Vortex钻具组合在东海φ212.7 mm井眼中的应用

陈 刚，孙乾坤，姜小龙，张建文，田明康

（中海油能源发展股份有限公司工程技术上海分公司，上海 200335）

目前开发井中常用的钻具组合包括钻头+旋转导向仪器、钻头+马达+旋转导向仪器等，使用旋转导向控制井眼轨迹，马达进行深部提速。东海储层具有油藏埋深大，地层可钻性差，井眼轨迹复杂，井底温度高等特点。常规的钻具组合在东海应用中，面临机械钻速低、钻具套管磨损大、井眼清洁差，划眼较多的情况。较低的机械钻速造成套管和钻杆磨损加剧，为井下安全带来隐患。为解决上述难题，首次尝试在东海φ212.7 mm井段使用Vortex钻具组合，该钻具为东海φ212.7 mm井眼中首次使用，机械钻速大幅提高，钻具和套管磨损较少，井眼清洁得到改善，获得了一定的经济效益。本文通过该组合的现场使用，摸索出一些经验和认识，为后续钻井作业提供参考。

1 东海φ212.7 mm井段特点

东海φ212.7 mm井段一般钻遇花港组、平湖组，两套地层为主要储层段，花港组岩性主要为细砂岩，其次是粉砂岩、中砂岩；平湖组主要为中砂岩，细砂岩、粉砂岩次之[1]。本井段地层相较上部φ311.2 mm井段，地层强度更高，研磨性强，可钻性差，井温高等特点。

1.1 地层成岩性好，可钻性差

东海地层经长期的压实作用，导致地层成岩度高。平湖组—花港组砂泥岩间互，盖层非常发育。花港组上段的泥岩厚度大，连续性好，具有良好的可塑性，会导致钻头出现卡滑等情况，影响破岩速度，致使机械钻速慢。根据已钻探井显示，花港组和平湖组平均埋深均在3 000 m（垂深）以上，埋深较深，压实强度高。

1.2 井眼段长，井斜大，摩阻、托压严重

φ212.7 mm井段井眼深，且井段长，会产生巨大的摩阻，造成托压现象。在钻井过程中出现托压会导致钻压无法有效传递至钻头，致使钻头不能持续高钻压高转速均匀切削地层，造成机械钻速较慢，一方面影响机械钻速，另外对井眼轨迹的控制不利。本井段井斜大，多为水平井段和大斜度井段，其中某井水平段长达1 470 m，为东海最长水平段。

1.3 设备负荷大，套管、钻具磨损多

随着井眼延伸，井斜增大，设备负荷增加。深部钻进，钻具长，破岩扭矩与井眼摩阻叠加造成的高扭矩值，对钻具强度提出了更高的要求。常规钻具通过更高的转速来获得较快的机械钻速，导致钻具与套管之间的摩擦频率大，增加了套管和钻具的磨损情况，造成出现钻杆偏磨强度不足甚至刺漏的风险，套管易出现磨穿。井深大，循环压耗的增加，泵压增大，泥浆泵载荷也提出了更高的要求。

φ212.7 mm井段为东海首次使用此类尺寸的工具，且国内其他海域本井段的使用经验较少，仪器的安全性和稳定性有待验证。为解决上述作业难点，兼顾经济和时效，首次尝试在φ212.7 mm井段使用Vortex钻具组合。

2 Vortex钻具组合构成及特点

2.1 构成

Vortex钻具是指在常规旋转导向工具上面增加一根马达，通过泥浆驱动马达，使马达为钻头提供额外的输出转速和扭矩，来获得更高的机械钻速。

它主要由PDC钻头、旋转导向工具（Xceed）、马达、无线发射器（UP C-link/DOWN C-link）、MWD/LWD、震击器、钻具等组成[2]（图1）。

图1 Vortex钻具组合结构

根据花港组、平湖组地层岩性特征结合KQT气田探井相关资料，优选使用六刀翼、16 mm齿PDC钻头，其抗冲击性优先，攻击性次之，具有高转速切削特征。

最新的指向式旋转导向工具Xceed，更加精确先进，与常规推靠式旋转导向比较，其完全属于内部导向机制的钻井系统（图2），能够解决推靠式旋转导向在可钻性差、研磨性强地层，推靠块磨损，造成井眼轨迹无法控制的问题。

图2 Xceed旋转导向工具内部结构示意图

Xceed与随钻MWD、LWD配合使用，通过上下无线收发器（UP C-link/DOWN C-link）接收并传递信号。钻进中，旋转导向系统执行地面指令并将CU单元测得的近钻头数据（含伽马、井斜角、方位角和系统工作模式代码等数据）通过C-link途径传递给马达以上的MWD、LWD仪器，再由MWD仪器实时传至地面仪器；当需要进行井眼轨迹调整时，由地面下达旋转导向专用指令（通过调整泵排量及持续时间发送），实现预先设定的增降斜、扭方位和稳斜稳方位等作业目的。指令发送成功后，系统会通过C-link发送一个代码给MWD，用以确认指令正确[3]。

2.2 特点

（1）增大输出扭矩，提高PDC钻头切削速度，提高机械钻速

PDC钻头在钻进过程中出刃量较大，其破岩机理主要是依靠PDC复合片与岩石之间的压入和切削作用，钻头的转速快，单位时间内切削量增加，进而提高机械钻速[4]。使用的高抗温高输出扭矩马达，相比同类型国产马达，其使用寿命和稳定性更高。在钻进排量达2 000 L/min时，井下钻头的转速约高达70 r/m，加上顶驱转速，钻头的复合转速最高可达150 r/m以上。高转速确保了钻头的切削速度。

（2）减少钻进扭矩、摩阻和托压情况

深部井眼段长，钻具长度大，空转扭矩已经很高，考虑到工具的抗扭极限，无形中限制了工程参数的使用，导致钻进时效低。钻进中因马达额外提供了破岩转速，地面转速处于中低转速就能满足破岩需求，进而降低了钻进扭矩，使工程参数使用方面有更大调整空间，以期获得更高的机械钻速。马达驱动下部旋转导向高速旋转，减少了与井壁的接触时间，缓解了摩阻和托压情况。

（3）减小钻具和套管磨损，井下设备故障率减少

马达下部钻头高速旋转钻进，对地面顶驱转速要求较低，因此使用较合理的顶驱转速就能够满足携砂和钻进的要求，使钻杆与套管之间的磨损减少，保护了钻杆和套管。常规钻具组合顶驱转速需达到90~150 r/m才能满足携砂和钻进的需求，Vortex钻具组合顶驱转速在60~90 r/m时能够获得较好的效果，机械钻速相对能够获得提高。转速的降低，对于减轻套管和钻杆磨损情况不言而喻。同时由于该组合与钻柱等速旋转，扭转振动和其他破坏性振动均得以减轻，井下仪器故障率得以降低（见图3）。

图3 2种旋转导向系统振动模拟对比

3 应用实例

Vortex钻具组合首次在东海φ212.7 mm井眼中使用，应用了三口井，并取得了良好的使用效果。

3.1 机械钻速

A5井使用常规钻具组合，其余三口均使用了Vortex钻具组合，机械钻速对比如图（图4）所示。

通过对比发现三口井相同层位地层，使用Vortex钻具组合，能够明显提高机械钻速，机械钻速由5.2 m/hr提高至6.3~10.2 m/hr，提高约20%~100%。

图4 常规钻具组合与Vortex钻具各井使用效果对比

3.2 扭矩及井下震动

A2H井中均使用了多趟钻具组合，在减少钻进扭矩方面，Vortex钻具组合也有良好的效果。

由图5可以看出在使用Vortex组合后，钻进扭矩较相较常规钻具组合小且扭矩波动更加平稳，这说明钻头在持续稳定的进行破岩钻进，机械钻速稳定。

图5 Vortex钻具组合与常规钻具在A2H井中扭矩与井深对比

使用Vortex钻具组合后，井下仪器的井下震动明显减少如上图6所示，使用Vortex钻具井下振动值基本无，前两组钻具组合为0~60之间波动，钻头工作状态稳定。Stickslip值与常规Xceed钻具组合来说，明显降低，均处于25以下，且相对比较平稳。

图6 井下工具震动情况对比

4 问题及建议

（1）φ212.7 mm井段属于储层段，砂岩钻遇率较高，钻井液中未处理干净的细砂粒及其他有害固相，在高排量下，对马达上部过滤钻井液中大尺寸杂物的滤网接头造成冲蚀严重的情况，有部分大尺寸杂物易堵塞滤网接头，造成仪器故障。滤网的制造材质，耐冲蚀性和接头网眼大小工艺有待进一步提高。

（2）Xceed上共有两个螺旋扶正器，考虑到工具造斜能力，下扶正器尺寸一般欠3.18 mm，为φ209.6 mm，上扶正器欠1.6 mm。两个扶正器之间距离一般约4 m，扶正器的尺寸较大，再加上扶正翼之间流道较小，距离较短，岩屑在上返过程中，经过扶正器时会反复研磨，造成扭矩上涨，不利于岩屑的上返，扶正器之间岩屑无法清除干净[5]，且转速越高研磨越严重，扭矩值越大，如下图7所示。

可考虑增加扶正翼之间流道深度和宽度，确保岩屑上返通道，兼顾井眼轨迹控制的同时，选用小尺寸扶正器Xceed，以增大环空间隙，避免岩屑通过扶正器的难度，减少岩屑重复研磨。通过现场使用经验来看，选择使用上扶正器采用欠3.2 mm尺寸，下扶正器欠6.4 mm的Xceed工具，能够减少上述情况，且井眼轨迹控制良好。

（3）组合中旋转导向（Xceed）工具启动排量为1 800 L/min，Vortex系统的推荐排量为1 100~2 200 L/min，启动排量与推荐使用排量差值较小，小排量差值在深部地层泵压的波动不明显。而该钻具组合需要通过改变泵冲来进行指令的传递，严格意义上说，发指令是通过改变泵冲来改变泵压，使泵压产生波动和变化，不同的改变频率为不同的指令，通过井下仪器接收并解码，来控制井眼轨迹。泵压波动小，仪器无法接受并解码，因此发指令的成功率不高。在后续的作业中可选取旋转导向（Xceed）工具启动排量较小的仪器，以增加与该系统的匹配性，使轨迹调整指令成功率增加。

（4）在易坍塌井段使用Vortex钻具时要注意防止出现马达制动造成的憋压。井壁出现掉块，会卡在钻头位置，造成钻头突然滞动，钻头滞动，上部驱动的马达也会发生滞动憋压的情况，且憋压会很迅速，一旦处理不及时，会造成马达胶皮被击穿，地面泥浆泵缸套憋漏等情况。因此，使用在易出现掉块井段，应精细操作防止憋压，对于已经出现井壁失稳的井段，应更换不带马达钻具进行通井，处理井眼干净后再使用Vortex钻具组合进行钻进。

图7 Vortex钻具组合中转速与扭矩关系曲线

5 小结

Vortex钻具组合首次在东海φ212.7 mm井眼中的应用是成功的，对于提高机械钻速方面具有一定优势，井眼轨迹的控制也有良好的使用效果，对于东海深部地层提速和井眼轨迹控制具有借鉴意义。

在使用前应优选上下扶正器尺寸合适、启动排量与Vortex系统向配伍的旋转导向工具（Xceed），工具易冲蚀和故障部位重点关注，在钻井中合理使用钻井工程参数，才能更好的发挥Vortex钻具组合的优势，获得更高的经济效益。不同的井况选用合适的钻具组合，进行区别性优选。

[1]张海山， 段飞飞， 宫吉泽， 等. 东海深井探井钻井提速配套技术及其应用 [J]. 海洋石油， 2015， 35（3）： 67-71.

[2]王俊良， 胡永东. Vortex技术在研磨性硬地层水平井中的应用实践 [J]. 钻采工艺， 2009， 32（3）： 5-8， 124.

[3]姜伟， 蒋世全， 盛利民， 等. 旋转导向钻井工具系统的研究及应用 [J]. 石油钻采工艺， 2008， 30（5）： 21-24.

[4]李田军. PDC钻头破碎岩石的力学分析与机理研究[D]. 武汉：中国地质大学， 2012： 22.

[5]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.