国外复杂井眼防斜技术进展

国外复杂井眼防斜技术进展

井斜是钻头工作中的一个常见问题，它直接影响到井身的重量和井速。随着深层找油找气力度加大,井斜问题严重制约着勘探开发进程。近年来,国内在现场使用较多的除钟摆钻具和满眼钻具外,主要发展了偏轴钻具防斜技术、PDC钻头配合螺杆钻具防斜技术等。受投资和成本的影响,在直井防斜方面进展不大。而国外从20世纪80年代末开始研制具有主动防斜能力的VDS、SDD、VertiTrak、PowerV等闭环导向系统,有效地解决了高陡构造、断层、盐层等情况下钻进时的井眼质量问题。1上地层井斜偏磨导致上分层磨裂在玉门青西、四川川东、青海柴达木盆地、塔里木库车山前等地区山前高陡构造,由于地层倾角大,为保证上部井眼打直,被迫近实施了轻压吊打,影响了钻井速度。对于深井和超深井,由于上部井斜难以控制,导致后期钻进时上部套管严重偏磨,如塔里木多口复杂深井是由于上部地层井斜而导致套管和钻具严重磨损。迪那2井244.5mm套管在2408～2418m处被磨损破裂;迪那11井244.5mm套管在2259～2993m井段被磨损破裂;却勒1井因磨损甩掉钻杆195根,使套管壁严重磨损;却勒6井由于上部井斜大,因磨损甩掉钻杆538根(接箍外径从165mm磨至155mm以下),套管壁严重磨损。1.1逆修正井斜地层井斜玉门青西地处山前构造,中、下沟组地层倾角约为30°,一些井钻遇破碎及裂缝发育带时,地层倾角约为60°。窟窿山逆掩推覆体老地层挤压破碎严重,地层产状变化大,井斜控制难度大。截止2002年初,玉门青西地区共有17口井的井斜超过9°,特别是窟窿山构造井斜严重,发生最大井斜的井为窿105井,最大井斜超过28°。青西地区目前完钻井井斜超过20°的有6口井,井斜超过15°的有8口井。窟窿山逆掩推覆体志留系老地层地层倾角为40°～70°,岩性主要是闪长岩和千枚岩,地层可钻性差,研磨性强,井斜难以控制。尽管采取了多种防斜措施,使用了不同类型的钻具结构,均未取得明显的效果,且钻具损坏严重,只能采取轻压吊打控制井斜,严重制约了勘探进程。窿8井钻至井深822.24m处时井斜为8.5°,窿6井钻至井深242m处时井斜为6.5°,在两口井都实施了填井侧钻。窿9井开钻298d仅钻至井深2970m,耗用钻头66只。平均单只钻头进尺为45m,平均机械钻速为0.65m/h,日进尺最慢时不足5m。先后采用多种防斜组合,均不能有效解决井斜问题。发生多次断钻具和卡钻事故,损坏扶正器、减震器、钻铤和加重钻杆多根。窿111井开钻251d钻至井深3352m,耗用钻头36只,平均单只钻头进尺为93m,平均机械钻速为0.82m/h。先后采用多种防斜组合,也不能有效解决井斜问题。玉门青西地区的井斜基本上可以分为逆掩推覆体断层(志留系)地层井斜和中、下沟组地层井斜两种情况。对于下部地层井斜,目前基本上采用放开井斜控制标准;对于上部的逆掩推覆体地层井斜,目前基本上还没有克服的办法。1.2地层倾角改变青海柴达木盆地存在许多高陡构造带。坪1井在钻2900m之前一直采用钟摆钻具、40kN钻压钻进,共消耗钻头13只,机械钻速仅为0.6～1.0m/h,最大井斜为7.5°。茫南1井全井段采用20～50kN钻压钻进,机械钻速为0.2～0.8m/h,最大井斜仍达9°。由于博1井存在断层,地层倾角很大,导致井斜急剧增加,由6°/3750m增到16°/3850m。开2井在钻3600m以前井斜已达18.5°。东8井自92.62m开始,使用单、双扶正器的钟摆钻具组合和40kN的钻压吊打,但在1700m之前最大井斜仍达到了15.27°(图1)。在狮北1井,自903m开始使用大钟摆钻具组合。2400m以前井斜控制在4°以内,2400m以后尽管低压吊打,但井斜仍急剧上升,在3600m处达到了13.75°(图2)。1.3地层防斜打快技术四川盆地碳酸盐岩裂缝性气藏勘探开发主要分布在川东,大部分为高陡构造,由于复杂构造应力作用,具有地面高度相差大、地层倾角大的特点。最大地层倾角达87°(云安21井),而且存在倾角变化大、靶区范围狭窄等特点。虽然在一些井地面条件许可的情况下,利用地层自然造斜规律实现中靶,但绝大多数井位于高山深沟,地面无法移动井位,因而在钻探中要采取多种防斜措施,甚至降低钻压钻进。即使采取了一系列防斜措施,仍然约有30%的井在下完244.5mm套管后,采用螺杆带弯接头纠斜扭方位才能中靶,因而大大降低了机械钻速。目前已应用多种防斜打快技术,但效果不是十分明显。另外,川东地区上部易水化膨胀而严重垮塌,因此在同一井眼中,既要防斜,又要防塌。高陡构造及逆掩推覆体地层防斜打快问题已严重制约了山前的钻井速度。2近年来，防倾斜技术在现场得到了广泛应用2.1钻压的控制措施钟摆钻具是目前应用最广泛的一种降斜工具,可分为带稳定器(单稳定器和双稳定器)的钟摆钻具、光钻铤钻具、塔式钻具和偏重钻铤等。可成功地用于不易发生井斜的地区,能够有效地纠斜。为了充分发挥钟摆钻具的作用,应尽可能采用大尺寸钻铤加稳定器,在具体操作中应严格控制钻压。由于钟摆钻具的降斜机理是“钟摆效应”,所以它在大井斜下使用比在小井斜下使用效果要好。钟摆钻具的缺点是:工作钻压范围很小,只能轻压吊打。若增大钻压,钟摆钻具的降斜力会减小甚至变成造斜力,同时大钻压又引发地层造斜力。另外,高陡构造条件下很大的地层造斜力也足以抵消其降斜力而保持增斜。在玉门青西地区,主要采用不同扶正器结构的钟摆钻具或塔式钻具,适时测斜,及时调整钻井参数来防斜。从应用效果来看,第四系、第三系井身质量能够保证,所采取的井斜控制措施是合理的,但部分井在中、下沟组采用常规防斜钻具达不到预期目的。2.2地层横向力不大时也会影响井身质量满眼钻具组合是当前常规防斜技术的典型组合,一般由几个外径与钻头直径相近的稳定器及一些外径较大的钻铤构成。由于具有刚度大和填满井眼的特点,在直井中,当地层横向力不大时,能保持直眼钻进;在钻遇增斜或减斜地层时,也能有力地控制井斜变化率,使井斜不致过快地增大或减小,不会在钻机狗腿、键槽等处出现影响井身质量的隐患。在现场使用时应注意:①一定保证按“满眼”设计稳定器外径;稳定器一旦磨损,应及时更换;②在易斜地区应用时,满眼组合设计应考虑地层力效应而设计成微降斜组合。由于满眼使用大的近钻头稳定器,使扭矩阻力增大,发生压差卡钻和钻具失效(扭断)的风险增加。2.3pdc钻头与螺杆钻具配合使用,提高了钻井速度、保障井身质量根据PDC钻头适合于低钻压和高转速条件下能快速钻进的特点,在易斜区将PDC钻头与螺杆钻具配合使用,既提高了钻井速度,又保障了井身质量。这一技术在塔里木(见表1)和四川地区等都得到了成功的应用。2.4偏轴组合克氏原螯虾段第一口用钻井眼地层偏轴钻具防斜属于动力学防斜,利用偏轴接头使钻具在钻压作用下作稳定的弓形回旋运动,使钻头均匀切削井壁四周,并使钻柱与井壁的切点上移,从而产生较强的纠斜力。钻压越大及转速越高,钻具越易产生和保持所需的变形,因而防斜效果也越好。既能使井打直又能打快,实现了防斜与打快的统一。偏轴防斜打快技术已在江苏、四川、华北、塔指、青海、玉门等油田得到应用。偏轴组合在江苏圣科1井的应用最能说明问题。圣科1井是江苏下扬子句容断陷中央隆起带二圣桥构造上的第一口深探井,该构造地质条件十分复杂,地层倾角大且多变(20°～80°),断层多,夹层段长,胶结致密坚硬,极易产生井斜。①钻ϕ444.5mm井眼时,地层倾角为45°～50°。在101～356m井段用满眼钻具组合钻进,井斜由0°增至3.15°。随后用2套钟摆钻具纠斜,基本用80kN钻压吊打。尽管如此,在630m～707m井段,井斜从1.9°猛增至9.25°。吊打钻进至1175m井深时,井斜角仍有4.25°,平均机械钻速仅为1m/h,最慢时不到0.3m/h。在井深1259.9m处下入偏轴组合,加压180～230kN,井斜角稳定在1.75°以内,机械钻速提高到约3m/h。采用这一组合共用钻头6只,直至二开完钻,实钻进尺约500m,防斜提速效果显著。②钻ϕ311mm井眼时,地层倾角为60°,开始采用常规防斜技术钻进,在1782～2567.47m井段,井斜角从1°增至6°以上。其后用过多套钟摆钻具纠斜,普遍采用50～80kN钻压吊打,钻至2567.47m处,井斜角仍为4.5°,降斜缓慢,平均钻速仅为0.81m/h。在井深2567.47m处下入偏轴组合,钻压为200～220kN,纠斜效果显著。在近800m的井段中,井斜角从4.5°降至1°以下,且机械钻速明显提高(见图3和图4)。从现场应用效果来看,偏轴组合在大井眼(孔径311mm和444.5mm)中使用效果更好一些。另外,近年来国内还发展了柔性钻具防斜技术、易斜区地面移动井位防斜技术、反钟摆防斜技术等,这些技术仍在进一步完善中。3旋转导向闭环系统在20世纪80年代末,国外开始研制垂直钻井系统(VDS),成功地解决了德国大陆科探井(KTB)钻井过程中井斜问题。在20世纪90年代中叶又发展了新的垂直钻井装置(SDD),在20世纪末又发展成为自动井斜控制的旋转导向闭环系统(VertiTrak),成功地解决了高陡构造地区、断层区和盐层钻井时井眼倾斜问题,并为钻进丛式井以及采用小尺寸井身结构等提供了可靠保障。这些垂直钻井系统是机、电、液、通讯一体化的高技术产品,有显著的经济效益和技术优势,能够节省大量的钻井时间和费用。3.1第三代样机井斜井结构及井斜角分析1988年,美国BakerHughesInteq公司研制了VDS(VerticalDrillingSystem)系统,目的是解决超深井结晶岩石中井斜难以控制和不起钻更换井底钻具组合就能改变井斜和方位的问题。到1992年已开发出第五代样机。其控制井斜的原理是:当VDS内部的电子传感线路监测到井眼偏离垂直状态而朝某一方向造斜时,通过控制电磁阀的电流,改变液压系统内4个活塞液缸内的压力,推动其上的4个可伸缩翼,使其压靠并支撑井壁,推动钻头并使钻头沿井斜相反的方向钻进。由于该系统实时连续监控,这样就保证了钻具始终以垂直状态钻进。VDS系统在KTB井中下井100多次,在地层倾角为60°的条件下,钻至6700m时井斜角为1°,水平位移不足4m。出现的最大井斜角为2.5°,最大位移为20m。井下附加拉力小于12kN。之后VDS系统曾在德国陆地的660.4m和444.5m井段使用,在北海探井的406.4m和311m井段也曾使用,控制井眼倾角在0.5°以内,保证了多个勘探目标的实现。3.2水动力双轴高速垂直钻井系统SDD(Straight_HoleDrillingDevice)系统(SDD6和SDD7)是在VDS5的基础上,由意大利石油公司阿吉普(Eni_Agip)投资、由BakerHughesInteq公司研制的新型垂直钻井装置。在SDD系统中,对VDS的液压和电子模块进行了大量改进,能够自动把井眼钻直,不须地面人工干预。其降斜率由钻头、上稳定器和可膨胀式稳定器的位置和偏心度来决定,因此可在下入井底钻具组合之前通过移动上稳定器的位置来调节降斜率。在意大利南部、沿地中海周围和南美许多高难度井上,SDD都发挥了不可缺少的关键作用。SDD具备在井下连续工作200h的能力,具有3个液压操作的导向块(VDS有4个)。使用该系统钻进了约40000m的井深,节约了大量的钻时和成本。3.3井眼和井眼的生长VertiTrak闭环导向系统是一种主动防斜的钻井装置。其内部的泥浆脉冲发送器发送倾角和工具状态的信息到地表,能够实现双向通讯。该系统中把导向单元、高性能马达和近钻头MWD倾角传感器(能够感知0.1°的倾角变化)结合在一起。根据测量得到的数据,利用内部微处理器计算克服井斜所需要的力。为此,液压管线传送压力给3个膨胀式导向块,使井眼重新返回到垂直状态。每个翼的推进力达到3t,弹簧加载的导向块进行连续控制,且独立于钻井参数和地层造斜趋势。因此,该系统能减少井眼扭曲及消除狗腿和台阶,钻出更加规径的井眼,套管也易于下入,减少了套管磨损。VertiTrak系统有助于作业商在最富挑战的环境中(包括高陡构造、断层、盐层等情况下)钻进高质量的井眼,且维持最优的钻井参数。除此之外,还证明该系统在使用小尺寸井身结构、降低总井深和总费用方面获得了成功。3.4调整仪器的侧向力,提高井斜降低每米成本Schlumberger公司研制的PowerV系统属于全自动旋转导向垂直钻进仪器。钻进时PowerV系统自动追踪地心吸力(自动感应井斜),自动设定并调整仪器的侧向力,使井斜快速返回垂直状态。它解决了由滑动钻进和钻压限制造成低钻速的问题,侧向力能有效地克服自然造斜力;解决了由连续滑动钻进造成狗腿度大的问题,允许施加更高的钻压,从而大幅度提高钻速;100%的旋转使井眼更平滑,进一步提高钻速,最终大幅度降低每米成本。根据在南美洲、墨西哥湾和北海的作业经验,井斜从未超过0.5°。该系统不需要MWD仪器和地面系统,不需要现场人员进行操作,能排除滑动钻进,提高钻速。4国内新型防斜技术目前国内在控制直井井斜方面,除采用钟摆钻具和满眼钻具外,应用较好的技术有偏轴钻具和螺杆钻具配合PD