论文部分内容阅读
摘 要：临盘工区，夏70块定向井轨道属于典型的高摩阻定向井轨道，解决高摩阻定向托压是高摩阻定向井提速的关键技术。定向井的高摩阻主要归因于设计轨道的复杂化，表现为多段制化、长裸眼化、大井斜化、大位移化及三维空间化等特征，伴随出现了定向托压问题和钻头粘滑振动破岩效率低等问题。水力振荡器是一种新型防托压减阻工具，主要优点在于减小摩阻，防止托压，产生纵向的往复运动，使钻具在井下的静摩擦变成动摩擦，大大降低了摩擦阻力，保证有效的钻压，提高机械钻速。在夏70块的夏70-斜075井等10口井中推广应用水力振荡器和配套轨迹优化控制技术，取得了良好的防托压和提速效果。
关键词：高摩阻定向井;防托压;轨道优化;水力振荡器;钻井提速
1.高摩阻定向井轨道钻井提速难点分析
1.1设计轨道复杂摩阻扭矩大
非典型井轨道特点：多段制化、大井斜化、大位移化、三维扭方位化和“S”型降斜化，由于五化特征的存在，实钻过程中摩阻扭矩大，对钻速提高的制约主要表现为 1）滑动钻进易托压，定向耗时长; 2）复合钻进扭矩高，钻井参数优化空间小;
1.2环空存在岩屑床
大井斜段及轨迹拐点处，环空下井壁岩屑浓度高，存在岩屑床，使钻具与钻井液之间的固液摩擦变成了固 固摩擦，使钻具受到的摩擦力进一步增大，有效清理岩屑床的方法是提高环空返速及钻具转速，如表1所示 ，通过两表的经验数据可知：转速120r/min，排量32L/s 以上能有效清理岩屑床，但现场受泵压、扭矩和仪器等诸多条件限制，所以岩屑床难以清除，导致定向易托压。
1.3长裸眼井身结构加剧了地层的高摩阻特性
中高渗透性砂岩地层，泥饼较厚，对钻具包角较大，易粘吸钻具而造成托压，泥页岩井壁不规则，易形成沙桥，会增加扶正器、钻杆接头等钻具变径部分的通过阻力。
2 高摩阻定向井提速关键技术
2.1 轨迹优化控制
应用准悬链线轨道优化方法将设计轨道的一部分圆弧段和一部分稳斜段优化为一段曲率递减或曲率恒定的悬链线轨道，充分利用单弯螺杆钻具的导向增斜特性，减少滑动进尺，提高机械钻速。悬链线井的这一独特性质可减小活动钻具的摩阻力，并将上、下活动钻具的拉力减少到最小程度。多数定向井，随着钻井施工的进行，井斜角不断增加和减少，从而导致了一系列的正弦形狗腿。由于悬链线不会有这种情况，因此，产生键槽的可能性大大减少， 扭矩及阻力的减少能够对钻头施加更大的钻压以提高机械钻速。
2.2 集成应用水力振荡器减阻工具
钻具组合中加入水力振荡器，通过周期性定频振荡钻柱，使得 BHA产生轴向振动，将静摩擦转变为动摩擦，减少滑动钻进和旋转钻进时井壁与钻杆之间的摩擦，提高钻压传递效率，水力振荡器在小钻压钻进中，可有效地消除钻具重量在井壁某段的聚集效应;减少摩阻，防止托压。水力振荡器可以有效地减少因井眼轨迹而产生的钻具托压现象，如使用大钻压钻进， 振动短节的弹簧将受到压缩， 这样就会降低工具的使用效果;在井斜较小的井眼钻井中， 水力振荡器应安放在受压位置（中性点以下）， 以避免跳钻发生，可以提高高效PDC钻头的适用性及高摩阻定向井中PDC钻头的连续钻进能力。
3 水力振荡器的钻井提速优势
3.1 改变钻头的加压方式。把单纯的机械式加压改为机械与液力相结合的加压方式，为钻头提供真实、有效的钻压。
3.2 防托压效果显著。减少摩阻，防止托压。水力振荡器在钻进过程中使其上下钻具在井眼产生纵向的往复运动，使钻具在井下的静摩擦变成动摩擦，大大降低了摩擦阻力，工具可以有效地减少因井眼轨迹而产生的钻具托压现象，保证有效的钻压，提高机械钻速。
3.3起到减振效果。钻进过程中可减少钻具的横向振动和扭转振动，从而减少钻具的疲劳破坏，可延长钻柱和钻头的使用寿命，降低钻井成本。
3.4实现使用螺杆长距离水平钻进。使用水力振荡器减少钻进中滑动钻进时间，减少倒划钻具、短起下次数，有效保护顶驱等设备。
3.5和MWD/LWD仪器兼容。水力振荡器频率高于MWD/LWD仪器，不会干扰MWD/LWD信号，同时，水力振荡器可降低引起MWD/LWD工具破坏的侧向和周向振动。
4 现场提速钻井应用
4.1 夏70-斜075井典型井应用
该井原轨道为直—增—稳—扭—增—扭—稳，井身结构结构表层600m，二开裸眼段长3600m ，最大井斜：51.97° ，扭方位量：38°，增斜扭方位的井段侧向力超过了裸眼经验值0.992T/10m的250%。 增斜扭方位的井段侧向力也达到了0.8-0.9T/10m的临界状态，起下钻过程中摩阻30T-50T，滑动定向钻进时摩阻25-35T ，是典型的高摩阻大井斜三维空间轨道。
实钻中，通过优化轨迹，将原剖面增斜段的一部分和稳斜段的一部分优化为“准悬链线”轨道，减少25%的滑动进尺，二开PDC钻头+常规单弯1.5°螺杆钻具+水力振荡器组合 ，钻进1990m～2300m的“准悬链线轨道”，导向/定向比31：1，第二段长稳斜段轨道应用PDC钻头+X：120mY：2m+水力振荡器钻具组合，实现导向/定向比15：1，水力振荡器效果显著，單只PDC钻头连续钻进1306m。
5 结论与建议
（1）在大斜度长裸眼非典型轨道定向井中，应用准悬链线轨道优化控制实钻轨迹可以减少滑动进尺，提高轨迹平滑度。
（2）托压主要由钻柱与井壁之间的摩擦力造成的，其影响因素包括：井身结构井眼轨迹的平滑度、井眼清洁程度、钻具组合、钻井液的润滑性和地层类型。
（3）优化井眼轨道、优化钻具组合、提高井眼清洁程度、提高钻井液的润滑性、采用改善托压的井下工具可以有效控制托压问题。
（4）建议在高摩阻非典型轨道定向井中推广应用水力振荡器等减阻工具，实现该类型井的优快钻井
参考文献
[1] 马居利，定向井托压问题的研究，中国石油和化工标准与质量，2013年第6期;
[2] 明瑞卿 张时中 王海涛 洪毅 姜书龙，国内外水力振荡器的研究现在及展望，石油钻探技术， 2015年第43卷第5期;
[3] 许京国，水力振荡器在张海29-38L井的应用，断块油气田，2014年第21卷第4期;
[4] 谷长雄 郭长明 刘涛 张波，酒东区块定向井托压问题原因分析及解决措施，西部探矿工程，2017年第9期;
[5] 张康 冯强 王建龙 张汝广 于志强 夏鹤铭，水力振荡器最优安放位置研究与应用，石油机械，2016年第2期;
[6] 刘志坚 李榕，φ172mm水力振荡器在川西中浅水平井的应用，天然气技术与经济，2012年第6期。
作者简介：覃勇，高级工程师，钻井专家（1971.12.5-），性别：男，民族：汉族，籍贯：广西博白，学历：本科，研究方向：钻井技术管理与新技术推广
关键词：高摩阻定向井;防托压;轨道优化;水力振荡器;钻井提速
1.高摩阻定向井轨道钻井提速难点分析
1.1设计轨道复杂摩阻扭矩大
非典型井轨道特点：多段制化、大井斜化、大位移化、三维扭方位化和“S”型降斜化，由于五化特征的存在，实钻过程中摩阻扭矩大，对钻速提高的制约主要表现为 1）滑动钻进易托压，定向耗时长; 2）复合钻进扭矩高，钻井参数优化空间小;
1.2环空存在岩屑床
大井斜段及轨迹拐点处，环空下井壁岩屑浓度高，存在岩屑床，使钻具与钻井液之间的固液摩擦变成了固 固摩擦，使钻具受到的摩擦力进一步增大，有效清理岩屑床的方法是提高环空返速及钻具转速，如表1所示 ，通过两表的经验数据可知：转速120r/min，排量32L/s 以上能有效清理岩屑床，但现场受泵压、扭矩和仪器等诸多条件限制，所以岩屑床难以清除，导致定向易托压。
1.3长裸眼井身结构加剧了地层的高摩阻特性
中高渗透性砂岩地层，泥饼较厚，对钻具包角较大，易粘吸钻具而造成托压，泥页岩井壁不规则，易形成沙桥，会增加扶正器、钻杆接头等钻具变径部分的通过阻力。
2 高摩阻定向井提速关键技术
2.1 轨迹优化控制
应用准悬链线轨道优化方法将设计轨道的一部分圆弧段和一部分稳斜段优化为一段曲率递减或曲率恒定的悬链线轨道，充分利用单弯螺杆钻具的导向增斜特性，减少滑动进尺，提高机械钻速。悬链线井的这一独特性质可减小活动钻具的摩阻力，并将上、下活动钻具的拉力减少到最小程度。多数定向井，随着钻井施工的进行，井斜角不断增加和减少，从而导致了一系列的正弦形狗腿。由于悬链线不会有这种情况，因此，产生键槽的可能性大大减少， 扭矩及阻力的减少能够对钻头施加更大的钻压以提高机械钻速。
2.2 集成应用水力振荡器减阻工具
钻具组合中加入水力振荡器，通过周期性定频振荡钻柱，使得 BHA产生轴向振动，将静摩擦转变为动摩擦，减少滑动钻进和旋转钻进时井壁与钻杆之间的摩擦，提高钻压传递效率，水力振荡器在小钻压钻进中，可有效地消除钻具重量在井壁某段的聚集效应;减少摩阻，防止托压。水力振荡器可以有效地减少因井眼轨迹而产生的钻具托压现象，如使用大钻压钻进， 振动短节的弹簧将受到压缩， 这样就会降低工具的使用效果;在井斜较小的井眼钻井中， 水力振荡器应安放在受压位置（中性点以下）， 以避免跳钻发生，可以提高高效PDC钻头的适用性及高摩阻定向井中PDC钻头的连续钻进能力。
3 水力振荡器的钻井提速优势
3.1 改变钻头的加压方式。把单纯的机械式加压改为机械与液力相结合的加压方式，为钻头提供真实、有效的钻压。
3.2 防托压效果显著。减少摩阻，防止托压。水力振荡器在钻进过程中使其上下钻具在井眼产生纵向的往复运动，使钻具在井下的静摩擦变成动摩擦，大大降低了摩擦阻力，工具可以有效地减少因井眼轨迹而产生的钻具托压现象，保证有效的钻压，提高机械钻速。
3.3起到减振效果。钻进过程中可减少钻具的横向振动和扭转振动，从而减少钻具的疲劳破坏，可延长钻柱和钻头的使用寿命，降低钻井成本。
3.4实现使用螺杆长距离水平钻进。使用水力振荡器减少钻进中滑动钻进时间，减少倒划钻具、短起下次数，有效保护顶驱等设备。
3.5和MWD/LWD仪器兼容。水力振荡器频率高于MWD/LWD仪器，不会干扰MWD/LWD信号，同时，水力振荡器可降低引起MWD/LWD工具破坏的侧向和周向振动。
4 现场提速钻井应用
4.1 夏70-斜075井典型井应用
该井原轨道为直—增—稳—扭—增—扭—稳，井身结构结构表层600m，二开裸眼段长3600m ，最大井斜：51.97° ，扭方位量：38°，增斜扭方位的井段侧向力超过了裸眼经验值0.992T/10m的250%。 增斜扭方位的井段侧向力也达到了0.8-0.9T/10m的临界状态，起下钻过程中摩阻30T-50T，滑动定向钻进时摩阻25-35T ，是典型的高摩阻大井斜三维空间轨道。
实钻中，通过优化轨迹，将原剖面增斜段的一部分和稳斜段的一部分优化为“准悬链线”轨道，减少25%的滑动进尺，二开PDC钻头+常规单弯1.5°螺杆钻具+水力振荡器组合 ，钻进1990m～2300m的“准悬链线轨道”，导向/定向比31：1，第二段长稳斜段轨道应用PDC钻头+X：120mY：2m+水力振荡器钻具组合，实现导向/定向比15：1，水力振荡器效果显著，單只PDC钻头连续钻进1306m。
5 结论与建议
（1）在大斜度长裸眼非典型轨道定向井中，应用准悬链线轨道优化控制实钻轨迹可以减少滑动进尺，提高轨迹平滑度。
（2）托压主要由钻柱与井壁之间的摩擦力造成的，其影响因素包括：井身结构井眼轨迹的平滑度、井眼清洁程度、钻具组合、钻井液的润滑性和地层类型。
（3）优化井眼轨道、优化钻具组合、提高井眼清洁程度、提高钻井液的润滑性、采用改善托压的井下工具可以有效控制托压问题。
（4）建议在高摩阻非典型轨道定向井中推广应用水力振荡器等减阻工具，实现该类型井的优快钻井
参考文献
[1] 马居利，定向井托压问题的研究，中国石油和化工标准与质量，2013年第6期;
[2] 明瑞卿 张时中 王海涛 洪毅 姜书龙，国内外水力振荡器的研究现在及展望，石油钻探技术， 2015年第43卷第5期;
[3] 许京国，水力振荡器在张海29-38L井的应用，断块油气田，2014年第21卷第4期;
[4] 谷长雄 郭长明 刘涛 张波，酒东区块定向井托压问题原因分析及解决措施，西部探矿工程，2017年第9期;
[5] 张康 冯强 王建龙 张汝广 于志强 夏鹤铭，水力振荡器最优安放位置研究与应用，石油机械，2016年第2期;
[6] 刘志坚 李榕，φ172mm水力振荡器在川西中浅水平井的应用，天然气技术与经济，2012年第6期。
作者简介：覃勇，高级工程师，钻井专家（1971.12.5-），性别：男，民族：汉族，籍贯：广西博白，学历：本科，研究方向：钻井技术管理与新技术推广