定向井穩(wěn)斜段長井段取心技術探討

孫立全 （中石油大慶鉆探工程公司鉆井二公司，黑龍江 大慶163000）

大慶長垣喇、薩、杏油田屬于大型非均質多油層砂巖油田，經過四十多年注水開發(fā)，各類油層都已不同程度水淹，但在占儲量比例較大的厚油層中。由于儲層縱向非均質性嚴重，油層頂部仍然存在一定的未水淹或低水淹厚度。為進一步了解厚油層頂部剩余油分布規(guī)律，判斷穩(wěn)斜段的水淹狀況，研究油層沉積特征，有必要開展定向井穩(wěn)斜段長井段取心技術研究。

1 定向井穩(wěn)斜段長井段取心技術施工難點

1.1 井眼軌跡控制難度大

由于取心筒鋼性較大，導致控制增斜、降斜難度大，并且調整取心筒上的螺扶外徑，運用鉆盤鉆進的方式來達到增降井斜的目的具有很大不確定性。此外，在取心過程中不能通過鉆壓的調整來實現(xiàn)軌道控制。

1.2 取心工藝難度高

穩(wěn)斜段取心與直井取心的不同之處在于取心工具的軸線與重力方向不同，在重力的作用下，取心工具躺在井筒底邊上，在取心鉆進過程中有降斜趨勢，在鉆壓的作用下，容易使巖心筒彎曲，產生堵卡巖心筒和巖心損壞，進入巖心筒的巖心也容易發(fā)生偏磨與破碎，且?guī)r屑容易在井筒底邊上形成巖屑床。

1.3 易發(fā)生井塌、井漏、卡鉆等復雜事故

取心筒外徑較大，割心后有時會留下較大的巖塊，并且在取心鉆進過程中還要降低排量，大的巖塊返不出來，停泵后巖塊落到取心筒處，易卡住取心筒。此外，井斜較大且取心段附近有斷層，易發(fā)生井塌、井漏等事故。此外，由于部分取心層位綜合含水高，在取心時，割心經常出現(xiàn)擼心、掉心情況。

2 定向井穩(wěn)斜段長井段取心技術研究

2.1 穩(wěn)斜段取心鉆具組合力學模型的建立

穩(wěn)斜段取心時，采用轉盤驅動鉆井，其工作狀態(tài)與直井鉆井中的下部鉆具工作狀態(tài)不完全相同，主要表現(xiàn)為鉆頭扭矩由鉆盤提供再由鉆具傳遞到鉆頭上，取心筒鉆具結構和彎曲剛度也不同于鉆鋌，因為取心筒是一個復合結構且重量隨巖心長度發(fā)生變化。因此，根據下部取心鉆具組合 （BHA）受力變形情況，可以建立鉆盤驅動鉆井時的BHA接觸和幾何非線性力學模型［1］（見圖1）。

2.2 穩(wěn)斜段取心鉆具組合設計

在定向井穩(wěn)斜段取心作業(yè)中，若采用彎螺桿定向鉆井實施井眼軌道控制，必然導致井眼軌道控制步驟增加，損失取心井段，使鉆井效率降低，鉆井成本增高。如果采用轉盤鉆進實施井眼軌道控制，就可以提高工作效率。針對轉盤驅動鉆井工作狀態(tài)，結合取心筒實際結構，為滿足穩(wěn)斜段長井段取心和控制井眼軌道的要求，設計了下列4種鉆具組合［2－3］：

圖1 BHA接觸和幾何非線性靜力學模型示圖

1）雙穩(wěn)定器穩(wěn)斜鉆具 ?215.9鉆頭0.3m＋?190／144接頭0.22m＋?213穩(wěn)定器0.5m／0.28m＋?177.8mm自鎖式密閉取心筒×10m ＋穩(wěn)定器0.5m／0.28m＋?177.8mm鉆鋌×9m＋?158.8mm鉆鋌×27m＋?127.0mm鉆桿。

2）單穩(wěn)定器增斜鉆具 ?215.9鉆頭0.3m＋?190／144接頭0.22m＋?213穩(wěn)定器0.5m／0.28m＋?177.8mm 自鎖式密閉取心筒×10m ＋?177.8mm 鉆鋌×9m＋?158.8mm 鉆鋌×27m＋?127.0mm鉆桿。

3）雙穩(wěn)定器增斜鉆具 ?215.9鉆頭0.3m＋?190／144接頭0.22m ＋?213穩(wěn)定器0.5m／0.28m＋?177.8mm自鎖式密閉取心筒×10m＋?177.8mm鉆鋌×9m＋穩(wěn)定器0.5m／0.28m＋?158.8mm鉆鋌×27m＋?127鉆桿。

4）單穩(wěn)定器降斜鉆具 ?215.9鉆頭0.3m＋?190／144接頭0.72m ＋?177.8mm自鎖式密閉取心筒×10m＋?213穩(wěn)定器0.5m／0.28m＋?177.8mm鉆鋌×9m＋?158.8mm鉆鋌×27m＋?127鉆桿。

2.3 取心工具設計

1）取心鉆頭 鉆頭是取心過程中關鍵部件之一。根據定向井段取心的特點，設計與制造了加長保徑、采用大間距切削齒、工作面流體暢通、排屑效果好、自扶穩(wěn)定性好的胎體PDC取心鉆頭，器型號為?215.9DQ506。

2）密閉安全接頭 將安全接頭與密閉接頭設計成一個復合部件，使工具結構更為緊湊。密閉安全接頭具有如下特點：取心前安裝好密閉頭，封堵內筒，保護好密閉液；巖心出筒時，打開密閉頭，巖心即可推出巖心筒。

3）內筒扶正裝置 在內筒的兩端安裝了扶正裝置，其中在上端安裝了滾輪扶正器，在下端裝整體式滾柱軸承，這樣增加了內筒的穩(wěn)定性，防止巖心偏磨，還可以減少內筒的轉動，保證巖心的完整，為提高巖心收獲率提供有利條件。

4）外筒雙扶正器 外筒裝有螺旋扶正器，可防止巖心筒彎曲，提高了取心筒抗彎曲強度，有利于取心作業(yè)。

2.4 取心鉆進參數的確定

1）鉆壓 取心工具近似貼在井壁狀態(tài)，鉆柱與井壁的摩阻、扭矩增大，給取心施壓造成困難。因此，現(xiàn)場根據泵壓、扭矩變化來調節(jié)鉆頭施加在地層上壓力的大小。隨著穩(wěn)斜段的加長，施加鉆壓變得困難，后期取心鉆具組合可采取增加2根鉆鋌的方法，從而解決穩(wěn)斜段施加鉆壓困難的問題。此外，在取心后期，由于內外巖心筒與井眼不居中，會造成樹心時套心困難，為此采用循環(huán)時大排量清洗井底、鉆進時采用5kN鉆壓鉆進、鉆壓恢復后再加壓的方法，待鉆進0.5m、泵壓升高后，再調整正常參數鉆進［4］。

2）排量 取心排量一般應滿足取心時攜砂及井眼穩(wěn)定的需求。采用“大排量循環(huán)，低排量鉆進”，循環(huán)時，開泵要緩慢，并用低排量循環(huán)10min，再采用 （28～30）L／s高排量循環(huán)，清洗井底和內筒，以減少鉆井液中的固相含量，防止沉砂卡鉆井下事故的發(fā)生；鉆進時，為防止鉆井液沖蝕巖心，采用（20～22）L／s循環(huán)排量，隨著穩(wěn)斜段的加長，泵壓升高，這樣就有可能導致加不上鉆壓，機械鉆速降低。針對上述情況，可采用降低排量、增加鉆壓的方法來提高機械鉆速。

3）轉盤轉數 取心鉆進采用轉盤驅動，考慮鉆具的平穩(wěn)性采用低轉數，因此現(xiàn)場根據鉆具擺動情況來調整轉盤轉數，采用 （30～50）r／min，低轉數能夠增加下部鉆具的穩(wěn)定性，降低鉆頭扭矩，保證巖心的完整，防止卡心與堵心，提高巖心收獲率。

2.5 穩(wěn)斜段軌跡控制工藝

穩(wěn)斜段軌跡控制是定向井長井段取心的關鍵［5］。為確保井眼軌跡符合設計要求并最終中靶，應及時調整井眼軌跡以達到井身質量要求。鉆至取心井段同時調整好井斜和方位，起鉆換取心鉆具組合，為準確掌握穩(wěn)斜段取心時井眼軌跡的變化規(guī)律，每取心鉆進30～50m通井測斜一次。取心鉆具組合通過調整取心筒螺扶外徑、取心筒長度 （螺扶外徑、取心筒長度通過力學分析計算獲得）后設計為微降、增斜和降斜3種形式，根據測斜情況及時進行調整，保證井眼軌跡滿足設計要求。對于穩(wěn)斜取心井段，當設計井斜角相對穩(wěn)定或變化幅度較小時，通過改變螺旋扶正器安放位置，在取心的同時調整水平段軌跡。

表1 2種鉆具組合造斜率對照表

3 現(xiàn)場應用

喇6－檢SM2601井2011年3月5日開鉆，鉆至井深985.8m時開始取心，4月3日完鉆，井深1303m。該井共取心35筒，取心總進尺340.97m，總心長304.27m，總收獲率99.8%。鉆進周期25.58d，建井周期29d，平均取心機械鉆速5.81m／h。在喇6－檢SM2601井穩(wěn)斜段井眼軌道控制中，選用穩(wěn)斜、增斜鉆具組合對軌跡進行調整。2種鉆具組合造斜率對照表如表1所示。由表1可知，2種鉆具組合造斜率的誤差較小，既能滿足穩(wěn)斜段長井段連續(xù)取心的要求，又能同時調整井眼軌跡。

4 結 語

為進一步了解厚油層頂部剩余油分布規(guī)律和判斷穩(wěn)斜段的水淹狀況，開展定向井穩(wěn)斜段長井段取心技術研究。在分析定向井穩(wěn)斜段長井段取心技術施工難點，建立穩(wěn)斜段取心鉆具組合力學模型，設計了穩(wěn)斜段取心鉆具組合和取心工具，確定了取心鉆進參數，并闡述了穩(wěn)斜段軌跡控制工藝?，F(xiàn)場施工表明，應用定向井穩(wěn)斜段長井段取心技術既能滿足穩(wěn)斜段長井段連續(xù)取心的要求，又能同時調整井眼軌跡，因而具有可行性。

［1］鄒野，李治淼，趙賢初，等 .杏6－1－平35井水平段取心鉆具設計 ［A］.大慶油田有限責任公司核心技術人才優(yōu)秀論文集 ［C］.北京：石油工業(yè)出版社，2009：56－58.

［2］任攀攀，陳曉林，林修闊 .常規(guī)取心工具在定向井中應用的可行性分析 ［J］.探礦工程 （巖土鉆掘工程），2009，36（3）：7－8.

［3］蔣慶祥，宋維華 .機械加壓式取心工具在井斜小于40°定向井中的應用 ［J］.西部探礦工程，2006，（8）：196－197.

［4］陳世春 .TZ5X－1大斜度定向井小井眼取心技術 ［J］.石油鉆采工藝，2002，24 （2）：26－28.

［5］許俊良，畢永進，周洪國，等 .定向井取心工具的研制及現(xiàn)場應用 ［J］.石油機械，2001，29（2）：35－37.