遙控變徑穩定器安放位置的優化與應用*

趙洪山 周志剛 楊澤寧

(中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院)

0 引 言

史南油田位于濟陽坳陷東營凹陷中央隆起帶的西端，是由中高滲透斷塊油藏、低滲透巖性油藏構成的稀油油田，主要通過部署長穩斜段定向井來提高儲量的控制與動用程度。前期多口井鉆探實踐表明，采用常規的“單彎雙穩”螺桿鉆具組合控制方式，同一套底部鉆具(BHA)難以滿足不同地層穩斜鉆進的需要，長穩斜段鉆進期間普遍存在滑動進尺比例高、滑動鉆進效率低及起下鉆趟數多等問題[1-3]，給史南油田的經濟效益開發帶來了不利的影響。

遙控變徑穩定器是水平井、大位移井井眼軌跡輔助控制的一種低成本工具，其通過控制活塞“伸縮”改變BHA力學特性來實現增斜、穩斜和降斜軌跡控制，有利于提高長穩斜井段的鉆井時效和井身質量[4-5]。針對史南油田定向井長穩斜段的井眼條件和軌跡控制等難點，通過建立“單彎雙穩”螺桿鉆具造斜率預測方法，優化合理的變徑穩定器安放位置及鉆井參數，在史南油田史3-斜A井二開長穩斜段開展了KB型遙控變徑穩定器的現場應用，一趟鉆完成了1 153.00 m長穩斜井段的施工，取得了良好的應用效果。為今后史南油田長穩斜井段的鉆井提速提效提供有益指導。

1 井眼概況及難點分析

史3-斜A井是史南油田史深100地區的一口典型長穩斜段定向井，采用二開次井身結構方案設計。其中：一開?273.1 mm表層套管下深401.00 m，封隔第四系、新近系明化鎮組的松散地層；二開?215.9 mm鉆頭鉆至井深3 619.70 m完鉆，依次鉆遇新近系明化鎮組、館陶組以及古近系東營組、沙河街組的沙一段、沙二段、沙三上亞段和沙三中亞段地層。表1為史3-斜A井井眼軌道設計參數。

表1 史3-斜A井井眼軌道設計參數

根據同臺鄰井的實鉆情況分析，由于造斜點較深，裸眼段和斜井段長，長穩斜段施工后期隨著鉆柱與井壁接觸面積的逐漸增大，滑動鉆進過程中容易發生正弦屈曲和螺旋屈曲，導致摩阻扭矩增大，鉆頭加壓和水平段延伸均比較困難[6-7]。此外，長穩斜段分別鉆進沙一段、沙二段、沙三上亞段和沙三中亞段等多段地層，采用相同的底部鉆具難以滿足不同地層穩斜鉆進的需求。因此鉆進期間造成軌跡調整次數較多、滑動進尺較長，使得長穩斜段的軌跡控制效率偏低。

以史3-斜B井為例，穩斜井段為2 752.12～3 649.00 m，穩斜段長896.88 m。由于穩斜鉆進期間不同地層的造斜規律差別較大，沙二段以淺地層復合鉆進時每30 m造斜率為-0.6°～-1.2°，而沙三上亞段和沙三中亞段地層復合鉆進每30 m造斜率為0.9°～1.5°。長穩斜段軌跡控制期間累計滑動鉆進54.50 m，滑動進尺比例為6.08%，加之軌跡控制后期摩阻基本在200～300 kN，滑動鉆進鉆時高達100～180 min/m，最終導致該井896.88 m長的穩斜段采用三趟鉆完成，平均單趟鉆進尺僅為298.96 m，平均機械鉆速為8.12 m/h，嚴重影響了該井的施工進度。

2 KB型遙控變徑穩定器

KB型遙控變徑穩定器是一種“開關泵控制式”變徑穩定器，通過開關鉆井泵控制活塞“伸縮”來改變工具外徑大小，可以實現不起下鉆調整井斜的目的，有利于顯著提高復合鉆進尺比例和井眼軌跡質量，近年來在勝利、四川等地區應用較為廣泛。

2.1 結構原理

圖1為KB型遙控變徑穩定器的結構示意圖。該工具主要由本體、上心軸、斜面塊、扶正活塞、控制器、下心軸、平衡活塞、壓差活塞、節流桿等部件組成。

1—本體；2—上心軸；3—復位彈簧；4—斜面塊；5—扶正活塞；6—控制器；7—下心軸；8—平衡活塞；9—壓差活塞；10—節流桿。

變徑穩定器工作期間，鉆井液流經工具的上心軸和下心軸內孔，工具內部為鉆具內壓力，工具下部的環空孔使得工具油腔的壓力為環空壓力。開泵時，由于工具內部壓力大于外部環空的壓力，將在工具的上、下心軸產生壓差，使工具心軸克服復位彈簧的彈力向下運動，從而帶動斜面塊也向下運動，推動徑向布置的扶正活塞伸出；停泵時，工具內外鉆井液壓差消失，工具心軸將在復位彈簧的帶動下向上運動，從而帶動斜面塊向上運動，并拉動扶正活塞縮回工具本體內。

2.2 技術特點

KB型遙控變徑穩定器的主要技術特點如下[8-10]：

(1)采用開關泵控制活塞“伸縮”，變徑操作方式簡單，易于準確判斷工具井下狀態；

(2)同常規MWD、LWD儀器及其他井下工具兼容性好，無信號和動作干涉；

(3)全機械結構設計，具有防腐、耐磨、耐沖蝕、抗高溫的優勢；

(4)工具本體上鉆孔少，抗扭轉和抗拉壓強度高，結構可靠；

(5)可與國內常規PDC、牙輪等類型鉆頭配合使用，無需配備專用鉆頭，適用范圍廣。

2.3 主要技術參數

目前，KB型遙控變徑穩定器已經形成適合?215.9～?444.5 mm不同井眼的系列產品。以?215.9 mm井眼通常使用的KB85型遙控變徑穩定器為例，其主要技術參數如表2所示。

表2 KB85型變徑穩定器的主要技術參數

3 工具安放位置優化

史南油田長穩斜段主要采用“單彎雙穩”螺桿鉆具進行軌跡控制，為了提高同一BHA在沙一段～沙三中亞段多段地層中穩斜鉆進的適應能力，“單彎雙穩”鉆具中的上穩定器采用KB85型變徑穩定器來代替，通過對不同井段復合鉆造斜規律進行分析，針對變徑穩定器的安放位置進行了優化。

3.1 造斜率預測模型

根據“平衡趨勢法”造斜率預測理論[11-13]，“單彎雙穩”螺桿鉆具在地層中復合鉆進的過程是鉆頭與地層相互作用并逐漸趨于平衡的過程。令鉆進趨勢角Ar(即鉆頭鉆進趨勢方向與井眼軸線方向之間的夾角)等于0，此時底部鉆具組合的造斜趨勢達到平衡；此后鉆出的井眼曲率保持不變，對應的井眼曲率即為“單彎雙穩”螺桿鉆具復合鉆進的造斜率大小。采用縱橫彎曲連續梁理論，通過建立底部鉆具力學分析模型，如圖2所示。

圖2 鉆頭力學特性分析

綜合考慮鉆頭的各向異性Ib、鉆頭側向力Nb及鉆頭轉角θ0等因素影響，可得鉆進趨勢角Ar的計算表達式為[14-16]：

(1)

(2)

(3)

式中：K為每30 m井眼曲率，(°)；pb為鉆壓，N；L1為第一跨鉆柱(即鉆頭到螺桿本體扶正塊)的長度，m；q1為第一跨鉆柱在鉆井液中的線浮重，N/m；E為鉆柱材料的彈性模量，Pa；I1為第一跨鉆柱的慣性矩，m4；M1為作用在第一穩定器上的彎矩，N·m；X(u1)、Z(u1)分別為縱橫彎曲梁理論三彎矩方程組中的放大因子，無量綱。

綜上分析，當鉆進趨勢角Ar推導出來后，可按以下步驟來預測“單彎雙穩”螺桿鉆具復合鉆進的造斜率：①假定一個初始的井眼曲率K值；②利用式(2)、式(3)分別計算鉆頭側向力Nb和鉆頭轉角θ0；③將Nb、θ0計算結果代入式(1)，計算鉆進趨勢角Ar，若Ar=0，則假定的井眼曲率K值即為所求的造斜率；若Ar≠0，則需重新假定新的K值，并重復步驟①～③，直到Ar=0。

3.2 復合鉆造斜規律分析

根據史3-斜B井長穩斜段的復合鉆造斜率變化特點，由于沙二段以淺及以深地層的復合鉆造斜規律差別明顯，分別以降斜、增斜為主。因此為了盡可能提高BHA在不同地層的穩斜鉆進能力，史3-斜A井沙二段以淺地層變徑穩定器使用期間，工具活塞應主要以收回狀態為主，而沙二段以深地層則主要為伸出狀態鉆進。

圖3為利用“平衡趨勢法”造斜率預測模型，對活塞收回時沙二段以淺地層的BHA復合鉆造斜規律進行的分析。從圖3可以看出，隨著變徑穩定器距螺桿本體扶正塊距離的增加，BHA復合鉆進造斜率明顯增大；以鉆壓60 kN為例，當距本體扶正塊距離增加0.4 m時，復合鉆每30 m造斜率預計增大0.16°左右。另外，為了確保在40～100 kN鉆壓條件下BHA在沙二段以淺地層中能夠穩斜鉆進，變徑穩定器距螺桿本體扶正塊的距離應以小于8.60 m為宜。

圖3 沙二段以淺地層活塞收回時的BHA復合鉆造斜率

圖4給出了沙二段以深地層鉆進期間活塞伸出時的BHA復合鉆造斜規律。從圖4可以看出，隨變徑穩定器距螺桿本體扶正塊距離的增加，當變徑穩定器使用期間活塞伸出時，BHA復合鉆進的造斜率同樣明顯增大；以鉆壓60 kN為例，當距本體扶正塊距離增加0.4 m時，復合鉆每30 m造斜率預計增大0.21°左右。為了實現沙二段以深地層“單彎雙穩”螺桿鉆具復合鉆進的穩斜軌跡控制，可以看出變徑穩定器距螺桿本體扶正塊的距離應小于8.20 m。

圖4 沙二段以深地層活塞伸出時的BHA復合鉆造斜率

4 現場應用效果分析

為了解決史南油田長穩斜段鉆進過程中井眼軌跡控制效率低的難題，KB型遙控變徑穩定器研制成功后，在史3-斜A井二開穩斜井段進行了現場應用。該工具自井深2 482.00 m時入井，鉆進至3 635.00 m時完鉆起出，整個鉆進期間共調整工作狀態17次，累計工作時間120.27 h，進尺1 153.00 m，純鉆時間85.79 h，平均機械鉆速13.44 m/h，應用效果良好。

現場鉆進期間，鉆具組合為：?215.9 mm PDC鉆頭+?172.0 mm單彎螺桿(1.5°)+?178.0 mm回壓閥+?172.0 mm變徑穩定器+?165.0 mm無磁鉆鋌+MWD懸掛短節+?127.0 mm加重鉆桿×15根+?127.0 mm鉆桿，其中變徑穩定器距螺桿本體扶正塊8.08 m。鉆井參數為：鉆壓40～120 kN，轉速40～60 r/min，排量28～32 L/s，泵壓16～22 MPa，鉆井液密度1.15～1.20 g/cm3，黏度40～60 s。

4.1 軌跡控制效率明顯提高

表3給出了與史3-斜A井同臺的3口井長穩斜段施工情況的對比。從表3可以看出，使用KB型遙控變徑穩定器之后，通過及時控制活塞“伸縮”，結合鉆井參數的實時調整，史3-斜A井二開長穩斜段取得了良好的穩斜鉆進效果，整個鉆進期間僅滑動定向22.50 m，滑動進尺比例分別較斜B井、斜C井減少了67.93%和64.74%。最終該井僅用1趟鉆便完成了1 153.00 m長穩斜段的施工，穩斜井段平均機械鉆速13.44 m/h，分別較斜B井、斜C井提高了65.52%和22.07%。表明變徑穩定器的使用有利于大幅提高長穩斜井段的井眼軌跡控制效率。

表3 同臺3口井長穩斜段施工情況對比

4.2 井眼質量有效改善

圖5給出了與史3-斜A井同臺的3口井長穩斜段井斜變化情況的對比。從圖5可以看出，斜B井、斜C井長穩斜段鉆進期間的井斜變化均比較大，井斜變化幅度分別達到8.5°和10.4°。尤其是長穩斜段軌跡控制后期，由于鉆具摩阻基本在200 kN以上，滑動鉆進期間不僅效率偏低，而且定向效果較差，從而導致實鉆井斜與設計井斜的差別不斷增大。然而斜A井使用變徑穩定器鉆進期間，由于工具外徑可根據需要進行及時調整，其井斜變化幅度僅為2.8°，表明變徑穩定器的使用能夠有效提高長穩斜井段的井眼軌跡控制質量。

圖5 同臺3口井長穩斜段井斜變化情況對比

5 結論與認識

(1)KB型遙控變徑穩定器通過開關鉆井泵控制活塞“伸縮”來改變工具外徑大小，變徑操作方式簡單，易于準確判斷工具井下工作狀態，并且與常規MWD、LWD測量儀器無信號和動作干涉，可以實現不起下鉆調整井斜的目的。

(2)基于“平衡趨勢法”造斜率預測理論和縱橫彎曲連續梁理論，建立了“單彎雙穩”螺桿鉆具造斜率預測方法，通過分析活塞伸出和收回狀態時螺桿鉆具復合鉆進的造斜規律，能夠實現遙控變徑穩定器安放位置及鉆井參數的優化。

(3)遙控變徑穩定器的使用能夠實現不同鉆壓條件下“單彎雙穩”螺桿鉆具復合鉆進的增斜、穩斜和降斜軌跡控制，顯著增強同一BHA在長穩斜段多段地層中的穩斜鉆進適應能力，有利于大幅提高長穩斜井段的軌跡控制效率和井眼質量。

(4)與旋轉導向鉆井相比，遙控變徑穩定器是一種低成本控制井眼軌跡的重要工具，建議加強高溫、高壓復雜工況以及不同鉆井液體系條件下，延長工具使用壽命和提高可靠性方面的研究，進一步提升遙控變徑穩定器的適用范圍和應用效果。