一種滑動鑽井方法與流程
2023-12-10 01:06:31 1
本發明涉及石油鑽井技術領域，確切地說涉及一種滑動鑽井方法。
背景技術：
在石油天然氣開發過程中，為了以最少的鑽井數量開採油氣資源，或者為了減少地面和地下條件對石油天然氣開發的影響，20世紀30年代石油天然氣工作者發明了非垂直井鑽井技術，人為地按預期偏移在地層中鑽洞，形成定向井或水平井。
目前實現定向井、水平井按預期在地層中鑽洞主要有以下兩鍾技術：一是旋轉導向鑽井技術，通過井下驅動裝置在旋轉條件下，在鑽頭位置產生預期的力或轉角，實現所鑽井洞按預期方向偏移。該方法的優點是鑽洞效率高，缺點是作業費用較高，目前還沒有在國內大範圍使用。二是定向滑動鑽井技術，在鑽進過程中，保持鑽柱不旋轉，依靠井下彎的動力鑽具產生鑽頭破巖旋轉力和所鑽井筒向預期方向便宜的力和轉角。該方法的優點是成本較低，較常規鑽井只增加了一條彎的井下動力鑽具和一個測量井筒偏移後的空間位置的MWD，該方法是當前定向井、水平井採用的主流技術。該方法的缺點是在滑動鑽井過程中，鑽頭以上鑽柱不旋轉，而是沿井眼軸向滑動，鑽頭依靠螺杆鑽具的動力破巖，由於鑽柱保持相對靜止，不做旋轉運動，部分鑽柱躺在井筒下壁，靜摩擦力極大，導致鑽頭切削地層巖石的能量不能有效施加，同時保持井下動力鑽具在井筒中相對高點的角度（工具面）穩定也較為困難，表現在作業過程中鑽井速度慢，頻繁調整工具面角度浪費大量時間，同時發生井下複雜和事故的可能性也大幅增加。
為了提高滑動鑽井速度和效率，近年來業界產生了井下振動方法，通過在距離鑽頭一定距離處加裝一個水力震蕩裝置，在鑽井過程中把部分水力能量轉化為「振動」能力，帶動與之相鄰的一定範圍內的鑽柱「振動」，從而消除柱與井筒的靜摩擦力，起到了提高滑動鑽井速度和效率的作用。同時該方法也存在一些不足，一是井下的水力震蕩裝置存在一定的工作壽命和失效機率，會導致額外的起下鑽，增加了鑽井時間和費用，二是該裝置的工作能量來自於水力能量，表現為鑽井過程中地面注入水力壓力(泵壓)增加，往往在2-5MPa，部分泵壓已經很高了的井，就不能使用或者只有更換更高能力的地面注入設備，三是該方法只能帶動與井下振動裝置相鄰的一定範圍內的鑽柱「振動」，不能消除整個鑽柱的靜摩擦力，導致效果不好，甚至沒有。
經檢索，美國國民油井華高有限合夥公司申請了一件名稱為擺動鑽柱的裝置和方法的專利，該專利在中國的公開號為CN101466911A，公開日為2009年6月24日，其主要內容是：一種擺動鑽柱的方法，所述方法包括如下步驟：(a)在第一方向上旋轉所述鑽柱，直到到達第一極限為止；(b)在第二方向上旋轉所述鑽柱，直到達到第二極限為止；其特徵在於，所述第一和第二極限的基礎在於旋轉期間所施加能量的量值。該專利雖然提到了可以擺動鑽柱，但一方面，該方法順時針和逆時針旋轉鑽柱目標角位置相同，另一方面，其沒有公布確定順時針與逆時針旋轉鑽柱目標角位置的步驟以及如何用於滑動鑽井的方法，在滑動鑽井中應用不具備可操作性。
同時，公開號為CN103277048A，公開日為2013年9月4日的中國專利文獻公開了一種自動滑動鑽井控制裝置，屬石油鑽井工具設計技術領域，其特徵在於由導向工具面角度傳感器、扭矩傳感器、鑽液壓力傳感器、可編程處理器、用戶輸入設備、視頻輸出顯示器、鑽柱旋轉控制器組成；可編程處理器接收來自導向工具面角度傳感器、扭矩傳感器和鑽液壓力傳感器的輸出信號，並由可編程處理器進行處理，並將接收信息和處理結果在視頻輸出顯示器上進行顯示；可編程處理器將接收的信息處理後，將控制指令輸出到鑽柱旋轉控制器，對鑽柱旋轉控制器進行控制。該發明能夠進行工具面的修正和快速精確定向，滑動與旋轉鑽進的轉換迅速，增加了水平段的鑽進能力，具有提高機械鑽速、提高井眼軌跡質量、延長井下馬達壽命的特點。
CN103277048A專利公開的是應用旋轉、搖擺、衝撞鑽柱自動調整滑動鑽井過程中工具面的方法，沒有公布在滑動鑽井過程中自動調整工具面的同時，應用順時針、逆時針旋轉、搖擺鑽柱消除鑽柱靜摩擦力與「託壓」現象的步驟和方法，沒包括提高了滑動鑽井速度和效率的全部方面和步驟，不能構成完整的滑動鑽井方法。
技術實現要素：
本發明旨在針對上述現有技術所存在的缺陷和不足，提供一種滑動鑽井方法，採用本方法，在滑動鑽井過程中，持續順時針、逆時針旋轉鑽柱而不改變用於控制井眼軌跡的彎井下動力鑽具的相對方向，從一定程度上消除了鑽柱靜摩擦力，提高了滑動鑽井速度和效率，該方法解決了「螺杆動力鑽具+隨鑽測量系統」滑動鑽井所面臨的「託壓」、工具面不穩定等問題，同時費用低於旋轉導向系統等高成本鑽井技術，具有非常重要的現實意義。
本發明是通過採用下述技術方案實現的：
一種滑動鑽井方法，其特徵在於包括如下步驟：
a）分析摩擦阻力嚴重程度；
b）測量井下動力鑽具工作壓差，進而計算井下動力鑽具輸出能量時影響的相鄰鑽柱長度；
c）確定需要施加的順時針和逆時針搖擺鑽柱的能量；
d）按設計能量和方向搖擺鑽柱；
e）評價滑動鑽井效果並優化滑動鑽井參數。
步驟a）中，包括在下鑽過程中，每下入100m~1000m鑽柱後，旋轉鑽柱測量鑽柱與井筒之間的摩擦係數，以及在鑽進過程中每鑽進9m~100m，旋轉鑽柱測量鑽柱與井筒之間的摩擦係數。
進一步地，在步驟a）中，也可以是下鑽到底後再測量全井段的摩擦係數，旋轉鑽柱測量摩擦係數時可以開泵或者不開泵，可以鑽頭接觸井底或者不接觸井底，接觸井底後可以施加或者不施加鑽壓。
進一步地，在步驟a）中，還包括通過旋轉鑽柱計算鑽柱與井筒之間的摩擦係數的方法。計算出來的摩擦係數可以是全井段平均值，也可以是分井段的摩擦係數平均值，分井段計算摩擦係數時通常是100m~1000m。
步驟b）中，通過測量鑽進過程中和沒有鑽進但是鑽井液依然在循環過程中壓力的差值，確定井下動力鑽具的輸出扭矩，結合測量的摩阻係數和力學計算方法計算該扭矩在相鄰鑽柱上的作用範圍和長度。
進一步地，在步驟b）中測量壓力的差值可以在立管上或者在泥漿泵上，或者在泥漿泵自水龍頭之間的循環管線上的任意位置上安裝壓力表進行測量。
進一步地，在步驟b）井下動力鑽具的輸出能量包括輸出扭矩和轉動速度，計算方法參考井下動力鑽具的能量輸出曲線圖和關係式。
進一步地，在步驟b）中，由於井下動力鑽具輸出能量後，該能量通過鑽頭與地層間的接觸，反作用到井下動力鑽具和與之連接的鑽柱上面，帶動鑽柱與鑽頭相反的方向旋轉，直到鑽柱與井筒之間的摩擦力平衡掉該反作用力，該步驟中還包括計算或測量該反作用力傳遞位置和影響範圍的方法和步驟。
步驟c）中，計算需要施加的順時針和逆時針搖擺鑽柱的能量包括旋轉的扭矩極限、位置極限和旋轉速度，該能量在順時針和逆時針方向上的數值可以是相同或者是不相同。
進一步地，在步驟c）中，包括計算所需施加的順時針和逆時針搖擺鑽柱的能量值的方法和步驟，該方法包括採用力學模型計算或者通過安裝在井下的扭矩傳感器進行測量計算。
步驟d）中控制鑽柱按設計能量值旋轉鑽具可以是一種控制裝置控制頂驅帶動鑽柱旋轉，也可以是一種驅動裝置直接與鑽柱接觸，旋轉鑽柱。
進一步地，在步驟d）中還包括對從頂驅或其他傳感器中採集扭矩、轉速、轉動方向參數，並將採集的參數與設計參數進行比對，確定是否已經旋轉到設計的能量值，達到設計值則進行下一個動作，沒有達到設計值則繼續旋轉直到設計值；進一步的，還包括比對方法和步驟。
進一步地，在步驟d）中還包括順時針和逆時針旋轉的極限值不變，但是中性點參考位置按需要旋轉設定角度或附加設定扭矩。
步驟e）中評價滑動鑽井效果主要指評價地面施加的搖擺能量是否傳達到目標位置，該目標位置與井下動力鑽具反扭矩向上傳遞的最大位置相隔0~200m。
進一步地，在步驟e）評價滑動鑽井效果主要指評價地面施加的搖擺能量是否傳達到目標位置，放入方法包括通過井下傳感器測量距離鑽頭一定距離的鑽柱是否因為該能量的施加而發生轉動，該一定距離是9m~29m。
進一步地，在步驟e）還包括評價鑽井速度、作業效率有沒有提高。
進一步地，在步驟e）還包括根據評價結果進一步優化順時針和逆時針搖擺鑽柱的能量值。
相對於CN101466911A專利和CN103277048A專利，本發明所達到的有益效果如下：
1、本方法通過測量立管壓力確定順時針和逆時針搖擺鑽柱的能量，通過搖擺控制裝置控制頂驅按設計參數順時針和逆時針搖擺鑽柱，通過井下動力裝置彎曲方向測量裝置實時反饋鑽柱搖擺效果，並實時修正搖擺能力輸入，進而達到不影響滑動鑽井控制所鑽井筒在地層中偏移位置和程度的同時，提高鑽井速度和作業時效的目的。
2、本方法詳細公布了石油天然氣鑽井領域減少滑動鑽井「託壓」現象和快速調整工具面的方法與詳細步驟，構建了全新的、完整的滑動鑽井方法，生產應用可實施性和推廣性強，為滑動鑽井提高機械鑽速、和作業效率提供技術支撐。
3、相對於CN101466911A專利和CN103277048A專利，本方法重點在於如何確定摩擦阻力嚴重程度，如何測量井下動力鑽具工作壓差，進而計算井下動力鑽具輸出能量時影響的相鄰鑽柱長度，以及如何確定需要施加的順時針和逆時針搖擺鑽柱的能量，本發明採用了具體的辦法來實現，從而能使本方法真正用於滑動鑽井，具有了可操作性。
附圖說明
下面將結合說明書附圖和具體實施方式對本發明作進一步的詳細說明，其中：
圖1為本發明流程示意圖。
圖2為本發明所採用的滑動鑽井系統示意圖。
具體實施方式
為了更清楚地說明本發明實施例中的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚明白，下面將結合附圖對本發明實施例做進一步詳細說明。在此，本發明的示意性實施例及其說明用於解釋本發明，但並不作為對本發明的限定。
實施例1
本發明公開了一種滑動鑽井方法，該方法包括下列步驟：a）分析摩擦阻力嚴重程度；b)測量井下動力鑽具工作壓差，進而計算井下動力鑽具輸出能量時影響的相鄰鑽柱長度；c）確定需要施加的順時針和逆時針搖擺鑽柱的能量；d）按設計能量和方向搖擺鑽柱；e）評價滑動鑽井效果並優化滑動鑽井參數。
步驟a）中，包括在下鑽過程中，每下入100m~1000m鑽柱後，旋轉鑽柱測量鑽柱與井筒之間的摩擦係數，以及在鑽進過程中每鑽進9m~100m，旋轉鑽柱測量鑽柱與井筒之間的摩擦係數。
進一步地，在步驟a）中，也可以是下鑽到底後再測量全井段的摩擦係數，旋轉鑽柱測量摩擦係數時可以開泵或許不開泵，可以鑽頭接觸井底或許不接觸井底，接觸井底後可以施加或許不施加鑽壓。
進一步地，在步驟a）中，還包括通過旋轉鑽柱計算鑽柱與井筒之間的摩擦係數的方法。計算出來的摩擦係數可以是全井段平均值，也可以是分井段的摩擦係數平均值，分井段計算摩擦係數時通常是100m~1000m。
步驟b）中，通過測量鑽進過程中和沒有鑽進但是鑽井液依然在循環過程中壓力的差值，確定井下動力鑽具的輸出扭矩，結合測量的摩阻係數和力學計算方法計算該扭矩在相鄰鑽柱上的作用範圍和長度。
進一步地，在步驟b）中測量壓力的差值可以在立管上或許在泥漿泵上，或許在泥漿泵自水龍頭之間的循環管線上的任意位置上安裝壓力表進行測量。
進一步地，在步驟b）井下動力鑽具的輸出能量包括輸出扭矩和轉動速度，計算方法通常參考井下動力鑽具的能量輸出曲線圖和關係式。
進一步地，在步驟b）中，由於井下動力鑽具輸出能量後，該能量通過鑽頭與地層間的接觸，反作用到井下動力鑽具和與之連接的鑽柱上面，帶動鑽柱與鑽頭相反的方向旋轉，直到鑽柱與井筒之間的摩擦力平衡掉該反作用力。該步驟中還包括計算或測量該反作用力傳遞位置和影響範圍的方法和步驟。
步驟c）中，計算需要施加的順時針和逆時針搖擺鑽柱的能量包括旋轉的扭矩極限、位置極限和旋轉速度，該能量在順時針和逆時針方向上的數值可以是相同或許是不相同。
進一步地，在步驟c）中，包括計算所需施加的順時針和逆時針搖擺鑽柱的能量值的方法和步驟。該方法包括採用力學模型計算或許通過安裝在井下的扭矩傳感器進行測量計算。
步驟d）中控制鑽柱按設計能量值旋轉鑽具可以是一種控制裝置控制頂驅帶動鑽柱旋轉，也可以是一種驅動裝置直接與鑽柱接觸，旋轉鑽柱。
進一步地，在步驟d）中還包括對從頂驅或其他傳感器中採集扭矩、轉速、轉動方向等參數，並將該採集參數與設計參數進行比對，確定是否已經旋轉到設計的能量值，達到設計值則進行下一個動作，沒有達到設計值則繼續旋轉直到設計值。還包括比對方法和步驟。
進一步地，在步驟d）中還包括順時針和逆時針旋轉的極限值不變，但是中性點參考位置按需要旋轉一定角度或附加一定扭矩。
步驟e）中評價滑動鑽井效果主要指評價地面施加的搖擺能量是否傳達到目標位置，該位置與井下動力鑽具反扭矩向上傳遞的最大位置相隔一定距離，通常是0~200m。
進一步地，在步驟e）評價滑動鑽井效果主要指評價地面施加的搖擺能量是否傳達到目標位置放入方法包括通過井下傳感器測量距離鑽頭一定距離的鑽柱是否因為該能量的施加而發生轉動，該距離通常是9m~29m。
進一步地，在步驟e）還包括評價鑽井速度、作業效率等有沒有提高。
進一步地，在步驟e）還包括根據評價結果進一步優化順時針和逆時針搖擺鑽柱的能量值。
實施例2
為了提高滑動鑽井機械鑽速、克服定向託壓現象，本發明提供了一種操作簡單的滑動鑽井方法，如圖1、2所示，該方法包括下列步驟：
步驟（1）：分析摩擦阻力嚴重程度，所述摩擦阻力嚴重程度由鑽柱7與井筒之間的摩擦係數大小確定，在下鑽過程中或下鑽到底後，通過旋轉鑽柱7，計算鑽柱7與井筒之間的摩擦係數；
步驟（2）：測量井下動力鑽具工作壓差，進而計算井下動力鑽具輸出能量時影響的相鄰鑽柱長度，所述的井下動力鑽具1的工作壓差由測量鑽進過程中和沒有鑽進但是鑽井液依然在循環過程中壓力的差值確定，該測量壓力的差值可由泥漿泵2至水龍頭之間的循環管線上的壓力傳感器3測得，從而確定井下動力鑽具1的輸出扭矩，結合測量的摩阻係數和力學計算方法計算該扭矩在相鄰鑽柱上的作用範圍和長度。
步驟（3）確定需要施加的順時針和逆時針搖擺鑽柱的能量，所述的需要施加的搖擺鑽柱1的能量包括旋轉的扭矩極限、位置極限和旋轉速度，通過採用力學模型計算或許通過安裝在井下的扭矩傳感器8進行測量計算；
步驟（4）：按設計能量和方向搖擺鑽柱，所述按設計能量和方向搖擺鑽柱可以是通過鑽臺的鑽柱搖擺控制器5控制頂驅控制器6，進而對頂驅4進行控制，帶動鑽柱1旋轉，也可以採用驅動裝置直接與鑽柱1接觸，旋轉鑽柱1；
步驟（5）：評價滑動鑽井效果並優化滑動鑽井參數，所述的評價滑動鑽井效果並優化滑動鑽井參數，主要指評價地面施加的搖擺能量是否傳達到目標位置，該位置與井下動力鑽具反扭矩向上傳遞的最大位置相隔一定距離。
在方法中，搖擺鑽柱實際為一帶驅動機構的鑽柱，該驅動機構驅動鑽柱搖擺，鑽柱搖擺控制器根據扭矩傳感器傳回來的信號控制鑽柱搖擺的方向和力度，驅動機構本石油鑽井領域的常規機構。