定向井钻井技术及可变径稳定器应用研究.pdf

2 0 1 1 年 第 4 0卷 第 7期 第 4页 石油 矿 OI L FI ELD 场 机械 E QUI P MENT 2 O 1 1， 4 0 7 4 ～ 8 文 章 编 号 1 0 0 1 - 3 4 8 2 2 0 1 1 0 7 0 0 0 4 0 5 定向井钻井技术及可变径稳定器应用研究 李 凯 ， 高德利 ， 宋执武 中国石油大学 石油工程教育部重点 实验 室 ， 北京 1 0 2 2 4 9 摘要 常规稳定器与钻铤构成的底部钻具组合 B HA 力学性能不能改 变， 若与实际要求不相符合 时， 必须起下钻更换 。利用可变径稳定器替代常规稳定器可减少起下钻次数 ， 降低油田建设开发成 本。介绍了可变径稳定器在定向井的应用， 并对 1 0 0多口定向井进行试验分析 ， 总结了可变径稳定 器的优点。合理使 用可变径稳定器不仅可以减少起 下钻次数 ， 还能显著提 高井眼轨迹质量， 降低狗 腿度 及 减 小扭 矩 和摩 阻等 。 关键 词 可 变径稳 定 器 ； 定 向 井； 试验 ； 分析 ； 井眼轨 迹 中图分 类号 T E 2 4 3 文献标 识码 A Ap pl i c a t i o n Re s e a r c h o f Di r e c t i o n a l W e l l Dr i l l i n g Te c hn o l o g y a n d Va r i a b l e Ga u g e S t a bi l i z e r LI Ka i ， GA0 De 一 “， SONG Zh i wu MOE Ke y L a b o r a t o r y o f P e t r o l e u m E n g i n e e r i n g， C h i n a U n i v e r s i t y o f P e t r o l e u m， B e i j i n g 1 0 2 2 4 9 ， C h i n a Ab s t r a c t Th i s p a p e r e v a l u a t e s t h e u s e o f d o wn h o l e a d j u s t a b l e s t a b i l i z e r s t h r o u g h t h e t a n g e n t s e e t i o ns o f d i r e c t i o na l we l l s ．I t i n c l ud e s a s ur v e y o f m o r e t h a n 1 00 di r e c t i on a 1 w e l l s a nd i l l us t r a t e s t y pi c a l a pp l i c a t i o ns o f t he t o o 1 ．The s t r a t e g i c pl a c e m e n t of un de r g a ug e a nd f ul l g a u ge ne a r b i t a n d ／ o r f i r s t s t r i n g s t a b i l i z e r s t o c o n t r o l h o l e i n c l i n a t i o n i s n o w p r o v i n g u n n e c e s s a r y ． A c o r r e c t l y p o s i t i o n e d a d j u s t a b l e s t a b i l i z e r a l l o ws c h a n g e s t o b e ma d e t o b o t t o m h o l e a s s e mb l y BHAwi t h ～ o ut pu l l i n g o ut o f ho l e ． Not o nl y c a n e x pe ns i v e BH A t r i ps b e a v o i de d， bu t c o r r e c t u t i l i z a t i on of a n a d j u s t a b l e s t a b i l i z e r wi l l i mp r o v e t h e t r a j e c t o r y o f h o l e s e c t i o n a n d mi n i mi z e d o g l e g s t o r e d u c e t or q ue a n d pi p e dr a g ． Ke y wo r d s d o wn h o l e a d j u s t a b l e g a u g e s t a b i l i z e r ；d i r e c t i o n a l we l l ；e x p e r i me n t ；a n a l y s i s ； h o l e t r a i e c t o r y -4 -””“ [ 2 ] 闫澍旺 ， 肖智旺 ， 田英辉 ． 单 重保温 管海底 管线 在铺设 状态 的 层 问 剪 力 分 析 [ J ] ． 海 洋 技 术 ， 2 0 0 5 ， 2 4 2 89 - 9 2． E s ] 党学博 ， 龚顺 风 ， 金伟 良 ， 等． 双层 管单层 连接管道结 构 的受力分析[ J ] ． 海洋 工程 ， 2 0 0 8 ， 2 6 4 7 0 7 6 ． [ 4 ] B o k a i a n A． T h e r ma l e x p a n s i o n o f p i p e i n - p i p e s y s t e ms [ J ] ． Ma r i n e S t r u c t u r e s ， 2 0 0 4 1 7 4 7 5 5 0 0 ． E s ] 顾泽同， 葛永乐， 翁中杰， 等． 工程热应力[ M] ． 北京 国 防工业 出版社 ， 1 9 8 7 1 一 l 1 ． [ 6 ] A P I ． A P I S p e c i f i c a t i o n s 5 L S p e c i f i c a t i o n s f o r L i n e P i p e ， 4 3 r d E d i t i o n [ S ] ． Wa s h i n g t o n ， D． C ． Am e r i c a n P e t r o l e u m I ns t i t ut e， 20 04 ． ． [ 7 2 张宗峰 ， 袁姗 ， 张立平 ． 隔水 管快 速接 头有限 元分 析 [ J ] ． 石油矿场机 械 ， 2 0 0 9 ， 3 8 6 4 2 4 4 ． [ 8 ] 谢丽婉 ， 陈国明 ， 鞠少栋 ， 等． 基于管 土耦合 的海底管 跨 涡激疲劳 分析 程 序 [ J ] ． 石 油矿 场 机 械 ， 2 0 1 1 ， 4 0 2 卜4． 收稿 日期 2 0 1 0 1 2 1 3 作者简介 李凯 ， 1 9 8 6 一 ， 男 ， 四川 内江人 ， 硕士研究 生 ， 研 究方 向为油气井管 柱力学 与控制工 程 ， E ma i l r n e s me r i z i n g 8 6 y a h o o ． c n。 第 4 O卷第 7 期 李凯 ， 等 定 向井钻井技术及 可变径稳定 器应 用研 究 迄今 为止 ， 定 向钻 井技 术 经历 了 3个 里程 碑 ① 利用造斜器 斜向器 定向钻井 ； ②利用井下马达配合 弯接头定向钻井 造斜率是弯接头弯角、 井下马达刚 度和地层岩石硬度的函数 ； ③利用导向马达 弯壳体 井下马达 定向钻井 弯角点离钻头的距离近得多 ， 因 此产生的造斜率大 [ 1 ] 。随着易开采石油资源的 日益 枯竭 ， 世 界 上广 泛 采 用 定 向井 技 术 向海 滩 、 湖 泊 、 沙 漠、 海洋及复杂构造地层的油藏索取油气资源 ] 。 井下可变径稳定器以钻井液压力作为驱动力， 是定 向 钻井技术的执行机构和一种智能型导向工具 ] 。 1 定 向井钻井技术 1 ． 1 旋 转钻 井l 9 传统的旋转钻井方法是利用弯接头和容积式马 达 P DM 如图 1 朝预定 方 向造斜。造斜 完成 以 后 ， 将弯接头和 P D M 组合从井 眼中提出， 并 以常规 稳定器与钻铤构成的旋转底部钻具组合 B HA 取 代之 ， 这时需要用大直径或小直径稳定器对井斜进 行 控 制 ， 如 果 钻遇 数 个 不 同 的地层 时 ， B HA 的性 能 预测将显得异常困难 ， 因此必须要经常起钻并更换 B HA组合来改变其力学性能 。如果井斜方位角开 始偏离井眼轨迹时， 还需要重新更换弯接头和 P DM 以更正井眼方向。 该方法最大的缺点是如果需要对方位角和井斜 角做任何调整 ， 就必须从井 眼中提出 B HA并改变 其力学性能。在定 向钻井中， 为了减少起下钻次数 ， 增大钻头进尺量 ， B HA经常超时工作 ， 引起井眼轨 迹 的超 常规修 正， 而过度 修正井 眼轨 迹和 使用 的 B HA组合会形成一种 叫做“ 过 山车” 式 的井眼轨迹 如图 2 ， 这意味着附加 了扭矩和摩阻。 水 平 位 移 图 2 常规完钻井稳斜段井眼轨迹 1 ． 2 导 向 系统 导 向系统的 P D M 包含了一个高扭矩泥浆马达 并安装有弯外壳 ， 使钻头轴线倾斜 ， 如图 3 。旋转钻 柱钻进时弯外壳不起作用 ， 由 P D M 钻出直线井眼。 如果要改变井眼方位或井斜角 ， 可 以调节马达至设 计方 向， 使用 P DM 不旋转模 式， 一旦达到井 眼轨迹 设计方位 ， 应重新恢复旋转模式。 第 4 O卷第 7期 李凯 ， 等 定 向井钻井技术及可变径稳定器应用研究 够确定 可变径稳定 器处 于何种状态钻进 。为 了节 约连续钻进 时间 ， 需经 常改变 可变径 稳定 器 的工 作状 态 。 有 2 种可选择状态的可变径稳定器是靠钻压激 活的 ， 在该可变径稳定器中安装有碟形弹簧 ， 弹簧预 紧力必 须要 大 于钻压 ， 当钻 压 弹簧 预 紧力时 ， 可变 径稳定器才会处于大直径工作状态。可变径稳定器 被激活后将始终保 持满尺寸 ， 直 到将其提离井底才 会 自动恢复到原有状态。如果钻压过大 ， 可变径稳 定器将很难达到满尺寸工作状态 ； 如果钻压过小 ， 又 可能会 在 不需要 的情 况下 出 现大直 径 的状态 。为此 设计了液压栓系统 ， 仍保 留原可变径稳定器机械式 激活方式 ， 工作状态 的锁定则需 由流量控制。新 型 可变径稳定器一个明显 的优点是增大 了钻井 的灵 活性 ， 既使在高扭矩情 况下也能正常工作 ， 因为 只 需 要 2 2 ． 2 3 k N钻 压 该 工 具 就 能 处 于 满 尺 寸 工 作 状 态 。 在定 向钻井中， 能够频繁并方便地变化可变径 稳定器直径的机械装置显得尤为重要。例如 ， 用可 变径稳定器钻第 1口井时， 必须先设定一种工作状 态 ， 直到造斜或降斜完成后 ， 再通过不断地改变稳定 器的工作状态来进行纠偏 ， 才能准确地按照设计的 井 身 轨 迹 钻 进 ， 然 后 应 用 实 时 随 钻 测 量 技 术 MWD 对井斜控制进行全面监控 。 最 初 的研 究 认 为 ， 可变 径 稳 定 器直 径 变 化 达 到 1 2 ． 7 mm 1 ／ 2英寸 可 能会 导 致 大 的 “ 狗 腿 ” 。因此 设计的可变径稳定器有多个可变的直径范 围， 例如 0 3 0 4 ． 8 O～ 0 3 1 1 ．1 5 mm 1 2 ～ 1 2 英 寸 ， 使 用 0 2 9 8 ． 4 5 0 3 1 1 ． 1 5 mm 1 1 ～1 2 英 寸 的可变 径 稳定器 ， 可在大尺寸和小尺寸 2种工作状态之间改 变 ， 使用时没有发现引起大的“ 狗腿” ， 反而能够成功 地控制井斜 ， 并且正确地选择近钻头稳定器和可变 径稳 定 器之 间 的短 钻 铤 长 度 ， 可 以 让 B HA 的力 学 性能 很好 地适 应各 种 特 殊 的 工况 ， 把 “ 狗腿 ” 控 制 在 一 个最小 的范 围。合理利用可变径稳定器还可以减 小管柱摩阻。 在定 向井钻井 中使用可变径稳定器可 以极大地 弥补现有传统井斜测控技术和方法的不足 。 2 ． 3性能指标检验 可变径稳定器通 常用于钻进 导 向系统不能 有 效 作 业 的 地 层 ，因 此 在 北 海 油 田 C l e e t o n和 R a v e n s p u r n气 田的 4 2 ／ 2 9和 4 2 ／ 3 0区 块 得 到 了 广 泛地运用 ， 这 几个 区块包括 了北海 南部环 境最 恶 劣 的井 ， 相对松软 的 L i a s 粘土层 的井 身为 D 3 1 1 ． 1 5 mm 1 2 英 寸 ， 接 着 是 极其 复 杂 的 B u n t e r 砂 岩地 层 ， 最 下 部 是 B u n t e r页 岩 地 层 和 B r o c k e l s c h i e f f e r 沙 泥岩 。 图 7为用常规旋转钻井技术完钻的井眼 ， 表现 了岩性的不确定性 ， 且没有达到预计 的造斜和降斜 率 ， 因此需 要 多次 改变 B HA 结 构 ， 最 后形 成 了一个 并 不理 想 的井 眼轨迹 。图 8为 在没 有起下 钻 的情况 下完钻的一 口 0 3 1 1 ． 1 5 mm 1 2 英寸 井 ， 并使用 1 个可变径稳定器来克服钻遇地层 的造斜性 。 图 7 常规完钻井井 眼轨迹 套管鞋 图 8 使 用可变径稳定器完钻井井眼轨迹 8 石油 矿场 机械 2 0 1 1 年 7月 钻大位移井时， 摩擦损耗是设计井身的一个重 要 制 约 因素 ， 所 以井 眼 内摩 阻和 扭 矩 问 题 显得 尤 为 重要 口 ” ] 。为 了把 摩 擦 损 耗 控 制 在最 小 范 围 内 ， 必 须要 使实 际钻 井井 眼轨 迹尽 可能 地接 近设 计 的井 眼 轨迹 。使用可变径稳定 器按设计井 眼轨迹完钻 的 倾斜井 眼轨迹 如 图 9 ， 从 套 管鞋 7 3 2 ． 1 3 m开 始 到 2 4 1 6 ． 4 5 m井 段 使 用 了 可 变 径 稳 定 器 ， 在 下 钻 到 2 4 1 6 ． 4 5 m 时起 钻更 换 了 1次钻 头 。由 图 9看 出 ， 在大位移井使用可变径稳定器后 ， 整个井段与设计 的井眼轨迹几乎没有差别 ， 充分验证 了可变径稳定 器的有效性 。 2 ． 4现场 应用 效果 截止到 目前 ， 井下可变径稳定器在北海油 田已 成 功完 钻超 过 1 5 0口的定 向井 。现场应 用 可变径 稳 定器结果如表 1 。 水平位移／ m 图 9 使用可变径稳定器完钻的倾斜井眼轨迹 表 1 在 0 3 1 1 ． 1 5 m m 井眼应用可变径稳定器钻 井结 果 3 结 论 1 可 变径稳 定器 适 用于 钻进 导 向系统 不能 有 效作业的地层 。 2 在定 向井中使用可变径稳定器钻进 的井眼 轨迹能够完全符合设计井眼轨迹。 3 现场应 用表 明， 在定 向井 中使 用 P D C钻 头 ， 只有 1 8 的井 需要对 方位角进 行修 正， P DC 钻头与可变径稳定器配合使用效果显著。 4 可变径稳定器在钻进过程 中性能可靠 ， 比 常规稳 定 器具有 更 好 的性 能 ， 并 且 在 钻 遇 复 杂恶 劣 地 层 时没 有结 构缺 陷 。 5 使用可变径稳定器能够提高钻井效率 ， 减 少下钻次数 ， 平均每 口井减少 2次以上下钻次数 ， 每 口井完钻周期可缩短 1 d以上 ， 可极大地节省钻井 时 间 参考文献 [ 1 ] 李 松林 ， 苏义 脑 ， 董 海平． 美 国 自动旋 转导 向钻井 工具 结 构原理及特点[ J ] ． 石油机械 ， 2 0 0 0 ， 2 8 2 2 2 7 ． [ 2 ] 王 卫 东． 定 向与 复 合钻 井 中螺杆 结 构 的改 进 与 应 用 [ J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 0 9 ， 3 8 3 9 4 9 8 ． [ 3 ] 徐永 高 ， 黎晓茸 ， 王喜兵 ， 等． 定向井抽油杆柱应力 分析 及 加重 杆 的应 用 [ J ] ． 石 油 矿 场 机 械 ， 2 0 0 9 ， 3 8 7 5 O 一 5 2． I- 4 ] 林 旭东 ， 张慧 ， 曾玉斌 ， 等． 定 向井常用 钻具组合 [ J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 0 9 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