連續(xù)取芯技術(shù)在長水平段水平井中應(yīng)用探討

張士超

（大慶油田鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院，黑龍江 大慶 163000）

1 技術(shù)難點(diǎn)及對(duì)策

我國老油田經(jīng)過了幾十年開發(fā)，目前已經(jīng)進(jìn)入了開發(fā)的中后期，勘探開發(fā)難度不斷增加，優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)量區(qū)開發(fā)程度比較高，剩余區(qū)塊以復(fù)雜斷塊為主。為了提高油田原油的產(chǎn)量，加大了對(duì)致密油、頁巖油氣的開發(fā)力度，這類油氣藏屬于特低空、特低滲油氣藏，采用直井開發(fā)產(chǎn)量低，很難達(dá)到經(jīng)濟(jì)效益，通常使用水平井開發(fā)，特別是長水平段水平井，水平段比較長，與油藏接觸面積大，提產(chǎn)效果比較明顯，水平井產(chǎn)量可以達(dá)到直井的3 倍以上。控制采油不穩(wěn)定因素，修復(fù)特殊油氣藏，最大限度地提高其榨油效率。由于長水平井鉆井技術(shù)涉及的作業(yè)過程相對(duì)復(fù)雜，施工作業(yè)較直井復(fù)雜得多，特別是長水平段水平井，由于其井身結(jié)構(gòu)特殊，在水平井施工方面存在一定的技術(shù)局限性，需要不斷加大技術(shù)攻關(guān)，提高長水平段水平井應(yīng)用效果。近年來，隨著鉆井技術(shù)的不斷進(jìn)步，長水平段水平井鉆井技術(shù)也得到了長足發(fā)展，特別是目前在非常規(guī)油氣資源成勘探開發(fā)熱點(diǎn)，在頁巖氣開發(fā)、頁巖油開發(fā)等非常規(guī)油氣資源開發(fā)中，應(yīng)用越來越多，提產(chǎn)效果顯著，已經(jīng)成為非常規(guī)油氣資源開發(fā)首選的井型。長水平段水平井水平段多在1000m以上，由于水平段較長，在儲(chǔ)層中穿越，和儲(chǔ)層接觸面積大，控制油藏的面積也大，產(chǎn)油段長，因此，產(chǎn)量也大大提高，能夠顯著提升頁巖油氣的開發(fā)效益。長水平段鉆孔技術(shù)是油氣開發(fā)中的一項(xiàng)重要技術(shù)。它可以最大限度地提高水平井筒的長度，最大限度地提高井筒與儲(chǔ)層的合流程度，使井筒與油氣儲(chǔ)層相互接觸產(chǎn)品是最人性化的。在一些油氣藏勘探開發(fā)活動(dòng)中，水平井眼長水平井段已成為提高石油產(chǎn)量的重要技術(shù)保障。然而，在水平鉆井的長水平部分由于鉆井坡度大，隨著水平段增長鉆頭的摩擦和扭矩急劇增加，這會(huì)影響鉆頭繼續(xù)鉆孔的效率。

1.1 軌跡控制難點(diǎn)

目前長水平井水平位移鉆井主要有兩種技術(shù)：一種是基于螺旋鉆具彎曲護(hù)套的滑動(dòng)復(fù)合鉆井技術(shù)，另一種是基于旋轉(zhuǎn)鉆具鉆井技術(shù)的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)。但是，無論采用何種鉆孔方法目標(biāo)是精確控制鉆孔軌跡。增加水平段位移長度，盡可能提高機(jī)械鉆速，保證相對(duì)較低的開采成本，目前縱向水平段擴(kuò)軌技術(shù)在大多數(shù)國家仍然有限，同時(shí)基于彎曲夾套螺釘鉆具的滑動(dòng)結(jié)合鉆井技術(shù)，鉆孔清潔效果很差。鉆柱與井壁的接觸使井壁與井底的摩擦阻力完全作用在鉆柱的軸線上，從而使鉆柱扭結(jié)，難以將有效的鉆壓施加到井壁上，導(dǎo)致鉆進(jìn)困難。長水平段水平井鉆井的最大難題是克服井壁摩擦阻力，以及提高井壁穩(wěn)定性，防止發(fā)生井壁失穩(wěn)。目前國外水平井的水平段是通過使用旋挖鉆具鉆進(jìn)的，長度通常為2500～3000m，最大水平段長度可達(dá)6000m以上。

1.2 取芯技術(shù)難點(diǎn)

長水平段水平井鉆探技術(shù)具有一定的特殊性，它不同于傳統(tǒng)的鉆孔技術(shù)，由于水平段長，穿越的層位多,在軌跡控制過程中，由于受到多種因素影響，水平井井壁穩(wěn)定性較差。在取芯之前要做好設(shè)計(jì)，確保井筒穩(wěn)定，避免出現(xiàn)井壁掉塊、井眼不規(guī)則的情況。由于長水平段水平井具有較長的水平段，在取芯鉆井過程中，摩擦阻力會(huì)比較大，加之在定向施工過程中，提供給鉆頭破巖的動(dòng)力相對(duì)較小，鉆壓相對(duì)較低，可能導(dǎo)致鉆進(jìn)難度增加，導(dǎo)致井眼不規(guī)則。長水平段水平井技術(shù)的應(yīng)用，涉及的設(shè)備較多，鉆進(jìn)量較大，相應(yīng)的與井壁接觸面積也較大。在重力作用下，與井壁的摩擦力大。在外部壓力作用下，鉆柱軸向摩擦阻力會(huì)增大，由于具有較長的水平段，鉆具較長，相應(yīng)的鉆具下的巖屑也較多，持續(xù)鉆進(jìn)過程中，巖屑顆粒被碾碎，細(xì)碎的巖屑進(jìn)入鉆井液，會(huì)影響鉆井液性能，改變了鉆井液潤滑性，導(dǎo)致摩擦阻力增大。由于水平段較長，鉆進(jìn)過程中容易發(fā)生偏心鉆進(jìn)，形成偏心環(huán)，導(dǎo)致巖屑大量堆積，形成巖屑床，套管摩擦增大，延長了套管滑移的進(jìn)程。摩擦?xí)绊懲鈿の恢玫臏?zhǔn)確性。套管有一定的嚴(yán)重性，水平段的上、下段發(fā)生一定的變化，引起層流問題，空間體積減小，碎屑含量增加，進(jìn)一步增加了套管的滑動(dòng)摩擦。減少摩擦的影響，勞動(dòng)工作人員一般會(huì)調(diào)整水平段和斜井段的位置關(guān)系，使套管居中，以減少下方的摩擦。同時(shí)，下鉆柱附著在鉆孔底壁上時(shí)，鉆孔底部周圍環(huán)空的寬度發(fā)生顯著變化，影響鉆井泥漿的湍流，導(dǎo)致在當(dāng)流速低時(shí)，鉆孔中的寬間隙和窄間隙會(huì)增加剪切速率。在這些工況下，巖屑容易沉入井壁，不易清除，從而形成巖屑床。隨著鉆柱滑下鉆進(jìn)，鉆孔底部形成的鉆屑增加了鉆柱的軸向摩擦力，阻礙了鉆頭的有效鉆進(jìn)；隨著鉆柱的旋轉(zhuǎn)，鉆孔下降，鉆桿側(cè)壁上形成的巖屑床增加了鉆柱上的周向摩擦力矩，影響了鉆頭的旋轉(zhuǎn)，這直接降低了鉆井作業(yè)的效率，增加了井眼軌跡控制的難度。

1.3 鉆井液技術(shù)難點(diǎn)

復(fù)合鉆孔工藝以旋轉(zhuǎn)鉆孔為主，滑動(dòng)鉆孔為輔。這種方法雖然可以鉆出水平段較長的水平井，但“滑—轉(zhuǎn)—滑—轉(zhuǎn)”的鉆井過程，周期性交替，往往會(huì)導(dǎo)致鉆孔彎曲，鉆孔質(zhì)量差，進(jìn)而導(dǎo)致鉆孔摩擦，減少了水平段的延伸長度，而且這種鉆孔方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力。在鉆長水平段時(shí)，它不是一種有效的操作方法。采用旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向輪鉆井系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)已被證明是一種有效的水平位移放大鉆井方法，只有有效、平穩(wěn)地增加位移，才能降低后續(xù)鉆井和完井的運(yùn)營成本。但是，由于中國沒有自主研發(fā)的旋挖鉆機(jī)系統(tǒng)，因此需要向許多大型海上油田公司租賃旋挖鉆機(jī)設(shè)備。租金昂貴，必須提前預(yù)訂，這意味著直接增加運(yùn)營成本。因此，當(dāng)使用本地生產(chǎn)的旋轉(zhuǎn)鉆井系統(tǒng)時(shí)通常需要結(jié)合預(yù)計(jì)的鉆井產(chǎn)量來評(píng)估經(jīng)濟(jì)效益。由于國內(nèi)石油儲(chǔ)備不足，因此，在水平段較長的水平井中使用旋轉(zhuǎn)鉆井系統(tǒng)是不經(jīng)濟(jì)的。

2 關(guān)鍵工藝技術(shù)

2.1 取芯鉆頭及工具選擇

受限于先進(jìn)的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具，并考慮各種經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢下穩(wěn)定器的數(shù)量以及穩(wěn)定器與鉆頭之間的距離將主要在鉆井穩(wěn)定斜坡的水平段時(shí)發(fā)生變化，例如，作為靠近鉆頭的穩(wěn)定器。實(shí)現(xiàn)水平段穩(wěn)定斜鉆國內(nèi)使用的“鉆頭+單螺桿鉆頭+雙穩(wěn)定器”或“鉆頭+單弧螺桿鉆頭+單穩(wěn)定器”主要用于實(shí)現(xiàn)單弧螺桿鉆孔?；瑝K控制鉆孔軌跡，主要使用雙穩(wěn)定器或單穩(wěn)定器在移動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)鉆頭時(shí)在鉆頭上產(chǎn)生橫向偏轉(zhuǎn)力。使用復(fù)合鉆孔技術(shù)進(jìn)行穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)鉆孔時(shí)在穩(wěn)定段下孔軌跡總偏轉(zhuǎn)力的作用下斜率通常有輕微的上升或下降趨勢。

2.2 取芯鉆具組合設(shè)計(jì)

在旋挖鉆進(jìn)15～25m 后，需要減速定向鉆進(jìn)4～5m，以控制鉆進(jìn)軌跡。通過分析上節(jié)鉆井摩擦對(duì)水平段位移和加長的影響。很明顯，復(fù)合鉆孔技術(shù)并不是一種理想的鉆孔方法。決定使用哪種鉆孔方法的關(guān)鍵在于打孔工具。并且鉆頭的浸入角趨于傾斜[1]，鉆柱的總旋轉(zhuǎn)不會(huì)同時(shí)改變鉆頭的方向。并釋放穩(wěn)定一致的偏斜能力，以補(bǔ)償鉆孔偏斜變化的自然趨勢。當(dāng)今鉆井技術(shù)中最先進(jìn)的井下導(dǎo)向鉆機(jī)是電液一體化系統(tǒng)工具。它通常由兩部分組成：控制機(jī)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。內(nèi)置的電子控制單元可以準(zhǔn)確引導(dǎo)鉆頭，可水平鉆孔。外部光滑而長。雖然目前國內(nèi)還沒有可用于工程應(yīng)用的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具。經(jīng)過十多年的研究形成了許多系統(tǒng)理論，包括整體原理圖設(shè)計(jì)模型理論、分析控制理論和控制理論。在此基礎(chǔ)上，一個(gè)技術(shù)原型誕生了，并實(shí)現(xiàn)扭轉(zhuǎn)方向的偏轉(zhuǎn)功能，因此在結(jié)合水平段鉆井條件時(shí)以現(xiàn)有導(dǎo)向鉆具的理論結(jié)果為參考。

2.3 取芯效果分析

靜態(tài)偏置推入式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具（例如貝克休斯的AutoTrack）主要依靠非旋轉(zhuǎn)外殼上的測控機(jī)構(gòu)來穩(wěn)定加強(qiáng)筋的膨脹，使井底組件錯(cuò)位。該工具的優(yōu)點(diǎn)是可以利用先進(jìn)的控制技術(shù)來控制井底組件的偏心，并在良好的軌跡控制中實(shí)現(xiàn)高精度、高側(cè)負(fù)荷和快速的施工速度。但是，井眼中的復(fù)雜條件要求該工具對(duì)控制肋材伸縮的非旋轉(zhuǎn)外套筒上的電磁閥具有極高的控制精度，并且轉(zhuǎn)向執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜。動(dòng)態(tài)預(yù)張緊旋轉(zhuǎn)鉆具（如斯倫貝謝的PowerDrive）在結(jié)構(gòu)上比靜態(tài)壁面旋轉(zhuǎn)鉆具更簡單（可減少鉆頭摩擦），小型化傾向好。這確保該工具適用于各種復(fù)雜的任務(wù)，環(huán)境和軌道的可擴(kuò)展性更強(qiáng)，但控制井內(nèi)穩(wěn)定平臺(tái)的穩(wěn)定性更難。并且翼肋（Wings）經(jīng)常被拉伸，這很容易對(duì)井底和井壁造成振動(dòng)和沖擊。靜態(tài)定向鉆具（如哈里伯頓的Geo.pilot）利用靜態(tài)工作原理來控制鉆機(jī)的鉆井特性，為鉆具軸提供了一種有效的方法，并且施工速度由工具本身決定，不影響鉆孔樁的巖性，在松軟不平整的地層鉆孔效果更佳。鉆孔平穩(wěn)無鉆孔，缺點(diǎn)是鉆柱要承受高強(qiáng)度交流電壓。疲勞損傷、適度的位移膨脹、零件的精密加工、零件的裝配、軸承的密封是保證手工效果的關(guān)鍵工具。

3 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

旋轉(zhuǎn)鉆孔法可以減少水平孔長度的水平部分的摩擦，并最大化水平部分的長度。當(dāng)采用旋挖混合鉆井技術(shù)時(shí)，鉆井斜度通常表現(xiàn)為坡度增大或減小。水平截面不適合固定鉆孔，為了改變鉆孔路徑的偏轉(zhuǎn)特性，提出了一種旋轉(zhuǎn)鉆具。它可以穩(wěn)定地撞擊鉆孔底部并產(chǎn)生合適的偏轉(zhuǎn)測力計(jì)來補(bǔ)償鉆頭吸收的側(cè)向力。從旋轉(zhuǎn)偏轉(zhuǎn)沖頭對(duì)下孔彎曲變形的影響，得到求解下孔彎曲力的非線性方程。偏轉(zhuǎn)鉆井工具控制軸扭矩穩(wěn)定性分析表明，控制軸穩(wěn)定性主要受重力塊重量和重心到心軸軸線距離的影響。當(dāng)重力塊與心軸的距離最大時(shí)，扇形結(jié)構(gòu)的重力塊夾角為180°。為防止鉆孔和鉆孔過程中巖芯桿在軸向壓力的影響下彎曲變形，在工具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，座墊通過螺釘固定在上支撐和外杯體上，下座墊采用機(jī)械支撐。通過改變活塞的橫截面以及作用在手掌和銷釘上的力之間的距離，可以改變執(zhí)行器設(shè)計(jì)過程中浮子懸架的斜度大小。如今，水平縱向鉆井在石油鉆井領(lǐng)域是一項(xiàng)比較成熟的技術(shù)。并且沒有足夠的經(jīng)驗(yàn)可以作為刀具設(shè)計(jì)的參考，國內(nèi)外沒有像本文介紹的旋挖鉆具這樣的刀具。本文檔介紹的旋挖鉆具能否與水平旋挖鉆具配套使用？還需要進(jìn)一步的實(shí)證證明，此外，在本文的研究過程中還有一點(diǎn)需要討論：工具產(chǎn)生的力和鉆頭吸收的側(cè)向力的具體變化尚不清楚。并且必須為復(fù)雜的鉆井條件提供特定的模擬條件。工具受到的影響更大。需要研究儀器振動(dòng)時(shí)控制軸的定量比。有限元分析主要部件在設(shè)計(jì)工具結(jié)構(gòu)時(shí)尚未完成。