绥中36-1油田调整井开窗侧钻高造斜率钻具研制及应用*

李红星 李 辉 王晓鹏 谢 涛 安申庆 李国梁

(1.中海油田服务股份有限公司 天津 300459； 2.中海石油(中国)有限公司天津分公司 天津 300459)

1 问题提出

由于受到作业费用高、地质构造变化大、工艺措施及井下工具限制,侧钻技术在海上油田的发展应用比较缓慢[1]。海上油田侧钻作业一直以长半径侧钻为主[2-3]，侧钻点一般较浅，中短半径侧钻目前还属于“空白”[3-4]。目前对于海上低效井开发，为了最大限度地利用老井眼套管，减少钻井进尺，侧钻点一般较深，这就要求必须以较高的造斜率进行侧钻才能满足产层着陆的需要。绥中36-1油田调整井开发面临大量开窗侧钻需求，大部分调整井需要利用φ244.48 mm技术套管进行开窗侧钻φ209.55 mm井眼[5-6]，井眼尺寸较大，钻具刚性较强，实现高造斜率的难度较大。常规螺杆钻具弯点距较大,钻头偏移量大,钻具组合通过套管和窗口较困难，需要研制低弯点距设计的螺杆钻具来解决高弯角钻具组合通过套管和窗口的问题。

渤海绥中36-1油田地层疏松，造斜困难。目前大部分中短半径井的侧钻都只是利用MWD的测斜结果，按照实际的造斜率推测钻头处的井斜。由于MWD测斜位置距钻头大约有15～20 m的距离，这种推测会造成钻头位置处的垂深有一定误差，易导致在高造斜率轨道设计中实时准确地确定钻头位置的井斜角越来越困难，误差越来越大，不能满足现场高造斜率井眼轨迹控制的需要。因此，本文研制了高造斜率螺杆钻具和近钻头测斜工具，在试验井高造斜侧钻试验中取得良好效果，进而在绥中36-1油田调整井取得了成功应用，可为海上油田开窗侧钻提供借鉴。

2 钻具研制

2.1 高造斜率螺杆钻具研制

2.1.1结构特点

高造斜率螺杆钻具最显著的结构特点体现在以下3个方面：

1) 低弯点距设计。为了提高钻具组合的造斜率,通常在钻具组合中使用大弯角螺杆钻具和铰接动力钻具[7]。渤海绥中36-1油田低效井侧钻要求达到10°/30 m～15°/30 m的高造斜率,采用1.75°～2.00°弯角的螺杆钻具即可满足造斜率的要求，而常规马达弯角超过1.5°时不允许旋转钻进，以免螺杆钻具发生疲劳破坏、脱落、折断等事故[8]。根据修正的三点定圆法[9]计算单弯螺杆钻具造斜率的原理，对相同弯角的螺杆钻具采用低弯点距设计，一方面可提高造斜率，另一方面可允许螺杆钻具在一定转速范围内旋转，满足高造斜率井眼轨迹控制及井眼净化的需要。

2) 本体扶正器采用三瓣不等宽扶正带设计，且低边瓣采用加宽处理。一般常规螺杆钻具的本体扶正器的扶正带采用圆周三瓣对称等宽设计，每片扶正带宽约0.063 m，各扶正带的径向中心线呈120°分布；高造斜率螺杆钻具本体扶正器的扶正带采用圆周三瓣对称不等宽设计，各扶正带的径向中心线呈120°分布。位于低边处的扶正带宽约0.155 m，比常规螺杆钻具的扶正带加宽了约146%,且在螺杆钻具装配时保持低边扶正带中心线与螺杆钻具弯角高边线处于相对的位置，其他两片扶正带宽约0.063 m，该加宽扶正带的设计增强了螺杆钻具滑动钻进时造斜工具面的稳定性。

3) 中低转速、高输出扭矩、等壁厚定子设计。为适应在高造斜率情况下钻进作业抗扭的需要,螺杆钻具采用了高强度密封万向轴总成、中低转速、高输出扭矩、等壁厚定子设计，缩小了橡胶的厚度，增大了橡胶与金属的接触面积，橡胶厚度均匀，可以改善工作时定子的散热性能，减缓橡胶的热老化；等壁厚定子在运动过程中抗变形的能力好，在相同的条件下可以减少级数及定、转子间的过盈量，在运转扭矩和效率等方面优于常规螺杆钻具，提高了钻井速度；等壁厚定子橡胶溶胀、温胀均匀，螺杆钻具密封性能更好，可维持长时间高效率钻井，保持螺杆钻具较长的使用寿命。

2.1.2性能参数

低弯点螺杆钻具为5级螺杆钻具，外径172 mm,转子与定子头数比为7∶8,转速范围84～168 r/min，排量范围 1 183～2 366 L/min，工作扭矩9 866 N·m，工作压降5.5 MPa， 可满足15°/30 m的造斜需求。采用修正的三点定圆法计算单弯螺杆钻具不同弯角的理论造斜能力(表1)。

表1 不同螺杆钻具的造斜率Table 1 Build-up rate with different helicoid hydraulic motors

2.2 近钻头测斜工具研制

为了实现近钻头测斜的功能，提高特殊工艺井、定向井及水平井等高精度井施工中井眼轨迹控制能力,精确预测钻头位置处的垂深，国内外学者对基于超声波的近钻头测斜信号跨传技术[10]和基于电磁波的近钻头测斜信号跨传技术做了大量的研究工作，后者在信号跨传距离和稳定性方面优于前者。因此，本文采用基于电磁波的近钻头测斜信号跨传原理，在近钻头测斜工具的总体结构设计上采用上下2个短接，其中下短接(近钻头测斜短接，长度约0.80 m)负责近钻头位置处井斜的测量，上短接(数据跨传短接)负责无线跨传通讯传输，在实际使用时上下2个短接间跨传1根螺杆钻具长度的距离(在钻具组合中长度约为7.5 m)。测斜传感器采用3支正交石英加速度计进行精确重力场矢量测量，测量电路采用高精度、高带宽A/D采样和高性能数字处理电路，滤波解算采用井下实时滤波算法，在旋转条件下井斜测量误差精度达到±1°(考虑螺杆钻具弯角的影响)。天线设计采用低阻抗发射天线和低噪声接收天线，调制方式采用高效的数据调制解调方法，收发电路采用专门为电池驱动供电设计的低功耗传输电路。经过实验室多次联调和3次入井实钻测试，证实研制的近钻头测斜工具所测得的数据能跨传至上部数据跨传短接中，并能通过Drilog无线随钻测井系统将测斜数据传至地面。

3 现场试验

3.1 试验井井身结构

经过钻具组合与套管尺寸的相容性计算，如果采用φ215.90 mm标准井眼侧钻，1.75°弯角螺杆钻具与套管的间隙为3.0 mm；如果采用φ209.55 mm非标井眼侧钻，1.75°弯角马达与套管的间隙为6.3 mm。考虑到窗口不规则因素的影响，优选φ209.55 mm井眼尺寸更有利于高造斜率钻具组合通过窗口。侧钻试验井JJSY-4井身结构如图1所示。

3.2 套管及窗口的通过性试验

在与渤海绥中36-1油田套管相同的试验井JJSY-4井中采用3°斜面角的斜向器进行套管开窗,斜向器坐封方位左45°。目标区块油井φ244.48 mm技术套管大部分采用N80 47PPF BTC扣的套管,壁厚11.95 mm,内径220.50 mm。设计的高造斜率钻具组合如下：φ209.55mm PDC钻头(0.31m，喷嘴φ14 mm×2+φ12 mm×3+φ17 mm×2)+φ171.45 mm接头(0.80 m)+φ172 mm低弯点螺杆钻具(弯角1.75°，弯点距0.865 m，长度7.43 m)+φ165.10 mm定向接头(0.55 m)+φ165.10 mm钻铤×3根(28.45 m)+φ165.10 mm震击器(11.80 m)+φ127.00 mm加重钻杆×8根(75.50 m)，采用陀螺仪测斜。经过测试试验， 1.75°低弯点螺杆钻具组合可顺利通过套管和窗口。

图1 JJSY-4试验井井身结构示意图Fig.1 Test well structure schematic of Well JJSY-4

3.3 造斜能力及钻进工况试验

JJSY-4试验井 421.50～465.00 m井段1.5°弯角的螺杆钻具组合滑动钻进，平均造斜率11.09°/30 m，最大造斜率13.04°/30 m；465.00～486.30 m 井段1.75°弯角的螺杆钻具组合滑动钻进，平均造斜率13.44°/30 m，最大造斜率16.15°/30 m。试验结果表明，1.75°低弯点螺杆钻具组合的造斜能力可满足高造斜率侧钻要求。

根据绥中36-1油田调整井井眼轨迹要求，在完成高造斜率侧钻井眼段造斜至着陆后不起钻，继续完成后续约300 m的水平段进尺，这就要求螺杆钻具和MWD/LWD在高造斜率情况下能承受旋转钻进的恶劣工况，因此在JJSY-4试验井 486.30～491.20 m井段进行了复合钻进，转速20 r/min，扭矩4～10 kN·m ,扭矩值波动在可接受范围内。

3.4 近钻头测斜工具测斜及跨传功能试验

JJSY-4试验井钻进井段491.20～526.50 m钻具组合 如下：φ209.55 mm PDC钻头(0.31 m，喷嘴φ14 mm×2+φ12 mm×3+φ17 mm×2)+φ171.45 mm近钻头测斜短节(0.79 m)+φ171.45 mm接头(0.90 m)+φ165.10 mm钻铤×1(9.09 m)+φ171.45 mm测斜接收接头(1.43 m)+φ165.10 mm定向接头(0.55 m)+φ165.10 mm钻铤×2(19.36 m)+φ165.10 mm震击器(11.80 m)+φ127.00 mm加重钻杆×8(75.50 m)，试验结果表明近钻头测斜工具测斜功能正常，无线跨传累计工作15 h，数据发送1 852帧，成功接收1 760帧，接收成功率达95%以上，且近钻头井斜测量数据与陀螺测斜数据吻合很好(图2)。

图2 JJSY-4试验井近钻头测斜工具测斜与陀螺测斜数据对比Fig.2 Comparative map of inclination survey between near bit survey tool and gyroscope in Well JJSY-4

4 实际应用

AXX井是绥中36-1油田的1口开发调整井,根据油田开发调整方案，需要对该井进行开窗侧钻作业。针对AXX井井身结构特点(图3)，对比分析了高造斜率侧钻方案与常规造斜率侧钻方案(表2)。由表2可知：采用本文高造斜率侧钻方案后可以减少进尺约61.4%，减少螺杆钻具组合滑动钻进井段约73.8%，可有效降低钻进复杂情况；简化了井身结构，节省了φ177.80 mm技术套管费用；侧钻作业可以选择在馆陶组底部以下的东营组进行，为采用一趟钻完钻奠定了基础，可节省大量的钻井时间；可大幅度减少水平井A靶点的靶前位移，使原老井眼中心轴线周围的剩余油开采利用，最大限度地利用油藏产能。因此，采用本文提出的高造斜率侧钻技术进行调整井AXX的开窗侧钻作业。

图3 绥中36-1油田AXX井井身结构示意图Fig.3 Well structure schematic of Well AXX of SZ36-1 oilfield

本文提出的高造斜率侧钻技术在AXX井开窗侧钻作业中取得成功应用(表3)，最高造斜率达19°/30 m，实现了一趟完钻，套管和防砂管柱下入顺利，相比常规造斜率侧钻节省约700万元，大幅降低了开发投资成本，为渤海油田的稳产增产做出了贡献，具有较好的推广应用价值。

表2 绥中36-1油田AXX井高造斜率侧钻方案与常规造斜率侧钻方案对比Table 2 Comparison of sidetrack drilling with high build-up rate and conventional build-up rate in Well AXX of SZ36-1 oilfield

表3 绥中36-1油田AXX井开窗侧钻作业统计Table 3 Statistics of sidetrack drilling operation in Well AXX of SZ36-1 oilfield

5 结束语

根据绥中36-1油田调整井井身结构开窗侧钻特点，研制了高造斜率螺杆钻具和近钻头测斜工具，该高造斜率侧钻钻具组合可满足15°/30 m的造斜需求。目前所研制的高造斜率侧钻钻具组合已在绥中36-1油田AXX井开窗侧钻中取得成功应用，最高造斜率达19°/30 m，实现了一趟完钻，套管和防砂管柱下入顺利，大幅降低了开发成本，为渤海油田的稳产增产做出了贡献，具有较好的推广应用价值。

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