Power Drive Archer型旋转导向系统在绥中油田应用

刘鹏飞，和鹏飞，李 凡，余 涵，彭 江

（1.中海石油（中国）天津分公司，天津300452；2.中海石油能源发展工程技术分公司，天津300452）

Power Drive Archer型旋转导向系统在绥中油田应用

刘鹏飞1，和鹏飞2，李 凡1，余 涵1，彭 江2

（1.中海石油（中国）天津分公司，天津300452；2.中海石油能源发展工程技术分公司，天津300452）

Power Drive Archer混合型旋转导向系统是斯伦贝谢公司近年来开发的一款高造斜率、高效率钻井系统。介绍了该系统的基本结构、性能特点。以渤海绥中36-1油田ø215.9 mm井眼为例，在分析地层岩性特征、已钻老井使用钻具性能的基础上，对Power Drive Archer在该油田的适用性做了分析。通过合理的工具参数配置、井眼轨迹优化、钻头选型，成功将该系统应用于绥中36-1油田，解决了疏松砂岩地层的导向钻井难题，并提高了机械钻速。

旋转导向钻井；机械钻速；应用

定向钻井技术的发展经历了从早期的通过改变井下钻具组合中扶正器位置实现井身增斜、稳斜、降斜目的，到20世纪60年代井下弯角马达的应用，再到20世纪90年代旋转导向技术的兴起［1］。利用泥浆驱动偏心和扶正器的合理放置是旋转导向技术的核心，推靠式旋转导向系统通过推靠井壁实现钻头侧向钻进，指向式旋转导向系统通过工具内部的偏心组块实现钻头定向钻进，解决了推靠器对井壁的依耐性［2-6］。但是，对于某些异常疏松地层，或者复杂地层，现有的旋转导向系统仍无法实现良好的造斜率功能，只能使用常规弯角马达钻具，降低了钻井效率。Power Drive Archer（以下简称PD Archer）系统是斯伦贝谢公司研发的第3代旋转导向系统，通过本体可调弯角和内部偏心配合可实现高造斜率。本文在分析绥中36-1油田地质特征的基础上，对该工具的适用性做了分析。通过钻头选型、钻具组合优化、钻井参数控制等，成功将该工具应用于绥中36-1油田。

1 系统简介

1.1 钻具系统的组成

PD Archer系统主要由导向组块和控制组块组成，如图1。控制组块与Power Drive X6型旋转导向系统的内部结构基本相同，其上部旋转控制阀保持不动，钻井液通过推动内部推靠块，4个推靠块推动导向扶正套内壁使钻头发生轴向偏移，以万向联轴节为支点，可以实现360°的自由指向。与Power Drive X6（以下简称X6）系统不同的是伸缩翼置于工具内部，而非推靠井壁。此外，驱动头在调节环的控制下可实现类似弯角马达的本体偏移量，有0.6、0.8、0.9和1.0°四个弯角度供选择、调节，具有泥浆马达弯角导向和旋转导向的复合功能。原理如图2。

图1 PD Archer钻具部分组成

图2 PD Archer工作原理示意

1.2 钻具特性分析

PD Archer混合型旋转导向系统的主要优点是可以实现高造斜率要求，达到甚至超越常规旋转导向系统的机械钻速。通过“推靠式”和“指向式”的优点结合，该套系统可以实现高达15°／30 m的造斜率，可实现疏松地层的造斜率要求，也可减少靶前位移并保证油层段进尺，最大化油层泄油面积。在某些不稳定地层，可以选择更深的造斜点，或者以更小的井斜和更少的井段穿越该地层，有效解决了定向井设计的限制性问题。此外，基于X6系统精确控制单元的使用，可在钻井过程中有更大的排量选择范围。同时，该系统保持了斯伦贝谢工具一贯的全旋转特性，可有效提高井眼清洁能力，降低卡钻风险。另外，即使在高造斜率井段，PD Archer所钻出的井眼也能保持平滑、稳定，可进一步降低井下摩阻和转矩，使钻压有效传递至钻头，使机械钻速最大化。使用该系统所钻出的井眼，其井壁光滑，质量优异，摩阻和屈曲度降低后有利于套管及后续完井工具的下入。

2 在绥中36-1油田的适用性分析

2.1 工程概况与油田地质简介

绥中36-1油田位于渤海辽东湾下辽河坳陷、辽西低凸起中段，为北东走向的断裂背斜构造，油田钻遇地层自上而下为：平原组、明化镇组、馆陶组和东营组。油田目的层为东营组东二下段，东二下段储层为湖相三角洲沉积，具有埋藏浅，油稠，储层胶结疏松的特点，储层物性为中高孔-高渗，岩性以褐灰色细砂岩为主，夹薄层泥岩，细砂岩成分以石英为主，次为长石，部分中粒，分选中等，泥质胶结。经过近20 a的开发，目前油田已开发260多口井，地层压力衰竭明显，使储层疏松程度进一步加深。从出筒岩心和地层压实强度可以看出该区块地层极为松软。如图3。

图3 绥中36-1油田某井储层段出井岩心

2.2 钻具使用情况

本区块已钻水平井常用井身结构为：ø444.5 mm井眼×ø339.7 mm套管＋ø311.2 mm井眼×ø244.5 mm套管＋ø215.9 mm井眼×ø152.4 mm筛管，如图4。

ø215.9 mm井眼按照完钻井深和轨迹难易程度选择钻具，在完钻井深超过2 500 m时选择旋转导向钻具。根据统计，在井斜稳住的情况下，使用马达钻具滑动定向和旋转钻进复合比在40%以上，平均机械钻速40.9 m／h。同时，对于PD Xceed型指向式旋转导向工具，2011～2012年在本区块ø215.9 mm井眼水平段的使用情况统计，总进尺3 258.53 m，总开泵时间192.45 h，纯钻时间65.33 h［4］。

图4 绥中36-1油田水平井常规井身结构

2.3 导向工具适用性分析

对绥中36-1C周边区块E、G、K等平台水平段ø215.9 mm井眼PD Xceed型指向式旋转导向工具使用情况进行调研，如图5，该工具总体使用效果良好，机械钻速50～70 m／h。考虑到本区块储层为高孔隙度高渗透性的疏松砂岩，对导向工具造斜率要求较高，为提高钻井时效、获得更高的机械钻速，决定尝试使用PD Archer实施ø215.9 mm井眼作业。PD Archer配套钻具组合可提供近钻头约2.04 m的连续井斜，随钻电阻率距钻头约11.62 m、自然伽马约8.57 m、密度约9.78 m、中子约11.87 m。MWD工具测斜距钻头约18.95 m，可实现钻进过程中近钻头井斜、方位等随钻地层测井参数的实时监测。

图5 PD Xeed型旋转导向工具在绥中36-1油田应用情况统计

钻头技术也是决定钻井成败的关键因素。钻头设计会影响导向能力，推靠式旋转导向系统一般需要配置锋利侧向切削能力的钻头来达到高造斜率，而指向式旋转导向系统一般依靠不锋利、长侧向保径钻头来稳定方向。混合型旋转导向系统的钻头选型必将显得尤为重要。PD Archer采用史密斯公司专门设计的MDi519型PDC钻头，通过其IDEAS软件对钻头、钻具组合以及井身轨迹进行有限元分析，并结合地质信息整体模拟了该套钻具系统在井下的表现，模拟结果显示钻具稳定性、导向性、快速性及耐久性良好。该PDC钻头采用5刀翼设计，总布齿29个（面部19个×19 mm，保径5个×16 mm，侧面切削齿5个×13 mm），每个刀翼保径部分分布热稳定聚晶金刚石齿加强保径，刀翼上部布有PDC复合片倒划眼齿，钻头配有6个水眼，泄流面积11 051.6 mm2。

分析认为PD Xceed型指向式旋转导向工具在绥中36-1区块水平段的使用效果良好。考虑到本区块储层为高孔隙度高渗透性的疏松砂岩，对导向工具造斜率要求较高，为了提高钻井时效，获得更高的机械钻速，决定尝试使用PD Archer混合型旋转导向系统实施水平段ø215.9 mm井眼钻井作业。

3 应用实例

3.1 钻具组合及参数控制

钻具组合通常为（以ø215.9 mm井眼为例）：ø215.9 mm PDC钻头＋ø171.5 mm Power Drive Archer（内置浮阀）＋ø171.5 mm随钻测井工具＋ø171.5 mm MWD工具＋ø171.5 mm非磁钻铤＋ø165.1 mm随钻震击器＋ø127 mm加重钻杆×若干。钻井参数：钻压20～80 k N，顶驱转速70～120 r／min，排量1 600～2 000 L／min。

3.2 轨迹控制

第1口井（C44 H井）钻穿ø244.5 mm套管鞋后（参数：钻压10～30 k N，顶驱转速60 r／min，排量1 800 L／min），继续钻进至2 338 m，观测近钻头井斜为87.9°。由于设计井斜为90°且考虑到出管鞋后地层降斜较快，因此发指令0／100%，初始钻进参数：钻压20～40 k N，排量1 600 L／min，顶驱转速80 r／min。钻进至2 362 m时，观测近钻头井斜约为90.5°，发稳斜稳方位指令（HIA），目标井斜89.6°，目标方位215.5°，将排量提至1 900 L／min，顶驱转速100 r／min。钻进至2 382 m时，井斜下降较快，于是降低排量至1 700 L／min，井斜基本能够稳在89.3°附近。钻进到2 500 m，考虑井底井斜一直小于设计井斜，因此将目标井斜调整至90.6°，使得实钻轨迹在垂深尽量贴近设计数据，同时排量增大至1 900 L／min来保证井眼清洁。另外，考虑到地层有左漂趋势，因此在稳斜模式内通过增加方位指令将目标方位调整到217.5°来尽快贴近设计轨迹。钻进至2 581 m完钻。整个钻进过程中89%井段均采用稳斜稳方位模式（HIA）控制效果很理想，由于目的层疏松砂岩受排量的冲刷影响尤为明显，实钻过程中通过调整排量来调整井斜的效果很明显。

此后的2口井在钻穿ø244.5 mm套管鞋后随钻近钻头井斜显示均比预测井斜小约2°，考虑到油层底部有底水风险存在，因此钻穿上层套管鞋进入新地层后，采用高百分比设置75%～100%的造斜力尽快将目标井斜调整至设计井斜，C45 H井的初始连 续 造 斜 率 为 3°／30 m～4°／30 m，C44 H 井 和C61 H井的初始连续造斜率达到7°／30 m～8°／30 m。

在实际钻井过程中，地层的不稳定性增加了井眼轨迹的控制难度，地层的增降斜趋势没有很明显的规律。通过Archer近钻头连续井斜的迅速判断，优选采用工具导向力25%～50%的百分比，结合1 600 L／min的排量来调整轨迹，这样会有利于狗腿度的预测和控制。

3.3 机械钻速

此次3口井的作业中，在深入了解地层特性的基础上，不断优化作业措施，获得较高的机械钻速，且稳中有升，如图6。

图6 绥中36-1油田使用PD Archer钻具机械钻速对比

4 结论

1） 对于不稳定性地层的井眼轨迹控制，尤其在增、降斜确实没有明显规律时，MWD的应用可对轨迹控制做出迅速判断，有利于预测和控制狗腿度。

2） 考虑到PD Archer混合型旋转导向系统的高造斜率特性，尽量减少使用绝对百分比来调整井眼轨迹。因此，在整个水平段钻进过程中，一旦目标井斜和垂深达到理想目标值，应优先采用稳斜、稳方位模式（HIA）来控制实钻轨迹。在HIA模式内对于井眼井斜和方位的闭环控制可以有效避免大狗腿的出现，而且可以有效提高机械钻速。

3） 钻进参数对于井身轨迹的调整控制尤为重要。钻进过程中，排量1 600～1 700 L／min可以有效降低地层冲刷，在疏松砂岩层内对于工具的造斜率保证有着重要意义；在HIA模式下使用高排量1 900 L／min可以有效避免井斜增大。钻进过程中考虑到旋转导向的工作特性，在造斜率不是很高的疏松地层段，将顶驱转速从正常钻进的100 r／min降至60 r／min，对于保证造斜率有着重要的作用。

4） PD Archer混合型旋转导向系统的应用有利于渤海地区开采薄油层，特别是对于钻进高孔、高渗疏松砂岩有着重要意义。

［1］ 《海洋钻井手册》编委会.海洋钻井手册［M］.北京：石油工业出版社，2009：588.

［2］ 刘峰.Power-V和PD Xceed垂直导向钻井技术在渤海油田的应用［J］.石油钻采工艺，2009（10）：30-33.

［3］ 孙晓飞，韩雪银，和鹏飞，等.防碰技术在金县1-1-A平台的应用［J］.石油钻采工艺，2013，35（3）：48-50.

［4］ 和鹏飞，孔志刚.Power Drice Xceed指向式旋转导向系统在渤海某油田的应用［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2013，40（11）：45-48.

［5］ 孙铭新，韩来聚，李作会.静态偏置推靠钻头式旋转导向钻井系统介绍［J］.石油矿场机械，2003，32（6）：4-7.

［6］ 王定亚，李爱利.海洋钻井隔水管系统配套技术研究［J］.石油矿场机械，2010，39（7）：12-15.

Application of Power Drive Archer in Suizhong Oilfield

LIU Peng-fei1，HE Peng-fei2，LI Fan1，YU Han1，PENGJiang2
（1.Tianjin Branch of CNOOC Ltd.，Tianjin 300452，China；2.CNOOC Ener Tech-Drilling&Pr oduction Co.，Tianjin 300452，China）

Wit h a brief description about exter nal str uct ure，t he inter nal co mposition and wor king principle of Power Drive Archer，PD Archer is compared with mud motor and other drilling tools in ter ms of safety，ti meliness aboutø215.9 mm borehole in SZ36-1 Oilfiel d.Wit h st udy on parameter configuration，wellbore trajectory opti mization，bits selection successf ully applied PD Archer in SZ36-1 Oilfiel d and sol ved t he proble m guiding t he drilling of unconsolidated sandstone f or mations.This will give an experience reference f or other parts.

r otar y steerable drilling；penetration rate；app lication

TE951

B

1001-3482（2014）06-0065-04

2014-01-08

刘鹏飞（1981-），男，四川人，硕士，2007毕业于西南石油大学油气田开发专业，主要从事海洋石油钻完井技术监督及管理工作，E-mail：liupf4＠cnooc.com.cn。