旋转导向技术在焦石坝地区的应用与分析

张文泽，夏宏南，白凯，程铭



旋转导向技术在焦石坝地区的应用与分析

张文泽，夏宏南，白凯，程铭

在涪陵焦石坝地区的钻探过程中，使用了多种定向技术，其中就包括旋转导向钻井技术。介绍了旋转导向工具的分类、结构与组成，分析了旋转导向工艺具有高精度井眼轨迹控制能力、水平位移延伸能力强、大幅度减小钻井周期等特点。结合焦石坝地区地质、工程、技术等综合因素，分别选取江汉、中原油田的8口旋转导向技术井为代表，通过与MWD技术钻进井对比分析得出，旋转导向技术能在一定程度上提高机械钻速、降低井下事故风险。总结了旋转导向技术因地质、设备、工具等因素在使用过程中存在难点，提出了相关优化措施，对旋转导向技术的发展和应用具有指导作用。

焦石坝地区；旋转导向；定向钻井；机械钻速；技术难点；优化措施

旋转导向系统RSS(rotary steerable system)彻底改变了传统的滑动导向钻进方式，摒弃了原有定向技术的缺陷，在钻柱旋转的状态下能自动、连续、灵活地调整井斜和方位，提高钻井效率的同时，降低了风险。此外，井眼轨迹的准确度得到了提升，特别是与随钻测井仪器相结合，在大斜度井、多分支水平井、大位移水平井以及薄油层水平井等复杂结构井中能精准定向进入油层的最佳位置[1，2]。旋转导向技术在涪陵非常规油气钻探中的应用还处于探索阶段，限于工程、地质等综合因素的影响，技术优势相对突出，经济效益尚不显著，但进行相关的试验、分析、总结显得尤为重要。目前，旋转导向钻井技术主要被国外的斯伦贝谢、哈里伯顿、贝克·休斯等几大油田服务公司所垄断。国内在旋转导向相关方面的研究工作也取得了比较大的进展[3]。

1　旋转导向技术介绍

1.1工具分类与组成

涪陵焦石坝工区主要以哈里伯顿和斯伦贝谢导向工具应用为主，为全旋转结构模式[4]，RSS在钻柱旋转钻进时，随钻实时完成导向功能的一种导向式钻井系统，是近些年来在定向工具领域的后起之秀，以其独特的优势得到了广泛的应用。主要由地面监控系统、双向通讯系统、随钻测量系统和井下导向工具系统4大部分组成[5]。RSS钻进和定向时具有高钻速、低成本、用时短、井眼轨迹平滑等特点[6]，被认为是现代导向钻井技术发展的新方向。

1.2斯伦贝谢旋转导向钻具组合

图1　斯伦贝谢旋转导向钻具组合

1.3技术优势

所使用的Xceed 900旋转导向系统适用于研磨性地层，可使用偏心钻头，能够进行裸眼侧钻以及扩径井段，耐温最高达到了150℃。此外，能够实现实时数据传输，实时近钻头精准测量井斜与方位，自动稳斜、稳方位，实测钻头转速，导向能力强。能够使用一套钻具组合完成定向造斜、增斜、稳斜和水平段等各种井段的钻进任务[7]，井眼轨迹易调控，钻具的扭矩和摩阻也得到有效控制，能在提高钻井时效的同时，节省费用并降低钻井风险。史密斯PDC钻头能在保证机械钻速的前提下，延长在砂泥岩夹层中的耐用性和抗冲击性，其较小的后倾角和特殊的水力设计，提高了钻头的使用寿命。

2　旋转导向工具的应用优势特点

表1　旋转导向技术钻进参数

表2　MWD技术钻进参数

3　旋转导向工具使用中存在的难点

3.1地质因素

地质因素是旋转导向工具使用中不可避免的一个难题，定向段易出现井漏、出水、出气、定向托压等复杂事故；所钻地层岩性交错多，交界面多，钻进中易出现工具震动和井下工具蹩扭严重等现象。不稳定地层易造成井壁掉块、垮塌、卡工具；地层倾角大，易造成工具造斜率低，无法实现轨迹的有效控制；易漏地层易造成井壁泥饼较厚、工具无法起出，堵漏易造成工具工作不正常。

1)井漏焦石坝地区钻井过程中的漏失主要由地层复杂造成，其上部地层溶洞、裂缝发育丰富，漏失通道常与地表、暗河等连通，中下部地层主要是韩家店、小河坝和龙马溪地层，以孔隙发育为主，漏失较为明显。井漏影响旋转导向工具的定向，岩屑难以返排，造成重复定向。

2)地层出水在嘉陵江组、飞仙关组出水严重，在钻井过程中花费大量时间进行堵水作业，出水也使泡沫、气体钻井技术应用受限。地层出水会导致井壁不稳定，严重影响旋转导向工具的使用，易发生卡、堵工具事故。

3)出气或H2S长兴组至韩家店组出气或H2S频繁，严重影响泡沫、气体钻井的使用，也对安全生产造成巨大威胁。出气导致井底压力不稳定，旋转导向工具不能正常工作；H2S会腐蚀工具的关键部位。

4)下钻遇阻、卡钻焦石坝地区地层泥页岩水化膨胀，产生缩径，会导致下钻遇阻、卡钻，垮塌常出现在井斜40～60°井段，加大处理难度。下钻遇阻、卡钻会大大减少工具的使用寿命，严重者会使工具报废。

3.2设备因素

旋转定向钻井中扭矩波动较大，平均扭矩在15～25kN，远远大于螺杆钻具复合扭矩，扭矩过大易造成钻具疲劳，发生断钻具事故。工具要求顶驱转速控制在100r/min，超过该转速易造成顶驱负荷过重，例如JY40-4井，顶驱转速达到105r/min，在大扭矩、高转速情况下，易造成顶驱损坏。工具转速过低，不利于携砂，同时影响了机械钻速，例如JY52-3井，顶驱转速最大只能达到50r/min，在该转速下，井底岩屑不能充分地携带出井，一部分岩屑压持在井筒中，反复破碎，造成能量的严重浪费，并降低了机械钻速。在旋转定向钻井中，若是固相含量过高易造成仪器堵塞或冲蚀密封件，泥浆中的杂质过多会缠住发电机叶轮，造成工具不工作。

3.3工具因素

3.4反复入井

据分析与统计(图2)，旋转导向工具在井下工作中，正常中完的比例只占到37.50%，造斜率不够、机械钻速慢、工具失效以及地层原因等都是影响导向工具反复入井的原因。机械钻速慢是所有导向工具面临的一项难题，受地质、环境、人员以及技术的综合约束；井下设备、环境的差异都会影响造斜率；工具失效与工具本身制造工艺和操作规范都会不同程度影响旋转导向工具的反复入井。

图2　旋转导向工具起下钻原因分析

4　旋转导向工具优化措施

1)工具转速控制在合理范围(100r/min以内)；在下部工具组合中安装减震器并合理有效地控制扭矩，避免设备损坏。

2)优化扶正器的结构、尺寸和长度，以控制并降低施工中的扭矩。

3)优化泥浆性能。施工中使用好固控设备，降低泥浆中的有害固相；储备一定量的防漏堵漏材料，在泥浆中加入一定量的润滑剂和消泡剂，确保井底合理的压力控制以及井壁的稳定性能。

4)在钻具组合中，部分井段测斜磁干扰较强，测斜方位和实时方位波动较大，给施工带来难度，建议后续施工时在马达上部加短无磁。

5)使用动力旋转导向。在工具上方加大扭矩螺杆，可大大降低扭矩和摩阻，提供需要的钻头转速，可比常规工具提高机械钻速2～3倍。

6)优化底部钻具组合结构。针对使用工具的地层情况，扩大工具组合与钻头的匹配关系，增大工具的使用范围，扩大与地层的匹配性。

5　结论

1)旋转导向钻井技术在涪陵页岩气等非常规油气开发中得到了一定应用，并逐渐摸索出了一套适合于焦石坝工区的钻具组合，实践表明对于高难度、高技术复杂工艺井，具有显著提高定向钻井效率的作用。

2)旋转导向技术能精准高效地进行工程和地质导向，易进行轨迹控制，保证井眼光滑[8]，相比较MWD而言，具有日进尺多、钻井周期短、事故频率低、大大减少工具入井趟数等优势。

3)随着技术的发展及试用工具领域的扩大，仍需在试验中对旋转导向关键技术进行验证，合理改进优化钻具组合，进一步提高实际施工中的造斜率，以满足各种井型需要。

[1]陈启文,董瑜,土飞,等.苏里格气田水平井开发技术优化[J].天然气工业,2012,32(6):39～42.

[2]徐坤吉,熊继有,陈军,等.深井水平井水平段水力延伸能力评价与分析[J].西南石油大学学报(自然科学版),2012,34(6):101～106.

[3]姜伟,蒋世全,付鑫生,等.旋转导向钻井技术应用研究及其进展[J].天然气工业，2013,33(4):75～79.

[4]王鹏,盛利民,窦修荣,等.国外旋转导向最新技术进展与发展趋势[J].钻采工艺，2013,36(6):32～35.

[5]肖仕红,梁政.旋转导向钻井技术发展现状及展望[J].石油机械,2006,34(4):66～70.

[6]张绍槐.现代导向钻井技术的新进展及发展方向[J].西安石油学院学报,2003,24(3):82～85.

[7]徐泓,刘匡晓,郭瑞昌,等.旋转导向技术在元坝超深水平井的应用[J].钻采工艺，2012,35(2):25～27.

[8]李增科,赵哲.旋转导向钻井技术的应用及探讨[J].江汉石油职工大学学报，2015,28(2):25～27.

[编辑]帅群

2015-12-01

湖北省协同创新中心基金项目(HBUOG-2014-1)。

张文泽(1989-)，男，硕士生，现主要从事钻井工艺技术方面的学习与研究工作；通信作者：夏宏南，251603893@qq.com。

TE243

A

1673-1409(2016)17-0054-04

[引著格式]张文泽，夏宏南，白凯，等.旋转导向技术在焦石坝地区的应用与分析[J].长江大学学报(自科版), 2016,13(17):54～57.