遙控變徑穩(wěn)定器安放位置的優(yōu)化與應(yīng)用*

趙洪山 周志剛 楊澤寧

(中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院)

0 引 言

史南油田位于濟(jì)陽坳陷東營凹陷中央隆起帶的西端，是由中高滲透斷塊油藏、低滲透巖性油藏構(gòu)成的稀油油田，主要通過部署長穩(wěn)斜段定向井來提高儲量的控制與動用程度。前期多口井鉆探實踐表明，采用常規(guī)的“單彎雙穩(wěn)”螺桿鉆具組合控制方式，同一套底部鉆具(BHA)難以滿足不同地層穩(wěn)斜鉆進(jìn)的需要，長穩(wěn)斜段鉆進(jìn)期間普遍存在滑動進(jìn)尺比例高、滑動鉆進(jìn)效率低及起下鉆趟數(shù)多等問題[1-3]，給史南油田的經(jīng)濟(jì)效益開發(fā)帶來了不利的影響。

遙控變徑穩(wěn)定器是水平井、大位移井井眼軌跡輔助控制的一種低成本工具，其通過控制活塞“伸縮”改變BHA力學(xué)特性來實現(xiàn)增斜、穩(wěn)斜和降斜軌跡控制，有利于提高長穩(wěn)斜井段的鉆井時效和井身質(zhì)量[4-5]。針對史南油田定向井長穩(wěn)斜段的井眼條件和軌跡控制等難點，通過建立“單彎雙穩(wěn)”螺桿鉆具造斜率預(yù)測方法，優(yōu)化合理的變徑穩(wěn)定器安放位置及鉆井參數(shù)，在史南油田史3-斜A井二開長穩(wěn)斜段開展了KB型遙控變徑穩(wěn)定器的現(xiàn)場應(yīng)用，一趟鉆完成了1 153.00 m長穩(wěn)斜井段的施工，取得了良好的應(yīng)用效果。為今后史南油田長穩(wěn)斜井段的鉆井提速提效提供有益指導(dǎo)。

1 井眼概況及難點分析

史3-斜A井是史南油田史深100地區(qū)的一口典型長穩(wěn)斜段定向井，采用二開次井身結(jié)構(gòu)方案設(shè)計。其中：一開?273.1 mm表層套管下深401.00 m，封隔第四系、新近系明化鎮(zhèn)組的松散地層；二開?215.9 mm鉆頭鉆至井深3 619.70 m完鉆，依次鉆遇新近系明化鎮(zhèn)組、館陶組以及古近系東營組、沙河街組的沙一段、沙二段、沙三上亞段和沙三中亞段地層。表1為史3-斜A井井眼軌道設(shè)計參數(shù)。

表1 史3-斜A井井眼軌道設(shè)計參數(shù)

根據(jù)同臺鄰井的實鉆情況分析，由于造斜點較深，裸眼段和斜井段長，長穩(wěn)斜段施工后期隨著鉆柱與井壁接觸面積的逐漸增大，滑動鉆進(jìn)過程中容易發(fā)生正弦屈曲和螺旋屈曲，導(dǎo)致摩阻扭矩增大，鉆頭加壓和水平段延伸均比較困難[6-7]。此外，長穩(wěn)斜段分別鉆進(jìn)沙一段、沙二段、沙三上亞段和沙三中亞段等多段地層，采用相同的底部鉆具難以滿足不同地層穩(wěn)斜鉆進(jìn)的需求。因此鉆進(jìn)期間造成軌跡調(diào)整次數(shù)較多、滑動進(jìn)尺較長，使得長穩(wěn)斜段的軌跡控制效率偏低。

以史3-斜B井為例，穩(wěn)斜井段為2 752.12～3 649.00 m，穩(wěn)斜段長896.88 m。由于穩(wěn)斜鉆進(jìn)期間不同地層的造斜規(guī)律差別較大，沙二段以淺地層復(fù)合鉆進(jìn)時每30 m造斜率為-0.6°～-1.2°，而沙三上亞段和沙三中亞段地層復(fù)合鉆進(jìn)每30 m造斜率為0.9°～1.5°。長穩(wěn)斜段軌跡控制期間累計滑動鉆進(jìn)54.50 m，滑動進(jìn)尺比例為6.08%，加之軌跡控制后期摩阻基本在200～300 kN，滑動鉆進(jìn)鉆時高達(dá)100～180 min/m，最終導(dǎo)致該井896.88 m長的穩(wěn)斜段采用三趟鉆完成，平均單趟鉆進(jìn)尺僅為298.96 m，平均機(jī)械鉆速為8.12 m/h，嚴(yán)重影響了該井的施工進(jìn)度。

2 KB型遙控變徑穩(wěn)定器

KB型遙控變徑穩(wěn)定器是一種“開關(guān)泵控制式”變徑穩(wěn)定器，通過開關(guān)鉆井泵控制活塞“伸縮”來改變工具外徑大小，可以實現(xiàn)不起下鉆調(diào)整井斜的目的，有利于顯著提高復(fù)合鉆進(jìn)尺比例和井眼軌跡質(zhì)量，近年來在勝利、四川等地區(qū)應(yīng)用較為廣泛。

2.1 結(jié)構(gòu)原理

圖1為KB型遙控變徑穩(wěn)定器的結(jié)構(gòu)示意圖。該工具主要由本體、上心軸、斜面塊、扶正活塞、控制器、下心軸、平衡活塞、壓差活塞、節(jié)流桿等部件組成。

1—本體；2—上心軸；3—復(fù)位彈簧；4—斜面塊；5—扶正活塞；6—控制器；7—下心軸；8—平衡活塞；9—壓差活塞；10—節(jié)流桿。

變徑穩(wěn)定器工作期間，鉆井液流經(jīng)工具的上心軸和下心軸內(nèi)孔，工具內(nèi)部為鉆具內(nèi)壓力，工具下部的環(huán)空孔使得工具油腔的壓力為環(huán)空壓力。開泵時，由于工具內(nèi)部壓力大于外部環(huán)空的壓力，將在工具的上、下心軸產(chǎn)生壓差，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，推動徑向布置的扶正活塞伸出；停泵時，工具內(nèi)外鉆井液壓差消失，工具心軸將在復(fù)位彈簧的帶動下向上運動，從而帶動斜面塊向上運動，并拉動扶正活塞縮回工具本體內(nèi)。

2.2 技術(shù)特點

KB型遙控變徑穩(wěn)定器的主要技術(shù)特點如下[8-10]：

(1)采用開關(guān)泵控制活塞“伸縮”，變徑操作方式簡單，易于準(zhǔn)確判斷工具井下狀態(tài)；

(2)同常規(guī)MWD、LWD儀器及其他井下工具兼容性好，無信號和動作干涉；

(3)全機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計，具有防腐、耐磨、耐沖蝕、抗高溫的優(yōu)勢；

(4)工具本體上鉆孔少，抗扭轉(zhuǎn)和抗拉壓強(qiáng)度高，結(jié)構(gòu)可靠；

(5)可與國內(nèi)常規(guī)PDC、牙輪等類型鉆頭配合使用，無需配備專用鉆頭，適用范圍廣。

2.3 主要技術(shù)參數(shù)

目前，KB型遙控變徑穩(wěn)定器已經(jīng)形成適合?215.9～?444.5 mm不同井眼的系列產(chǎn)品。以?215.9 mm井眼通常使用的KB85型遙控變徑穩(wěn)定器為例，其主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 KB85型變徑穩(wěn)定器的主要技術(shù)參數(shù)

3 工具安放位置優(yōu)化

史南油田長穩(wěn)斜段主要采用“單彎雙穩(wěn)”螺桿鉆具進(jìn)行軌跡控制，為了提高同一BHA在沙一段～沙三中亞段多段地層中穩(wěn)斜鉆進(jìn)的適應(yīng)能力，“單彎雙穩(wěn)”鉆具中的上穩(wěn)定器采用KB85型變徑穩(wěn)定器來代替，通過對不同井段復(fù)合鉆造斜規(guī)律進(jìn)行分析，針對變徑穩(wěn)定器的安放位置進(jìn)行了優(yōu)化。

3.1 造斜率預(yù)測模型

根據(jù)“平衡趨勢法”造斜率預(yù)測理論[11-13]，“單彎雙穩(wěn)”螺桿鉆具在地層中復(fù)合鉆進(jìn)的過程是鉆頭與地層相互作用并逐漸趨于平衡的過程。令鉆進(jìn)趨勢角Ar(即鉆頭鉆進(jìn)趨勢方向與井眼軸線方向之間的夾角)等于0，此時底部鉆具組合的造斜趨勢達(dá)到平衡；此后鉆出的井眼曲率保持不變，對應(yīng)的井眼曲率即為“單彎雙穩(wěn)”螺桿鉆具復(fù)合鉆進(jìn)的造斜率大小。采用縱橫彎曲連續(xù)梁理論，通過建立底部鉆具力學(xué)分析模型，如圖2所示。

圖2 鉆頭力學(xué)特性分析

綜合考慮鉆頭的各向異性Ib、鉆頭側(cè)向力Nb及鉆頭轉(zhuǎn)角θ0等因素影響，可得鉆進(jìn)趨勢角Ar的計算表達(dá)式為[14-16]：

(1)

(2)

(3)

式中：K為每30 m井眼曲率，(°)；pb為鉆壓，N；L1為第一跨鉆柱(即鉆頭到螺桿本體扶正塊)的長度，m；q1為第一跨鉆柱在鉆井液中的線浮重，N/m；E為鉆柱材料的彈性模量，Pa；I1為第一跨鉆柱的慣性矩，m4；M1為作用在第一穩(wěn)定器上的彎矩，N·m；X(u1)、Z(u1)分別為縱橫彎曲梁理論三彎矩方程組中的放大因子，無量綱。

綜上分析，當(dāng)鉆進(jìn)趨勢角Ar推導(dǎo)出來后，可按以下步驟來預(yù)測“單彎雙穩(wěn)”螺桿鉆具復(fù)合鉆進(jìn)的造斜率：①假定一個初始的井眼曲率K值；②利用式(2)、式(3)分別計算鉆頭側(cè)向力Nb和鉆頭轉(zhuǎn)角θ0；③將Nb、θ0計算結(jié)果代入式(1)，計算鉆進(jìn)趨勢角Ar，若Ar=0，則假定的井眼曲率K值即為所求的造斜率；若Ar≠0，則需重新假定新的K值，并重復(fù)步驟①～③，直到Ar=0。

3.2 復(fù)合鉆造斜規(guī)律分析

根據(jù)史3-斜B井長穩(wěn)斜段的復(fù)合鉆造斜率變化特點，由于沙二段以淺及以深地層的復(fù)合鉆造斜規(guī)律差別明顯，分別以降斜、增斜為主。因此為了盡可能提高BHA在不同地層的穩(wěn)斜鉆進(jìn)能力，史3-斜A井沙二段以淺地層變徑穩(wěn)定器使用期間，工具活塞應(yīng)主要以收回狀態(tài)為主，而沙二段以深地層則主要為伸出狀態(tài)鉆進(jìn)。

圖3為利用“平衡趨勢法”造斜率預(yù)測模型，對活塞收回時沙二段以淺地層的BHA復(fù)合鉆造斜規(guī)律進(jìn)行的分析。從圖3可以看出，隨著變徑穩(wěn)定器距螺桿本體扶正塊距離的增加，BHA復(fù)合鉆進(jìn)造斜率明顯增大；以鉆壓60 kN為例，當(dāng)距本體扶正塊距離增加0.4 m時，復(fù)合鉆每30 m造斜率預(yù)計增大0.16°左右。另外，為了確保在40～100 kN鉆壓條件下BHA在沙二段以淺地層中能夠穩(wěn)斜鉆進(jìn)，變徑穩(wěn)定器距螺桿本體扶正塊的距離應(yīng)以小于8.60 m為宜。

圖3 沙二段以淺地層活塞收回時的BHA復(fù)合鉆造斜率

圖4給出了沙二段以深地層鉆進(jìn)期間活塞伸出時的BHA復(fù)合鉆造斜規(guī)律。從圖4可以看出，隨變徑穩(wěn)定器距螺桿本體扶正塊距離的增加，當(dāng)變徑穩(wěn)定器使用期間活塞伸出時，BHA復(fù)合鉆進(jìn)的造斜率同樣明顯增大；以鉆壓60 kN為例，當(dāng)距本體扶正塊距離增加0.4 m時，復(fù)合鉆每30 m造斜率預(yù)計增大0.21°左右。為了實現(xiàn)沙二段以深地層“單彎雙穩(wěn)”螺桿鉆具復(fù)合鉆進(jìn)的穩(wěn)斜軌跡控制，可以看出變徑穩(wěn)定器距螺桿本體扶正塊的距離應(yīng)小于8.20 m。

圖4 沙二段以深地層活塞伸出時的BHA復(fù)合鉆造斜率

4 現(xiàn)場應(yīng)用效果分析

為了解決史南油田長穩(wěn)斜段鉆進(jìn)過程中井眼軌跡控制效率低的難題，KB型遙控變徑穩(wěn)定器研制成功后，在史3-斜A井二開穩(wěn)斜井段進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用。該工具自井深2 482.00 m時入井，鉆進(jìn)至3 635.00 m時完鉆起出，整個鉆進(jìn)期間共調(diào)整工作狀態(tài)17次，累計工作時間120.27 h，進(jìn)尺1 153.00 m，純鉆時間85.79 h，平均機(jī)械鉆速13.44 m/h，應(yīng)用效果良好。

現(xiàn)場鉆進(jìn)期間，鉆具組合為：?215.9 mm PDC鉆頭+?172.0 mm單彎螺桿(1.5°)+?178.0 mm回壓閥+?172.0 mm變徑穩(wěn)定器+?165.0 mm無磁鉆鋌+MWD懸掛短節(jié)+?127.0 mm加重鉆桿×15根+?127.0 mm鉆桿，其中變徑穩(wěn)定器距螺桿本體扶正塊8.08 m。鉆井參數(shù)為：鉆壓40～120 kN，轉(zhuǎn)速40～60 r/min，排量28～32 L/s，泵壓16～22 MPa，鉆井液密度1.15～1.20 g/cm3，黏度40～60 s。

4.1 軌跡控制效率明顯提高

表3給出了與史3-斜A井同臺的3口井長穩(wěn)斜段施工情況的對比。從表3可以看出，使用KB型遙控變徑穩(wěn)定器之后，通過及時控制活塞“伸縮”，結(jié)合鉆井參數(shù)的實時調(diào)整，史3-斜A井二開長穩(wěn)斜段取得了良好的穩(wěn)斜鉆進(jìn)效果，整個鉆進(jìn)期間僅滑動定向22.50 m，滑動進(jìn)尺比例分別較斜B井、斜C井減少了67.93%和64.74%。最終該井僅用1趟鉆便完成了1 153.00 m長穩(wěn)斜段的施工，穩(wěn)斜井段平均機(jī)械鉆速13.44 m/h，分別較斜B井、斜C井提高了65.52%和22.07%。表明變徑穩(wěn)定器的使用有利于大幅提高長穩(wěn)斜井段的井眼軌跡控制效率。

表3 同臺3口井長穩(wěn)斜段施工情況對比

4.2 井眼質(zhì)量有效改善

圖5給出了與史3-斜A井同臺的3口井長穩(wěn)斜段井斜變化情況的對比。從圖5可以看出，斜B井、斜C井長穩(wěn)斜段鉆進(jìn)期間的井斜變化均比較大，井斜變化幅度分別達(dá)到8.5°和10.4°。尤其是長穩(wěn)斜段軌跡控制后期，由于鉆具摩阻基本在200 kN以上，滑動鉆進(jìn)期間不僅效率偏低，而且定向效果較差，從而導(dǎo)致實鉆井斜與設(shè)計井斜的差別不斷增大。然而斜A井使用變徑穩(wěn)定器鉆進(jìn)期間，由于工具外徑可根據(jù)需要進(jìn)行及時調(diào)整，其井斜變化幅度僅為2.8°，表明變徑穩(wěn)定器的使用能夠有效提高長穩(wěn)斜井段的井眼軌跡控制質(zhì)量。

圖5 同臺3口井長穩(wěn)斜段井斜變化情況對比

5 結(jié)論與認(rèn)識

(1)KB型遙控變徑穩(wěn)定器通過開關(guān)鉆井泵控制活塞“伸縮”來改變工具外徑大小，變徑操作方式簡單，易于準(zhǔn)確判斷工具井下工作狀態(tài)，并且與常規(guī)MWD、LWD測量儀器無信號和動作干涉，可以實現(xiàn)不起下鉆調(diào)整井斜的目的。

(2)基于“平衡趨勢法”造斜率預(yù)測理論和縱橫彎曲連續(xù)梁理論，建立了“單彎雙穩(wěn)”螺桿鉆具造斜率預(yù)測方法，通過分析活塞伸出和收回狀態(tài)時螺桿鉆具復(fù)合鉆進(jìn)的造斜規(guī)律，能夠?qū)崿F(xiàn)遙控變徑穩(wěn)定器安放位置及鉆井參數(shù)的優(yōu)化。

(3)遙控變徑穩(wěn)定器的使用能夠?qū)崿F(xiàn)不同鉆壓條件下“單彎雙穩(wěn)”螺桿鉆具復(fù)合鉆進(jìn)的增斜、穩(wěn)斜和降斜軌跡控制，顯著增強(qiáng)同一BHA在長穩(wěn)斜段多段地層中的穩(wěn)斜鉆進(jìn)適應(yīng)能力，有利于大幅提高長穩(wěn)斜井段的軌跡控制效率和井眼質(zhì)量。

(4)與旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井相比，遙控變徑穩(wěn)定器是一種低成本控制井眼軌跡的重要工具，建議加強(qiáng)高溫、高壓復(fù)雜工況以及不同鉆井液體系條件下，延長工具使用壽命和提高可靠性方面的研究，進(jìn)一步提升遙控變徑穩(wěn)定器的適用范圍和應(yīng)用效果。