机械方式缓解定向托压技术原理与应用

王建龙，刘学松，于志强，郭 菲，许京国

（1．中国石油集团渤海钻探工程技术研究院，天津 300450；2．中国石油集团渤海钻探第三钻井公司，天津 300280）

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油气工程

机械方式缓解定向托压技术原理与应用

王建龙1，刘学松1，于志强1，郭 菲1，许京国2

（1．中国石油集团渤海钻探工程技术研究院，天津 300450；2．中国石油集团渤海钻探第三钻井公司，天津 300280）

大港油田为了实现海油陆采，及有效控制日趋变小而且分散的剩余油，多布置大斜度井、大位移井及水平井等复杂结构井。但是，定向托压问题严重制约着钻井提速、提效。因此，为了解决托压问题，2015-2016年在大港油田开展了缓解定向托压技术探究，包括水力振荡器、“水力振荡器+岩屑床破坏器”、“水力振荡器+液力推力器”、旋转导向系统，并进行了14口井现场试验，缓解托压效果显著。通过本文的研究，探索了一套缓解定向托压配套技术，为有效解决复杂结构井定向托压问题提供了技术支持和理论指导。

复杂结构井；水力振荡器；液力推力器；岩屑床破坏器

大港油田为了实现海油陆采，及有效控制日趋变小而且分散的剩余油，多布置大斜度井、大位移井及水平井等复杂结构井[1-4]。但是，在实钻过程中，复杂结构井在造斜段、增斜段、扭方位井段，经常出现滑动托压现象，严重制约着定向段钻井提速[5-8]。

因此，为了提高定向效率，2015-2016年在大港油田开展了机械方式缓解定向托压技术探究，并进行了14口井现场试验与应用，缓解托压效果显著。通过本文的研究，探索了一套机械方式缓解定向托压配套技术，为有效解决复杂结构井定向托压问题提供了技术支持和理论指导。

1 关键技术及试验结果

2015-2016年在大港油田开展了水力振荡器、“水力振荡器+岩屑床破坏器”、“水力振荡器+液力推力器”、旋转导向系统等技术缓解定向托压技术试验与应用，缓解定向托压效果明显。

1.1 水力振荡器技术

水力振荡器是一种振动减阻工具，由振荡短节和脉冲短节组成[3]。该工具在钻井液的水力作用下产生温和的轴向振动，进而带动一定长度的钻柱振动，从而可以有效地实现钻柱与井壁间的静摩阻向动摩阻转化，从而降低定向摩阻（见图1）。一般情况下，静摩阻系数比滑动开始后的摩阻系数大25%左右，即水力振荡器可以降低25%的滑动摩阻。

图1 水力振荡器缓解定向托压原理示意图

在大港油田板深1519井、官1601井、张海29-37井等10口井上进行水力振荡器应用，具体数据（见表1）。

表1 水力振荡器在大港油田应用情况统计表

表1数据表明，滑动摩阻60 kN～120 kN范围内，水力振荡器缓解定向托压效果明显，平均滑动机械钻速提高87.4%，张海29-37井最高提高151.1%。另外，板16108井水力振荡器技术现场应用过程中，当滑动摩阻超过120 kN后，再次出现了托压问题，定向效率大幅下降。分析认为，当滑动摩阻超过120 kN以后，超出水力振荡器降摩阻的能力，即无法有效缓解定向托压。

1.2 “水力振荡器+岩屑床破坏器”技术

“水力振荡器+岩屑床破坏器”技术缓解定向托压，主要是利用了水力振荡器轴向振动降低摩阻（具体原理见1.1水力振荡器技术）；利用了岩屑床破坏器将沉积在井壁上的岩屑床清除掉，同时防止后续钻进过程中新的岩屑床的沉积（见图2），这样井壁上的岩屑床不存在了，摩阻系数相应的就会降低，进而降低摩阻，缓解托压。

图2 岩屑床破坏器清除岩屑床示意图

港1603井三开钻进过程中，当井斜角超过55°以后，地面返砂急剧减少，并且上提附加拉力明显增加，定向托压也越来越严重。分析认为，井斜角增大后，岩屑堆积在下井壁形成岩屑床，造成摩阻增大。

为了有效降低港1603井摩阻，提高定向效率，设计下入“套水力振荡器+套岩屑床破坏器”。应用该技术之后，岩屑返出量平均增加126.4%，摩阻降低30%以上，滑动钻进平均机械钻速提高31.5%以上。

1.3 “水力振荡器+液力推力器”技术

“水力振荡器+液力推力器”技术缓解定向托压：（1）利用了水力振荡器轴向振动降低摩阻（具体原理见1.1水力振荡器技术）；（2）利用了液力推力器（见图3）的轴向缓冲作用，保证工具面的问题。定向过程中，液力推力器在工作行程范围内处于伸出状态，当托压释放之后，伸缩杆会有一定的压缩量，由于这一缓冲作用使托压释放产生的瞬间冲击力不至于作用在钻头，进而保证了工具面的稳定。

图3 液力推力器伸出-缩回示意图

在官962-24井、庄1610井共进行了“水力振荡器+液力推力器”技术先导试验，两口井使用之前滑动摩阻高达130 kN～150 kN，托压非常严重。使用该技术后，托压现象虽然仍旧存在，但工具面相对稳定，保证了定向连续性，滑动机械钻速大幅提高。官962-24井滑动摩阻由155 kN下降至110 kN，降低29.03%；滑动机械钻速由1.48 m/h提高至3.1 m/h，提高109.9%。庄1610井滑动摩阻由130 kN下降至102 kN，降低21.5%；滑动机械钻速由1.30 m/h提高至2.42 m/h，提高86.1%。

1.4 旋转导向系统

旋转导向系统（见图4）在钻具旋转状态下实现定向作业，应用旋转钻进方式代替滑动钻进方式，显著减小了钻柱与井壁之间的摩阻和扭矩，适用于高难度井[9-12]。为此，在大港油田埕海2-2岛张海29-36L井上进行了Power Drive Xceed旋转导向系统应用。

张海29-36L井是大港油田埕海2-2岛的一口三维大位移井，最大水平位移1 764.51 m，最大井斜角76.16°，最大造斜率4.5°/30 m。该井三开增斜段、稳斜段、扭方位井段托压现象极其严重，2 600 m～2 815 m使用螺杆钻具调整井斜、方位，平均机械钻速5.24 m/h。自 2 815 m～3 837 m（井斜角 49°～76°）采用了指向式旋转导向系统，一趟钻进尺1 022 m，平均机械钻速达到8.96 m/h。与使用螺杆钻具段相比，平均机械钻速提高了71%。

图4 Power Drive Xceed旋转导向钻井系统结构示意图

2 结论

（1）水力振荡器通过产生轴向振动，使钻柱与井壁间的摩阻由静摩阻向动摩阻转化，滑动摩阻能降低25%左右。对于滑动摩阻在60 kN～120 kN以内，缓解定向托压的效果明显。

（2）对于井斜角过45°井段，“水力振荡器+岩屑床破坏器”既能实现静摩阻向动摩阻的转化，又能清除沉积的岩屑床，达到双重降摩阻、缓托压的作用。

（3）对于使用水力振荡器后仍有托压的高摩阻的井，“水力振荡器+液力推力器”技术可以在一定程度上稳定工具面，保证定向的连续性，提高定向效率。官962-24井、庄1610井使用该技术后，虽仍旧托压，但是滑动摩阻分别降低29.03%和21.5%，滑动机械钻速分别提高109.9%和86.1%。

（4）旋转导向系统能有效解决定向托压问题，但是其成本较高，常规定向井实用性不强。建议在水力振荡器、“水力振荡器+岩屑床破坏器”、“水力振荡器+液力推力器”无法有效缓解定向托压的高难度井中使用。

［1］汪志明，翟羽佳，高清春.大位移井井眼清洁监测技术在大港油田的应用［J］.石油钻采工艺，2012，34（2）：17-19.

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［3］王建龙，王丰，张雯琼，等.水力振荡器在复杂结构井中的应用［J］.石油机械，2015，43（4）：54-58.

［4］许京国，霍如军，陶瑞东，等.旋转导向钻井系统在张海29-36L 井的应用［J］.钻采工艺，2016，39（2）：113-115.

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［6］李子峰，杨海滨，许春田，等.定向井滑动钻进送钻原理与技术［J］.天然气工业，2013，33（12）：94-98.

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［11］王学明.Power Drive Xceed旋转导向钻井系统在澳大利亚 Puffin-12 井的应用［J］. 石油钻探技术，2010，38（5）：90-94.

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Principle and application of mechanical modification of backing pressure

WANG Jianlong1，LIU Xuesong1，YU Zhiqiang1，GUO Fei1，XU Jingguo2
（1.Bohai Drilling Engineering Technology Research Institute，CNPC，Tianjin 300450，China；2.NO.3 Drilling Engineering Company，BHDC，CNPC，Tianjin 300280，China）

In order to achieve the offshore oil production on land and effective control of increasingly smaller ad dispersed residual oil,Dagang oilfield deployed many complex wells,such as high-inclination well,extended-reach well and horizontal well.But,seriously back pressure problem restricts the drilling speed and efficiency.Therefore,in order to solve the problem,Dagang oilfield researched on slide back-pressure technology from 2015 to 2016,including hydraulic oscillator,"hydraulic oscillator+hole cleaning tools","hydraulic oscillator+hydraulic thruster",rotary steering system,and 14 wells was tested,which effect is remarkable.Through the study of this article,we work out a set technology of easing back pressure,which provides the technical support and theoretical guidance to effectively solve the problem of complex structure well.

complex structure well；hydraulic oscillator；hydraulic thrusters；hole cleaning tool

TE242.9

A

1673-5285（2017）10-0001-04

10.3969/j.issn.1673-5285.2017.10.001

2017－09-19

中石油渤海钻探工程有限公司科技项目“潜山钻井工程设计优化与实施”资助，项目编号：2017D38Y-01；中石油渤海钻探工程有限公司科技项目“大港油田中古生界钻完井技术研究”资助，项目编号：2017ZD20Y。

王建龙，男（1984－），山东省沂水县人，2013年毕业于中国石油大学油气井工程专业，2013年获油气井工程硕士学位，工程师，主要从事钻井提速工具研发与应用工作，邮箱：383462010@qq.com。