【導(dǎo)讀】第九章定向井和水平井鉆井技術(shù)

　　

【正文】 MWD 測斜。根據(jù)水平位移大小，大斜度井常常采用兩種剖面，即：三段制“ J”型和五段制“ J”型剖面。通常，大斜度井的剖面中沒有降斜井段。 水平位移在 1000 米左右或最大井 斜為 55～ 70176。 的大斜度井，適合用三段制“ J”型剖面。這種剖面要求連續(xù)造斜至預(yù)定的最大井斜，在大斜度的情況下穩(wěn)斜鉆進(jìn)，以便增加油層的裸露面積，穩(wěn)斜井段一般較短，以防止摩擦阻力過大和降斜，增加施工困難。這種剖面尤其適合于地層傾角較大的油層。 水平位移較大的大斜度井，適合采用五段制“ J”型剖面，即第一增斜段至第一穩(wěn)斜段至第二增斜段至第二穩(wěn)斜段的剖面，在同等條件下，它比三段式剖面需要的垂直井深要長。這種剖面的施工方法可以這樣進(jìn)行。鉆完直井段后下入表層套管，然后按 2～ 4 度／ 30 米的增斜率鉆完第一增斜段，根據(jù) 需要第一段井斜角可增至 30 一 40 度左右，穩(wěn)斜鉆進(jìn)部分井段后，下入技術(shù)套管，再按 13～ 20 度／ 100 米的增斜率鉆至最大井斜角，如果余下的穩(wěn)斜段還很長（一般超過 300 米），應(yīng)在增斜段鉆完后再鉆部分穩(wěn)斜段時下入一層技術(shù)套管，以保證下步施工順利。 一般來說，進(jìn)行大斜度井剖面設(shè)計，還應(yīng)考慮下列問題：（ 1）井眼曲率過大以及重力問題，它們與摩擦阻力、鉆速、降斜趨勢、壓差卡鉆、機械卡鉆以及巖屑堵塞等有很大的關(guān)系，應(yīng)采用計算機進(jìn)行摩擦阻力的設(shè)計計算；（ 2）地層因素，油藏類型及厚度等地質(zhì)資料，它們直接影響到井眼能否在正 確的設(shè)計深度準(zhǔn)確地穿過目的層。（ 3）設(shè)計合理的井身結(jié)構(gòu)。 2．大斜度井的鉆具組合選擇 （ l）三段式“ J”型剖面的大斜度井鉆具組合 這種大斜度井的造斜、增斜、穩(wěn)斜鉆具組合與普通走向井基本上一樣，但穩(wěn)斜鉆具通常只使用 2 柱以內(nèi)的鉆鋌長度（包括非磁鉆鋌），而加重鉆桿則達(dá)到 10～ 15 柱、穩(wěn)定器一般用 2 只．以降低鉆具失重，減少摩擦阻力。所用鉆具一般為微增斜組合，達(dá)到穩(wěn)斜效果（因井斜大，出現(xiàn)自然降斜趨勢）。 （ 2）五段制“ J”型剖面的大斜度井鉆具組合： ①第一增斜段、穩(wěn)斜段的鉆具組合與普通 走向井一樣； ②第二增斜段的增斜率通常比第一增斜段高，是比較關(guān)鍵的井段，常用鉆具組合為三種： 第一種 導(dǎo)向鉆進(jìn) 鉆頭十導(dǎo)向馬達(dá)十穩(wěn)定器十 MWD 十鉆鋌（ 2～ 4 根）十鍵槽破壞器十撓性接頭十震擊器十加重鉆桿。 第二種 轉(zhuǎn)盤增斜 鉆頭十近鉆頭穩(wěn)定器十 MWD 十鉆鋌十穩(wěn)定器十鉆鋌（ 3～ 6 根）十鍵槽破壞器十撓性接頭十震擊器十加重鉆桿。 第三種 吉列根（ Gilligan）增斜鉆具 鉆頭十近鉆頭穩(wěn)定器十加重鉆桿（ 1 根）或小尺寸鉆鋌 l根十穩(wěn)定器十 MWD 十鉆鋌（ 3～5 根）十鍵槽破壞器 十撓性接頭十震擊器十加重鉆桿。 如在 311 毫米（ 121/4 英寸）井眼，“小尺寸鉆鋌”可以是 159 毫米（ 61/4 英寸）。 ③第二穩(wěn)斜段的鉆具組合與三段制剖面的穩(wěn)斜井段一樣。 （ 3）大斜度井施工注意事項： ①使用高標(biāo)準(zhǔn)高質(zhì)量的管材，特別是加重鉆桿，以防止鉆井過程中扭矩過大而發(fā)生鉆具斷裂。因此，所有井下鉆具必須經(jīng)探傷合格，方可下井； ②選用扶正塊表面平滑的一體式穩(wěn)定器和鉆柱擴眼器等可以降低摩擦阻力，特別是井較深的大斜度井； ③隨鉆震擊器的質(zhì)量和位置非常重要，應(yīng)該選用震擊力大的機械式 鉆井震擊器。如果斜井段較長，有必要用兩個震擊器，一個位于下部鉆具組合附近以防壓差卡鉆，另一個在上部以防類似鍵槽等復(fù)雜情況。 ④建議使用 PDC 鉆頭，因為這種鉆頭所需要的鉆壓較小、如果有條件，建議將 PDC 鉆頭與導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)等聯(lián)合使用。這樣可以減少起下鉆的次數(shù)，縮短裸眼時間，同時也易于控制井斜和方位。 ⑤使用計算機進(jìn)行摩阻計算。根據(jù)實測的摩擦力情況，逐步調(diào)整校對摩擦系數(shù)，保證計算結(jié)果有一定的準(zhǔn)確性； ⑥ 大斜度井的鉆井液非常重要，要確保井眼暢通。下列方法是現(xiàn)場經(jīng)常采用的： A．調(diào)整鉆井液性能和流型來 降低扭矩及防止巖屑堵塞穩(wěn)定器； B．在不影響井眼穩(wěn)定性的情況下經(jīng)常短起下鉆劃眼； C．在循環(huán)鉆井液過程中，上下活動鉆具有助于巖屑返出地面； D．保證凈化系統(tǒng)始終處于完好狀態(tài)； E．提高鉆井液潤滑性，降低摩擦阻力。 七．救險井的設(shè)計和施工要點 1．確定失控井的井底位置。根據(jù)原有的測斜結(jié)果進(jìn)行分析，對可能有的單點、多點、陀螺和 MWD 等幾種結(jié)果得到的不同井底位置，選擇最為精確的一種結(jié)果作為失控井的井底位置。 2．進(jìn)行救險井的軌道設(shè)計。救險井的井口必須選在失控井的上風(fēng)、在盡可能縮短救險井軌跡 長度的條件下，使其與失控井井口有足夠的距離，以保作業(yè)安全。在設(shè)計新老井眼連通井段時，使救險井連通井段與失控井有足夠的平行井段（這個“平行井段”應(yīng)從失控井的走向背后采取尾隨跟蹤的方法平行鉆進(jìn)），增加新老井眼交會的機會，使救險易于成功。 3．隨時測斜，盡早發(fā)現(xiàn)新老井眼的連通。 4．確定新老井眼是否接近的方法有： （ 1）超長電極距電測（ ULSEL）法 利用地層電阻率測井對新老井眼連通點的地層進(jìn)行分層電阻率模擬。在救險井靠近失控井時，由于失控井的套管會影響電阻率的變化，觀察到的 ULSEL 電阻率的比值可以確定新老井眼之間的距離，可監(jiān)測距離達(dá) 米（ 75 英尺），但不能得到失控井的方位。 （ 2）磁場梯度確定法 它對于套管接箍等引起的磁場變化十分敏感。根據(jù)磁場強度可確定失控井內(nèi)套管與救險井的距離和方位。它可以監(jiān)測到 ～ 米（ 40～ 50 英尺）處的套管。 第四節(jié) 定向井專用工具 一．井下馬達(dá) 井下動力鉆具是常用的造斜工具之一，它分為渦輪鉆具、容積式馬達(dá)和電動鉆具三大類。目前在我國海洋定向井的井下馬達(dá)使用方面，電動鉆具已不存在，渦輪鉆具也很 少使用，通常使用容積式馬達(dá)（ PDM 型）、容積式馬達(dá)可分為迪那、納維和螺桿鉆具。容積式馬達(dá)具有下列優(yōu)點：一是動力鉆具所鉆井眼尺寸與原井眼完全相同，不必再次下鉆擴眼；二是井內(nèi)有橋塞時，這類鉆具可以鉆過，并能在開始造斜前將井底循環(huán)干凈；三是空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速與工作轉(zhuǎn)速相差的幅度較小（與渦輪相比），有利于鉆頭選型。 在各種井下馬達(dá)中，將重點介紹廣泛使用的螺桿鉆具。 1．迪那（ Dyna）鉆具 （ l）結(jié)構(gòu)和類型 迪那鉆具主要由旁通閥總成、定子、轉(zhuǎn)子、萬向節(jié)總成和傳動軸總成組成。主要分為五種規(guī)格：即 Δ 200／ 500、 Δ 500、 Δ 500＋ Δ 1000 和 Δ 1000 低速。迪那鉆具的裝配扭矩見表 9－ 2，其萬向節(jié)總成見圖 9－ 18。 （ 2）迪那鉆具規(guī)范和操作參數(shù)（見表 9－ 3） （ 3）迪那鉆具的反扭角經(jīng)驗數(shù)據(jù)表（見表 9－ 4） 直井中的反扭角（ α＜ 2176。都看作直井 ） 造斜點深度（米） 0～ 152 152～ 305 305～ 457 457～ 1524 ＞ 1524 反扭角 20176。 25176。 35176。 50176。 10176。／ 305 米 （ 4）迪那鉆具使用注意事項： ①根據(jù)鉆井條件 選用合適的鉆具類型和合理的鉆井參數(shù)，以提高迪那鉆具的工作效率； ②下井前應(yīng)認(rèn)真檢查兩端連接螺紋和臺肩及外殼體有無變形，旁通閥是否靈敏完好，并測量軸承間隙。 ③下井前應(yīng)進(jìn)行試轉(zhuǎn)，確定迪那鉆具工作正常后方可下井。 ④迪那鉆具下井時應(yīng)控制下放速度，下鉆遇阻不得硬砸硬壓； ⑤鉆進(jìn)時應(yīng)保持均勻送鉆，防止溜鉆、頓鉆。鉆進(jìn)中應(yīng)密切注意泵壓表的壓力變化。當(dāng)發(fā)現(xiàn)泵壓突然上升時，應(yīng)及時提起鉆具，重新加壓鉆進(jìn)； ⑥ 保持鉆井液含砂量不大于 l％，以提高迪那鉆具的使用壽命； ⑦ 起出迪那鉆 具應(yīng)認(rèn)真檢查旁通閥總成并把鉆具內(nèi)的鉆井液排凈，測量軸承間隙，加油保養(yǎng)旁通閥。 2．納維（ NAVI）鉆具 （ l）納維鉆具種類 ① Mach l 型多頭螺桿馬達(dá) ② Mach 2 型單頭螺桿馬達(dá) ③ Mach 3 型單頭螺桿馬達(dá) （ 2）結(jié)構(gòu) 納維鉆具由旁通閥、定子、轉(zhuǎn)子、萬向軸、軸承總成和傳動軸組成。 （ 3）特點 ① Mach l 型。其主要特點是長度短、轉(zhuǎn)速低、扭矩大。適用于定向鉆井、深井、牙輪鉆頭鉆井和取心鉆井。 ② Mach 2 型。扭矩中等，適用于大段直井鉆井，可以提高直井鉆井機械鉆速。 ③ Mach 3 型。長度短、反扭矩小，適用于定向鉆井、定向造斜和扭方位。 （ 4）納維鉆具技術(shù)性能和技術(shù)參數(shù)（見表 9－ 9－ 9－ 7）。 3．螺桿鉆具 （ l）主要結(jié)構(gòu)與工作原理。 螺桿鉆具由旁通閥、馬達(dá)（轉(zhuǎn)子、定子）、萬向軸（節(jié)）和傳動軸四部分組成（見圖 9－ 19）。 螺桿鉆具的工作動力來自循環(huán)鉆井液，在一定壓力下，鉆井液泵入鉆具，進(jìn)入馬達(dá)的螺旋形空腔使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，而后動力經(jīng)萬向軸傳遞到傳動軸和鉆頭上。 所設(shè)計的旁通閥是為了在起下鉆時使循環(huán)液繞過不工 作的馬達(dá)，溝通鉆柱與環(huán)空的鉆井液通道（結(jié)構(gòu)見圖 9－ 20）。 當(dāng)無鉆井液循環(huán)或低泵沖循環(huán)時，在彈簧的作用下，閥心處于上部位置，此時旁通孔開啟，鉆井液可灌入鉆柱或自鉆柱泄出。閥心的移動由流量大小決定，當(dāng)鉆井液泵量達(dá)到一定數(shù)值時，水力推力克服彈簧力，使閥心下移，關(guān)閉旁通孔，所有鉆井液流經(jīng)馬達(dá)所作的功轉(zhuǎn)換為機械能。 （ 2）使用要求 ①鉆井液的要求 螺桿鉆具對于各種鉆井液都能有效地工作，包括油基、水基和乳化的鉆井液。鉆井液粘度和密度對鉆具的影響很小，但對整個系統(tǒng)的壓力有直接影響，如果推 薦排量下的壓力大于額定泵壓值，就得減少鉆井液排量，或者有必要降低通過鉆具或鉆頭的壓力降。鉆井液中的砂粒等雜質(zhì)會影響鉆具性能，加速軸承和馬達(dá)定子的磨損。因此，鉆井液中的含砂量必須控制在 l％以內(nèi)，每種型號的鉆具都有各自的流量范圍，只有在此范圍內(nèi)，鉆具才能有較高的效率，一般情況下，流量范圍的中間值是鉆具最佳輸入流量值。 ②流經(jīng)螺桿鉆具的壓力降要求 鉆具懸空時排量不變，則通過螺桿鉆具的鉆井液壓力降也不變，隨著鉆頭接觸井底鉆壓增加時，鉆井液循環(huán)壓力增加，泵壓也增加，司鉆可以用以下公式來控制操作：打鉆泵 壓＝循環(huán)泵壓十螺桿鉆具的負(fù)載壓降。 循環(huán)泵壓，就是鉆頭沒有接觸井底時的泵壓，也叫離底泵壓。鉆頭接觸井底，扭矩增大，泵壓就要上升。這時壓力表的讀數(shù)就叫作打鉆泵壓。 離底泵壓不是一個常數(shù)，它隨井深和鉆井液的特性變化而變化，但實際操作中，沒必要隨時測取循環(huán)泵壓的精確值，一般取每次接單根后的離底泵壓為近似值，這樣做完全可以滿足公式的精度要求。如果忘記測量，則必須將鉆具提離井底進(jìn)行補測。 鉆具工作中，打鉆泵壓達(dá)到最大推薦壓力時，鉆具產(chǎn)生最佳扭矩，繼續(xù)增加鉆壓將增加泵壓，當(dāng)超過最大設(shè)計壓力時，馬 達(dá)可能會停止轉(zhuǎn)動，此時應(yīng)立即降低鉆壓，以防螺桿鉆具內(nèi)部損壞。 ③扭矩 螺桿鉆具的扭矩與鉆井液流經(jīng)馬達(dá)產(chǎn)生的壓力降成正比，轉(zhuǎn)速與輸入排量成正比，排量一定時，扭矩增加而轉(zhuǎn)速基本保持不變，螺桿鉆具從空載到滿載，速度降低一般不超過 10％左右。 （ 3）使用方法 ①下井前的地面檢查： A．用提升短節(jié)將鉆具提起，坐入轉(zhuǎn)盤卡瓦內(nèi)，使旁通閥位于轉(zhuǎn)盤之上，裝上安全卡瓦，卸去提升短節(jié)； B．用木棒壓下旁通閥的閥心至下死點，然后松開閥心，檢查彈簧復(fù)位力（舊馬達(dá)有時因彈簧銹死，可能壓不 下）； C．用木棒壓下旁通閥心，向閥體內(nèi)注水檢查密封性，如密封性好，則小孔無水流出，然后松開閥心，則有水從小孔流出； D．將螺桿鉆具接上方鉆桿，下放螺桿鉆具使旁通閥處于轉(zhuǎn)盤下方易觀察的部位，慢慢開泵，當(dāng)排量不足以使旁通閥關(guān)閉時，應(yīng)有鉆井液從旁通孔流出，然后加大排量至馬達(dá)啟動，看驅(qū)動接頭是否旋轉(zhuǎn)，此時應(yīng)記下泵的排量，停泵前，應(yīng)再下放螺桿鉆具讓旁通閥閥口位于轉(zhuǎn)盤以下，檢查停泵時鉆井液是否經(jīng)旁通閥閥口順利流出； E．檢查軸承間隙，參閱后面起鉆檢查部分。 ②螺桿鉆具下井： A．地面檢查結(jié)束后 ，用吊鉗卡住驅(qū)動接頭，用鉆頭盒把鉆頭和螺桿鉆具接上，大鉗只可咬在旋轉(zhuǎn)傳動軸驅(qū)動接頭上； B．使用彎接頭時，定向裝置的定位鏡必須和工具面對正，如果要用浮閥，則可直接裝在旁通閥上方，千萬不要加在馬達(dá)下邊，否則，浮閥就不起作用了，原因是鉆井液可從旁通閥流入。如果在驅(qū)動接頭和鉆頭之間還要加轉(zhuǎn)換接頭，則對其長度應(yīng)加以有限制，不宜超過250 毫米； C．下放螺桿鉆具時，依次把彎接頭、測量工具、非磁鉆具、鉆鋌、震擊器、加重鉆桿下入； D．螺桿鉆具下井時應(yīng)控制下放速度，以免下放過快而使馬達(dá)倒轉(zhuǎn)，從而造成內(nèi)部連接螺紋脫 扣。此外，控制下放速度，能夠防止螺桿鉆具在通過防噴器、砂橋、套管鞋等處撞壞鉆具； E．當(dāng)下放深井段或遇到高溫井段時，應(yīng)分段循環(huán)鉆井液冷卻鉆具，保護定子內(nèi)襯橡膠。用 MWD 時，在下鉆過程中，每 500 米應(yīng)打通一次； F．下