孫曉飛， 和鵬飛， 韓東東， 張玉強

(中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452)

渤海淺部疏松地層旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向軌跡控制關(guān)鍵技術(shù)

孫曉飛， 和鵬飛， 韓東東， 張玉強

(中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452)

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具在渤海油田應(yīng)用較為廣泛，但長期以來由于旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具在渤海淺部地層的造斜率不穩(wěn)定，不能完全滿足軌跡控制要求，因此一般是上部采用螺桿馬達鉆具，中途起鉆更換旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具。但螺桿馬達鉆具一方面滑動定向時效較低，另一方面起鉆更換為旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具需耗時12～15 h。若能直接采用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具，取消中間的起鉆換鉆具步驟，作業(yè)效率將大幅度提高。通過定向井軌跡優(yōu)化、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具對比優(yōu)選、鉆井液性能優(yōu)化等技術(shù)措施，成功地在渤海淺部疏松地層實現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向控制軌跡技術(shù)，大幅提高了作業(yè)效率。

定向鉆井；淺部地層；旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具；造斜率；渤海油田

渤海油田上部地層較為疏松，尤其在平原組以及明化鎮(zhèn)組上部井段，長期以來由于地層壓實強度低、可鉆性強，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具造斜率不能滿足井眼軌跡控制要求而導(dǎo)致軌跡失控、防碰風(fēng)險增強而只能使用螺桿馬達鉆具，比如2007年3月在渤海某A23井中進行了斯倫貝謝PD900-X5工具的試用：試用段235～276 m，設(shè)計軌跡增斜，實際使用無增斜效果且出現(xiàn)了13.3°到11.3°的井斜降低情況，根本無法滿足作業(yè)要求。但是隨著渤海油田叢式井的深入開發(fā)，淺部地層采用螺桿馬達的技術(shù)局限性開始凸顯，一方面是井眼軌跡復(fù)雜化使在上部井段井斜角達到了50°以上，導(dǎo)致螺桿馬達滑動較為困難，另一方面隨著低原油價格行情的持續(xù)，鉆井開發(fā)降本增效要求加深，采用螺桿馬達的總體時效低于旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向[1-5]。因此在渤海上部地層開始就采用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具的技術(shù)需要呈現(xiàn)必然性。

1 技術(shù)要點

為突破旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向在松散地層造斜率不足的使用“瓶頸”，從旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具選擇、井眼軌跡優(yōu)化、鉆井液性能優(yōu)化等諸多方面進行了改進：在工具方面，比較遴選造斜能力強且對井壁強度要求較低的工具，減少對井壁強度的依賴；軌跡方面，利用地層趨勢，合理進行軌跡設(shè)計；鉆井液方面，結(jié)合作業(yè)需要，針對性加強封堵潤滑等性能。通過對以上方面的改進和研究，針對淺部地層增強旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具造斜能力的實踐取得了很好的效果，形成了一套技術(shù)體系。

1.1 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的優(yōu)選

按工作原理，目前現(xiàn)場應(yīng)用的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具可分為推靠式和指向式兩種。

(1)推靠式工具是以推靠的方式在鉆頭附近直接給鉆頭提供側(cè)向力。推靠偏置機構(gòu)(即“巴掌”)安裝在靠近鉆頭位置，其后串接一個或多個鉆柱穩(wěn)定器。在旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向過程中，偏置工具的偏心產(chǎn)生的鉆頭側(cè)向力起主要導(dǎo)向作用。由于此類旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向造斜全部由“巴掌”推井壁的反作用力提供，但側(cè)推“巴掌”的作用面積小，推靠式時產(chǎn)生的壓強大，因此對井壁要求較高。

(2)指向式工具是通過近鉆頭處鉆柱的彎曲使鉆頭指向井眼軌跡控制方向。指向偏置機構(gòu)位于鉆具內(nèi)部，通過鉆具內(nèi)置的兩個圓盤的偏心導(dǎo)致鉆柱發(fā)生彎曲，使鉆頭處的軸線與井眼軸線偏離，獲得造斜趨勢，從而達到造斜作用。由于該類工具的造斜，主要靠內(nèi)部機構(gòu)的偏置來完成，井壁不提供造斜力只提供鉆具的支持力，因而對井壁要求較低。

近年來，斯倫貝謝公司新一代旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具Power Drive Xceed在渤海應(yīng)用較多，由于其沒有任何零件支靠井壁，使旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向?qū)谥瘟Φ囊蕾囆越档阶畹?。該工具通過調(diào)節(jié)渦輪發(fā)電機負載電流改變渦輪發(fā)電機繞組回路阻抗，以使攜帶高強度永磁鐵的渦輪葉片與工具內(nèi)的扭矩線圈耦合產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和加速度，進而使旋轉(zhuǎn)換向閥保持一個相對于井壁固定的工具面角，最終實現(xiàn)控制軸在受控狀態(tài)下的運動狀態(tài)改變。其組成主要有：動力產(chǎn)生模塊、傳感器模塊、電子控制元件和導(dǎo)向系統(tǒng)。

2種旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的工作原理決定了工具本身對井壁強度的依賴程度。根據(jù)渤海地區(qū)上部地層松散成巖性差，無法對旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具提供井壁支撐力的特點，對斯倫貝謝、哈里巴頓、貝克休斯和威德福4家主要的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向服務(wù)廠商進行產(chǎn)品對比(見表1)，結(jié)合相應(yīng)工具在渤海使用的成熟程度，最終選定了斯倫貝謝的Power Drive Xceed旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具。

表1 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具及廠家比選

1.2 定向井軌跡的優(yōu)化

在軌跡設(shè)計方面，充分考慮到地層的自然趨勢和地層的可鉆性，在適當(dāng)利用的基礎(chǔ)上進行軌跡的合理設(shè)計。以渤中地層巖性為例(見表2)，其中的泥巖含量較多，比較松散，淺部地層的可鉆性非常好。

表2 渤中某地區(qū)地層及巖性簡介

根據(jù)該區(qū)塊的實鉆結(jié)果顯示，主要特征表現(xiàn)為以下幾點。

(1)由于上部地層松散，可鉆性由好到差，旋轉(zhuǎn)鉆進時據(jù)統(tǒng)計結(jié)果800～1000 m前為降斜，后續(xù)為微增趨勢。

(2)在淺部對旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向造斜力要求較高，60%～70%以上的力進行造斜可以達到3°/30 m的全角變化率，隨著井深加深，需要的造斜力會越來越小。

(3)實鉆過程中需要時刻注意軌跡的變化，上部井段降斜，實鉆中井眼軌跡可適當(dāng)?shù)陀谠O(shè)計井眼軌跡；下部井段增斜規(guī)律，軌跡會逐漸追上設(shè)計。這樣設(shè)計利用了井斜變化的趨勢，利于更好地控制軌跡。

1.3 鉆井液思路優(yōu)化

1.3.1 打破常規(guī)思路

以前使用馬達在淺部地層造斜時，由于馬達的造斜率較高，因此對于海水開路鉆進或者海水膨潤土漿的要求并不高。在使用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向在淺部地層造斜時，由于地層松軟，海水對地層的沖刷力過大，因此使用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具時要根據(jù)造斜的效果進行調(diào)整，打破傳統(tǒng)思維，可以提前轉(zhuǎn)入閉路或者提前轉(zhuǎn)化鉆井液，提高造斜率。

1.3.2 保證潤滑性及韌性泥餅

(1)加入潤滑劑降低濾餅?zāi)ψ柘禂?shù)。采用“以液體潤滑劑為主的液、固體潤滑劑組合”的潤滑方法(PF-BLA B+PF-GRA+PF-LUBE)。

(2)嚴(yán)格控制濾失量及濾餅厚度。一般進入斜井段后控制API濾失量在5 mL以內(nèi)，同時應(yīng)控制濾餅薄而堅韌。

(3)嚴(yán)格控制鉆井液的含砂量。

1.3.3 井眼凈化技術(shù)、防止泥球出現(xiàn)

渤中該區(qū)塊上部井段垂深750 m之前為粘軟泥巖，極易起泥球，造成環(huán)空憋壓，對旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的造斜能力產(chǎn)生影響，膨潤土漿控制粘度30 s左右，每2柱掃稠膨潤土漿6 m3攜砂，每柱倒劃眼一遍。采用PF-PAC HV和PF-XC H干粉護膠結(jié)束后，補充PF-PLH膠液，循環(huán)均勻后調(diào)整鉆井液性能，密度1.14～1.15 g/cm3，失水量<5 mL，粘度前期控制在50～60 s，YP>11 Pa，PF-HAS含量維持井漿中7～10 kg/m3，后期視返砂情況及鉆井參數(shù)及時調(diào)整。補充膠液時維持井漿中PLH含量在4～6 kg/m3。中完倒劃眼起鉆時，防止鉆井液粘度快速上漲，及時補充膠液，維持鉆井液粘度在65 s以下。

1.4 細化操作

(1)淺層造斜及穩(wěn)斜段，地層松散，鉆速相對快，需要通過鉆井參數(shù)控制(較低排量和較高鉆壓)加高百分比造斜力來保證造斜率，通過倒劃眼提高排量保證攜砂，同時注意穩(wěn)斜扭方位中造斜率低于理論計算值的問題。

(2)反摳扭方位段，通過實鉆經(jīng)驗分析，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向反摳扭方位時可以在穩(wěn)斜段將方位控制適當(dāng)超前，工具面先靠下一些，造出降斜的趨勢，再逐步調(diào)節(jié)，這一段主要扭方位造斜率相對比較低，需要80%～90%的造斜力方能滿足要求。

(3)規(guī)避ZOE工作盲區(qū)，在軌跡設(shè)計階段，必須嚴(yán)格檢查并優(yōu)化軌跡避開ZOE工作盲區(qū)。若設(shè)計井眼軌跡距離Xceed ZOE的范圍相對較近，為了避免工具誤入ZOE區(qū)域，在軌跡控制上有意讓井斜超前，右扭方位放緩。隨著地層膠結(jié)逐漸變好，一般都能滿足軌跡造斜要求，后續(xù)鉆進期間需要注意造斜力的變化，避免較大或者過小的全角變化率。

(4)對于淺部地層鉆進，通常使用海水膨潤土漿鉆進，期間要注意鉆井液粘度的變化，每次掃稠塞清潔井眼后，要注意將稠漿放掉一部分，避免粘度過高，固相過高造成憋壓，頻繁的憋壓會影響工具的造斜率。

(5)對不均質(zhì)地層影響造斜效果的井段，應(yīng)根據(jù)鄰井地質(zhì)錄井及測井資料，準(zhǔn)確掌握巖性變化情況，提前預(yù)留軌跡調(diào)整空間，避免劇烈全角變化率。

2 應(yīng)用效果

2.1 淺部防碰風(fēng)險控制更加精確

得益于近鉆頭井斜數(shù)據(jù)和MWD數(shù)據(jù)等的輔助，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的精確控制能力得以很好的發(fā)揮。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向的測量盲區(qū)僅2 m左右，相較馬達鉆具的30 m盲區(qū)有了根本性的改善，真正做到了精確控制井軌跡，對叢式井防碰起到了顯著的積極作用，作業(yè)安全性大幅提高。隨著油田開發(fā)進入后期，新布井均置于叢式井間，因此目前很多井淺部存在嚴(yán)重的防碰風(fēng)險。淺部松散地層旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向造斜技術(shù)的成功應(yīng)用、對井眼軌跡的精確控制，將大大減小淺層防碰風(fēng)險，提高鉆井作業(yè)的安全性。

2.2 簡化作業(yè)步驟，提高作業(yè)時效

到目前為止，淺部松散地層旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向造斜技術(shù)已應(yīng)用了16口井。與之前作業(yè)相比，新工藝主要差別在于二開鉆進過程中少一趟起下鉆，從而大大縮短了鉆進時間，在鉆進過程中，一趟鉆平均鉆速明顯高于兩趟鉆，以渤中該油田應(yīng)用為例，一趟鉆比兩趟鉆平均每口井節(jié)省39 h左右(表3)。由此可見，一趟鉆技術(shù)相對于傳統(tǒng)鉆進模式有明顯的提效作用。

表3 渤中某油田應(yīng)用實例

從整體時效分析，采用新工藝井相比之前模式井，平均每口井節(jié)省15 h左右；其整井的平均鉆速也普遍高于常規(guī)兩趟鉆鉆速，應(yīng)用新工藝的6口井的平均鉆速為36.86 m/h，常規(guī)井的平均鉆速為 25.17 m/h，平均鉆速增加了11.69 m/h。可見，新工藝相對于傳統(tǒng)鉆進模式提效明顯(參見圖1)。

3 結(jié)語

針對目前作業(yè)的技術(shù)局限，在結(jié)合現(xiàn)場實際的基礎(chǔ)上對原有作業(yè)模式進行了突破創(chuàng)新，打破了旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向在淺部松散地層的應(yīng)用“瓶頸”，確立了淺部松散地層旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向造斜關(guān)鍵技術(shù)。經(jīng)過實際應(yīng)用，該技術(shù)取得了良好的效果，具有廣闊的應(yīng)用前景。

圖1 新工藝井與常規(guī)工藝模式井的作業(yè)總耗時對比(從入井至中完出井的總時間)

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KeyTechnologyofDrillingTrajectoryControlbyRotarySteeringintheShallowUnconsolidatedFormationofBohai/

SUNXiao-fei,HEPeng-fei,HANDong-dong,ZHANGYu-qiang

(CNOOC EnerTech-Drilling & Production Co., Tianjin 300452, China)

Rotary steering tools are widely used in Bohai oilfield. Because of the instable built-up rate, screw motor drilling tools are generally adopted at the shallow formation drilling, and then rotary steering drilling tools are used instead. When with the screw motor drilling tools, slide steering efficiency is low; on the other hand, it will take 12～15h to trip out for the drilling tools replacement. If the rotary steering drilling tools are used from the very beginning without tripping out for drilling tools replacement, the operation efficiency will be greatly improved. By the technical measures of directional well trajectory optimization, selecting rotary steering tools by comparison and drilling fluid performance optimization, rotary steering drilling technology has been successfully applied in the shallow unconsolidated formation of Bohai.

directional drilling; shallow part of Bohai; rotary steering drilling; build-up rate; Bohai oilfield

TE243

：B

：1672-7428(2017)08-0033-04

2016-11-11

孫曉飛，男，漢族，1982年生，中海油監(jiān)督中心鉆井總監(jiān)、鉆井技術(shù)中心主任，石油工程專業(yè)，天津市濱海新區(qū)中新生態(tài)城悅馨苑4-301，sunxf2@cnooc.com.cn。