上世纪20年代末期,人们发现了钻井过程中井眼弯曲问题并认识到要钻绝对直的井是不可能的,并逐渐认识到了井斜的危害。上世纪40年代末至50年代初期,防斜成为钻井技术领域所关注的问题。
后来,利用井斜钻成了定向井、水平井和丛式井解决了许多油田开发中的难题并取得了良好的经济效益。从防斜打直、造斜、增斜、稳斜到降斜,井眼轨道控制研究取得了一系列重要成果。[1]
人们很久以前就试图找出井斜的原因。他们发现,当所用的钻具组合柔性大、钻压高,或者初始井斜角较大时,井眼轨迹就很有可能偏离直线。如果钻柱相对柔性较大或受到过高的压缩载荷作用时,就很难钻成一口直井。但是,即使钻具组合和钻井条件不发生改变,人们仍然发现井眼有偏斜的趋势。这种井斜现象主要归咎于所钻地层的特性。当钻遇层状岩层(如页岩一砂岩层)时,这种现象比钻遇均质石灰岩或块状砂岩时更为明显。对于地层倾角高、硬度大、扭曲厉害的地层,自然造斜效应就更大。后来人们又发现不同类型的钻头钻出的井眼也有不同的倾斜程度。
钻井实践表明,造成井斜的原因是多方面的,如地质条件、钻具结构、钻井技术措施以及设备安装质量等,但归纳起来,主要有两个方面:
第一是钻柱力学方面的原因,即下部钻具受压发生弯曲变形使钻头偏斜和在钻头上产生侧向力使井眼轨道发生弯曲。
第二是钻头与岩石的相互作用方面的原因,即由于所钻地层的倾斜、各向异性和非均质性使井眼轨道发生弯曲。
井斜过大会使井深发生误差,使所取得的地质资料失真,使井底远离设计井位,错过油气层,而造成勘探工作的失误。井斜过大会使井眼偏离原设计井位,打乱油田开发布井方案。在钻井过程中,斜井内钻柱靠下井壁旋转,产生严重摩擦;在井斜突变井段,钻柱易弯曲,从而易使钻柱磨损和折断;在斜井内更有可能发生井壁坍塌和键槽卡钻事故。如井斜过大,还会造成下套管困难和下入的套管不居中,直接影响固井质量,造成固井串槽、管外冒油气。井斜过大会直接影响采油井的井下分层开采和注水,下封隔器困难,封隔器密封不好等;过斜的采油井会造成油管和抽油杆的磨损和折断,甚至造成严重井下事故。因此,控制井斜,对勘探、开发以至钻井本身都意义重大。
井斜控制,就是要在提高井身质量、保证准确钻达目标的前提下,提高钻进速度、降低钻井成本。从根本上说,井斜控制就是要控制造斜率和方位变化率,以期得到合格的井斜角、方位角和井底位移。直井对井身质量的要求常包括如下三个方面:井斜角不能超过允许值;井斜变化率(即狗腿严重度或井眼曲率)不能超过允许值;井底水平位移不能超过允许值。由于地区情况不同,对直井井身质量的规定也有不同的要求。一般来讲,井钻得越深,对狗腿度的要求就越严格,否则,就会形成键槽或使钻杆遭受疲劳破坏。对3000m到4000m的井深来讲,如能保持狗腿严重度小于1.5°/30m,就不致于发生问题。对超深井,在距井口较近的层位由于钻杆拉力大,地层较松软,起下钻次数多,对狗腿度的要求应严格,反之,就可稍大些。对上述关于直井井身质量要求的三个方面,一些文献认为,钻直井对井斜角可不必作过分严格的限制。我同石油行业在关于“钻井井身质量标准(试行)”中,采用以井眼曲率和井底最大水平位移两项指标作为衡量直井井身质量的标准。但对定向井,尤其是丛式井组的直井段,对井斜角则有严格的限制(一般要求直井段终点处井斜角在0.5°以内)。[1]
直井井斜控制方法
(1)理论基础
带稳定器的旋转钻井斜控制技术是最常用的井斜控制技术,该项技术的核心在于通过稳定器位置的安放来达到所需的井斜控制效果。下部钻具组合影响井斜的关键力学性能指标是:钻头侧向力和钻头转角。
求解多稳定器钻具组合的力学性能有多种方法,如有限元法、微分方程法、能量法等。国内目前普遍采用纵横弯曲连续梁法。纵横弯曲连续梁法将—个带有多稳定器的井底钻具组合看成是受有轴向载荷的连续梁,利用梁柱的弹性稳定理论可推导出受轴向力影响的三弯矩方程组,并据此来分析井底钻具组合的力学性能。
使用纵横弯曲法时,首先把井底钻具组合从支座(各稳定器和上切点)处断开,得到若干受纵横弯曲载荷的简支梁柱,再用弹性稳定理论求出每跨简支梁柱的端部转角。利用连续梁柱在支座处转角相等的连续条件和上切点处的边界条件,即可得到一系列以支座内弯矩和最上—跨长度为未知数的代数方程组;解此代数方程组,即可完全确定该弹性体系的受力与变形。[1]
(2)钟摆钻具工作原理
①光钻铤钟摆钻具
光钻铤钟摆钻具是最简单的钟摆钻具,这种钻具组合的钻头侧向力计算公式:
对此式可作进一步分析:
1.钟摆力恒为降斜力,钟摆力与切点以下的钻具长度和单位长度浮重成正比,且随井斜角的增大而增大。因此,当井斜愈严重时,钟摆力愈大,纠斜作用愈强;
2.钻压一方面产生增斜力,同时也减少钟摆力。这是因为系正值,它使井斜角增大;另据分析,当PB增加时,切点位置下移,L1变小,导致钟摆力下降。所以,为了纠斜,应避免使用大钻压而采取吊打方式,这样可得到较大的钟摆力和降斜效果,这对于需要较高钻压的牙轮钻头将会降低钻井速度。使用需钻压较小的PDC钻头往往能取得更好的效果;
3.光钻铤钟摆钻具不适于防斜,这是因为当α较小时,其钟摆力数值很小。当地层造斜力较强时,可使井斜角继续增加,同时钟摆力也随之增加。当钻头侧向力的增斜分量与降斜分量(钟摆力)相等时,井斜角将不再增加而达到平衡;
4.采用大直径钻铤可使w1增大,使e1减小,因此可使钟摆力增大,使造斜分量减小。
综上所述,光钻铤钟摆钻具适于纠斜而不适于防斜。可采用大直径钻铤并减小钻压或采用吊打方式进行纠斜。但是因吊打时机械钻速太小,耗费工时,将导致钻井成本提高,不符合“钻直、钻快”的要求。
②带有稳定器的钟摆钻具
为了克服光钻铤钟摆钻具的缺点,可在钻头上方的适当高度位置加装一个稳定器。这样在施加较大钻压时,不会造成切点下移而导致钟摆力下降;相反,因稳定器下部具有足够长的钻铤长度,且有较小的el值,从而保证有较大的钟摆力。
稳定器的最优安装位置可由井底钻具组合分析程序计算和对比不同方案选优确定(以具有最大钻头降斜力的方案为优)。在钻井现场,一般在稳定器下方配装2根钻铤。
稳定器到钻头间的距离不宜过大,否则,在钻压和钻铤自重的作用下,该跨钻铤会和井壁产生新的接触点或接触段,从而使降斜力减小。
除了单稳定器钟摆钻具组合外,还有双稳定器钟摆钻具组合,如果在两个稳定器间选用相对小尺寸的钻铤,即构成双稳定器柔性钟摆钻具组合。采用这种钻具组合,可得到较大的钻头降斜力。
对有稳定器的钟摆钻具组合,其钻头侧向力即:
采用柔性钻具,可使下稳定器处内弯矩Ml的绝对值减小(Ml<0),从而得到较大的降斜力。
(3)满眼防斜钻具工作原理
满眼钻具由于近钻头稳定器的作用,使钻头转角较小并且利用三个稳定器三点直线性来保证井眼的直线性和限制钻头的横向移动,从而达到防斜的效果。满眼钻具的设计要求主要有三点:保证下部钻铤有尽可能大的刚度;保证稳定器之间具有合适的长度;保证稳定器与井眼之间的间隙尽可能小。满眼钻具能承受较大钻压,因而能获得较高的机械钻速。但满眼钻具的主要作用是防斜(或控制井眼曲率变化),在发生井斜后其纠斜效果不如钟摆钻具,此时需要起下钻换钟摆钻具纠斜。
这种钻具组合一般要装三个稳定器(或在大钻铤外表面的适当位置加焊硬质合金扶正块),如图6-35所示:下稳定器靠近钻头,多为螺旋稳定器,依次向上是短钻铤(3m左右)、中间稳定器、钻铤(1根)和上稳定器。钻具组合有“满眼”、 “刚性”的结构特点。即其稳定器外径接近井眼尺寸,钻铤外径较大,具有较强的抗弯能力,故能承受较高钻压而变形较小,使钻具组合在井眼内基本居中。下稳定器具有抵抗地层造斜力的能力。这种钻具组合的钻头侧向力Pa一般较小,且在钻压大幅度变化时基本保持常量,因此能在钻压作用下实现快速钻进,基本维持井斜角不变,使井身具有较小的井斜变化率。[2]
定向井井斜控制方法
一旦设计出了一种轨迹,就有不同的方法来实现它。造斜器、带有弯接头或弯外壳的螺杆钻具、带弯接头或偏心扶正器的涡轮钻具、喷射钻头以及带稳定器钻具组合都能不同程度的实现井眼轨迹的控制。以下介绍改变井眼轨迹所用的主要工具以及影响这些工具使用的主要因素。
(1)造斜器
最早用于造斜的工具称为造斜器(见图)。造斜作用是通过造斜器下部的钢质尖楔完成的。造斜钻进开始时钻头锁在造斜器的上部,首先将造斜器下到所需造斜深度(井底)时进行定向,使楔形面所对的方向为造斜方向(楔形面所对的方向又称为工具面)。造斜器定向以后施加一定的钻压,以使造斜器固定于井底,在钻头开始旋转时它不转动。在施以附加的钻压剪断连接钻铤与造斜器的销钉,转动钻头。造斜器强迫钻头在向下钻进的过程中沿着造斜器的楔形面向所需要的造斜方向逐渐偏斜。钻进至造斜器上部到达停止位置后起出造斜器,下入领眼和扩眼钻头钻进,将造斜井段井眼扩大到原来井眼尺寸,起钻下入常规钻进的下部钻具组合继续钻进。
造斜器如果使用得当,是一种有效的造斜工具,但它的使用存在许多不足:
1.一次造斜需多次起下钻,起出常规钻具下入造斜器,造斜完后起出造斜器下入扩眼钻头进行扩眼再起出扩眼钻具下入常规钻具钻进;
2.如果造斜器在井底固定不稳,这可能是由于井眼底有填充物等原因,就会发生许多复杂问题,造成造斜失败;
3.在钻头钻离造斜器底部时,如果地层太软而又操作不当的话,钻头就可能离开造斜器开始的曲率回到垂直井眼。
由于上述操作复杂、需要很丰富的经验等原因使造斜器的实际使用越来越少,但在某些特殊情况下造斜器仍获得有效的使用。如在地层很硬的情况下或在温度太高的井眼中,因温度太高可能使液动马达的橡胶失效。[3]
(2)喷射钻头
改变井眼轨迹的另一种有效的方法是喷射钻头。下如带有一个大喷嘴的钻头井底定向,使大喷嘴对准需的工具面。喷射时,钻井液的水力能量把井眼底部冲出一个口袋。钻具组合不旋转向前进入冲出的口袋1至2米。开始旋转,继续进行常规钻进,直到达到7至9米深并进行测量以评价造斜效果。如果需要再改变轨迹,再把喷射组合定向,重复喷射程序,一直进行到达到了要求的轨迹变化为止。
地质条件是对是否可以采用喷射的最重要的影响因素,其次就是能提供给喷射造斜的水力能量。胶结能力差的砂岩和鲕状灰岩是喷射造斜的最好选择对象。未固结的砂岩和某些其他类型的很软的岩石也可以喷射造斜。很软的岩石太容易冲蚀,难于沿着要求的方向喷射;再次旋转时扶正器会把弯曲的喷射段切割掉,又回到接近垂直的井眼轨迹。有时在喷射钻头中用比同一尺寸井眼正常使用的钻铤较小的钻铤,可克服这一问题。另一种解决办法是降低泥浆排量,冲出一个正规的口袋来。
即使页岩可能很软,但它也不是进行喷射的好的选择对象。绝大多数中强岩石胶结得太好。不容易用常规钻井泵进行喷射,因此,这就限制了可以进行喷射的深度。更高的压力和更大的水力能量可以喷射得更深。
喷射的主要优点是同一套下部钻具组合可以用来改变轨迹和继续钻进。如果地质条件有利,喷射比用液马达更经济。喷射的第二个重要优点是建立了原来的轨迹后还可以稍微改变一下轨迹。
(3)容积式液马达(螺杆钻具)
在轨迹控制方面最重要的进步是使用带弯接头、弯外壳或可在控制下改变轨迹的偏心扶正器的容积式液马达和涡轮。不带弯接头或弯外壳时这两种类型的马达都能用于正常定向钻进或直井钻进。容积式液马达于1966年研制成功,主要是用作定向工具。从那以后,容积式液马达已经在世界各国使用,既作为定向钻井工具,又作为打直井的工具。
使用容积式液压马达设计和执行轨迹变化的步骤:
(1)设计水力参数使通过钻头的压力降不超过厂家规定的限度,在整个轨迹变化过程中,要提供足够的泵压和排量来驱动马达。选择具有足够功率的容积式液压马达,以转动适合已给系列地层和产生轨迹变化所需的那种尺寸和类型的钻头。
(2)一旦设计了马达、钻头和水力参数,接着是选择合适的弯接头(根据轨迹变化的需要)。
(3)把马达、钻头、弯接头和定向接头等钻具全下入井内。
(4)考虑马达的反扭矩,在起动马达之前,在地面定向,这时要上下活动钻柱,以减少钻杆和弯接头或弯壳体的静摩擦。
(5)循环泥浆,把排量调整到所需要的数值,起动马达。
(6)给进钻头,直到由立管压力或工具面指示器显示出反扭矩为止,这里包含着钻头和地层的相互作用。
一般地,当井斜角大于2时,计划进行扭方位。如果需要在大井斜时改变轨迹,就要用更长的工具行程(可能需要多次工具行程)以保持狗腿严重度在预定的限度内。这种情况下,必须优化钻头行程,以延长马达寿命,或使已钻井段为最长。[2]
(4)涡轮
涡轮于1934年首先用于前苏联,使用涡轮从1953年的65%增加到1959年全部钻井的86.5%,最近,前苏联地区全部钻井的50~60%是使用涡轮。跟容积式马达不一样,涡轮的功率输出只是在工作条件的有限的范围内是最佳的。在较低速度和较高扭矩时,涡轮钻进的效率明显下降,牙轮钻头由于要求高的轴向载荷和较低的速度钻进。因此不适合用于涡轮钻进。金刚石钻头和新型聚晶金刚石钻头更适合于涡轮。金刚石钻头还没有像牙轮钻头那样用于涡轮,是因为把一定的金刚石钻头与特定的地层类型相匹配是很困难的。甚至经常使用涡轮的前苏联工程师们也是主要用牙轮钻头。这一情况已使他们制造钻速较低的液马达。
用涡轮钻定向井和直井比用容积式液马达更为复杂。对于已给定的涡轮必须选择钻头,钻井设备必须能给出能使涡轮在最大效率下工作时的压力相应的流量。此外,操作者必须能在绝大多数时间内能得到最大功率的转速和扭矩下操作涡轮。
跟容积式液马达不同,因为钻头转速和扭矩都与立管压力无关,所以确定涡轮是否正常运转的唯一方法是测量井下钻头速度或扭矩。需要一个地面读出转速计来精确地控制涡轮,除非是操作者很熟悉所钻地区的地层,能选择合适的钻头和马达尺寸,并且彻底了解涡轮性能。即使操作者有这些经验,他还得经常监视涡轮,使它不致停止运转,并使它用合适的钻压钻进,以保证最佳的钻进条件。这是前苏联和欧洲以外地区涡轮适用少的另一原因。
(5)下部钻具组合
下部钻具组合是钻柱的一部分,它影响钻头的轨道,从而影响井眼的轨道。下部钻具组合的结构可以是简单的,只包括钻头、钻铤和钻杆;也可以是复杂的,包括了钻头、稳定器、无磁钻铤、遥测单元、减震器、钻铤、扩大器、振击器、接头、加重钻杆和普通钻杆。图6-39描述了几种常用的下部钻具组合。
在钻井的早期,光钻铤组合(钻头加钻铤)是最普遍的。后来,发现了钟摆组合可以用来控制井斜。由于定向钻井的发展,多稳定器下部钻具组合用得更广泛,在井斜控制施工中,多稳定器组合显示是有效的。
所有的下部钻具组合在钻头上形成一个侧向力,这个力使钻头造斜、降斜、稳斜、以及向左或向右。钻头的造斜、稳斜或降斜的趋势主要根据钻头侧向力是正值、零或负值。这种情况主要体现在硬地层中(钻速0.3~3米/小时)。下部钻具组合中各个稳定器及下部钻具组合和井壁接触的部份,对地层或套管都具有侧向力。有时候,这些力大得足以在套管上磨出一个洞、对地层进行机械研磨或切削,及使和井壁接触的钻杆和稳定器产生磨损。如果下部钻具组合中每个单元的物理性质是已知的,以及如果井眼的形状、尺寸及轨道是能够描述的,则对于一定的钻压和转速条件下的组合的力及位移是能够准确决定的。
钻头侧向力并不是唯一影响井斜和钻头方位的因素。在下部钻具组合的作用机理中,钻头倾斜是影响钻头方向及井斜的另一个因素,特别是对于软到中硬地层。地层越软,钻头倾斜控制钻头轨道的影响越大(另一方面,地层越硬,则钻头侧向力的作用越突出)。弯外壳动力钻具的工作即基于“钻头倾斜”原理。对非常软的地层(钻速3~30米/小时),钻头侧向力又重新起主导作用。
使用下部钻具组合控制井眼轨迹的主要优点是旋转钻进,有利于井眼净化、减少钻柱滑动摩阻、节约钻井成本、减少井眼狗腿等,而缺点是缺乏方位控制的能力。[1]