Power Drive Archer型旋轉導向系統在綏中油田應用

劉鵬飛，和鵬飛，李 凡，余 涵，彭 江

（1.中海石油（中國）天津分公司，天津300452；2.中海石油能源發展工程技術分公司，天津300452）

Power Drive Archer型旋轉導向系統在綏中油田應用

劉鵬飛1，和鵬飛2，李 凡1，余 涵1，彭 江2

（1.中海石油（中國）天津分公司，天津300452；2.中海石油能源發展工程技術分公司，天津300452）

Power Drive Archer混合型旋轉導向系統是斯倫貝謝公司近年來開發的一款高造斜率、高效率鉆井系統。介紹了該系統的基本結構、性能特點。以渤海綏中36-1油田?215.9 mm井眼為例，在分析地層巖性特征、已鉆老井使用鉆具性能的基礎上，對Power Drive Archer在該油田的適用性做了分析。通過合理的工具參數配置、井眼軌跡優化、鉆頭選型，成功將該系統應用于綏中36-1油田，解決了疏松砂巖地層的導向鉆井難題，并提高了機械鉆速。

旋轉導向鉆井；機械鉆速；應用

定向鉆井技術的發展經歷了從早期的通過改變井下鉆具組合中扶正器位置實現井身增斜、穩斜、降斜目的，到20世紀60年代井下彎角馬達的應用，再到20世紀90年代旋轉導向技術的興起［1］。利用泥漿驅動偏心和扶正器的合理放置是旋轉導向技術的核心，推靠式旋轉導向系統通過推靠井壁實現鉆頭側向鉆進，指向式旋轉導向系統通過工具內部的偏心組塊實現鉆頭定向鉆進，解決了推靠器對井壁的依耐性［2-6］。但是，對于某些異常疏松地層，或者復雜地層，現有的旋轉導向系統仍無法實現良好的造斜率功能，只能使用常規彎角馬達鉆具，降低了鉆井效率。Power Drive Archer（以下簡稱PD Archer）系統是斯倫貝謝公司研發的第3代旋轉導向系統，通過本體可調彎角和內部偏心配合可實現高造斜率。本文在分析綏中36-1油田地質特征的基礎上，對該工具的適用性做了分析。通過鉆頭選型、鉆具組合優化、鉆井參數控制等，成功將該工具應用于綏中36-1油田。

1 系統簡介

1.1 鉆具系統的組成

PD Archer系統主要由導向組塊和控制組塊組成，如圖1。控制組塊與Power Drive X6型旋轉導向系統的內部結構基本相同，其上部旋轉控制閥保持不動，鉆井液通過推動內部推靠塊，4個推靠塊推動導向扶正套內壁使鉆頭發生軸向偏移，以萬向聯軸節為支點，可以實現360°的自由指向。與Power Drive X6（以下簡稱X6）系統不同的是伸縮翼置于工具內部，而非推靠井壁。此外，驅動頭在調節環的控制下可實現類似彎角馬達的本體偏移量，有0.6、0.8、0.9和1.0°四個彎角度供選擇、調節，具有泥漿馬達彎角導向和旋轉導向的復合功能。原理如圖2。

圖1 PD Archer鉆具部分組成

圖2 PD Archer工作原理示意

1.2 鉆具特性分析

PD Archer混合型旋轉導向系統的主要優點是可以實現高造斜率要求，達到甚至超越常規旋轉導向系統的機械鉆速。通過“推靠式”和“指向式”的優點結合，該套系統可以實現高達15°／30 m的造斜率，可實現疏松地層的造斜率要求，也可減少靶前位移并保證油層段進尺，最大化油層泄油面積。在某些不穩定地層，可以選擇更深的造斜點，或者以更小的井斜和更少的井段穿越該地層，有效解決了定向井設計的限制性問題。此外，基于X6系統精確控制單元的使用，可在鉆井過程中有更大的排量選擇范圍。同時，該系統保持了斯倫貝謝工具一貫的全旋轉特性，可有效提高井眼清潔能力，降低卡鉆風險。另外，即使在高造斜率井段，PD Archer所鉆出的井眼也能保持平滑、穩定，可進一步降低井下摩阻和轉矩，使鉆壓有效傳遞至鉆頭，使機械鉆速最大化。使用該系統所鉆出的井眼，其井壁光滑，質量優異，摩阻和屈曲度降低后有利于套管及后續完井工具的下入。

2 在綏中36-1油田的適用性分析

2.1 工程概況與油田地質簡介

綏中36-1油田位于渤海遼東灣下遼河坳陷、遼西低凸起中段，為北東走向的斷裂背斜構造，油田鉆遇地層自上而下為：平原組、明化鎮組、館陶組和東營組。油田目的層為東營組東二下段，東二下段儲層為湖相三角洲沉積，具有埋藏淺，油稠，儲層膠結疏松的特點，儲層物性為中高孔-高滲，巖性以褐灰色細砂巖為主，夾薄層泥巖，細砂巖成分以石英為主，次為長石，部分中粒，分選中等，泥質膠結。經過近20 a的開發，目前油田已開發260多口井，地層壓力衰竭明顯，使儲層疏松程度進一步加深。從出筒巖心和地層壓實強度可以看出該區塊地層極為松軟。如圖3。

圖3 綏中36-1油田某井儲層段出井巖心

2.2 鉆具使用情況

本區塊已鉆水平井常用井身結構為：?444.5 mm井眼×?339.7 mm套管＋?311.2 mm井眼×?244.5 mm套管＋?215.9 mm井眼×?152.4 mm篩管，如圖4。

?215.9 mm井眼按照完鉆井深和軌跡難易程度選擇鉆具，在完鉆井深超過2 500 m時選擇旋轉導向鉆具。根據統計，在井斜穩住的情況下，使用馬達鉆具滑動定向和旋轉鉆進復合比在40%以上，平均機械鉆速40.9 m／h。同時，對于PD Xceed型指向式旋轉導向工具，2011～2012年在本區塊?215.9 mm井眼水平段的使用情況統計，總進尺3 258.53 m，總開泵時間192.45 h，純鉆時間65.33 h［4］。

圖4 綏中36-1油田水平井常規井身結構

2.3 導向工具適用性分析

對綏中36-1C周邊區塊E、G、K等平臺水平段?215.9 mm井眼PD Xceed型指向式旋轉導向工具使用情況進行調研，如圖5，該工具總體使用效果良好，機械鉆速50～70 m／h。考慮到本區塊儲層為高孔隙度高滲透性的疏松砂巖，對導向工具造斜率要求較高，為提高鉆井時效、獲得更高的機械鉆速，決定嘗試使用PD Archer實施?215.9 mm井眼作業。PD Archer配套鉆具組合可提供近鉆頭約2.04 m的連續井斜，隨鉆電阻率距鉆頭約11.62 m、自然伽馬約8.57 m、密度約9.78 m、中子約11.87 m。MWD工具測斜距鉆頭約18.95 m，可實現鉆進過程中近鉆頭井斜、方位等隨鉆地層測井參數的實時監測。

圖5 PD Xeed型旋轉導向工具在綏中36-1油田應用情況統計

鉆頭技術也是決定鉆井成敗的關鍵因素。鉆頭設計會影響導向能力，推靠式旋轉導向系統一般需要配置鋒利側向切削能力的鉆頭來達到高造斜率，而指向式旋轉導向系統一般依靠不鋒利、長側向保徑鉆頭來穩定方向。混合型旋轉導向系統的鉆頭選型必將顯得尤為重要。PD Archer采用史密斯公司專門設計的MDi519型PDC鉆頭，通過其IDEAS軟件對鉆頭、鉆具組合以及井身軌跡進行有限元分析，并結合地質信息整體模擬了該套鉆具系統在井下的表現，模擬結果顯示鉆具穩定性、導向性、快速性及耐久性良好。該PDC鉆頭采用5刀翼設計，總布齒29個（面部19個×19 mm，保徑5個×16 mm，側面切削齒5個×13 mm），每個刀翼保徑部分分布熱穩定聚晶金剛石齒加強保徑，刀翼上部布有PDC復合片倒劃眼齒，鉆頭配有6個水眼，泄流面積11 051.6 mm2。

分析認為PD Xceed型指向式旋轉導向工具在綏中36-1區塊水平段的使用效果良好。考慮到本區塊儲層為高孔隙度高滲透性的疏松砂巖，對導向工具造斜率要求較高，為了提高鉆井時效，獲得更高的機械鉆速，決定嘗試使用PD Archer混合型旋轉導向系統實施水平段?215.9 mm井眼鉆井作業。

3 應用實例

3.1 鉆具組合及參數控制

鉆具組合通常為（以?215.9 mm井眼為例）：?215.9 mm PDC鉆頭＋?171.5 mm Power Drive Archer（內置浮閥）＋?171.5 mm隨鉆測井工具＋?171.5 mm MWD工具＋?171.5 mm非磁鉆鋌＋?165.1 mm隨鉆震擊器＋?127 mm加重鉆桿×若干。鉆井參數：鉆壓20～80 k N，頂驅轉速70～120 r／min，排量1 600～2 000 L／min。

3.2 軌跡控制

第1口井（C44 H井）鉆穿?244.5 mm套管鞋后（參數：鉆壓10～30 k N，頂驅轉速60 r／min，排量1 800 L／min），繼續鉆進至2 338 m，觀測近鉆頭井斜為87.9°。由于設計井斜為90°且考慮到出管鞋后地層降斜較快，因此發指令0／100%，初始鉆進參數：鉆壓20～40 k N，排量1 600 L／min，頂驅轉速80 r／min。鉆進至2 362 m時，觀測近鉆頭井斜約為90.5°，發穩斜穩方位指令（HIA），目標井斜89.6°，目標方位215.5°，將排量提至1 900 L／min，頂驅轉速100 r／min。鉆進至2 382 m時，井斜下降較快，于是降低排量至1 700 L／min，井斜基本能夠穩在89.3°附近。鉆進到2 500 m，考慮井底井斜一直小于設計井斜，因此將目標井斜調整至90.6°，使得實鉆軌跡在垂深盡量貼近設計數據，同時排量增大至1 900 L／min來保證井眼清潔。另外，考慮到地層有左漂趨勢，因此在穩斜模式內通過增加方位指令將目標方位調整到217.5°來盡快貼近設計軌跡。鉆進至2 581 m完鉆。整個鉆進過程中89%井段均采用穩斜穩方位模式（HIA）控制效果很理想，由于目的層疏松砂巖受排量的沖刷影響尤為明顯，實鉆過程中通過調整排量來調整井斜的效果很明顯。

此后的2口井在鉆穿?244.5 mm套管鞋后隨鉆近鉆頭井斜顯示均比預測井斜小約2°，考慮到油層底部有底水風險存在，因此鉆穿上層套管鞋進入新地層后，采用高百分比設置75%～100%的造斜力盡快將目標井斜調整至設計井斜，C45 H井的初始連 續 造 斜 率 為 3°／30 m～4°／30 m，C44 H 井 和C61 H井的初始連續造斜率達到7°／30 m～8°／30 m。

在實際鉆井過程中，地層的不穩定性增加了井眼軌跡的控制難度，地層的增降斜趨勢沒有很明顯的規律。通過Archer近鉆頭連續井斜的迅速判斷，優選采用工具導向力25%～50%的百分比，結合1 600 L／min的排量來調整軌跡，這樣會有利于狗腿度的預測和控制。

3.3 機械鉆速

此次3口井的作業中，在深入了解地層特性的基礎上，不斷優化作業措施，獲得較高的機械鉆速，且穩中有升，如圖6。

圖6 綏中36-1油田使用PD Archer鉆具機械鉆速對比

4 結論

1） 對于不穩定性地層的井眼軌跡控制，尤其在增、降斜確實沒有明顯規律時，MWD的應用可對軌跡控制做出迅速判斷，有利于預測和控制狗腿度。

2） 考慮到PD Archer混合型旋轉導向系統的高造斜率特性，盡量減少使用絕對百分比來調整井眼軌跡。因此，在整個水平段鉆進過程中，一旦目標井斜和垂深達到理想目標值，應優先采用穩斜、穩方位模式（HIA）來控制實鉆軌跡。在HIA模式內對于井眼井斜和方位的閉環控制可以有效避免大狗腿的出現，而且可以有效提高機械鉆速。

3） 鉆進參數對于井身軌跡的調整控制尤為重要。鉆進過程中，排量1 600～1 700 L／min可以有效降低地層沖刷，在疏松砂巖層內對于工具的造斜率保證有著重要意義；在HIA模式下使用高排量1 900 L／min可以有效避免井斜增大。鉆進過程中考慮到旋轉導向的工作特性，在造斜率不是很高的疏松地層段，將頂驅轉速從正常鉆進的100 r／min降至60 r／min，對于保證造斜率有著重要的作用。

4） PD Archer混合型旋轉導向系統的應用有利于渤海地區開采薄油層，特別是對于鉆進高孔、高滲疏松砂巖有著重要意義。

［1］ 《海洋鉆井手冊》編委會.海洋鉆井手冊［M］.北京：石油工業出版社，2009：588.

［2］ 劉峰.Power-V和PD Xceed垂直導向鉆井技術在渤海油田的應用［J］.石油鉆采工藝，2009（10）：30-33.

［3］ 孫曉飛，韓雪銀，和鵬飛，等.防碰技術在金縣1-1-A平臺的應用［J］.石油鉆采工藝，2013，35（3）：48-50.

［4］ 和鵬飛，孔志剛.Power Drice Xceed指向式旋轉導向系統在渤海某油田的應用［J］.探礦工程（巖土鉆掘工程），2013，40（11）：45-48.

［5］ 孫銘新，韓來聚，李作會.靜態偏置推靠鉆頭式旋轉導向鉆井系統介紹［J］.石油礦場機械，2003，32（6）：4-7.

［6］ 王定亞，李愛利.海洋鉆井隔水管系統配套技術研究［J］.石油礦場機械，2010，39（7）：12-15.

Application of Power Drive Archer in Suizhong Oilfield

LIU Peng-fei1，HE Peng-fei2，LI Fan1，YU Han1，PENGJiang2
（1.Tianjin Branch of CNOOC Ltd.，Tianjin 300452，China；2.CNOOC Ener Tech-Drilling&Pr oduction Co.，Tianjin 300452，China）

Wit h a brief description about exter nal str uct ure，t he inter nal co mposition and wor king principle of Power Drive Archer，PD Archer is compared with mud motor and other drilling tools in ter ms of safety，ti meliness about?215.9 mm borehole in SZ36-1 Oilfiel d.Wit h st udy on parameter configuration，wellbore trajectory opti mization，bits selection successf ully applied PD Archer in SZ36-1 Oilfiel d and sol ved t he proble m guiding t he drilling of unconsolidated sandstone f or mations.This will give an experience reference f or other parts.

r otar y steerable drilling；penetration rate；app lication

TE951

B

1001-3482（2014）06-0065-04

2014-01-08

劉鵬飛（1981-），男，四川人，碩士，2007畢業于西南石油大學油氣田開發專業，主要從事海洋石油鉆完井技術監督及管理工作，E-mail：liupf4＠cnooc.com.cn。