大慶油田水基鉆井液中應(yīng)用Geo-Pilot旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向淺析

楊德才

（大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院，黑龍江大慶163413）

我公司自2015年引進(jìn)哈里伯頓Geo-Pilot 7600旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)，到目前已累計(jì)完成8口井的技術(shù)服務(wù)工作，其中有6口井為分公司完成的軌跡控制導(dǎo)向任務(wù)，最大行程鉆速為103.34m/d，最高機(jī)械鉆速為12.12m/h，水平段最長(zhǎng)服務(wù)井段1218m，最大服務(wù)垂深為2169m。在應(yīng)用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向完成這些井施工工作期間，有2口井在施工中出現(xiàn)嚴(yán)重刮卡。

2015年元旦以后，國(guó)家《新環(huán)保法》開(kāi)始實(shí)施，鉆井工程中環(huán)保要求嚴(yán)格，油基鉆井液已經(jīng)全面停用。在目前水平井施工中，普遍使用水基鉆井液體系，對(duì)于水平段要求使用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的井，我公司組織Geo-Pilot 7600系統(tǒng)施工水平，結(jié)合鉆井工程的實(shí)際情況，探討在現(xiàn)有條件下如何保障工具安全，實(shí)現(xiàn)快速鉆井，取得最佳的經(jīng)濟(jì)效益。

1 Geo-Pilot旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)簡(jiǎn)介

Geo-Pilot旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具系統(tǒng)是由Halliburton公司開(kāi)發(fā)的指向式鉆井工具，已經(jīng)成功獲得商業(yè)化應(yīng)用。它是一種不旋轉(zhuǎn)外筒式自動(dòng)導(dǎo)向工具，主要有旋轉(zhuǎn)心軸、不旋轉(zhuǎn)外筒、偏心環(huán)偏置機(jī)構(gòu)、支點(diǎn)承座等部分構(gòu)成。

Geo-Pilot旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具工作時(shí)，依靠不旋轉(zhuǎn)外筒與旋轉(zhuǎn)心軸間的一套偏置機(jī)構(gòu)使旋轉(zhuǎn)心軸偏置彎曲，從而為鉆頭提供一個(gè)與井眼軸線(xiàn)不一致的傾角。該偏置機(jī)構(gòu)為特殊的偏心環(huán)偏置機(jī)構(gòu)，包括外偏心環(huán)、內(nèi)偏心環(huán)以及偏心驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。偏心驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)通常有聯(lián)軸節(jié)、減速機(jī)構(gòu)、離合器等構(gòu)成。偏心環(huán)在轉(zhuǎn)動(dòng)中，對(duì)鉆柱施加偏置力，使鉆柱發(fā)生彎曲，從而使鉆頭處鉆柱的軸線(xiàn)和井眼軸線(xiàn)之間出現(xiàn)夾角，從而實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向。

2 Geo-Pilot具體應(yīng)用的情況

2.1 單井的應(yīng)用情況

（1）井身結(jié)構(gòu)及軌道設(shè)計(jì)情況。以2016年施工的某井為例，其井身結(jié)構(gòu)及軌道設(shè)計(jì)見(jiàn)圖1。

(2)鉆具組合。造斜段鉆具組合：?215.9mmPDC鉆頭+?172mm單彎螺桿（1.5°）+?172mm浮閥+?172mm LWD+?165mm無(wú)磁鉆鋌×1根+?165mm螺旋鉆鋌2根+?127mm加重鉆桿×6根+?127mm鉆桿×45根+?127mm加重鉆桿×24根+?127mm鉆桿。

水平段鉆具組合：?215.9mmPDC鉆頭+?193mmGeo-Pilot旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具+?172mm浮閥+?127mm加重鉆桿×3根+?165mm震擊器+?127mm加重鉆桿×3根+?127mm鉆桿×165根+?127加重鉆桿×24根+?127mm鉆桿。

(3)軌道調(diào)整情況。在造斜段鉆進(jìn)過(guò)程中，通過(guò)LWD錄取的伽馬曲線(xiàn)和電阻率曲線(xiàn)，和相鄰井的測(cè)井曲線(xiàn)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)實(shí)際層位與設(shè)計(jì)層位垂深存在差異。在造斜過(guò)程中出現(xiàn)3次對(duì)軌道的調(diào)整，見(jiàn)表1。特別是第三次調(diào)整，造成下部井眼待鉆曲率達(dá)到9.31°/30m。現(xiàn)場(chǎng)定向工程師通過(guò)軟件優(yōu)化軌道，實(shí)鉆井眼走軌道下沿，既要保證中靶，又要降低井眼曲率，實(shí)鉆最大曲率也達(dá)到了8.86°/30m。

圖1 井身結(jié)構(gòu)及軌道設(shè)計(jì)情況

(4)鉆井液的要求。Geo-Pilot旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具，對(duì)鉆井液性能要求較高。因此使用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向施工的水平井，一般都選用技術(shù)較成熟的高性能水基鉆井液體系，主要性能見(jiàn)表2。在鉆井液中嚴(yán)禁使用硅酸鹽、鐵礦粉和乳化瀝青等材料。在鉆井液性能控制方面，主要保證鉆井液的攜砂、潤(rùn)滑和井壁穩(wěn)定，防止坍塌、卡鉆等形成復(fù)雜事故。

(5)實(shí)際鉆井中的效果。為保證旋導(dǎo)工具順利下入，本井對(duì)造斜段井眼進(jìn)行修整井壁處理。采用雙螺扶進(jìn)行了一次通井，但是在鉆井后期，起下鉆及短起下過(guò)程中，仍然存在摩阻較大、井壁失穩(wěn)、掉塊的情況，見(jiàn)表3。

表2 三開(kāi)鉆井液主要性能指標(biāo)

起下鉆過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)底部鉆具（外徑最大214mm）在通過(guò)青山口底部,及其與泉頭組交界時(shí)，存在摩阻大、超拉現(xiàn)象。分析地質(zhì)原因是青山口底部的黑色油頁(yè)巖，在水基鉆井液中長(zhǎng)時(shí)間浸泡后，出現(xiàn)掉塊，井壁失穩(wěn)。表象上就出現(xiàn)了超拉，或者卡鉆。

2.2 其它井的應(yīng)用情況

在其它4口井水平段應(yīng)用了Geo-Pilot旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具，有2口井也出現(xiàn)了卡鉆，一口出現(xiàn)超拉現(xiàn)象，具體情況如表4所示。

3 Geo-Pilot應(yīng)用優(yōu)缺點(diǎn)淺析

表3 短/長(zhǎng)起摩阻情況

表4 4口井應(yīng)用旋導(dǎo)情況

3.1 Geo-Pilot應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)

(1)在水平段施工中應(yīng)用，依據(jù)實(shí)時(shí)地質(zhì)曲線(xiàn)，隨時(shí)下傳指令，不依賴(lài)于滑動(dòng)鉆進(jìn)來(lái)完成井斜及方位的調(diào)整，從而避免了水平段定向托壓及定向鉆速慢等問(wèn)題。復(fù)合鉆進(jìn)時(shí)鉆壓能有效傳遞到鉆頭，使用旋導(dǎo)工具的水平段平均鉆速比鄰井螺桿鉆速提高60%以上。

(2)轉(zhuǎn)速大幅度提高，通常是110～120r/min，普通螺桿是30～50r/min。除接鉆具外，其它時(shí)間鉆具均可旋轉(zhuǎn)，處于活動(dòng)中，能及時(shí)清理巖屑，避免粘卡、砂卡等。

(3)實(shí)時(shí)微調(diào)軌跡，能保證鉆頭在油層中穿行，同時(shí)減少井眼迂曲度，連續(xù)精確的井眼軌跡控制，有效地改善了井眼質(zhì)量，減小摩阻，可延伸水平段長(zhǎng)度。

3.2 Geo-Pilot應(yīng)用的缺點(diǎn)

(1)由旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具組成的底部鉆具組合為滿(mǎn)眼鉆具組合，鉆具結(jié)構(gòu)中沒(méi)有柔性短接，其剛性較強(qiáng)。在底部鉆具通過(guò)某些不穩(wěn)定的地層時(shí)，或者局部狗腿度較大(一般認(rèn)為超過(guò)大于8°/30m)時(shí)，存在超拉刮卡，甚至卡鉆事故。

(2)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向?qū)蝾^的外筒上有3個(gè)軸向上的支撐臂，支撐臂中滾輪最大伸出外徑為235mm，并且不能主動(dòng)縮回，支撐臂隨外筒逆向旋轉(zhuǎn)。一旦井壁失穩(wěn)，細(xì)小碎塊或者巖屑，容易落入支撐臂的滾輪中，造成支撐臂不能歸回原位，形成上提下放摩阻過(guò)大，嚴(yán)重時(shí)無(wú)法通過(guò)原井眼。

(3)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具在使用時(shí)，其本身對(duì)鉆井液的性能要求并不高，但是使用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向的目的，就是要有效地延長(zhǎng)水平段長(zhǎng)度。隨著水平位移的增大，需要克服摩阻大扭矩高等問(wèn)題，這就要求更高性能的鉆井液了。大慶油田以前使用油基鉆井液體系時(shí)，致密油水平井最大水平位移達(dá)到2977.86m，一般普通水平井也達(dá)到1500m左右。目前使用水基鉆井液施工的井，最大水平位移為1485.16m，就存在扭矩過(guò)大，超出頂驅(qū)承受能力，嚴(yán)重制約了水平長(zhǎng)度的延伸。

4 Geo-Pilot應(yīng)用的改進(jìn)建議

4.1 優(yōu)化底部鉆具組合結(jié)構(gòu)，增加柔性短節(jié)

如果旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具應(yīng)用不當(dāng)，一旦落井，不僅資產(chǎn)受損，也影響后續(xù)水平井開(kāi)發(fā)效率。為了保證井下工具的安全和隨鉆測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確，研究柔性短節(jié)對(duì)帶旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的BHA的動(dòng)力學(xué)特性的影響十分必要。柔性短節(jié)的材料一般為鈦合金材料(彈性模量為109GPa，長(zhǎng)度在1.2m左右），運(yùn)用有限元迭代法研究柔性短節(jié)位置對(duì)帶位移工作方式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的BHA動(dòng)力學(xué)特性的影響規(guī)律，為優(yōu)化BHA結(jié)構(gòu),降低其動(dòng)態(tài)應(yīng)力，保證導(dǎo)向能力，提高井下工具安全性提供依據(jù)。

其它鉆井約束條件：井眼直徑215.9mm，井斜角90°，鉆壓100kN，轉(zhuǎn)速140r/min，鉆井液密度1.20g/cm3。Ls為鉆頭至柔性短節(jié)的距離(m)，通過(guò)改變?nèi)嵝远坦?jié)的位置，對(duì)鉆具振動(dòng)的影響如圖2所示。

圖2 帶柔性短節(jié)不同位置時(shí)的動(dòng)態(tài)變形

從三維振動(dòng)動(dòng)態(tài)圖上可以明顯看出，有無(wú)柔性短節(jié)及柔性短節(jié)位置的改變，動(dòng)態(tài)變形明顯不同，其中Ls=6、8、10m和沒(méi)有柔性短節(jié)時(shí)，底部鉆具組合的橫向振動(dòng)幅度較大，柔性短節(jié)的加入和合理的擺放位置能夠減少劇烈的橫向振動(dòng)，防止BHA的運(yùn)動(dòng)不穩(wěn)定所導(dǎo)致的重要工具失效和測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的問(wèn)題。

4.2 改善水基鉆井液性能

鉆井工藝已經(jīng)從傳統(tǒng)的螺桿+MWD/LWD發(fā)展到旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井，對(duì)水基鉆井液性能提出了更高的要求,特別是鉆井液的攜屑能力、護(hù)壁能力以及潤(rùn)滑等方面。Geo-Pilot在造斜段需穿越不同的地層，如嫩江組、姚家組、青山口、泉頭組等，鄰近油層時(shí)由泥巖進(jìn)入砂巖，要求鉆井液對(duì)井壁有穩(wěn)定的支撐作用，不能由于巖性變化而造成縮徑。隨著水平段長(zhǎng)度不斷延伸，還需要降低鉆具的摩阻扭矩，現(xiàn)有鉆井設(shè)備能承受其摩阻扭矩負(fù)載，這樣才能更好地發(fā)揮旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向的優(yōu)勢(shì)，單井水平段越長(zhǎng)，油層鉆遇率越高，單井發(fā)揮出的性?xún)r(jià)比越高。

5 關(guān)于Geo-Pilot的一些認(rèn)識(shí)

(1)有無(wú)柔性短節(jié)和柔性短節(jié)位置的改變，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性有明顯的變化。在合理的位置加入柔性短節(jié)能夠減小旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的橫向動(dòng)態(tài)偏移，并且使得最大動(dòng)態(tài)應(yīng)力明顯下降，起到減振的效果；相反，如果柔性短節(jié)位置不合理，將會(huì)明顯增加動(dòng)態(tài)應(yīng)力。

(2)柔性短節(jié)位置對(duì)最大動(dòng)態(tài)應(yīng)力的影響遠(yuǎn)大于鉆壓和轉(zhuǎn)速，合理地確定柔性短節(jié)位置對(duì)提高井下工具的安全性和測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性有重要作用。

(3)轉(zhuǎn)速對(duì)底部鉆具組合動(dòng)態(tài)應(yīng)力有一定影響，柔性短節(jié)位置Ls≤11m時(shí)，最大應(yīng)力較小，當(dāng)11m＜Ls＜14m時(shí)，最大應(yīng)力的值較大。

(4)提高水基鉆井液的性能，在造斜段穿越不同地層時(shí)，有效平衡不同層序的地層壓力；在水平段水平長(zhǎng)度不斷延伸時(shí)降低鉆具摩阻扭矩，發(fā)揮出旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向?qū)χ旅苡退骄@井提質(zhì)提速的作用。