表1 變徑穩(wěn)定器主要工作參數(shù)Table 1 Main operating parameters of the variable diameter stabilizer

5.2 現(xiàn)場應(yīng)用效果

5.2.1 J58PXH 井應(yīng)用效果

在J58PXH 井水平段應(yīng)用變徑穩(wěn)定器，應(yīng)用井段3416～4416 m，共進尺1000 m，純鉆時間97.75 h，循環(huán)時間120 h，平均機械鉆速10.23 m/h，比該井區(qū)施工井平均機械鉆速（8.02 m/h）提高27.6%，實現(xiàn)水平段的“一趟鉆”［3］。水平段共滑動進尺26 m，占鉆進進尺2.6%。與該區(qū)塊使用常規(guī)單彎雙穩(wěn)鉆具組合滑動進尺（8%）相比，降低了67%。本井復(fù)合鉆時平均5 min/m，滑動鉆時20 min/m，節(jié)省滑動進尺54 m，節(jié)省純鉆進時間13.5 h，復(fù)合鉆進所鉆井眼光滑，提高了井眼質(zhì)量。

該工具在定向過程中處于縮回狀態(tài)，泵壓為25 MPa，定向過程中 1.25°螺桿造斜率在（25°～30°）/100 m，具有較好的造斜效果。在復(fù)合鉆井過程中工具處于伸出狀態(tài)，泵壓為27 MPa，起到穩(wěn)斜效果，井斜以（1°～2°）/100 m 微降，巖性相對致密井段井斜以（2°～3°）/100 m 微增。這些數(shù)據(jù)證明了變徑穩(wěn)定器既具備高效的軌跡調(diào)整能力，也具有較好的雙扶穩(wěn)斜效果。變徑穩(wěn)定器伸縮狀態(tài)與井斜控制關(guān)系見圖5。

圖5 儀器伸縮與井斜關(guān)系Fig.5 Relationship between tool expansion and inclination

5.2.2 D12-PX 井應(yīng)用效果

D12-PX 井水平段采用變徑穩(wěn)定器鉆具組合，在三開水平段剛鉆進砂體不足20 m 時，錄井全烴值下降，無油氣顯示，鉆入泥巖夾層，地質(zhì)導(dǎo)向工程師要求立即調(diào)整鉆進軌跡，井斜增大至93°左右，垂深上抬3 m。這時控制變徑穩(wěn)定器姿態(tài)，縮回變徑穩(wěn)定器的小活塞，將雙扶穩(wěn)斜鉆具組合變成單扶鉆具組合，降低下部鉆具組合剛性，在滑動鉆進過程中使得螺桿具有更好的造斜效果，快速將井斜增至93.43°，隨著垂深的快速上升，很快錄井儀全烴值上升，出現(xiàn)油氣顯示，軌道再次回到了儲層，變徑穩(wěn)定器高效軌跡調(diào)整能力充分體現(xiàn)。

本井水平段前500 m 砂體構(gòu)造每百米抬升1.2～1.5 m，地層傾角變化大，井斜控制難度大。在水平段需要穩(wěn)斜鉆進時，通過控制變徑穩(wěn)定器讓小活塞伸出，本體外徑增大至外徑150 mm，與螺桿本體穩(wěn)定器形成了雙扶穩(wěn)斜鉆具組合，增強了下部鉆具組合剛性，復(fù)合鉆進時平均單根井斜變化率＜0.2°，起到較好的穩(wěn)斜效果，降低了地層傾角的增斜作用，減少了軌跡調(diào)整次數(shù)，提高了鉆井效率，同時使井眼軌跡更加平滑。

水平段應(yīng)用變徑穩(wěn)定器共進尺803 m，純鉆時間77.5 h，平均機械鉆速10.36 m/h，較該井區(qū)水平段平均機械鉆速提高23.49%。整體應(yīng)用井段僅調(diào)整軌跡49.5 m，滑動進尺占比6.16%，較井區(qū)水平段平均滑動占比（10.48%）降低了41.22%，穩(wěn)斜效果顯著。在定向鉆進時，通過收縮變徑穩(wěn)定器變成單扶增斜鉆具組合后，較常規(guī)雙扶穩(wěn)斜組合平均造斜率提高30%左右，軌跡調(diào)整效率高。采用不同穩(wěn)定器滑動鉆進時的造斜率對比見表2。

表2 有無變徑穩(wěn)定器滑動造斜率數(shù)據(jù)對比Table 2 Comparison of slide?drilling build rates with and without variable diameter stabilizers

6 結(jié)論

（1）變徑穩(wěn)定器現(xiàn)場應(yīng)用中，立壓穩(wěn)定，變徑切換靈活，容易準確判斷工具狀態(tài)，在井下復(fù)雜受力狀態(tài)下工具安全性可靠。

（2）變徑穩(wěn)定器活塞伸出形成穩(wěn)斜鉆具組合，在水平段復(fù)合鉆進過程中，具有良好的穩(wěn)斜作用效果。在調(diào)整軌跡時，變徑穩(wěn)定器活塞縮回，降低鉆具組合剛性，提高調(diào)整控制能力，實現(xiàn)軌跡高效控制。

（3）變徑穩(wěn)定器在井下的可控變徑功能，提高了滑動造斜率，避免了因普通雙扶穩(wěn)斜造斜率不足造成起鉆的問題，提高了軌跡控制能力和施工時效，為水平井安全快速鉆井起到了重要作用。