预弯曲动力学井斜控制技术在长宁构造气体钻井中的应用

邓 柯, 刘殿琛, 李宬晓

(1中石油川庆钻探工程有限公司钻采工程技术研究院 2国家能源高含硫气藏开采研发中心)

长宁构造为川南页岩气勘探开发的主力区块，该构造中下部地层韩家店～石牛栏段长约700 m，岩性以粉砂岩、灰岩为主，研磨性较强，可钻性较差，常规钻井钻速慢。自2014年开始在韩家店～石牛栏层段采用气体钻井技术提速，因地层倾角较大(15°±3°)，非均质性强，加大了气体钻井井斜控制难度[1]，采用钟摆钻具组合钻进，一旦钻压超过40 kN，井斜上涨较快，限制了气体钻井提速优势发挥。如宁Hb-6井在韩家店～石牛栏层段1 600 m～2 150 m气体钻井采用单扶正器钟摆钻具组合钻进，钻压控制在50 kN以内，井斜5.5°～9.2°控制效果较差。

本文基于预弯曲钻具组合动力学特性分析[2]，通过开展气体钻井条件下预弯曲钟摆钻具组合动态钟摆力的仿真分析，提出了适合长宁构造地质特征的气体钻井预弯曲动力学井斜控制技术，在长宁Ha、Hb平台成功应用，取得较好的应用效果，对长宁构造及类似区块起到一定得借鉴作用。

一、预弯曲钟摆钻具组合仿真分析

根据长宁构造韩家店～石牛栏地质特征，及Ø215.9 mm井眼气体钻井钻井参数，对长宁构造韩家店～石牛栏Ø215.9 mm井眼气体钻井预弯曲钟摆钻具组合开展了仿真分析[3]，优选出钟摆力最大的钻具组合。

计算条件：地层倾角15°，钻压60 kN，转速60 r/min。

仿真分析了两种弯角度(0.75°、1°)、两种扶正器安放位置所对应的预弯单稳、预弯双稳八种不同钟摆钻具组合的动态钟摆力[4-5](表1，表2)，优选出钟摆力最大的预弯双稳钟摆钻具组合用作气体钻井井斜控制：Ø215.9 mm钻头+Ø165.1 mm预弯短接(0.75°)×1 m+Ø165.1 mm钻铤1根+Ø165.1 mm短钻铤2根+Ø214 mm扶正器+Ø165.1 mm钻铤1根+Ø214 mm扶正器+Ø165.1 mm钻铤5根+…。

二、预弯曲短接设计与加工

0.75°预弯曲短接设计为短接本体弯曲的双母短接，短接全长0.8 m，外径为Ø165.1 mm，内经Ø71.4 mm，扣型410，本体弯曲始点距离下端母扣长度为L1，距离上端母扣长度为L2，偏离短接原中心线0.72°(图1)。

预弯曲短接选用42CrMo材质，整体加工而成，按照GB/T 3077-1999《合金结构钢》技术要求进行加工制造。开展金属材料力学性能检测，其抗拉强度、抗扭强度等性能指标超过同尺寸的Ø165.1 mm一级钻铤强度(表3)，满足安全钻井需要。

表1 Ø215.9 mm井眼八种预弯曲钟摆钻具组合

注：推荐钻井参数均为：钻压≤60 kN,转速60 r/min。

表2 Ø215.9 mm井眼八种钻具组合动态钟摆力

注：计算参数均为钻压60 kN,转速60 r/min。

图1 Ø165.1 mm-0.75°预弯曲短接示意图

三、现场应用及效果分析

预弯曲动力学井斜控制技术先后在长宁构造长宁Ha、Hb平台应用5井次，气体钻井井斜较常规钟摆钻具组合钻进时得到大幅降低，取得了较好应用效果。

表3 预弯曲短接机械性能对比

图2 长宁构造韩家店～石牛栏气体钻井井斜曲线

长宁Ha-5井、Hb-3井、Hb-4井、Hb-5井、Hb-6井韩家店～石牛栏层段均采用带0.75°弯接头的预弯曲钟摆钻具组合钻进，钻压30～60 kN，转速60 r/min，通过井斜曲线(图2)分析可以看出，实施了预弯动力学仿斜技术的井段最大井斜在2°～3°(表4)，较采用常规钟摆钻具组合钻进的长宁Ha-6井、Hb-2井最大井斜角降低50%以上。共使用Ø165.1 mm-0.75°预弯曲短接2只，单只累计入井使用时间最长达296.2 h，承受最大拉力近1 300 kN，最大扭矩近20 kN·m，未发生安全事故。

1. 长宁Ha-5井应用实例

长宁Ha-5井位于长宁背斜构造中奥顶构造南翼，目的层是志留系龙马溪组。2014年6月从井深1 602.1 m开始空气钻井，钻进至井深2 094.64 m转为氮气钻井，钻进至目标井深2 252 m，气体钻井钻具组合为：Ø215.9 mm牙轮钻头+0.75°预弯接头+Ø165.1 mm无磁钻铤+Ø165.1 mm短钻铤2根+Ø213 mm扶正器+Ø165.1 mm钻铤1根+Ø211 mm扶正器+Ø165.1 mm钻铤8根+Ø127 mm加重钻杆30根+斜坡Ø127 mm钻杆+顶驱，钻压30～60 kN，转速60 r/min，所钻井段井斜0.36°～2.99°，与同平台井长宁Ha-6井相比，最大井斜由9.2°降至2.99°，井斜下降67.5%。

表4 长宁构造韩家店～石牛栏气体钻井井斜统计数据

2. 长宁Hb-5井应用实例

长宁Hb-5井位于长宁背斜构造中奥顶构造南翼，目的层是志留系龙马溪组。2014年10月从井深1 510 m实施空气钻井，钻进至井深1 641.71 m时钻遇地层出气，转氮气钻井钻至目标井深2 094.50 m，气体钻井钻具组合为：Ø215.9 mm牙轮钻头+0.75°预弯接头+Ø165.1 mm无磁钻铤1根+Ø165.1 mm短钻铤2根+Ø215 mm扶正器+Ø165.1 mm钻铤1根+Ø213 mm扶正器+Ø165.1 mm钻铤6根+127 mm加重钻杆15根+127 mm钻杆+顶驱，钻压30～60 kN，转速60 r/min，所钻井段井斜0.66°～2.82°，同邻井Hb-2井相比，最大井斜由6.38°降至2.82°，井斜控制较钟摆钻具组合得到明显改善。

四、结论

(1)基于预弯曲钻具动力学防斜理论研究，优选出了“0.75°预弯短接+双扶正器”预弯钟摆钻具组合，为长宁构造韩家店～石牛栏层段气体钻井井斜控制提供了一条有效途径。

(2)完成了Ø165.1 mm-0.75°预弯短接设计与加工，应用5井次，单只预弯短接累计入井使用时间超过290 h，承受最大拉力近1 200 kN，最大扭矩近20 kN·m，未发生安全事故。

(3)在长宁构造应用5井次，较常规钟摆钻具组合钻压提升20 kN，井斜降低50%以上，取得较好应用效果。