鲁迈拉S型定向井降摩减扭技术

陈绍云

大庆钻探工程公司钻井工程技术研究院

鲁迈拉S型定向井降摩减扭技术

陈绍云

大庆钻探工程公司钻井工程技术研究院

引用格式：陈绍云. 鲁迈拉S型定向井降摩减扭技术［J］. 石油钻采工艺，2016，38（4）：446-451.

为降低鲁迈拉S型定向井摩阻扭矩，针对鲁迈拉地质特点和钻井难点，建立了井眼轨道曲线计算模型，并开展了三项提速技术试验。从而确定了轨道剖面为五段制，最优井眼曲率为2.85～3（°）/30 m、最大井斜角为30°。对于水平位移大于500 m或Mishrif层定向钻进的S型定向井采用旋转导向系统钻进可缩短钻井周期3 d以上，而其余的井则推荐采用常规定向+水力震荡器组合方式，可提高机械钻速35%以上，缩短钻井周期1 d以上。通过3种液体润滑剂和超细石墨固体润滑剂的优选复配与应用，裸眼内摩阻因数由0.52降至0.35，套管内摩阻因数由0.35降至0.28。通过上述技术的综合研究与应用，鲁迈拉S型定向井实际顶驱扭矩降低30%以上，尤其是随着井深和水平位移的不断增加，部分井扭矩降低近150%，机械钻速提高37.73%。

摩阻扭矩； S型定向井；井眼轨道； 旋转导向； 水力震荡器； 润滑剂

伊拉克鲁迈拉油田开发45年来，已在1 800 km2油田内累计钻井1 000余口，井网密度不断加大。同时由于管理不当、战争损坏等原因，造成补钻井数量增加、测斜资料缺失。鲁迈拉油田定向井数量逐年增多，地面由于存在联合站、公路等基础设施和未排爆雷区的影响可选井口位置受限，地下由于存在大段严重漏失层、含硫水层、易塌页岩层和高渗层的影响可供定向选择井段不足900 m，因此造成鲁迈拉油田S型定向井数量不断增加，钻井难度日益加大。尤其是Mishrif层定向钻进极易卡钻，采取泡油泡酸等各种处理措施没有效果，最终选择侧钻增加了钻井周期和成本。因此，有必要开展鲁迈拉S型定向井降摩减扭技术研究与应用。

1　地层特点和钻井难点Formation features and difficulties in drilling operations

鲁迈拉油田地层发育稳定，主要目的层为Zubair油层，且通过地震及实钻资料证实，该地区几乎没有断层存在。但地层岩性结构较为复杂，岩性软硬程度频繁交错，局部含硫化铁矿物，给井身质量及井斜控制带来了不同程度的困难。各层组具有如下地质岩性特点及工程风险［1］。

（1）全井共发育6套漏失地层，占总井深的51.19%，其中Dammam层（井段420～680 m，90%以上井发生严重漏失）、Hartha层（井段1 600～1 850 m，50%以上井发生严重漏失，南鲁尤为严重）为裂缝、孔隙极其发育的白云岩、石灰岩，为主要漏失层。部分井更是存在溶洞，造成钻井过程中钻井液失返及井壁坍塌。

（2）全井共发育2套含硫水层段长为260～300 m，Ummer-rad层底100 m和Tayarat层全部均发育含硫水层。例如：RU-XXX井钻至Hartha层1 724 m完全漏失后含硫水溢出并伴有H2S气体，井控风险增加。

（3）Rus层、Ummer-rad层、Tayarat层等多个层位存在砾岩、硬石膏、硫铁矿夹层，造成机械钻速低、PDC钻头崩齿、定向工具面不稳等情况。

（4）Shiranish层、Mishrif层、Zubair层渗透率高达1 000～4 000 mD。同时由于该油田开发已达45年，部分井Mishrif层、Up-shale层孔隙压力梯度下降0.1～0.23，进一步增加了压差卡钻的几率。

（5）由于战争以及管理不当等原因，部分老井相关资料缺失严重，与国内外防碰井多为“单点”或“小段”防碰相比［2］，鲁迈拉S型定向井下部井段防碰扫描段长（1 500～2 000 m）。

2　井眼轨道优化设计Optimization of borehole trajectory design

2.1井眼剖面

Borehole profiles

井眼轨道设计主要有恒曲率和变曲率2种，其中恒曲率法设计思路简单易行，现场施工便于实现，但施工摩阻较大。变曲率法摩阻较小，但设计复杂，现场施工过程中不易于实现。通过不同轨道类型分析计算及现场试验对比，发现在钻达相同靶点情况下，J型井比S型井进尺约少50 m，但从压差计算公式中不难看出随着井斜增大，高渗透层越易产生压差卡钻。同时，J型井由于其定向段位于三开井段，从而造成其周期比S型多10～20 d，同时对于井斜角大于15°的J型井，还需要采用旋转导向钻进，由于甲方考虑后期作业而要求设计成S型定向井。因此，从进尺、钻进风险、周期、成本等多方面综合分析后，在鲁迈拉应用了恒曲率法与变曲率法相结合的变曲率多圆弧直—增—稳—降—直五段制剖面。

2.2靶前距

Frontal distance from target point

靶前距优化设计主要考虑所用造斜工具的造作能力、曲率与摩阻的关系，最终确定在满足地质设计要求和安全施工的前提下确定最低摩阻的靶前距离。同时由于鲁迈拉油田开发时间长以及战争等因素的影响，地面情况较为复杂（联合站、油田公路、未排爆雷区等），而且出于对施工队伍安全防护的需求（增加防弹墙、防弹沟、铁丝网等设施）井场面积一般增大为180 m×180 m，因此可选择井位范围较小。

针对鲁迈拉不同地质和地面情况，在如表1所示开展摩阻扭矩分析的情况下，建立了鲁迈拉油田井型划分方法。如图1所示，根据地面建设情况和采油集输管线的布置大致确定井眼方位后，便通过已知的地质靶点，再根据合理的靶前距（即线段长度），确定最优的井口坐标。

图1　井口反算示意图Fig.1 Diagram of wellhead inversion

表1　不同造斜和水平位移条件下摩阻扭矩分析Table 1 Frictional torque at different inclinations and horizontal displacement

式中，X为井口横坐标；X1为靶点横坐标；Y为井口纵坐标；Y1为靶点纵坐标；K为造斜率，（°）/30 m；L为靶前距，m。

2.3井眼轨道

Borehole trajectory

首先建立二维垂直坐标系，坐标系取设计方位线上的垂直平面。已知井口坐标范围，目标点e处坐标，圆弧造斜段造斜率k1、稳斜段井斜角为α、降伏段造斜率k2，建立数学模型，求解井眼轨道曲线方程及各点的坐标N值和E值［3］。

式中，S为水平位移，m；H为造斜点至降斜完垂直增量，m；H0、H4分别为造斜点井深，m；K1、K2分别为造斜段和降斜造斜率，（°）/30 m；L1、L2分别为造斜段和降斜段的段长，m。

根据鲁迈拉定向井实钻情况设定边界条件：（1）鲁迈拉定向井造斜率K1、K2取值≤3（°）/30 m，最优范围为2.85～3（°）/30 m；（2）由于RUS层比较硬，一般为进入Umm层15 m（垂深870 m）；（3）为了降低固井施工难度和成本，自由落体式分级箍投球推荐最大井斜角为28.5°；（4）由于Hartha层孔隙度大、渗透率高，易发生井漏，因此一般要求在该层前降斜至0°，垂深为1 600～1 700 m左右。同时根据鲁迈拉地质特点和定向难点拟合实际情况，初始圆弧设计相对较小的造斜率，随着井斜角的增加、造斜趋势的形成，稳斜段后提高造斜率，减少降斜段长，形成最优轨道设计方案［4］，详见表2。

表2　Ru-151A井井眼轨道优化结果Table 2 Borehole trajectory optimization of Well Ru-151A

3　降摩减扭技术研究与应用Development and application of techniques for friction reduction and torque minimization

鲁迈拉定向井主要通过MWD监控，用单弯螺杆实现定向控制，但在定向过程中由于摩阻扭矩大、易产生托压现象。托压问题不仅严重影响定向井的机械钻速，同时也易引起黏卡等井下复杂事故的发生，尤其对于位移超过500 m或定向施工必须进入Mishrif层的井，黏卡几率高达80%以上，为进一步提高钻井效率，减少井下施工风险，在位移较大的定向井（定向施工进入Mishrif层）开展了三项技术研究与试验。

3.1旋转导向技术试验

Tests of rotary steering model

旋转导向系统能够最大限度地解放钻压，同时又能够控制井斜，针对鲁迈拉S型定向井摩阻、扭矩大的特点，从性价比和市场竞争方面，优选贝克休斯公司的AutoTrak系统开展2口井现场试验。其中R-569z是北鲁的第1口井底位移大于500 m的S型定向井，在三开卡钻后经过尝试解卡无效后，爆炸松扣，填井侧钻。只在三开钻进中使用了旋转导向，所以没有什么可比性。第2口井同样是井底位移大于500 m的S型定向井，在二开定向后使用贝克休斯旋转导向，二开进尺1 529 m，平均机械钻速10.23 m，是大庆钻井队伍在鲁迈拉油田定向井中取得的最快二开钻速。与相邻2口具有代表性的井相比节约时间分别为3.24 d和4.87 d，平均节省4.06 d。

3.2水力震荡器的试验

Tests of hydraulic oscillator

在S型定向井尤其是大位移定向井中，轴向力传递困题，如在大位移井中，摩擦阻力相当高，有时会导致钻柱发生自锁，从而使轴向力下传开始变得困难，钻柱起下摩阻或屈曲，钻井液马达滑动钻进、钻柱与完井管柱的下入、钻进期间为钻头传递钻压都将变得异常困难，为减少摩阻并实现轴向力的连续传递，国内外已经采用了许多方法与工具，具体包括液体或固体的润滑添加剂、滚轮减阻等机械工具、将钻铤或加重钻杆接到钻杆之上来向下推动整个钻柱、旋转钻杆、清洁井眼等［5］。水力震荡器的研发应用可解决托压问题、实现有效的钻压传递、减少滑动钻进期间的钻具拖拉现象、减少马达制动现象、提高对工具面的控制能力并最终实现提速增效。目前，获得ISO认证的水力震荡器只有NOV公司的AGITATOR，该工具产生小振幅、高频率的震动，可以有效地减小摩阻、避免托压现象发生［6］。Ru460井在822～1 773 m井段试验水力震荡器，总进尺951 m，总钻时127.85 h，平均机械钻速7.43 m/h，与邻井Ru-046A井相比，摩阻相对减小2～4 t，机械钻速提高37.85%，节省时间38 h。

3.3降摩减扭钻井液技术

Drilling fluid for friction reduction and torque minimization

为满足S型定向井现场施工要求，同时甲方从环保考虑不许用油溶类润滑剂，因此需从二方面考虑解决问题，一是通过配伍性实验，选择多类型水基润滑剂配合使用，改善滤饼上润滑剂的分布，从而增强钻井液的润滑性，并考虑引入固体石墨来降低摩阻；二是从地层本身的孔隙度分析，选择合理粒径的屏蔽暂堵处理剂实现“暂时降低孔渗”目的，并通过流型调节剂、降失水剂的优化调配，降低高温高压失水和静失水，从而形成薄而致密的滤饼，降低压差卡钻的风险［7-10］。

3.3.1液体润滑剂优选 选择了国内常用、效果好的润滑剂：RH3、RH525、JYR、RH8501、DG5A、DG5B、RT9501、NJYR，分别考察了它们对不同密度钻井液的降摩阻性及温度对润滑剂的影响，其中RH3、DG525、DG5A效果较好，其余润滑剂在实验过程中呈现出钻井液变稠无法流动的现象，说明配伍性存在问题。最终通过反复实验，确定了3种润滑剂的复配配方为：RH3的加量为3%，RH525和DG5A的加量为0.5%，见表3、4。

表3　润滑剂EP润滑性（极压摩擦因数）比较实验Table 3 Lubrication performance of EP lubricant （friction coefficient under extreme pressure）

表4　润滑剂高温前后EP润滑性（极压摩擦因数）比较实验Table 4 Lubrication performance of EP before and after application of high temperature （friction coefficient under extreme pressure）

实验结果表明，RH3能够有效降低钻井液的极压摩擦因数，在高温条件下效果更加明显。对优选的钻井液润滑剂RH3在实验配方中进行了详细的实验，实验结果见表5。

3.3.2固体润滑剂优选 固体润滑剂的粒子有晶体层格结构，可使滑动摩擦变为滚动摩擦，可大幅度降低钻具在钻进过程中的磨损，防止压差卡钻事故的发生，延长钻具使用寿命。常用的固体润滑剂有石墨、二硫化钼、聚四氟乙烯、尼龙、氮化硼和氟化石墨等。选择了国内常用的固体润滑剂JS-5、超细膨化石墨、OCRH，分别考察了他们对钻井液润滑性与流变性的影响，结果见表6。

实验结果表明，超细膨化石墨在所有备选润滑剂中效果最佳，且通过现场应用来看对钻井液的性能影响不明显，可以作为配方的处理剂，保证钻井液具有良好的润滑防卡能力，保证施工安全。

表5　不同密度下润滑剂加量的钻井液摩阻性实验Table 5 Frictional resistance test of drilling fluids of lubricant dosage at different densities

表6　固体润滑剂EP润滑性与NF润滑性实验Table 6 Lubrication performance tests of solid lubricant EP and NF

总体而言，运用Landmark软件对现场应用数据回归得出，液体润滑剂最优加量HR3为3%、RH525 和DG5A为0.5%［11］，固体润滑剂超细膨化石墨最优加量为3%，裸眼内摩阻因数由0.52降至0.35，套管内摩阻因数由0.35降至0.28。

4　应用实例Applicaation

4.1室内软件模拟计算

Indoor softeware simulation and calculation

钻井液润滑性能是影响摩阻和扭矩的主要参数。用landmark软件计算优化前后钻井液使扭矩降低38.46%，如图2、3所示。

图2　优化前扭矩Fig.2 Torque before optimization

图3　优化后扭矩Fig.3 Torque after optimization

4.2应用效果

Application results

定向井降摩减扭技术在现场累计应用13口井，与原有的7口同类定向井相比，实际顶驱扭矩降低30%以上，尤其是随着井深和水平位移的不断增加，部分井扭矩降低近150%，机械钻速提高37.73%（其中，二开定向段机械钻速提高13.89%，三开机械钻速提高65.75%）。

5　结论Conclusions

（1）井眼轨道是影响S型定向井摩阻扭矩的一个关键因素，通过最优靶前距和井眼轨道曲线方程的建立，结合鲁迈拉实际情况，采用五段制剖面，确定最优井眼曲率为2.85～3（°）/30 m、最大井斜角为30°。

（2）当水平位移大于500 m或Mishrif层定向钻进的S型定向井采用旋转导向系统钻进可缩短钻井周期3 d以上，而其余井则推荐采用常规定向+水力震荡器组合方式，可提高机械钻速35%以上，缩短钻井周期1 d以上。

（3）通过RH3、RH525、DG5A液体润滑剂和超细石墨固体润滑剂的优选复配与应用，裸眼内摩阻因数由0.52降至0.35，套管内摩阻因数由0.35降至0.28。

（4）通过井眼轨道优化设计、旋转导向系统、水力震荡器、钻井液润滑剂的研究与应用，鲁迈拉S型定向井扭矩降低30%以上，机械钻速提高37.73%。

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（修改稿收到日期 2016-07-09）

〔编辑 薛改珍〕

Friction reduction and torque minimization techniques for directional wells in S-shape in Rumaila

CHEN Shaoyun
Drilling Engineering Technology Research Institute of CNPC Daqing Drilling & Exploration Engineering Corporation，Daqing， Heilongjiang 163413， China

To reduce frictional torque in S-shape directional wells in Rumaila， according to geologic conditions and difficulties in drilling operations in Rumaila， a model for calculating borehole trajectory has been built， and three speed-enhancing techniques have been tested， which shows the trajectory profile should have five segments， with the optimal borehole curvature of 2.85-3（°）/30 m and maximum deviation angle of 30°. For wells with horizontal displacement of over 500 m or directional wells in S-shape drilled in the Mishrif Formation， using rotary steering system can shorten the drilling cycle by over 3 d. As for other wells， combination of conventional directional + hydraulic oscillator is recommended， which can enhance ROP for over 35%， and shorten drilling cycle by over 1d. Three liquid lubricants and solid lubricant made of ultra-fine graphic were used in different combinations to reduce internal friction factor in open-hole from 0.52 to 0.35， whereas the friction factor in casing reduced from 0.35 to 0.28. Through comprehensive development and application of above techniques， actual torque in top drive for drilling of directional well in S-shape in Rumaila can be reduced for over 30%. With the increase of well depth and horizontal well displacement， some wells reduced by up to 150% in torques， and enhanced by 37.73% in ROP.

frictional torque； directional well in S-shape； borehole trajectory； rotary steering； hydraulic oscillator； lubricant

TE21

A

1000 - 7393（ 2016 ） 04- 0446- 06

10.13639/j.odpt.2016.04.008

CHEN Shaoyun. Friction reduction and torque minimization techniques for directional wells in S-shape in Rumaila［J］. Oil Drilling & Production Technology， 2016， 38（4）: 446-451.

陈绍云（1982-），2007 年毕业于大庆石油学院石油工程专业，现从事钻井工程设计与相关科研方面的研究。通讯地址：（163413）黑龙江省大庆市红岗区八百垧钻井工程技术研究院设计中心。电话：0459-4893596。E-mail：chenshaoyun@cnpc.com.cn