渤海油田大位移井馬達(dá)鉆具高效滑動(dòng)配套技術(shù)

羅偉，向良煒，趙海建，韓東東，陳同驍

1.中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術(shù)分公司（天津 300452）2.中海石油（中國）有限公司 天津分公司（天津 300459）

目前渤海油田大型優(yōu)質(zhì)油藏越來越少，具有“邊、小、碎”特點(diǎn)的邊際油田開發(fā)比例越來越大[1]，隨著邊際油田開發(fā)比例的加大，渤海油田大位移井?dāng)?shù)量隨之增加。大位移井鉆井作業(yè)較為顯著的特征有鉆具摩阻大、鉆進(jìn)扭矩高、鉆柱懸重小[2]。馬達(dá)鉆具作為一種經(jīng)濟(jì)型動(dòng)力鉆具，在鉆井作業(yè)中廣泛使用[3-5]，但馬達(dá)鉆具滑動(dòng)托壓問題普遍存在[6]。近幾年渤海油田為降本增效，使用水力振蕩器或徑向振動(dòng)短節(jié)配合馬達(dá)鉆進(jìn)，在解決馬達(dá)托壓和提高機(jī)械鉆速方面效果明顯[1]，但水力振蕩器對鉆井設(shè)備破壞性較強(qiáng)，為保護(hù)鉆井設(shè)備，使用水力振蕩器的頻次越來越少。為解決馬達(dá)滑動(dòng)托壓問題，引入新型減摩工具徑向振動(dòng)短節(jié)，總結(jié)馬達(dá)滑動(dòng)控制技術(shù)，優(yōu)選鉆井液潤滑劑，在渤海A油田中實(shí)踐應(yīng)用，解決了馬達(dá)滑動(dòng)托壓問題，同時(shí)也提高了機(jī)械鉆速。

1 減摩工具的優(yōu)選

大位移井的井穩(wěn)斜角大，穩(wěn)斜段長，在鉆進(jìn)過程中，鉆柱由于重力的作用緊貼下井壁，導(dǎo)致鉆柱產(chǎn)生較大的摩擦阻力[7]。渤海油田目前配合馬達(dá)鉆具的減摩工具有水力振蕩器和徑向振動(dòng)短節(jié)兩種。水力振蕩器工作時(shí)產(chǎn)生固定頻率的軸向振動(dòng)，減小鉆具和井眼之間的摩阻；徑向振動(dòng)短節(jié)工作時(shí)產(chǎn)生固定頻率的徑向振動(dòng)，減小鉆柱與井壁之間的摩阻。

1.1 水力振蕩器

水力振蕩器在鉆井中廣泛應(yīng)用，能夠較好地解決馬達(dá)滑動(dòng)托壓問題[7]。2012年渤海油田引入水力振蕩器配合馬達(dá)定向鉆進(jìn)，在解決滑動(dòng)托壓、提高機(jī)械鉆速方面取得良好的效果，水力振蕩器主要參數(shù)見表1。但水力振蕩器存在以下缺點(diǎn)：

表1 螺桿動(dòng)力水力振蕩器主要技術(shù)參數(shù)

1）直徑Φ171.4 mm的水力振蕩器最大沖擊力達(dá)50 kN，振幅可達(dá)9 mm[8]。在淺部地層使用水力振蕩器，鉆柱劇烈的軸向振動(dòng)對頂驅(qū)等設(shè)備產(chǎn)生較強(qiáng)的破壞力，導(dǎo)致頂驅(qū)、井架等鉆井設(shè)備零部件松動(dòng)，增加高空落物風(fēng)險(xiǎn)。

2）水力振蕩器工作壓耗達(dá)4.8 MPa，壓耗相對較高。渤海油田2/3以上的鉆井船和模塊鉆機(jī)配備的泥漿泵功率不高于1 192 kW。在大位移井Φ311 mm井段中，受泥漿泵性能限制，排量只能開到50～58 L/S，環(huán)空返速較小，鉆井液攜砂性能差，井眼清潔度低，容易引發(fā)井下復(fù)雜情況。

1.2 徑向振動(dòng)短節(jié)

2021年渤海A油田淺層大位移井作業(yè)中，渤海油田引入徑向振動(dòng)短節(jié)替代水力振蕩器配合馬達(dá)鉆具鉆進(jìn)，馬達(dá)托壓問題得到極大的改善,同時(shí)也獲得較高的循環(huán)排量。徑向振動(dòng)短節(jié)主要由渦輪組件和偏心總成兩部分組成，渦輪組件帶動(dòng)偏心組件旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生徑向振動(dòng)，減小鉆具摩阻，從而提高馬達(dá)滑動(dòng)效率。同尺寸的徑向振動(dòng)短節(jié)比水力振蕩器壓耗小23%～45%，使用徑向振動(dòng)短節(jié)可以獲得更高的鉆進(jìn)和循環(huán)排量，徑向振動(dòng)短節(jié)主要參數(shù)見表2。但徑向振動(dòng)短節(jié)也存在一些不足：

表2 徑向振動(dòng)短節(jié)主要技術(shù)參數(shù)

1）直徑Φ165.1 mm的徑向振動(dòng)短節(jié)長度為1.45 m，產(chǎn)生的徑向振動(dòng)力為0.7～2.1 kN，振動(dòng)幅度為1.25 mm，GEE R等[9]（2015）研究對比軸向振動(dòng)和徑向振動(dòng)的減摩效果，前者減摩效果明顯強(qiáng)于后者。在現(xiàn)場應(yīng)用實(shí)踐中，由于深部地層井壁摩阻較大，徑向振動(dòng)短節(jié)的減摩效果相對較弱。

2）徑向振動(dòng)短節(jié)產(chǎn)生徑向的振動(dòng)對鉆具減摩作業(yè)較為單一，Baez F等［10（］2011）調(diào)研了水力振蕩器在美國的應(yīng)用情況，發(fā)現(xiàn)水力振蕩器不僅能減小摩阻，還能提高鉆壓的有效傳遞率，更有利于提高機(jī)械鉆速。

1.3 工具選取建議

在淺層大位移井作業(yè)中，建議下入徑向振動(dòng)短節(jié)，能夠滿足馬達(dá)滑動(dòng)需求的同時(shí)避免對頂驅(qū)設(shè)備的損害。在較深的大位移井作業(yè)中，建議下入水力振蕩器，水力振蕩器的軸向振動(dòng)力強(qiáng)勁且減摩效果更好，隨著井深增加，水力振蕩器對設(shè)備損害效果相應(yīng)減弱。

2 滑動(dòng)控制技術(shù)

使用合理的減摩工具只能改善馬達(dá)滑動(dòng)托壓問題，滑動(dòng)困難依然存在。隨著井斜的增大和井深的增加滑動(dòng)托壓愈來愈困難，因此，滑動(dòng)前的準(zhǔn)備工作和滑動(dòng)過程中的精細(xì)控制技術(shù)在深部地層是否能夠安全高效滑動(dòng)起著非常重要的作用。

2.1 滑動(dòng)主要困難

在深部地層，馬達(dá)鉆具滑動(dòng)常見困難有：①工具面漂移不穩(wěn)定，滑動(dòng)造斜效果較差；②井眼摩阻過大，滑動(dòng)時(shí)鉆具無法下放至井底；③滑動(dòng)過程中，馬達(dá)頻繁托壓被迫活動(dòng)鉆具，影響作業(yè)時(shí)效；④滑動(dòng)過程中，鉆具托壓突然釋放造成馬達(dá)憋壓。

2.2 滑動(dòng)操作指南

為有效解決深部地層滑動(dòng)困難問題，現(xiàn)場定向井工程師和鉆井監(jiān)督在滑動(dòng)操控技術(shù)方面經(jīng)過10余年的摸索和總結(jié)，通過實(shí)踐-認(rèn)識-再實(shí)踐，形成以下滑動(dòng)操作指南。

1）為保障滑動(dòng)期間井下鉆具的安全，至少旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)1個(gè)鉆桿單根再進(jìn)行滑動(dòng)鉆進(jìn)，在馬達(dá)滑動(dòng)中可能出現(xiàn)鉆具黏卡等井下復(fù)雜情況下，鉆具有上提活動(dòng)距離和解卡空間。

2）滑動(dòng)鉆進(jìn)前，將上部井段倒劃2～3遍，下放鉆具需接觸井底，停留在井底循環(huán)10～20 s，提高井底的清潔度，減少因井底巖屑床堆積導(dǎo)致鉆具無法接觸井底的情況。

3）預(yù)留合適的反扭角，反扭角受地層和井深影響較大，反扭角隨著井深的增加而增大。

4）距離井底0.5～1 m距離時(shí)，以接觸井底的速度為滑動(dòng)鉆進(jìn)前正常旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)機(jī)械鉆速的1/4～1/2鉆進(jìn)，馬達(dá)產(chǎn)生0.5 MPa壓差，且泵壓穩(wěn)定后階梯式增加送鉆速度，使泵壓穩(wěn)定在1～1.5 MPa。

5）滑動(dòng)過程中，MWD信號傳導(dǎo)有時(shí)間差，不宜頻繁轉(zhuǎn)動(dòng)鉆具調(diào)整工具面，預(yù)判增加鉆壓產(chǎn)生的反扭矩導(dǎo)致工具面的變化角度。

6）滑動(dòng)過程中若出現(xiàn)托壓現(xiàn)場，使用“旋轉(zhuǎn)”滑動(dòng)法。當(dāng)鉆具托壓達(dá)到10 t時(shí)，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)鉆具，直到托壓減小3～5 t后逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)鉆具。根據(jù)實(shí)時(shí)工具面，每次順時(shí)針旋轉(zhuǎn)角度與逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)角度相差在60°以內(nèi)，鉆具保持緩慢往返轉(zhuǎn)動(dòng)，從而抑制馬達(dá)托壓。為防止鉆具倒扣，每次旋轉(zhuǎn)鉆具控制在360°內(nèi)。

7）滑動(dòng)期間調(diào)整好鉆井液性能，以保證鉆井液潤滑性，可結(jié)合遲到時(shí)間加入適量的潤滑劑和塑料小球降低鉆具摩阻。

8）若以上方法均無法解決托壓，則可以短起下鉆200～300 m或更長的井段，通過倒劃眼攜砂清潔下部井眼，從而減小井眼摩阻。

3 潤滑劑的優(yōu)選

潤滑劑作為鉆井液的核心處理劑之一，其潤滑性能對鉆井液影響顯著，可有效降低滑動(dòng)鉆進(jìn)期間的摩阻［11-12］。渤海油田目前常用的水基鉆井液潤滑劑有PF-GREENLUBE、PF-ESLUBE、RT-101、PFLIBE220。使用潤滑性能好的鉆井液可減少卡鉆等復(fù)雜情況，同時(shí)可有效提高鉆速，保證鉆井作業(yè)安全快速。PF-LUBE220抗高溫潤滑劑，其主要成分為脂類和醇類化合物，潤滑劑分子末端富含多分枝吸附基團(tuán)，具有強(qiáng)吸附性能，可與鉆桿表面的原子通過共價(jià)鍵生成金屬螯合環(huán)，形成高抗剪切吸附層，達(dá)到反轉(zhuǎn)鉆具表面潤濕性及潤滑防卡，潤滑效果相對較好。

對比評價(jià)了PF-LUBE220和PF-GREENLUBE、PF-ESLUBE、RT-101潤滑劑在PEM鉆井液體系中的潤滑性能。其中PEM鉆井液體系配方在180°C條件下老化16 h后進(jìn)行性能測試，見表3。結(jié)果表明，在PEM鉆井液體系中分別加入潤滑劑PF-LUBE220、PF-GREENLUBE、PF-ESLUBE、RT-101，PF-LUBE220，潤滑系數(shù)最低為0.058 3，明顯優(yōu)于潤滑劑PF-GREENLUBE、PF-ESLUBE、RT-101，潤滑效果顯著。

表3 不同鉆井液潤滑劑配方性能測試結(jié)果

4 現(xiàn)場應(yīng)用

使用減摩工具配合馬達(dá)滑動(dòng)控制技術(shù)，在渤海油田A油田應(yīng)用5口淺層大位移井，其中A1井水垂比達(dá)3.17，在井深3 543 m，穩(wěn)斜角85°，馬達(dá)實(shí)現(xiàn)高效滑動(dòng)鉆進(jìn)。

在A1井Φ215.9 mm井段使用馬達(dá)鉆具+徑向振動(dòng)短節(jié)鉆進(jìn)至3 136 m，地層自然掉斜（0.5°～0.8°）/30 m，偏離設(shè)計(jì)軌跡較遠(yuǎn)無法命中靶點(diǎn)，需要滑動(dòng)調(diào)整井眼軌跡。在打完立柱倒劃眼期間，向循環(huán)池內(nèi)加入LUBE220循環(huán)均勻。接立柱，旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)1個(gè)單根的長度，倒劃眼2遍，停頂驅(qū)擺工具面，下放鉆具接觸井底。下入鉆具速度過慢，鉆具容易托住，下放速度過快容易憋壓，尋找一個(gè)平衡的速度，即旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)速度的1/4～1/2。滑動(dòng)鉆進(jìn)機(jī)械鉆速為15～35 m/h，鉆壓3～5 t，期間一旦有托壓征兆即鉆壓突然增加至10 t，則在1圈范圍內(nèi)來回轉(zhuǎn)動(dòng)鉆具，抑制托壓。在A1井Φ215.9 mm井段中，累計(jì)9次滑動(dòng)調(diào)整井眼軌跡，整體滑動(dòng)效率較高，未發(fā)現(xiàn)反復(fù)活動(dòng)鉆具無法接觸井底的現(xiàn)象。

與鄰井對比，使用馬達(dá)滑動(dòng)配套控制技術(shù)能夠解決深部地層托壓問題，機(jī)械鉆速提高29.8%。使用馬達(dá)配套技術(shù)對比效果見表4。

表4 使用馬達(dá)滑動(dòng)配套技術(shù)對比效果

5 結(jié)論與認(rèn)識

1）優(yōu)選減摩工具配合馬達(dá)鉆具完成大位移井鉆井作業(yè)，對提高馬達(dá)滑動(dòng)效率，保護(hù)鉆井設(shè)備較為重要。井深小于1 000 m的井建議下入徑向振動(dòng)短節(jié)，井深大于1 000 m的井則建議下入水力振蕩器。

2）高潤滑性的鉆井液對馬達(dá)滑動(dòng)鉆進(jìn)起著非常重要的作用，高潤滑性的鉆井液可降低鉆具摩阻，減小鉆具與井壁之間的黏附性，提高馬達(dá)滑動(dòng)效率，降低旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的扭矩。

3）馬達(dá)滑動(dòng)控制技術(shù)是海洋石油鉆井幾十年的作業(yè)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，是一項(xiàng)操作技術(shù)的傳承，能夠解決托壓問題，提高馬達(dá)滑動(dòng)效率，具有廣闊的推廣價(jià)值。