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          扩划眼器配套旋转导向系统实现高效钻井

          时间:2022-02-16 10:55 来源:《石油与装备》 作者:朱丽华 点击:


          油气钻井行业的主要目标是以最快最有效的方式完钻井眼,但各大公司都有其独特的方式方法来达此目标。传统上认为,限制非生产时间应该是实现经济目标的主要驱动力;而有一种高效钻井方法是控制或消除单项工艺流程来实现利益最大化。由于钻井过程中隐形成本巨大,如接单根时的划眼、额外的循环时间、起钻时的倒划眼,以及套管不能顺利下入目标井深等作业的隐形成本可能远大于非生产时间的损失。另一种高效钻井方法是将钻井关键参数(如钻压)最大化,通过极限参数达到单日进尺的最大化,因此,需要找到并消除限制关键参数发挥的因素,而这些影响因素可以细分为钻头影响因素和非钻头影响因素,一个作业公司大约有60%的进尺受到了非钻头因素的影响。
           
          扩划眼器在科威特有效应用

          非钻头影响因素与井身质量有关,如井壁稳定性、井眼轨迹及井眼清洁程度等。井壁失稳可能由地层的蠕动、水化反应、断层、松散或超压等特性引起,可以通过加重钻井液直至地层破裂压力梯度极限来应对。采用弯外壳马达定向钻进会产生狗腿型井眼,特别是在复合钻进与滑动钻进交替时会出现局部严重狗腿。钻具稳定器与井眼的相互作用会出现螺旋型井眼,导致转盘摩阻增加、钻头托压与钻头粘滑振动、下套管困难及固井质量不好,局部扩径不仅会影响指向式旋转导向系统(RSS)关键一侧的侧向力与钻头偏转角进而影响旋转导向工具的导向性能,而且井眼狗腿或螺旋槽内的岩屑床是无法清除的,观察BHA附近要清除局部扩径处的岩屑即使采取倒划眼方式且按传统增大排量、增大转速、扩径都不解决问题。积累到一定程度就会出现卡BHA或侧钻新台阶。但这些非钻头影响因素可以接单根时的倒划眼、短程拉划作业来解决,有时甚至必须扩眼后才能顺利下入套管,而这些作业将降低单日进尺,大大增加非生产时间。

          科威特石油公司与一家井下工具供应商联合研发出一种可与RSS配套使用的具备过电缆功能、可双向划眼的增强型钻具稳定器,称之为扩划眼器(IL Reamer)。由于其较强扩划眼能力解决了上述非钻头因素引起的复杂情况,显著改善了井眼作业条件,在近旋转导向端将其与MWD或LWD钻铤连接或制作成一体化钻铤,钻出更光滑井眼,提升倒划眼能力,有助于节约起下钻时间,防止在不稳定页岩地层和煤层断层中的卡钻。实际应用新型工具的井未出现因井身质量差导致的卡钻事件。

          在科威特北部,为防止起钻通过两套不稳定页岩地层时出现大量非生产时间,大概平均要花40%的循环时间来配合正反划眼与处理阻卡。由于地应力方向和泥浆性能的不确定性,在泥浆体系、泥浆性能和减少页岩层穿越长度的井眼剖面优化等方面探索了许多方法。页岩层会膨胀,起下钻过程中产生的掉块只有通过硬扩划眼才能清除,否则,处理时间很长、定向工具损坏,影响经济效益。

          如何解决水平井定向井段出现的难题

          在科威特北部,理论分析表明沿东北-西南方向钻水平井是最易钻穿两套不稳定页岩地层的,但考虑到地下目标和邻近井眼,大多数井眼剖面都不能满足这一条件,多口定向井必须沿最小主应力方向钻进,包括断层和膨胀页岩层内的钻进。钻复杂地层会降低钻井速度,起下钻也更困难,导致需要长时间的倒划眼才能安全地将钻柱起出。以在该区钻进的22口井为例,大约平均40%的循环时间都花在了高狗腿度井段划眼和倒划眼上了。由于地应力方向的不确定性和泥浆性能的差异,虽然优化了泥浆类型、泥浆性能和定向井剖面,但长时间的扩划眼作业仍会导致定向工具损坏,降低钻井效率。

          克服井眼失稳定在井眼剖面设计上需要减少在页岩层段的进尺,特别是在不利方位的钻进缩短井段长度更为关键。因此,需要采用高造斜率RSS以便在页岩层段形成较高的造斜率,如12°/100ft的造斜率。为了达到如此高的造斜率率,井眼轨迹必须尽可能光滑,以防止由于台阶和狗腿而产生支点,从而影响钻井效率。此外,井眼扩径不宜过大才能保证RSS的高造斜率。这种情况下就需要使用扩划眼器了,IL Reamer满足RSS通讯和划眼的需要,可取代厂家LWD工具串内的钻具稳定器。
           
          钻进科威特北部不稳定页岩地层存在的难题与解决方案。

          难点是需要降低扩划眼时间,在科威特北部的22口井中,40%的循环时间花在清洁井眼和扩划眼上;需要减少在页岩层段的钻进进尺,尤其是在不利的方位角方向上;在RSS之上的工具串中布局第一道防线,提高扩划眼能力。解决方式是尽量减少页岩暴露,将IL Reamer作为定向钻具组合的一部分;采用高造斜率RSS,降低进入页岩层的井斜角,然后以高造斜率快速造斜;与专用井下工具供应商合作,设计一种过电缆扩划眼。

          什么是扩划眼器(IL Reamer)

          已有的各种钻具稳定器的改进设计方案都不能解决因稳定器离BHA太远或不具备扩划眼能力而引起的井下复杂。科威特石油公司设计出一种兼有加强型钻具稳定器和满足RSS BHA运转的双向被动切削结构的扩划眼器(图1),以取代现有LWD工具串的原厂过电缆钻具稳定器(IL Stabilizer)。
           
          图1  过电缆扩划眼器
          该扩划眼器拥有专利定制设计和实用创新的特点,不影响导向BHA定向能力和机械完整性。图2为指向式RSS的钻柱式扩划眼器侧视图,在扩划眼器内设计了一种特殊的内部结构,可匹配通信系统要求。扩划眼器可以充当钻具稳定器单独安放在MWD/LWD钻铤之上。
           

          图2  钻柱式扩划眼器
          图3为配合式双公扩划眼器侧视图,可直接串接在MWD/LWD钻铤中成为一个完整的单元。
           
          图3  双公接头扩划眼器
          扩划眼器专门在长度和内部结构上进行了定制以适应高造斜率需要,具有如下主要特征(对应图2的标识):
          A、螺旋棱条具有较小的包角,以利于岩屑上返,棱条上镶嵌了柱面保径碳化钨齿防止横向冲击,避免井眼扩径过大而出现导向不足和新的携岩问题。高密度的碳化钨镶齿主要是为了增加棱条的耐用性,并提供大面积的低摩擦轴承面,降低工具的反扭矩。
          B、棱条的两头肩部镶装了PDC切削齿用于划眼和倒划眼。采用4棱条轴对称切削结构设计,主要用于有效清除井眼台阶或因页岩膨胀引起的缩径。由于镶PDC齿处工具外径小于井眼尺寸,在正常井眼中钻井不会产生额外的扭矩。
          C、设计了较大的导流槽开口,即使在高机械钻速下也有足够的岩屑通过面积,棱条和导流槽的形状经过了优化,最大限度地减少了泥包的可能性,有助于顺利排出岩屑。
          D、颈部的本体上镶有碳化钨镶齿以保护棱条肩部,避免在研磨性地层中钻进产生环形磨损。
          E、量身定制的内表面可满足RSS 过电缆通信的需要。
          由于扩划眼器无活动部件,因此,即使在最长水平井中使用其寿命也是够用的,不需要在钻井过程中监控工作状态或因工具故障中途起下钻。
          图4为扩划眼器棱条结构扩划眼的横截面示意图。左图为全尺寸井眼与扩划眼器的截面图。可以看出,在井眼直径和形状正常时,扩划眼器与井筒没咬合,这种情况下扩划眼器的作用是稳定器。而右图为扩划眼器下入到一个尺寸稍微小一点的井眼或存在台阶的井眼,此时扩划眼器上的PDC切削片将与井壁接触,并将其有效地扩眼至接近正常井径,从而确保了最佳的井眼轨迹及定向效率。

          图4  扩划眼器在全尺寸井眼(左)和缩径井眼(右)中扩划眼示意图

          应用实例
          以5口井的例子来说明扩划眼器在科威特的应用效果,选了1口在MWD/LWD钻铤下部安放IL Stabilizer的井作为参考井,另4口井采用同外径的IL Reamer替代IL Stabilizer。钻进井段为8-1/2"复杂定向段,从9-5/8”套管鞋的直井段一直到水平段7”套管鞋之间。图5显示它们的定向剖面类似、井段长度也差不多,均采用一种钻头、同样的钻井液密度和性能;唯一不同的是钻具稳定器(图6)。
           
          图5  实例井轨迹剖面,1口钻具稳定器井、4口扩划眼器井
          RSS+IL Reamer的BHA成功进行了4口井作业,IL Reamer安装在LWD/MWD钻铤的中下部,对安装在工具上的通信系统未产生任何影响。由于IL Reamer配备了被动扩划眼功能,并且位于离钻头最近的位置,钻进过程中,IL Reamer有助于降低井眼台阶和狗腿,使井眼更加平滑通畅。因此,钻压从地面向下传递到钻头的效率增加,机械钻速提高。图7为参考井与应用井的平均机械钻速(ROP)对比图,可以看出,采用IL Reamer的ROP普遍提高,如3号井,因钻压传递效率提高,钻进更更快,与参考井相比,平均ROP提高39%,创造了油田ROP新纪录。
           
          图6  底部钻具组合,钻具稳定器IL Stabilizer(右)被扩划眼器IL Reamer(左)替代
           
          图7  8-1/2"井段平均ROP对比,蓝色为采用钻具稳定器井(参考井),绿色为采用扩划眼器4口井,最高ROP提高39%。
          通过随钻扩划眼,IL Reamer将井眼重新扩至标准、规则井径,以防这些不规则的地方成为稳定器的力学支点,降低钻头的侧向切削能力。因此,也有助于防止由于稳定器扭矩增加而引发的粘滑,以及由于振动导致钻压传递损失而加剧钻头粘滑。图8显示,RSS导向系统的性能没有受到影响,取得的造斜率高达12°/100ft,减少了在页岩地层的钻进进尺,特别是在不利的方位上钻井,最大限度地减少页岩暴露就可以减少页岩膨胀带来的复杂。
           
          图8  8-1/2"井段狗腿度显示1号井测得造斜率超过12°/100ft
          IL Reamer后端的扩划眼齿可以在起钻和接单根的同时完成循环洗井、扩划眼,对井眼进行修整,并清除膨胀页岩台阶与掉块,提高起钻速度,为顺利下套管奠定基础。不难看出,采用IL Reamer的井在8-1/2"井段的起下钻速度显著提高。
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