气体钻井井斜控制的发展与新技术探讨.pdf

8 钻 采 工 艺 DRI L L I NG ＆ PR0DUC T1 0N I EC HN0L 0GY 2 0 0 8年 1 1月 NO V ．2 o o 8 气体钻 井井斜控制的发展与新技术探讨 肖 洲 ， 练章华 ， 伍贤柱 ， 孙延宁 ， 孟英峰 ， 邓 虎 1 川庆钻探 工程公 司钻采工艺技术研 究院2西南石油大学国家重点实验 室 3川庆钻探工程公司4中国海洋石油天津分公司 肖 洲等．气体钻井井斜控制的发展与新技术探讨． 钻采工艺， 2 0 0 8 ， 3 1 6 81 0 摘要 回顾 了井斜控制技 术的发展过程， 总结 了气体钻 井井斜 失控 的原 因及危 害， 探讨 了空气锤 钻井技 术、 空气螺杆钻井技术、 扩眼保满防斜技术和自动防斜技术等气体钻井井斜控制新技术。空气锤钻井技术是 目前最有 效且可行性较高的钻井技术。文章提出了空气锤钻井技术的后续研究重点是 研究该工艺方式下钻具振动机理 ， 研究空气锤的使用寿命、 内部润滑机理及其结构优化等。提出了该课题组研制的气体钻水平井、 垂直井两种专用 扶正器和气体钻 井滚轮扶正器 ， 解决 了钻井液钻 井扶 正器用在 气体钻井 中所产 生的问题 。同时提 出了研 究气体钻 井专用防斜工具和研究气体钻井钻柱系统动力学是以后井斜控制技术的研究方向。 关键词气体钻井；井斜控制；空气锤；空气螺杆； 扶正器 中图分类号T E 2 4 2 ． 6 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 6 7 6 8 X 2 0 0 8 0 6 0 0 0 8 0 3 据不完全统计 卜_ 3 J ， 2 0 0 6年 国内实施 的气体 钻井中， 约有 3 0 ％井斜超标或严重超标。窿 9井气 体钻井井段最大井斜角 2 4 ． 9 9 。 ； 老君 1 井测得最大 井斜为 1 0 ． 5 。 ； 青西 油 田 Q 23 3井 最大 井斜 达 8 ． 1 3 。 ； 清溪 1 井井斜最高 6 ． 3 。 。气体钻井井斜常导 致钻进过程摩阻增大、 井眼净化不 良、 加剧井眼不稳 定， 出现井下复杂等情况 ， 使后续气体钻井变得异常 困难。本文在国家 8 6 3重大项 目“ 气体钻井技术与 装备” 的资助下 ， 对气体钻井井斜控制技术 的发展 和关键技术进行了探讨， 以期为气体钻井技术的发 展和推广提供理论基础。 一 、井斜控制技术回顾 2 0世纪 5 0年代是井斜研究的活跃时期 ， A． L u b i n s k i ， H． B ． Wo o d s 等提出了“ 二次弯 曲理论” 、 “ 地 层造斜” 等经典理论。 6 O年代到8 0年代初， H O C H 、 B ． H．Wa l k e r 、 W． B ． B r a d l e y 、 K ． K． Mi l l h e i m、 白家祉 等人提出了能量法、 有限差分法 、 有限元法、 纵横弯 曲连续梁理论等。以上理论的研究 ， 使井斜控制理 论有了空前的发展 ， 为后面的很多钻具组合及工具 的应用奠定了坚实的理论基础。 8 0年代 中期至 9 0年代初 ， 钻具力学研究的一 个突出特点是进行三维分析。白家祉提出了用纵横 弯曲法对下 部钻 具组 合进行 三维 分析 的基 本思 想 。高德利教授提出了利用加权余量法 。 9 0年代以来， 下部钻具组合动力学分析得到了 进一步发展 ， 开始认识到研究全井段钻柱系统动力 学的重要性。学者们 卜 1 叫建立了全井段纵向振动 力学模型 、 横向振动力学模型 ， 扭转振动模型。2 0 0 7 年， 国内学者李子丰 等人首次做了气体钻井中钻 柱纵横振动的分析。 二、 气体钻井井斜产生的原因及危害 1 ． 地质条件因素 影响井斜的地质因素一般包括 地层各向异性 、 地层倾角、 岩性的软硬交错 、 层状结构 以及断层等。 气体钻井中液柱压力几乎为零， 由于地层压力， 使岩 石破裂， 造成垂直于地层层面的可钻性远大于水平 地层层面的可钻性 ， 所以在相同钻具组合条件下 ， 气 体钻井地层造斜力远大于钻井液钻井地层造斜力， 更易发生井斜 ， 特别是在上覆地层压力和地层倾角 大的情况下。 由于气体钻井 的负压破岩方式 ， 在围压外推作 用下， 受压入和刮切作用形成的楔人坑或裂纹更易 发生岩块崩落， 高速气流携岩减少岩石重复破碎几 率 ， 牙齿与岩石的吃深载荷曲线幅度较钻井液 收稿 日期2 0 0 80 71 1 基金项 目国家“ 十一五” 8 6 3重大项 目“ 气体钻井技术与装备” 2 0 0 6 A A 0 6 A1 0 3 资助 。 作者简介肖洲 1 9 8 1 一 ， 助理工程师 ， 毕业 于西南石油大学 ， 现就职于川 庆钻 探工程公司钻采研究 院， 主要从 事气体钻井技术 、 钻柱力 学等方面研究。地址 6 1 8 3 0 0 四川广汉市中山大道南二段 ， 电话 1 5 8 9 2 4 6 5 1 5 2 ， Ema i l x i a o z h o u 1 0 1 2 8 1 s o h u ． t o m 第 3 1 卷第 6期 Vo 1 ． 3 1 No ． 6 钻 采 工 艺 D R I L L I N G＆P R 0 D U C T 1 0 N T E C H N O L O G Y 9 钻井有较大幅度增长， 这个特性会使在陡斜构造中 实施气体钻井时形成更大地层造斜力， 从而更易发 生井斜失控。 2 ． 下部钻具力学行为因素 气体钻井井筒内处于欠平衡状态， 钻进过程中， 钻压变化和 B H A所受 的横 向载荷会发生变化会导 致钻头转角、 侧 向力发生变化 ， 下部钻具组合在钻压 作用下发生弯曲导致钻进方 向偏离原井眼轴线 ， 钻 柱的弯曲使钻压作用方向发生了改变， 以一定偏斜 角度作用在钻头上 ， 钻头轴线偏离了井眼轴线 ， 产生 了一个引起井斜 的横 向力 ， 从而导致井斜 。下部钻 具 自身的特性及钻压决定其弯曲程度和对井斜 的影 响。 3 ． 影响井斜的主观 因素 目前对气体钻井井斜控制机理 的研究甚少 ， 国 外威德福等几家大公 司有 比较先进的技术 ， 但 由于 商业保护的原因， 在井斜控制方面可供调研和参考 的相关技术文献或报道较少。由于对气体钻井钻具 振动机理认识不清 ， 钻具组合 、 钻井工艺 、 钻井操作 参数配置不够科学合理， 缺乏合适的气体钻井随钻 测量仪器等， 加上气体钻井速度快， 监测不及时， 这 就造成了气体钻井井斜失控的人为原因。 4 ． 气体钻井井斜失控的危害 气体 钻井井 斜会导致钻柱旋转 时产生严 重摩 阻 ， 易使钻柱磨损 和折断。钻柱偏离井眼轴线 ， 改变 了气体携岩状态， 使气体携岩受阻， 导致井眼净化不 良。在井斜存在的情况下 ， 钻具靠在下井壁上 ， 造成 下井壁的空气流动速度减慢 ， 下井壁 的钻屑无法及 时被带走 ， 将钻头 “ 垫” 向上井 壁 ， 造成井斜越来越 大⋯ 。井斜可使井眼周 向应力高度集 中， 地层应力 超过岩层极限压力 ， 在空井 眼中井壁周围岩石就会 发生脆性破裂、 坍塌， 致使井壁不稳定。井斜还可造 成键槽卡钻等井下复杂情况， 使后续气体钻井变得 异常困难 。 三、 气体钻井防斜新技术探讨 目前气体钻井 中防斜实践主要采用钟摆钻具组 合、 大钻铤塔式钻具组合 、 带偏心或偏轴结构钻具组 合、 空气锤钻井和空气螺杆钻井等技术。钟摆钻具 与大钻铤塔式钻具组合都只能轻压掉打 ， 以牺牲机 械钻速为代价， 不利于降低钻井成本。偏轴钻具组 合在实践中钻具偏磨严重 、 井 眼严重扩大。空气锤 钻井是 目前较好 的防斜打快技术 。气体钻垂直井专 用扶正器的研制解决了常规扶正器用于气体钻井中 出现的携岩受阻、 扭矩大等问题。扩眼保满防斜技 术和 自动防斜技术 的研究将气体钻井井斜控制技术 推上了一个新台阶。研究气体钻井钻柱动力学为气 体钻井井斜控制技术的发展提供了理论基础。 1 ． 空气锤钻井技术 空气锤钻井 是靠压缩空气推动活塞上下往 复运动实现对钎头 的冲击 ， 冲击加 回转 、 静压 和动 载 、 斜 冲击破岩联合实现的。在钻井过程 中所加钻 压较小 ， 转速低 2 0 3 0 r ／ ra i n ， 实现 了低钻压 、 低 转速 、 高钻速的效果 ， 在纠斜和防斜方面有着独特的 作用 。如窿 l 5井 采用光钻铤钻具组合 牙轮钻 头 高钻压雾化钻进， 钻至井深 3 6 8 5 m， 井斜由 7 ． 1 。 增到 1 0 ． 4 8 。 。在井段 3 6 8 5 ． 7 03 7 0 1 ． 2 m采 用空气锤 小钻压钻进， 井斜降为 1 0 ． 3 。 。七北 1 0 1 井在 6 7 5 ． 5 2～ 2 0 5 6 ． 3 5 IT I 井段采用空气锤钻井技 术 ， 有效地控制井斜在 2 。 以内。普光 B一2井 ， 空气锤钻进 2 5 7 7 ． 9 7 m， 使井斜从 1 ．o 降到 1 。 。在 龙岗片区大量使用了这种技术， 取得了非常好的防 斜纠斜效果。 2 ． 空气螺杆钻井技术 该技术实现了防斜和打快的统一 ， 但防斜效果 没有空气锤明显， 存在高速低扭矩 、 小负荷失速及寿 命短等问题 ， 且还有很多理论和实践问题需要进一 步探索和研究。目 前只有七北 1 0 2井使用了该技术 来控制井斜， 试验井段 3 0 8 3 ． 3 1～ 3 3 2 8 ． 7 1 m， 使井 斜从 5 ． 0 。 降至 3 ． 2 5 。 。 3 ． 气体钻垂直井专用钻具扶正器 目前的气体钻井中， 多数是将钻井液钻井用的 扶正器直接用于气体钻井。由于气体钻井和钻井液 钻井井眼条件的差别， 在气体钻井中使用钻井液钻 井扶正器会带来有害的结果 ， 如携岩受 阻、 扭矩大、 易卡钻、 易泥包、 不易处理井下阻卡事故等。 孟英峰教授和练章华教授研制了气体钻水平井 和垂直井两种专用的新型扶正器 ， 该项新技术已 获得国家发明专利 专利号 Z L 2 0 0 5 1 0 0 2 0 3 0 2 ． 6 。 该扶正器具有 良好的扶正、 保径功能 ； 短球形和球形 结构有利于减小旋转扭矩 、 起下钻摩阻； 导流槽人 口 形状是经过流体数值模拟技术优化的， 可保证任何 方向、 角度到达 的岩屑均能无阻进人导流槽 ， 不会在 此停顿、 滞 留； 导流槽具有特殊设计 的尺寸、 形状 和 螺旋角， 可将通过的流体速度提高数倍； 扶正条上的 镶齿具有重复破碎功能。该扶正器很好地解决 了钻 井液钻井扶正器使用在气体钻井中所产生的问题 ， 目前已加工出该扶正器 ， 正在油田推广应用中。 目前本课题组对气体钻井专用滚轮扶正器正在 研究和开发中， 该扶正器除具备上述扶正器的功能 l 0 钻 采 工 艺 DR I L L I NG ＆ P RODUCT I ON TE CHNOL OGY 2 0 0 8年 1 1月 NO V ．2 0 0 8 外 ， 在减小摩阻、 扭矩方面有突出的功效 ， 以上这些 技术是气体钻井发展的关键技术之一 。 4 ． 扩眼保满防斜技术和自动防斜技术 扩眼保满防斜技术在防斜机理上不同于传统的 “ 钟摆效应” 和“ 刚性满眼” 等防斜机理， 而是通过产 生强力“ 降斜弯矩” 以抵消地层造斜 了力及实现高 效防斜。相应的钻具组合 由欠尺寸钻头 、 扩 眼稳定 器和钻铤等单元组成。该技术刚刚才提出， 各项研 究工作正在进行中。 目前市场上已有不少先进的防斜技术 和工具 ， 如 P o w e r V系统 、 V D S系统 、 S D D系统、 V e r t i T r a k 闭环直井钻井 系统等。这些技术使用起来成本 较 高， 不完全适合我国现状。我们可以在借鉴国内外 先进防斜工艺技术和防斜工具的基础上， 结合我 国 实际情况， 研制符合我国国情的气体钻井 自动防斜 工具和井下监测工具 ， 使 国内气体钻井 防斜工艺技 术和防斜工具取得突破性的发展。这方面的研究工 作中国石油大学走在了国内同行的前列。 四、 结论与建议 1 通过对 国内外文献跟踪、 调研可知 ， 井斜失 控已成为严重制约气体钻井技术发展和推广的瓶颈 之一。本文建议重点研究气体钻井专用 防斜工具 ， 同时研究气体钻井钻柱系统动力学及下部钻具组 合。 2 空气锤钻井技术是一项潜力巨大的钻井技 术。后续研究中， 应着重对该工艺方式下钻具振动 机理、 工艺参数进行研究 ， 对空气锤 的使用寿命 、 内 部润滑机理和其结构优化等方面进行研究。在研究 空气螺杆技术理论 的同时， 还需充分与现场实践结 合， 得出现场实践经验。 3 气体钻水平井和垂直井专用扶正器以及滚 轮扶正器的研制 ， 是气体钻井发展的关键技术之一 。 解决了钻井液钻井扶正器直接使用在气体钻井中所 出现的携岩受阻、 扭矩大、 易卡钻、 易泥包和不易处 理井下复杂事故等问题 ， 该技术具有极高的推广价 值。扩眼保满防斜技术和 自动防斜技术是一种新提 出的防斜技术 ， 理论防斜效果较好 ， 但应加强现场应 用工艺的研究。 4 建议油田、 研究机构和高校共同合作， 在国 家 8 6 3重大项 目“ 气体钻井技术与装备” 的资助下 ， 对气体钻井技术基础理论、 工艺 、 机械装备以及各项 关键技术等进行全方位研究与技术攻关 ， 才能使我 国的气体钻井技术与 国外的技术同步发展。 参考文献 [ 1 ] 郑新权． 窿 9井中国石油一口高难井[ M] ． 北京 石油工业 出版社 ， 2 0 0 5 ， 1 ． [ 2 ] 陈志学， 孙梦慈， 于文华， 等． 空气钻井在窿9井的试验 与效果[ J ] ． 钻采工艺， 2 0 0 5 ， 2 8 3 3 1 3 5 ． [ 3 ] 魏学成， 张新旭， 翟建明， 等． 空气钻井技术在老君 1 井 的应用[ J ] ． 石油钻探技术， 2 0 0 6 ， 3 4 4 2 0 2 3 ． 『 4] Ba i J i a z h i ．An E x a c t S o l u t i o n f o r B o t t o mh o l e As s e mb l y A n a l y s i s [ J ] ．p a p e r N o ． 8 6 3 7 8 3 ， p r e s e n t e d a t t h e t e c h n i c a l me e t i 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