CN106401467B - 一种滑动钻井方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种滑动钻井方法，涉及石油钻井技术领域，其包括如下步骤：a）分析摩擦阻力严重程度；b）测量井下动力钻具工作压差，进而计算井下动力钻具输出能量时影响的相邻钻柱长度；c）确定需要施加的顺时针和逆时针摇摆钻柱的能量；d）按设计能量和方向摇摆钻柱；e）评价滑动钻井效果并优化滑动钻井参数。采用本方法，从一定程度上消除了钻柱静摩擦力，提高了滑动钻井速度和效率，该方法解决了“螺杆动力钻具+随钻测量系统”滑动钻井所面临的“托压”、工具面不稳定等问题，同时费用低于旋转导向系统等高成本钻井技术，具有非常重要的现实意义。

Description

一种滑动钻井方法

技术领域

本发明涉及石油钻井技术领域，确切地说涉及一种滑动钻井方法。

背景技术

在石油天然气开发过程中，为了以最少的钻井数量开采油气资源，或者为了减少地面和地下条件对石油天然气开发的影响，20世纪30年代石油天然气工作者发明了非垂直井钻井技术，人为地按预期偏移在地层中钻洞，形成定向井或水平井。

目前实现定向井、水平井按预期在地层中钻洞主要有以下两钟技术：一是旋转导向钻井技术，通过井下驱动装置在旋转条件下，在钻头位置产生预期的力或转角，实现所钻井洞按预期方向偏移。该方法的优点是钻洞效率高，缺点是作业费用较高，目前还没有在国内大范围使用。二是定向滑动钻井技术，在钻进过程中，保持钻柱不旋转，依靠井下弯的动力钻具产生钻头破岩旋转力和所钻井筒向预期方向便宜的力和转角。该方法的优点是成本较低，较常规钻井只增加了一条弯的井下动力钻具和一个测量井筒偏移后的空间位置的MWD，该方法是当前定向井、水平井采用的主流技术。该方法的缺点是在滑动钻井过程中，钻头以上钻柱不旋转，而是沿井眼轴向滑动，钻头依靠螺杆钻具的动力破岩，由于钻柱保持相对静止，不做旋转运动，部分钻柱躺在井筒下壁，静摩擦力极大，导致钻头切削地层岩石的能量不能有效施加，同时保持井下动力钻具在井筒中相对高点的角度（工具面）稳定也较为困难，表现在作业过程中钻井速度慢，频繁调整工具面角度浪费大量时间，同时发生井下复杂和事故的可能性也大幅增加。

为了提高滑动钻井速度和效率，近年来业界产生了井下振动方法，通过在距离钻头一定距离处加装一个水力震荡装置，在钻井过程中把部分水力能量转化为“振动”能力，带动与之相邻的一定范围内的钻柱“振动”，从而消除柱与井筒的静摩擦力，起到了提高滑动钻井速度和效率的作用。同时该方法也存在一些不足，一是井下的水力震荡装置存在一定的工作寿命和失效机率，会导致额外的起下钻，增加了钻井时间和费用，二是该装置的工作能量来自于水力能量，表现为钻井过程中地面注入水力压力(泵压)增加，往往在2-5MPa，部分泵压已经很高了的井，就不能使用或者只有更换更高能力的地面注入设备，三是该方法只能带动与井下振动装置相邻的一定范围内的钻柱“振动”，不能消除整个钻柱的静摩擦力，导致效果不好，甚至没有。

经检索，美国国民油井华高有限合伙公司申请了一件名称为摆动钻柱的装置和方法的专利，该专利在中国的公开号为CN101466911A，公开日为2009年6月24日，其主要内容是：一种摆动钻柱的方法，所述方法包括如下步骤：(a)在第一方向上旋转所述钻柱，直到到达第一极限为止；(b)在第二方向上旋转所述钻柱，直到达到第二极限为止；其特征在于，所述第一和第二极限的基础在于旋转期间所施加能量的量值。该专利虽然提到了可以摆动钻柱，但一方面，该方法顺时针和逆时针旋转钻柱目标角位置相同，另一方面，其没有公布确定顺时针与逆时针旋转钻柱目标角位置的步骤以及如何用于滑动钻井的方法，在滑动钻井中应用不具备可操作性。

同时，公开号为CN103277048A，公开日为2013年9月4日的中国专利文献公开了一种自动滑动钻井控制装置，属石油钻井工具设计技术领域，其特征在于由导向工具面角度传感器、扭矩传感器、钻液压力传感器、可编程处理器、用户输入设备、视频输出显示器、钻柱旋转控制器组成；可编程处理器接收来自导向工具面角度传感器、扭矩传感器和钻液压力传感器的输出信号，并由可编程处理器进行处理，并将接收信息和处理结果在视频输出显示器上进行显示；可编程处理器将接收的信息处理后，将控制指令输出到钻柱旋转控制器，对钻柱旋转控制器进行控制。该发明能够进行工具面的修正和快速精确定向，滑动与旋转钻进的转换迅速，增加了水平段的钻进能力，具有提高机械钻速、提高井眼轨迹质量、延长井下马达寿命的特点。

CN103277048A专利公开的是应用旋转、摇摆、冲撞钻柱自动调整滑动钻井过程中工具面的方法，没有公布在滑动钻井过程中自动调整工具面的同时，应用顺时针、逆时针旋转、摇摆钻柱消除钻柱静摩擦力与“托压”现象的步骤和方法，没包括提高了滑动钻井速度和效率的全部方面和步骤，不能构成完整的滑动钻井方法。

发明内容

本发明旨在针对上述现有技术所存在的缺陷和不足，提供一种滑动钻井方法，采用本方法，在滑动钻井过程中，持续顺时针、逆时针旋转钻柱而不改变用于控制井眼轨迹的弯井下动力钻具的相对方向，从一定程度上消除了钻柱静摩擦力，提高了滑动钻井速度和效率，该方法解决了“螺杆动力钻具+随钻测量系统”滑动钻井所面临的“托压”、工具面不稳定等问题，同时费用低于旋转导向系统等高成本钻井技术，具有非常重要的现实意义。

本发明是通过采用下述技术方案实现的：

一种滑动钻井方法，其特征在于包括如下步骤：

a）分析摩擦阻力严重程度；

b）测量井下动力钻具工作压差，进而计算井下动力钻具输出能量时影响的相邻钻柱长度；

c）确定需要施加的顺时针和逆时针摇摆钻柱的能量；

d）按设计能量和方向摇摆钻柱；

e）评价滑动钻井效果并优化滑动钻井参数。

步骤a）中，包括在下钻过程中，每下入100m~1000m钻柱后，旋转钻柱测量钻柱与井筒之间的摩擦系数，以及在钻进过程中每钻进9m~100m，旋转钻柱测量钻柱与井筒之间的摩擦系数。

进一步地，在步骤a）中，也可以是下钻到底后再测量全井段的摩擦系数，旋转钻柱测量摩擦系数时可以开泵或者不开泵，可以钻头接触井底或者不接触井底，接触井底后可以施加或者不施加钻压。

进一步地，在步骤a）中，还包括通过旋转钻柱计算钻柱与井筒之间的摩擦系数的方法。计算出来的摩擦系数可以是全井段平均值，也可以是分井段的摩擦系数平均值，分井段计算摩擦系数时通常是100m~1000m。

步骤b）中，通过测量钻进过程中和没有钻进但是钻井液依然在循环过程中压力的差值，确定井下动力钻具的输出扭矩，结合测量的摩阻系数和力学计算方法计算该扭矩在相邻钻柱上的作用范围和长度。

进一步地，在步骤b）中测量压力的差值可以在立管上或者在泥浆泵上，或者在泥浆泵自水龙头之间的循环管线上的任意位置上安装压力表进行测量。

进一步地，在步骤b）井下动力钻具的输出能量包括输出扭矩和转动速度，计算方法参考井下动力钻具的能量输出曲线图和关系式。

进一步地，在步骤b）中，由于井下动力钻具输出能量后，该能量通过钻头与地层间的接触，反作用到井下动力钻具和与之连接的钻柱上面，带动钻柱与钻头相反的方向旋转，直到钻柱与井筒之间的摩擦力平衡掉该反作用力，该步骤中还包括计算或测量该反作用力传递位置和影响范围的方法和步骤。

步骤c）中，计算需要施加的顺时针和逆时针摇摆钻柱的能量包括旋转的扭矩极限、位置极限和旋转速度，该能量在顺时针和逆时针方向上的数值可以是相同或者是不相同。

进一步地，在步骤c）中，包括计算所需施加的顺时针和逆时针摇摆钻柱的能量值的方法和步骤，该方法包括采用力学模型计算或者通过安装在井下的扭矩传感器进行测量计算。

步骤d）中控制钻柱按设计能量值旋转钻具可以是一种控制装置控制顶驱带动钻柱旋转，也可以是一种驱动装置直接与钻柱接触，旋转钻柱。

进一步地，在步骤d）中还包括对从顶驱或其他传感器中采集扭矩、转速、转动方向参数，并将采集的参数与设计参数进行比对，确定是否已经旋转到设计的能量值，达到设计值则进行下一个动作，没有达到设计值则继续旋转直到设计值；进一步的，还包括比对方法和步骤。

进一步地，在步骤d）中还包括顺时针和逆时针旋转的极限值不变，但是中性点参考位置按需要旋转设定角度或附加设定扭矩。

步骤e）中评价滑动钻井效果主要指评价地面施加的摇摆能量是否传达到目标位置，该目标位置与井下动力钻具反扭矩向上传递的最大位置相隔0~200m。

进一步地，在步骤e）评价滑动钻井效果主要指评价地面施加的摇摆能量是否传达到目标位置，放入方法包括通过井下传感器测量距离钻头一定距离的钻柱是否因为该能量的施加而发生转动，该一定距离是9m~29m。

进一步地，在步骤e）还包括评价钻井速度、作业效率有没有提高。

进一步地，在步骤e）还包括根据评价结果进一步优化顺时针和逆时针摇摆钻柱的能量值。

相对于CN101466911A专利和CN103277048A专利，本发明所达到的有益效果如下：

1、本方法通过测量立管压力确定顺时针和逆时针摇摆钻柱的能量，通过摇摆控制装置控制顶驱按设计参数顺时针和逆时针摇摆钻柱，通过井下动力装置弯曲方向测量装置实时反馈钻柱摇摆效果，并实时修正摇摆能力输入，进而达到不影响滑动钻井控制所钻井筒在地层中偏移位置和程度的同时，提高钻井速度和作业时效的目的。

2、本方法详细公布了石油天然气钻井领域减少滑动钻井“托压”现象和快速调整工具面的方法与详细步骤，构建了全新的、完整的滑动钻井方法，生产应用可实施性和推广性强，为滑动钻井提高机械钻速、和作业效率提供技术支撑。

3、相对于CN101466911A专利和CN103277048A专利，本方法重点在于如何确定摩擦阻力严重程度，如何测量井下动力钻具工作压差，进而计算井下动力钻具输出能量时影响的相邻钻柱长度，以及如何确定需要施加的顺时针和逆时针摇摆钻柱的能量，本发明采用了具体的办法来实现，从而能使本方法真正用于滑动钻井，具有了可操作性。

附图说明

下面将结合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，其中：

图1为本发明流程示意图。

图2为本发明所采用的滑动钻井系统示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面将结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

实施例1

本发明公开了一种滑动钻井方法，该方法包括下列步骤：a）分析摩擦阻力严重程度；b)测量井下动力钻具工作压差，进而计算井下动力钻具输出能量时影响的相邻钻柱长度；c）确定需要施加的顺时针和逆时针摇摆钻柱的能量；d）按设计能量和方向摇摆钻柱；e）评价滑动钻井效果并优化滑动钻井参数。

步骤a）中，包括在下钻过程中，每下入100m~1000m钻柱后，旋转钻柱测量钻柱与井筒之间的摩擦系数，以及在钻进过程中每钻进9m~100m，旋转钻柱测量钻柱与井筒之间的摩擦系数。

进一步地，在步骤a）中，也可以是下钻到底后再测量全井段的摩擦系数，旋转钻柱测量摩擦系数时可以开泵或许不开泵，可以钻头接触井底或许不接触井底，接触井底后可以施加或许不施加钻压。

进一步地，在步骤a）中，还包括通过旋转钻柱计算钻柱与井筒之间的摩擦系数的方法。计算出来的摩擦系数可以是全井段平均值，也可以是分井段的摩擦系数平均值，分井段计算摩擦系数时通常是100m~1000m。

步骤b）中，通过测量钻进过程中和没有钻进但是钻井液依然在循环过程中压力的差值，确定井下动力钻具的输出扭矩，结合测量的摩阻系数和力学计算方法计算该扭矩在相邻钻柱上的作用范围和长度。

进一步地，在步骤b）中测量压力的差值可以在立管上或许在泥浆泵上，或许在泥浆泵自水龙头之间的循环管线上的任意位置上安装压力表进行测量。

进一步地，在步骤b）井下动力钻具的输出能量包括输出扭矩和转动速度，计算方法通常参考井下动力钻具的能量输出曲线图和关系式。

进一步地，在步骤b）中，由于井下动力钻具输出能量后，该能量通过钻头与地层间的接触，反作用到井下动力钻具和与之连接的钻柱上面，带动钻柱与钻头相反的方向旋转，直到钻柱与井筒之间的摩擦力平衡掉该反作用力。该步骤中还包括计算或测量该反作用力传递位置和影响范围的方法和步骤。

步骤c）中，计算需要施加的顺时针和逆时针摇摆钻柱的能量包括旋转的扭矩极限、位置极限和旋转速度，该能量在顺时针和逆时针方向上的数值可以是相同或许是不相同。

进一步地，在步骤c）中，包括计算所需施加的顺时针和逆时针摇摆钻柱的能量值的方法和步骤。该方法包括采用力学模型计算或许通过安装在井下的扭矩传感器进行测量计算。

步骤d）中控制钻柱按设计能量值旋转钻具可以是一种控制装置控制顶驱带动钻柱旋转，也可以是一种驱动装置直接与钻柱接触，旋转钻柱。

进一步地，在步骤d）中还包括对从顶驱或其他传感器中采集扭矩、转速、转动方向等参数，并将该采集参数与设计参数进行比对，确定是否已经旋转到设计的能量值，达到设计值则进行下一个动作，没有达到设计值则继续旋转直到设计值。还包括比对方法和步骤。

进一步地，在步骤d）中还包括顺时针和逆时针旋转的极限值不变，但是中性点参考位置按需要旋转一定角度或附加一定扭矩。

步骤e）中评价滑动钻井效果主要指评价地面施加的摇摆能量是否传达到目标位置，该位置与井下动力钻具反扭矩向上传递的最大位置相隔一定距离，通常是0~200m。

进一步地，在步骤e）评价滑动钻井效果主要指评价地面施加的摇摆能量是否传达到目标位置放入方法包括通过井下传感器测量距离钻头一定距离的钻柱是否因为该能量的施加而发生转动，该距离通常是9m~29m。

进一步地，在步骤e）还包括评价钻井速度、作业效率等有没有提高。

进一步地，在步骤e）还包括根据评价结果进一步优化顺时针和逆时针摇摆钻柱的能量值。

实施例2

为了提高滑动钻井机械钻速、克服定向托压现象，本发明提供了一种操作简单的滑动钻井方法，如图1、2所示，该方法包括下列步骤：

步骤（1）：分析摩擦阻力严重程度，所述摩擦阻力严重程度由钻柱7与井筒之间的摩擦系数大小确定，在下钻过程中或下钻到底后，通过旋转钻柱7，计算钻柱7与井筒之间的摩擦系数；

步骤（2）：测量井下动力钻具工作压差，进而计算井下动力钻具输出能量时影响的相邻钻柱长度，所述的井下动力钻具1的工作压差由测量钻进过程中和没有钻进但是钻井液依然在循环过程中压力的差值确定，该测量压力的差值可由泥浆泵2至水龙头之间的循环管线上的压力传感器3测得，从而确定井下动力钻具1的输出扭矩，结合测量的摩阻系数和力学计算方法计算该扭矩在相邻钻柱上的作用范围和长度。

步骤（3）确定需要施加的顺时针和逆时针摇摆钻柱的能量，所述的需要施加的摇摆钻柱1的能量包括旋转的扭矩极限、位置极限和旋转速度，通过采用力学模型计算或许通过安装在井下的扭矩传感器8进行测量计算；

步骤（4）：按设计能量和方向摇摆钻柱，所述按设计能量和方向摇摆钻柱可以是通过钻台的钻柱摇摆控制器5控制顶驱控制器6，进而对顶驱4进行控制，带动钻柱1旋转，也可以采用驱动装置直接与钻柱1接触，旋转钻柱1；

步骤（5）：评价滑动钻井效果并优化滑动钻井参数，所述的评价滑动钻井效果并优化滑动钻井参数，主要指评价地面施加的摇摆能量是否传达到目标位置，该位置与井下动力钻具反扭矩向上传递的最大位置相隔一定距离。

在方法中，摇摆钻柱实际为一带驱动机构的钻柱，该驱动机构驱动钻柱摇摆，钻柱摇摆控制器根据扭矩传感器传回来的信号控制钻柱摇摆的方向和力度，驱动机构本石油钻井领域的常规机构。

Claims (9)

1.一种滑动钻井方法，其特征在于包括如下步骤：

a）分析摩擦阻力严重程度；

b）测量井下动力钻具工作压差，进而计算井下动力钻具输出能量时影响的相邻钻柱长度；

c）确定需要施加的顺时针和逆时针摇摆钻柱的能量；

d）按设计能量和方向摇摆钻柱；

e）评价滑动钻井效果并优化滑动钻井参数；

步骤a）中，包括在下钻过程中，每下入100m~1000m钻柱后，旋转钻柱测量钻柱与井筒之间的摩擦系数，以及在钻进过程中每钻进9m~100m，旋转钻柱测量钻柱与井筒之间的摩擦系数。

2.根据权利要求1所述的一种滑动钻井方法，其特征在于：进一步地，在步骤a）中，还包括通过旋转钻柱计算钻柱与井筒之间的摩擦系数的方法，计算出来的摩擦系数可以是全井段平均值，也可以是分井段的摩擦系数平均值，分井段计算摩擦系数时是100m~1000m。

3.根据权利要求1所述的一种滑动钻井方法，其特征在于：步骤b）中，通过测量钻进过程中和没有钻进但是钻井液依然在循环过程中压力的差值，确定井下动力钻具的输出扭矩，结合测量的摩阻系数和力学计算方法计算该扭矩在相邻钻柱上的作用范围和长度。

4.根据权利要求1所述的一种滑动钻井方法，其特征在于：在步骤b）中测量压力的差值在立管上或者在泥浆泵上，或者在泥浆泵至水龙头之间的循环管线上的任意位置上安装压力表进行测量。

5.根据权利要求1所述的一种滑动钻井方法，其特征在于：在步骤b）井下动力钻具的输出能量包括输出扭矩和转动速度，计算方法参考井下动力钻具的能量输出曲线图和关系式。

6.根据权利要求1所述的一种滑动钻井方法，其特征在于：步骤c）中，计算需要施加的顺时针和逆时针摇摆钻柱的能量包括旋转的扭矩极限、位置极限和旋转速度，该能量在顺时针和逆时针方向上的数值可以是相同或者是不相同。

7.根据权利要求1所述的一种滑动钻井方法，其特征在于：在步骤d）中还包括对从顶驱或其他传感器中采集扭矩、转速、转动方向参数，并将采集的参数与设计参数进行比对，确定是否已经旋转到设计的能量值，达到设计值则进行下一个动作，没有达到设计值则继续旋转直到设计值。

8.根据权利要求1所述的一种滑动钻井方法，其特征在于：步骤e）中评价滑动钻井效果主要指评价地面施加的摇摆能量是否传达到目标位置，该目标位置与井下动力钻具反扭矩向上传递的最大位置相隔0~200m。

9.根据权利要求1所述的一种滑动钻井方法，其特征在于：在步骤e）评价滑动钻井效果主要指评价地面施加的摇摆能量是否传达到目标位置，是否传达到目标位置的方法包括通过井下传感器测量距离钻头一定距离的钻柱是否因为该能量的施加而发生转动，该一定距离是9m~29m。