水平井旋轉造斜鉆井工具研究

趙 峰

（中國石油渤海鉆探工程有限公司第一鉆井分公司，天津300280）

為謀求地下深部的油氣資源，深部油田鉆井開發是勢在必行的。水平井旋轉造斜鉆井是深部油田鉆井開發中最常見的鉆井開發方式，但由于油氣資源通常儲存在地下深部，導致水平井旋轉造斜鉆井具備很高的難度系數[1]。傳統水平井造斜鉆井過程中普遍存在鉆井效率低的問題，而鉆井工具的性能是決定水平井造斜鉆井效率的關鍵因素。結合以往研究表明水平井鉆井工具的造斜率越高，證明水平井旋轉造斜鉆井工具的性能越好，因此，有必要對水平井旋轉造斜鉆井工具展開優化設計[2]。傳統水平井造斜鉆井工具設計主要以井眼軌跡為設計核心，第一代造斜鉆井工具為斜向器，其存在鉆速過低的問題；第二代造斜鉆井工具為彎節頭井底動力鉆具，主要缺陷在于造斜能力弱；第三代造斜鉆井工具為彎外殼螺桿鉆具，其不足在于與地層摩擦力過大，經常會造成井眼擴大和托壓；第四代造斜鉆井工具以旋轉導向為設計方面，致力于實現對水平井旋轉造斜鉆井工具的優化設計。基于此，本文以旋轉導向造斜鉆井工具為目標，對其進行優化設計，致力于提高水平井旋轉造斜鉆井工具的造斜率。

1 旋轉導向介紹

1.1 旋轉導向鉆井技術概念

旋轉導向鉆井技術是20世紀90年代出現的一項尖端自動化鉆井新技術，技術的核心是旋轉導向鉆井系統。它主要由井下旋轉自動導向鉆井系統、地面監控系統和將上述兩部分聯系在一起的雙向通信技術組成，形成閉環自動軌跡控制系統。

1.2 旋轉導向的優勢

能實現優質、高效鉆井，使鉆速達到最大，可能在特殊井段一趟鉆順利完成，井身質量好，為優質固井提供保障。

能夠精確控制井身剖面軌跡，造斜率高，實現深井復雜結構井的井眼軌跡控制。

鉆柱連續旋轉有助于懸浮鉆屑，對井眼清潔有利，并且能把鉆桿與井眼的摩擦降到最低。

油層鉆遇率高，隨鉆設備帶有地層評價參數，可取消電纜測井。

2 旋轉導向工具的分析、計算及設計

2.1 分析旋轉導向工具對井壁的推靠力

考慮到旋轉導向在水平井旋轉造斜鉆井過程中會與井壁生成摩擦，進而產生反向作用力，因此，需要分析旋轉導向對井壁的推靠力[4]。本文用F表示旋轉導向工具對井壁推靠力的大小，可得公式（1）：

式中：l——旋轉導向工具對井壁的推靠力作用點與井眼之間的距離，m；

d——水平井旋轉導向工具的旋轉阻力，N；

P——旋轉造斜角度。

通過公式（1），得出旋轉導向工具對井壁的推靠力。由此可見，旋轉導向工具對井壁推靠力隨上述參數變化而變化，其中在旋轉導向工具對井壁的推靠力作用點與井眼之間的距離與工具旋轉阻力一定時，可以通過調節工具最關鍵的旋轉造斜角度，進而改變旋

轉導向工具對井壁的推靠力。

2.2 計算旋轉導向工具降斜作用力

在分析得出旋轉導向工具對井壁的推靠力后，還需要進一步計算旋轉導向工具降斜作用力，進而設定科學的旋轉導向工具參數[5]。在旋轉導向設計中，由于水平井旋轉導向工具自身的重力會與鉆頭之間形成一定的降斜力，為掌握降斜力對旋轉導向工具水平井旋轉造斜鉆井效果的影響，需要通過計算，判斷旋轉導向工具的降斜作用力。首先，計算水平井旋轉導向工具自身的重力與鉆頭之間的降斜力，設其計算表達式為G，則有公式（2）：

式中：w——水平井所處地層的傾斜角度；

t——水平井旋轉造斜鉆井預計深度；

α——水平井旋轉造斜鉆井井眼面積。

通過公式（2），計算得出水平井旋轉導向工具自身的重力與鉆頭之間的降斜力，在此基礎上，可推導出旋轉導向工具降斜作用力的計算公式，設其為Gk，則有公式（3）：

式中：h——旋轉導向工具水平鉆井速度。

通過公式（3）判斷旋轉導向工具降斜作用力，以此為旋轉導向設計關鍵參數，為下文提供數據支持。

2.3 實現旋轉導向設計

通過上述對旋轉導向設計中兩個關鍵參數的計算分析，實現旋轉導向設計[6]。結合《水平井旋轉造斜鉆井工具設計標準》，設定旋轉導向的主要參數，如表1所示。

表1為本次設計旋轉導向的主要參數，以此為標準，實現水平井旋轉造斜鉆井的工作要求，以此完成水平井旋轉造斜鉆井工具設計。

表1 LWD旋轉導向的主要參數

3 實例分析

3.1實驗準備

構建實例分析，本次選用某油田作為實驗區域，在油田中隨機選取一口水平井作為本次實例分析對象。已知該水平井的井身尺寸為垂直深度2002m；水平位移1890m；水平段長1666m，整體水平段地層特性為單斜構造地層，地層傾角為10°~22°，其井斜控制屬于降井斜。在本次實例分析中，設定水平段井眼尺寸為215.9mm；復合（旋轉）鉆進特性為微增井斜1°~3°/100m。在明確水平井基本信息的基礎上，首先使用傳統工具進行水平井造斜鉆井，通過Matalb測得其鉆井造斜率，記為對照組；使用本文設計工具進行水平井旋轉造斜鉆井，同樣通過Matalb測得其鉆井造斜率，記為實驗組；由此可見，本次實例分析選取對比指標為鉆井造斜率，工具的鉆井造斜率越高，證明其鉆井造斜能力越強，以此判斷水平井旋轉造斜鉆井工具性能。設定實驗次數為10次，并記錄實驗結果。

3.2 實驗結果分析

證明實驗結果，如表2所示。

表2 實驗結果對比表

通過表2可知，本文設計的工具造斜率明顯高于對照組，對于水平井旋轉造斜鉆井的造斜能力更強，更具實際應用價值，有必要在水平井旋轉造斜鉆井方面加大使用力度。

4 結束語

通過基于旋轉導向設計水平井旋轉導向工具，能夠取得一定的研究成果，解決傳統水平井造斜鉆井中存在的問題。由此可見，本文研究的水平井旋轉造斜鉆井工具是具有現實意義的，能夠指導水平井旋轉造斜鉆井工具優化。在后期的發展中，應加大本文研究水平井旋轉導向工具在水平井旋轉造斜鉆井中的應用力度。截至目前，國內外針對水平井旋轉導向工具研究中還需要進一步對水平井旋轉造斜鉆井工具的優化設計進行深入研究，為提高水平井旋轉造斜鉆井工具的綜合性能提供參考。