大庆油田水基钻井液中应用Geo-Pilot旋转导向浅析

杨德才

（大庆钻探工程公司钻井工程技术研究院，黑龙江大庆163413）

我公司自2015年引进哈里伯顿Geo-Pilot 7600旋转导向钻井系统，到目前已累计完成8口井的技术服务工作，其中有6口井为分公司完成的轨迹控制导向任务，最大行程钻速为103.34m/d，最高机械钻速为12.12m/h，水平段最长服务井段1218m，最大服务垂深为2169m。在应用旋转导向完成这些井施工工作期间，有2口井在施工中出现严重刮卡。

2015年元旦以后，国家《新环保法》开始实施，钻井工程中环保要求严格，油基钻井液已经全面停用。在目前水平井施工中，普遍使用水基钻井液体系，对于水平段要求使用旋转导向系统的井，我公司组织Geo-Pilot 7600系统施工水平，结合钻井工程的实际情况，探讨在现有条件下如何保障工具安全，实现快速钻井，取得最佳的经济效益。

1 Geo-Pilot旋转导向系统简介

Geo-Pilot旋转导向工具系统是由Halliburton公司开发的指向式钻井工具，已经成功获得商业化应用。它是一种不旋转外筒式自动导向工具，主要有旋转心轴、不旋转外筒、偏心环偏置机构、支点承座等部分构成。

Geo-Pilot旋转导向工具工作时，依靠不旋转外筒与旋转心轴间的一套偏置机构使旋转心轴偏置弯曲，从而为钻头提供一个与井眼轴线不一致的倾角。该偏置机构为特殊的偏心环偏置机构，包括外偏心环、内偏心环以及偏心驱动机构。偏心驱动机构通常有联轴节、减速机构、离合器等构成。偏心环在转动中，对钻柱施加偏置力，使钻柱发生弯曲，从而使钻头处钻柱的轴线和井眼轴线之间出现夹角，从而实现旋转导向。

2 Geo-Pilot具体应用的情况

2.1 单井的应用情况

（1）井身结构及轨道设计情况。以2016年施工的某井为例，其井身结构及轨道设计见图1。

(2)钻具组合。造斜段钻具组合：∅215.9mmPDC钻头+∅172mm单弯螺杆（1.5°）+∅172mm浮阀+∅172mm LWD+∅165mm无磁钻铤×1根+∅165mm螺旋钻铤2根+∅127mm加重钻杆×6根+∅127mm钻杆×45根+∅127mm加重钻杆×24根+∅127mm钻杆。

水平段钻具组合：∅215.9mmPDC钻头+∅193mmGeo-Pilot旋转导向工具+∅172mm浮阀+∅127mm加重钻杆×3根+∅165mm震击器+∅127mm加重钻杆×3根+∅127mm钻杆×165根+∅127加重钻杆×24根+∅127mm钻杆。

(3)轨道调整情况。在造斜段钻进过程中，通过LWD录取的伽马曲线和电阻率曲线，和相邻井的测井曲线对比，发现实际层位与设计层位垂深存在差异。在造斜过程中出现3次对轨道的调整，见表1。特别是第三次调整，造成下部井眼待钻曲率达到9.31°/30m。现场定向工程师通过软件优化轨道，实钻井眼走轨道下沿，既要保证中靶，又要降低井眼曲率，实钻最大曲率也达到了8.86°/30m。

图1 井身结构及轨道设计情况

(4)钻井液的要求。Geo-Pilot旋转导向工具，对钻井液性能要求较高。因此使用旋转导向施工的水平井，一般都选用技术较成熟的高性能水基钻井液体系，主要性能见表2。在钻井液中严禁使用硅酸盐、铁矿粉和乳化沥青等材料。在钻井液性能控制方面，主要保证钻井液的携砂、润滑和井壁稳定，防止坍塌、卡钻等形成复杂事故。

(5)实际钻井中的效果。为保证旋导工具顺利下入，本井对造斜段井眼进行修整井壁处理。采用双螺扶进行了一次通井，但是在钻井后期，起下钻及短起下过程中，仍然存在摩阻较大、井壁失稳、掉块的情况，见表3。

表2 三开钻井液主要性能指标

起下钻过程中，发现底部钻具（外径最大214mm）在通过青山口底部,及其与泉头组交界时，存在摩阻大、超拉现象。分析地质原因是青山口底部的黑色油页岩，在水基钻井液中长时间浸泡后，出现掉块，井壁失稳。表象上就出现了超拉，或者卡钻。

2.2 其它井的应用情况

在其它4口井水平段应用了Geo-Pilot旋转导向工具，有2口井也出现了卡钻，一口出现超拉现象，具体情况如表4所示。

3 Geo-Pilot应用优缺点浅析

表3 短/长起摩阻情况

表4 4口井应用旋导情况

3.1 Geo-Pilot应用的优点

(1)在水平段施工中应用，依据实时地质曲线，随时下传指令，不依赖于滑动钻进来完成井斜及方位的调整，从而避免了水平段定向托压及定向钻速慢等问题。复合钻进时钻压能有效传递到钻头，使用旋导工具的水平段平均钻速比邻井螺杆钻速提高60%以上。

(2)转速大幅度提高，通常是110～120r/min，普通螺杆是30～50r/min。除接钻具外，其它时间钻具均可旋转，处于活动中，能及时清理岩屑，避免粘卡、砂卡等。

(3)实时微调轨迹，能保证钻头在油层中穿行，同时减少井眼迂曲度，连续精确的井眼轨迹控制，有效地改善了井眼质量，减小摩阻，可延伸水平段长度。

3.2 Geo-Pilot应用的缺点

(1)由旋转导向工具组成的底部钻具组合为满眼钻具组合，钻具结构中没有柔性短接，其刚性较强。在底部钻具通过某些不稳定的地层时，或者局部狗腿度较大(一般认为超过大于8°/30m)时，存在超拉刮卡，甚至卡钻事故。

(2)旋转导向导向头的外筒上有3个轴向上的支撑臂，支撑臂中滚轮最大伸出外径为235mm，并且不能主动缩回，支撑臂随外筒逆向旋转。一旦井壁失稳，细小碎块或者岩屑，容易落入支撑臂的滚轮中，造成支撑臂不能归回原位，形成上提下放摩阻过大，严重时无法通过原井眼。

(3)旋转导向工具在使用时，其本身对钻井液的性能要求并不高，但是使用旋转导向的目的，就是要有效地延长水平段长度。随着水平位移的增大，需要克服摩阻大扭矩高等问题，这就要求更高性能的钻井液了。大庆油田以前使用油基钻井液体系时，致密油水平井最大水平位移达到2977.86m，一般普通水平井也达到1500m左右。目前使用水基钻井液施工的井，最大水平位移为1485.16m，就存在扭矩过大，超出顶驱承受能力，严重制约了水平长度的延伸。

4 Geo-Pilot应用的改进建议

4.1 优化底部钻具组合结构，增加柔性短节

如果旋转导向工具应用不当，一旦落井，不仅资产受损，也影响后续水平井开发效率。为了保证井下工具的安全和随钻测量数据的准确，研究柔性短节对带旋转导向工具的BHA的动力学特性的影响十分必要。柔性短节的材料一般为钛合金材料(弹性模量为109GPa，长度在1.2m左右），运用有限元迭代法研究柔性短节位置对带位移工作方式旋转导向工具的BHA动力学特性的影响规律，为优化BHA结构,降低其动态应力，保证导向能力，提高井下工具安全性提供依据。

其它钻井约束条件：井眼直径215.9mm，井斜角90°，钻压100kN，转速140r/min，钻井液密度1.20g/cm3。Ls为钻头至柔性短节的距离(m)，通过改变柔性短节的位置，对钻具振动的影响如图2所示。

图2 带柔性短节不同位置时的动态变形

从三维振动动态图上可以明显看出，有无柔性短节及柔性短节位置的改变，动态变形明显不同，其中Ls=6、8、10m和没有柔性短节时，底部钻具组合的横向振动幅度较大，柔性短节的加入和合理的摆放位置能够减少剧烈的横向振动，防止BHA的运动不稳定所导致的重要工具失效和测量数据准确性的问题。

4.2 改善水基钻井液性能

钻井工艺已经从传统的螺杆+MWD/LWD发展到旋转导向钻井，对水基钻井液性能提出了更高的要求,特别是钻井液的携屑能力、护壁能力以及润滑等方面。Geo-Pilot在造斜段需穿越不同的地层，如嫩江组、姚家组、青山口、泉头组等，邻近油层时由泥岩进入砂岩，要求钻井液对井壁有稳定的支撑作用，不能由于岩性变化而造成缩径。随着水平段长度不断延伸，还需要降低钻具的摩阻扭矩，现有钻井设备能承受其摩阻扭矩负载，这样才能更好地发挥旋转导向的优势，单井水平段越长，油层钻遇率越高，单井发挥出的性价比越高。

5 关于Geo-Pilot的一些认识

(1)有无柔性短节和柔性短节位置的改变，旋转导向系统的动力学特性有明显的变化。在合理的位置加入柔性短节能够减小旋转导向工具的横向动态偏移，并且使得最大动态应力明显下降，起到减振的效果；相反，如果柔性短节位置不合理，将会明显增加动态应力。

(2)柔性短节位置对最大动态应力的影响远大于钻压和转速，合理地确定柔性短节位置对提高井下工具的安全性和测量数据的准确性有重要作用。

(3)转速对底部钻具组合动态应力有一定影响，柔性短节位置Ls≤11m时，最大应力较小，当11m＜Ls＜14m时，最大应力的值较大。

(4)提高水基钻井液的性能，在造斜段穿越不同地层时，有效平衡不同层序的地层压力；在水平段水平长度不断延伸时降低钻具摩阻扭矩，发挥出旋转导向对致密油水平井钻井提质提速的作用。