導(dǎo)向渦輪軌跡控制技術(shù)及影響因素

劉占魁，楚恒智

（1.西部鉆探克拉瑪依鉆井公司，新疆 克拉瑪依 834009；2.新疆油田工程技術(shù)研究院，新疆 克拉瑪依 834000）

MY1井風城組取得重大突破后，開辟了西北緣二疊系頁巖油勘探新領(lǐng)域。基于甜點預(yù)測技術(shù)，初步完成瑪北地區(qū)頁巖油“甜點”分布的預(yù)測，落實了有利面積和頁巖油資源潛力。為實現(xiàn)二疊系風城組頁巖油領(lǐng)域整體突破，按照探索頁巖油新類型與水平井提產(chǎn)相結(jié)合的思路，部署風險探井MY1H井，加快落實頁巖油勘探潛力。MY1H井位于烏夏斷裂帶，東南鄰近瑪湖凹陷。三開井身結(jié)構(gòu)，三開斜井段及水平段為?215.9mm井眼。水平段鉆遇儲層為二疊系風城組三段致密白云質(zhì)儲層，斜深4426m進入風三段，儲層垂深4557m左右。

1 導(dǎo)向渦輪應(yīng)用背景

風三段主要為泥質(zhì)白云巖，夾云質(zhì)泥巖、粉砂質(zhì)泥巖。MY1H井現(xiàn)場X衍射全巖礦物分析顯示，水平段鉆進過程中石英、斜長石、白云石三種礦物含量合計占比35.1%～64.8%，骨架密度平均值2.69g/cm3，壓實程度高、巖性致密。根據(jù)鄰井測井數(shù)據(jù)計算，風三段—風二段頂部，巖石抗壓強度91～160MPa，內(nèi)摩擦系數(shù)0.7～0.8。與直井鉆井不同，直井鉆井通過配合使用扭力沖擊器等，在一定程度上消減了粘滑效應(yīng)，通過實施低轉(zhuǎn)速大鉆壓鉆進方式，有效降低了PDC鉆頭復(fù)合片先期損壞風險，進而提高了鉆井進尺。MY1H井造斜段及部分水平段使用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)鉆進，受造斜率及工具結(jié)構(gòu)限制，近鉆頭處不能配合使用扭力沖擊器等降粘滑的工器具，高抗壓強度及抗剪切強度條件下鉆頭選型及有效應(yīng)用遇到難題。MY1H井4461～4775m井段使用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)鉆進，三趟鉆純鉆時間191.5h，平均機械鉆速1.64m/h。進尺少的主要原因是PDC鉆頭崩齒。進入水平段后使用的是雙排齒五刀翼鉆頭，進尺22m、平均機械鉆速0.46m/h，鉆時慢起鉆、PDC復(fù)合片崩。針對兼顧水平井軌跡控制和提高速度的難題，本文提出并組織導(dǎo)向渦輪鉆進。使用彎度為0.8°導(dǎo)向渦輪配型號為DD5560M孕鑲金剛石鉆頭鉆進，鉆頭長度0.47m、刀翼數(shù)量16個、過流面積774.192mm2、冠部為淺錐部設(shè)計，對應(yīng)巖石可鉆級別8～11級。鉆具組合：?215.9mm鉆頭+?172mm渦輪(?212mm扶正器)+?159mm浮閥+?210mm扶正器+LWD+?127mm加重鉆桿3根+?127mm斜坡鉆桿+?139.7mm鉆桿。鉆壓50～60kN，轉(zhuǎn)速60r/min。排量29.5L/s，泵壓24.3MPa。白油基鉆井液密度1.39g/cm3，粘度75s，油水比84/16，破乳電壓800～1350V。上述組合鉆進中表現(xiàn)出復(fù)合鉆進時增井斜的現(xiàn)象，為此按照實鉆平均井眼曲率3.17°/30m的條件進行計算。

2 導(dǎo)向工具關(guān)鍵參數(shù)對軌跡控制的影響規(guī)律

當用扶正器間距表示鉆柱扶正器位置，基于上述鉆具組合及鉆進參數(shù)設(shè)定模擬分析條件，造斜及穩(wěn)斜效果隨扶正器間距變化規(guī)律見圖1。該條件下全力增斜能力、復(fù)合鉆進井斜變化率均隨扶正器間距增大而增大，全力降斜能力隨扶正器間距增大而減小。對于上述鉆井實例，扶正器間距為9.05m，復(fù)合鉆進增斜較快；渦輪鉆具長度確定時盡可能縮短渦輪鉆具自帶扶正器與鉆柱扶正器間距，有助于水平段復(fù)合鉆進穩(wěn)斜。

本井使用的渦輪鉆具彎角0.8°，造斜及穩(wěn)斜效果隨彎角度數(shù)變化規(guī)律見圖2。計算條件下全力增斜能力、全力降斜能力、復(fù)合鉆進井斜變化率均隨彎角增大而增大，復(fù)合鉆進增斜很快；兼顧軌跡控制時滑動鉆進造斜率要求，渦輪鉆具彎角不能再小了，為提高水平段復(fù)合鉆進穩(wěn)斜效果，需調(diào)整其它參數(shù)。

圖2 復(fù)合鉆進穩(wěn)斜效果隨彎角度數(shù)變化規(guī)律

渦輪自帶扶正器直徑?212mm、鉆柱扶正器直徑?210mm，造斜及穩(wěn)斜效果隨扶正器直徑變化規(guī)律見圖3。計算條件下全力增斜能力、復(fù)合鉆進井斜變化率均隨扶正器直徑增大而減小，全力降斜能力隨穩(wěn)定器直徑增大而增大。

圖3 復(fù)合鉆進穩(wěn)斜效果隨扶正器直徑變化規(guī)律

渦輪鉆進時鉆壓較小，造斜及穩(wěn)斜效果隨鉆壓變化規(guī)律見圖4。全力增斜能力隨鉆壓增大而增大，全力降斜能力隨鉆壓增大而減小；復(fù)合鉆進條件下，鉆壓10kN時會降斜，鉆壓20kN時會緩慢增斜，鉆壓大于20kN后會快速增斜。對于上述計算實例，鉆壓50～60kN時復(fù)合鉆進增斜很快。

圖4 復(fù)合鉆進穩(wěn)斜效果隨鉆壓變化規(guī)律

鉆頭各向異性指數(shù)是指側(cè)向切削能力與軸向切削能力之比；取值范圍(0，1)，該值越大表明鉆頭側(cè)向切削能力越強。造斜及穩(wěn)斜效果隨鉆頭各向異性變化規(guī)律見圖5。該條件下全力增斜能力隨鉆頭各向異性指數(shù)增大而減小，全力降斜能力隨鉆頭各向異性指數(shù)增大而增大；復(fù)合鉆進條件下，鉆頭各向異性指數(shù)小于0.05時會增斜，該值越小增斜能力越強；鉆頭各向異性指數(shù)大于0.05會降斜，該值越大降斜能力越強。對于上述計算實例，反算出孕鑲式金剛石鉆頭的鉆頭各向異性指數(shù)僅為0.01左右，水平段復(fù)合鉆進增斜趨勢較強。

圖5 復(fù)合鉆進穩(wěn)斜效果隨鉆頭各向異性指數(shù)變化規(guī)律

通過計算分析顯示，上述鉆具組合水平段復(fù)合鉆進增斜趨勢較強，增斜段中滑動鉆進降斜能力弱，需采用全力降斜模式連續(xù)鉆進一定進尺后才會出現(xiàn)降斜效果。為此，調(diào)整渦輪近鉆頭扶正器為?210mm、鉆具扶正器?212mm。此外，改變鉆具組合中浮閥與扶正器位置，減少扶正器之間的間距，降低復(fù)合鉆進時增斜趨勢。計算見圖6。與之前的鉆具組合相比，鉆壓較大時該組合的復(fù)合鉆進增斜趨勢有所減弱；鉆壓較小時降斜趨勢有所增強。

圖6 復(fù)合鉆進穩(wěn)斜效果隨扶正器直徑調(diào)整后變化規(guī)律

3 應(yīng)用效果分析

與水平段普遍使用螺桿鉆具相比，渦輪鉆水平井反扭角小且穩(wěn)定、工具面穩(wěn)定，軌跡容易控制。本井水平段大部分井段采用滑動鉆進，渦輪轉(zhuǎn)速高，滑動鉆進機械鉆速與復(fù)合鉆進相當，節(jié)約導(dǎo)向時間。渦輪運行時振動小，有利于保護井下儀器。渦輪鉆進形成的井眼平滑，降低螺旋和屈曲，有效降低了滑動鉆進摩阻，為后期完井下套管等作業(yè)奠定了基礎(chǔ)。與傳統(tǒng)的渦輪鉆具由裝有葉片的動力端及裝有止推軸承的軸承端兩部分組成不同，本井使用的渦輪鉆具將動力端與軸承端合二為一，顯著縮短了工具長度，減少接頭數(shù)量，剛性長度減小，可下入性增強，降低了長渦輪普遍存在的劃眼、通井時間。

本井水平段使用導(dǎo)向渦輪鉆進兩趟鉆。第一趟鉆鉆進井段4775～5120m，進尺345m，純鉆時間182h，渦輪井下工作時間260h，機械鉆速1.89m/h。水平段機械鉆速較旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向+PDC鉆頭提高2.8倍，單趟鉆進尺提高14.68倍，應(yīng)用效果較好。第二趟鉆優(yōu)化了扶正器外徑以及扶正器間距，復(fù)合鉆進穩(wěn)斜效果得到改善，鉆進井段5120～5173m，進尺53m，純鉆時間40h，機械鉆速1.33m/h。

4 結(jié)論

（1）導(dǎo)向渦輪配孕鑲金剛石鉆頭鉆進，能大幅度提高深井綜合鉆井速度，是云質(zhì)類儲層鉆井軌跡控制的有效技術(shù)手段。

（2）孕鑲金剛石鉆頭選型及導(dǎo)向渦輪井下工作狀態(tài)的識別判斷尚有待進一步研究。