导向涡轮轨迹控制技术及影响因素

刘占魁，楚恒智

（1.西部钻探克拉玛依钻井公司，新疆 克拉玛依 834009；2.新疆油田工程技术研究院，新疆 克拉玛依 834000）

MY1井风城组取得重大突破后，开辟了西北缘二叠系页岩油勘探新领域。基于甜点预测技术，初步完成玛北地区页岩油“甜点”分布的预测，落实了有利面积和页岩油资源潜力。为实现二叠系风城组页岩油领域整体突破，按照探索页岩油新类型与水平井提产相结合的思路，部署风险探井MY1H井，加快落实页岩油勘探潜力。MY1H井位于乌夏断裂带，东南邻近玛湖凹陷。三开井身结构，三开斜井段及水平段为∅215.9mm井眼。水平段钻遇储层为二叠系风城组三段致密白云质储层，斜深4426m进入风三段，储层垂深4557m左右。

1 导向涡轮应用背景

风三段主要为泥质白云岩，夹云质泥岩、粉砂质泥岩。MY1H井现场X衍射全岩矿物分析显示，水平段钻进过程中石英、斜长石、白云石三种矿物含量合计占比35.1%～64.8%，骨架密度平均值2.69g/cm3，压实程度高、岩性致密。根据邻井测井数据计算，风三段—风二段顶部，岩石抗压强度91～160MPa，内摩擦系数0.7～0.8。与直井钻井不同，直井钻井通过配合使用扭力冲击器等，在一定程度上消减了粘滑效应，通过实施低转速大钻压钻进方式，有效降低了PDC钻头复合片先期损坏风险，进而提高了钻井进尺。MY1H井造斜段及部分水平段使用旋转导向钻井系统钻进，受造斜率及工具结构限制，近钻头处不能配合使用扭力冲击器等降粘滑的工器具，高抗压强度及抗剪切强度条件下钻头选型及有效应用遇到难题。MY1H井4461～4775m井段使用旋转导向系统钻进，三趟钻纯钻时间191.5h，平均机械钻速1.64m/h。进尺少的主要原因是PDC钻头崩齿。进入水平段后使用的是双排齿五刀翼钻头，进尺22m、平均机械钻速0.46m/h，钻时慢起钻、PDC复合片崩。针对兼顾水平井轨迹控制和提高速度的难题，本文提出并组织导向涡轮钻进。使用弯度为0.8°导向涡轮配型号为DD5560M孕镶金刚石钻头钻进，钻头长度0.47m、刀翼数量16个、过流面积774.192mm2、冠部为浅锥部设计，对应岩石可钻级别8～11级。钻具组合：∅215.9mm钻头+∅172mm涡轮(∅212mm扶正器)+∅159mm浮阀+∅210mm扶正器+LWD+∅127mm加重钻杆3根+∅127mm斜坡钻杆+∅139.7mm钻杆。钻压50～60kN，转速60r/min。排量29.5L/s，泵压24.3MPa。白油基钻井液密度1.39g/cm3，粘度75s，油水比84/16，破乳电压800～1350V。上述组合钻进中表现出复合钻进时增井斜的现象，为此按照实钻平均井眼曲率3.17°/30m的条件进行计算。

2 导向工具关键参数对轨迹控制的影响规律

当用扶正器间距表示钻柱扶正器位置，基于上述钻具组合及钻进参数设定模拟分析条件，造斜及稳斜效果随扶正器间距变化规律见图1。该条件下全力增斜能力、复合钻进井斜变化率均随扶正器间距增大而增大，全力降斜能力随扶正器间距增大而减小。对于上述钻井实例，扶正器间距为9.05m，复合钻进增斜较快；涡轮钻具长度确定时尽可能缩短涡轮钻具自带扶正器与钻柱扶正器间距，有助于水平段复合钻进稳斜。

本井使用的涡轮钻具弯角0.8°，造斜及稳斜效果随弯角度数变化规律见图2。计算条件下全力增斜能力、全力降斜能力、复合钻进井斜变化率均随弯角增大而增大，复合钻进增斜很快；兼顾轨迹控制时滑动钻进造斜率要求，涡轮钻具弯角不能再小了，为提高水平段复合钻进稳斜效果，需调整其它参数。

图2 复合钻进稳斜效果随弯角度数变化规律

涡轮自带扶正器直径∅212mm、钻柱扶正器直径∅210mm，造斜及稳斜效果随扶正器直径变化规律见图3。计算条件下全力增斜能力、复合钻进井斜变化率均随扶正器直径增大而减小，全力降斜能力随稳定器直径增大而增大。

图3 复合钻进稳斜效果随扶正器直径变化规律

涡轮钻进时钻压较小，造斜及稳斜效果随钻压变化规律见图4。全力增斜能力随钻压增大而增大，全力降斜能力随钻压增大而减小；复合钻进条件下，钻压10kN时会降斜，钻压20kN时会缓慢增斜，钻压大于20kN后会快速增斜。对于上述计算实例，钻压50～60kN时复合钻进增斜很快。

图4 复合钻进稳斜效果随钻压变化规律

钻头各向异性指数是指侧向切削能力与轴向切削能力之比；取值范围(0，1)，该值越大表明钻头侧向切削能力越强。造斜及稳斜效果随钻头各向异性变化规律见图5。该条件下全力增斜能力随钻头各向异性指数增大而减小，全力降斜能力随钻头各向异性指数增大而增大；复合钻进条件下，钻头各向异性指数小于0.05时会增斜，该值越小增斜能力越强；钻头各向异性指数大于0.05会降斜，该值越大降斜能力越强。对于上述计算实例，反算出孕镶式金刚石钻头的钻头各向异性指数仅为0.01左右，水平段复合钻进增斜趋势较强。

图5 复合钻进稳斜效果随钻头各向异性指数变化规律

通过计算分析显示，上述钻具组合水平段复合钻进增斜趋势较强，增斜段中滑动钻进降斜能力弱，需采用全力降斜模式连续钻进一定进尺后才会出现降斜效果。为此，调整涡轮近钻头扶正器为∅210mm、钻具扶正器∅212mm。此外，改变钻具组合中浮阀与扶正器位置，减少扶正器之间的间距，降低复合钻进时增斜趋势。计算见图6。与之前的钻具组合相比，钻压较大时该组合的复合钻进增斜趋势有所减弱；钻压较小时降斜趋势有所增强。

图6 复合钻进稳斜效果随扶正器直径调整后变化规律

3 应用效果分析

与水平段普遍使用螺杆钻具相比，涡轮钻水平井反扭角小且稳定、工具面稳定，轨迹容易控制。本井水平段大部分井段采用滑动钻进，涡轮转速高，滑动钻进机械钻速与复合钻进相当，节约导向时间。涡轮运行时振动小，有利于保护井下仪器。涡轮钻进形成的井眼平滑，降低螺旋和屈曲，有效降低了滑动钻进摩阻，为后期完井下套管等作业奠定了基础。与传统的涡轮钻具由装有叶片的动力端及装有止推轴承的轴承端两部分组成不同，本井使用的涡轮钻具将动力端与轴承端合二为一，显著缩短了工具长度，减少接头数量，刚性长度减小，可下入性增强，降低了长涡轮普遍存在的划眼、通井时间。

本井水平段使用导向涡轮钻进两趟钻。第一趟钻钻进井段4775～5120m，进尺345m，纯钻时间182h，涡轮井下工作时间260h，机械钻速1.89m/h。水平段机械钻速较旋转导向+PDC钻头提高2.8倍，单趟钻进尺提高14.68倍，应用效果较好。第二趟钻优化了扶正器外径以及扶正器间距，复合钻进稳斜效果得到改善，钻进井段5120～5173m，进尺53m，纯钻时间40h，机械钻速1.33m/h。

4 结论

（1）导向涡轮配孕镶金刚石钻头钻进，能大幅度提高深井综合钻井速度，是云质类储层钻井轨迹控制的有效技术手段。

（2）孕镶金刚石钻头选型及导向涡轮井下工作状态的识别判断尚有待进一步研究。