王 逸,曾 杰,魏志剛,王偉志
中石化西北油田分公司石油工程監(jiān)督中心,新疆 巴州 841600
在鉆井施工過(guò)程中,井斜難以避免,其是一個(gè)多因素共同疊加的結(jié)果,主要受地層和工程兩方面因素影響。一是地層因素。在地層漫長(zhǎng)的沉積過(guò)程中,因沉積環(huán)境及時(shí)間不同,形成不一樣的構(gòu)造形態(tài)。在鉆井過(guò)程中,鉆頭一般沿容易前進(jìn)的方向鉆進(jìn),受地層傾角、地層各向異性等影響,鉆頭會(huì)沿著地層可鉆性較好的一方傾斜,造成井斜。二是工程因素。在鉆井過(guò)程中,引起井斜的工程因素較多,如鉆具組合選取不當(dāng)、鉆具柔性強(qiáng)、施工參數(shù)不當(dāng)?shù)取5举|(zhì)原因是鉆柱在井內(nèi)發(fā)生彎曲,與井壁相接觸形成支點(diǎn),產(chǎn)生彈性力矩,迫使鉆頭傾斜產(chǎn)生側(cè)向力,使鉆頭偏離井口鉛垂線不對(duì)稱(chēng)切削地層。
井斜控制手段多種多樣,在順北油田超深井直井鉆井施工過(guò)程中,常用井斜控制手段主要有單彎螺桿定向、直螺桿鐘擺鉆具組合、全自動(dòng)化旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向垂直鉆井工具降斜(以下簡(jiǎn)稱(chēng)垂鉆工具)三種,其井斜控制原理一致,但在實(shí)際應(yīng)用中存在一定差別[1]。
定向鉆具組合是利用螺桿鉆具結(jié)構(gòu)中帶有度數(shù)的彎角與井眼低邊方向接觸形成支點(diǎn),使鉆頭“翹起”與上井壁接觸產(chǎn)生支撐反力,即鉆頭側(cè)向力。通過(guò)隨鉆儀器監(jiān)測(cè)并調(diào)整井下螺桿彎曲方向,在鉆頭傾角和側(cè)向力作用下,側(cè)向切削井壁產(chǎn)生降斜趨勢(shì)[2]。
鐘擺鉆具組合是利用鐘擺力,使鉆頭對(duì)井眼低邊方向產(chǎn)生側(cè)向力,迫使鉆頭沿井口鉛垂方向鉆進(jìn),以達(dá)到降斜的目的[3]。鐘擺鉆具組合需通過(guò)合理的鉆壓控制及扶正器位置選擇,使扶正器與鉆頭之間鉆柱保持自然狀態(tài)無(wú)彎曲,以充分發(fā)揮鐘擺作用,實(shí)現(xiàn)自然降斜。為了保證充足的側(cè)向力,需要使扶正器尺寸盡量與井眼尺寸相近,以充分發(fā)揮扶正器沿井眼反方向推動(dòng)鉆頭的力。
垂鉆工具是在鉆進(jìn)過(guò)程中通過(guò)工具內(nèi)部自帶的電子控制單元實(shí)時(shí)測(cè)量井底高邊方向,發(fā)出實(shí)時(shí)指令控制機(jī)械單元,使機(jī)械導(dǎo)向部分的推靠塊產(chǎn)生主動(dòng)側(cè)向力推靠井壁高邊方向,令鉆頭返回鉛垂線方向切削,從而達(dá)到降斜的目的。
順北某井是位于順托果勒低隆構(gòu)造上的一口預(yù)探井,桑塔木組埋藏深度在7300m以上。該井五開(kāi)在7647m進(jìn)行套管開(kāi)窗作業(yè),側(cè)鉆成功后進(jìn)行吊直,設(shè)計(jì)自井深7750m之后為直井段,在直井段施工期間分別使用單彎螺桿定向、直螺桿鐘擺鉆具組合和垂鉆工具控制井斜。
(1)在井段7849~7909m使用158mm扶正器鐘擺鉆具組合施工,鉆具組合為PDC+130mm直螺桿+浮閥+120.6mm鉆鋌+158mm扶正器+無(wú)磁鉆鋌+101.6mm加重鉆桿×30根+鉆桿。施工過(guò)程中控制鉆壓40kN,井斜由5.8°上升至7.55°。
(2)在井段8040~8076m使用161mm扶正器鐘擺鉆具組合施工,鉆具組合為PDC+130mm直螺桿+浮閥+120.65mm鉆鋌+161mm扶正器+無(wú)磁鉆鋌+120.65mm鉆鋌×18根+101.6mm加重鉆桿×9根+鉆桿。施工過(guò)程中控制鉆壓30kN,井斜由4°上升至5.5°。
井斜控制情況:使用鐘擺鉆具組合未能起到穩(wěn)斜和降斜效果,井斜呈增大趨勢(shì),增長(zhǎng)率為0.4°/10m。
(1)在井段7773~7849m間斷定向鉆進(jìn)9.42m,其中在7846~7849m井斜由5.9°降低至5.8°,鉆具組合為PDC+1.25°螺桿+浮閥+無(wú)磁鉆鋌+101.6mm加重鉆桿×1根+101.6mm加重鉆桿×29根+鉆桿。
井斜控制情況:當(dāng)鉆壓超過(guò)20kN,泵壓持續(xù)升高,出現(xiàn)反復(fù)蹩泵現(xiàn)象,頻繁活動(dòng)鉆具,工具面不穩(wěn)定,難以連續(xù)糾斜鉆進(jìn),施工效果不佳,降斜率僅為0.3°/10m。
(2)在井段8076~8084m使用牙輪+1.5°螺桿定向降斜,鉆具組合為牙輪+1.5°螺桿+浮閥+無(wú)磁鉆鋌+120.65mm鉆鋌×9根+101.6mm加重鉆桿×15根+鉆桿。
井斜控制情況:連續(xù)定向8m,工具面穩(wěn)定,平均機(jī)械鉆速為0.44m/h。井斜降低至0.24°。
(1)在井段7909~8040m使用垂鉆工具降斜,鉆具組合為PDC+垂鉆+161mm扶正器+浮閥+無(wú)磁鉆鋌+120.65mm鉆鋌×18根+101.6mm加重鉆桿×9根+鉆桿。
井斜控制情況:糾斜期間機(jī)械鉆速1.82m/h,相比彎螺桿定向機(jī)械鉆速0.4m/h有顯著提高。井斜由7.55°降低至4°,降斜率為0.27°/10m,降斜率呈逐漸下降趨勢(shì),至8012m井斜不再下降。
(2)在井段8084~8133m使用垂鉆工具降斜,鉆具組合為PDC+垂鉆+161mm扶正器+浮閥+無(wú)磁鉆鋌+120.65mm鉆鋌×18根+101.6mm加重鉆桿×9根+鉆桿。
井斜控制情況:井斜由5.26°降低至4.4°,降斜率為0.17°/10m,且降斜率有逐漸增大趨勢(shì)。
(3)在井段8170~8250m使用垂鉆工具降斜鉆進(jìn),鉆具組合為PDC+垂鉆+161mm扶正器+浮閥+無(wú)磁鉆鋌+120.65mm鉆鋌×19根+101.6mm加重鉆桿×9根+DP。
井斜控制情況:井斜由5.01°降低至2.37°,降斜率為0.33°/10m,且降斜率逐漸下降。
使用鐘擺鉆具組合,在165.1mm井眼施工,因?yàn)樗褂玫你@鋌尺寸小,自重輕,扶正器之下鉆具重量偏輕,所以鐘擺組合產(chǎn)生的鐘擺力較小。小尺寸鉆具剛性較弱,鉆具易貼井壁形成支點(diǎn),產(chǎn)生增斜作用。當(dāng)控制鉆壓10kN左右,可保證穩(wěn)斜狀態(tài),但鉆速0.63m/h較慢,降斜效率不佳。
使用的130mm小螺桿設(shè)計(jì)輸出扭矩為1.9kN/m,在實(shí)際施工過(guò)程中,其輸出扭矩不足以克服定向鉆進(jìn)時(shí)PDC鉆頭剪切地層產(chǎn)生的反扭矩,從而頻繁造成螺桿滯動(dòng)、蹩泵,導(dǎo)致工具面不穩(wěn),降斜效果差。使用牙輪鉆頭定向時(shí)存在不匹配現(xiàn)象。一是使用牙輪鉆頭定向鉆進(jìn)時(shí),因牙輪鉆頭適用于中硬地層,攻擊性較弱,在桑塔木泥巖地層鉆進(jìn)時(shí)吃入能力較差,與地層不匹配;二是使用的牙輪鉆頭與螺桿不匹配,在80kN鉆壓下,螺桿壓差為0.8MPa左右,未達(dá)到正常壓差1.5MPa,螺桿未有效發(fā)揮作用,以上兩點(diǎn)共同造成定向過(guò)程中機(jī)械鉆速較慢,降斜效率低。
在7909~8140m使用垂鉆工具降斜,使用過(guò)程中自7934~8012m,降斜趨勢(shì)由0.94°/10m降低至0.19°/10m,至8022m呈穩(wěn)斜趨勢(shì),至8040m井斜增長(zhǎng)0.19°。根據(jù)起出垂鉆工具情況分析,在使用過(guò)程中,受高溫或密封件自身質(zhì)量影響,偏置機(jī)構(gòu)推靠塊密封失效,導(dǎo)致后期逐漸失去降斜效果。在8084~8133.73m使用垂鉆工具,穩(wěn)斜至8089m后開(kāi)始降斜,降斜趨勢(shì)由0.11°/10m上升至0.23°/10m,再上升至0.34°/10m,降斜趨勢(shì)逐漸增大,整體相比第一趟垂鉆降斜趨勢(shì)偏低,與第一趟垂鉆施工對(duì)比,鉆遇巖性一致,鉆具組合和施工參數(shù)相同,分析可能受地層傾角影響降斜效果欠佳。在井段8170~8250m使用垂鉆工具降斜,井斜逐步下降,降斜趨勢(shì)由0.98°/10m降低至0.54°/10m,再降低至0°/10m,降斜效果逐漸降低,分析認(rèn)為隨垂鉆使用時(shí)間增加,工具降斜能力逐漸下降直至失去降斜能力。
通過(guò)分析施工過(guò)程,認(rèn)為在8100m上下地層傾角發(fā)生變化,井段7750~8100m地層存在較大傾角,導(dǎo)致8100m之前使用螺桿定向和鐘擺組合降斜率低,糾斜效果差。8100m之下地層,使用垂鉆工具降斜率增大,其上下工具降斜率具有明顯變化,認(rèn)為其降斜能力受地層傾角影響較大。
在超深井小井眼施工過(guò)程中,由于深部地層傾角對(duì)井斜影響較大,需加強(qiáng)工程與地質(zhì)配合,根據(jù)不同井下情況,選取適當(dāng)?shù)你@具組合對(duì)井斜進(jìn)行有效控制。
(1)鐘擺鉆具組合具備鐘擺特性,但井斜角對(duì)鐘擺鉆具組合的應(yīng)用效果影響較大,針對(duì)地層傾角較小井,可以起到降斜作用,當(dāng)深井地層傾角較大時(shí),使用鐘擺鉆具組合無(wú)法有效降斜。
(2)使用彎螺桿定向鉆具組合,其降斜率受超深井小尺寸螺桿及鉆頭影響,由于螺桿扭矩相對(duì)較小,當(dāng)?shù)貙觾A角較大逆地層傾角趨勢(shì)鉆進(jìn)時(shí),易出現(xiàn)蹩泵現(xiàn)象,導(dǎo)致工具面不穩(wěn),無(wú)法連續(xù)定向施工,若使用牙輪鉆頭,可以使工具面穩(wěn)定,但鉆頭與地層配伍性不好,無(wú)法較好發(fā)揮螺桿作用,定向時(shí)效低。在地層可鉆性較好及地層傾角不大的情況下,可使用螺桿定向鉆具組合控制井斜。
(3)使用垂鉆工具即垂直鉆井系統(tǒng),能夠在克服地層傾角鉆進(jìn)的同時(shí)解放鉆壓,大幅提高機(jī)械鉆速,有效解決井斜控制與鉆井提速的矛盾。在深部地層鉆遇傾角較大地層時(shí),宜使用垂鉆工具控制井斜。