﻿ 定向钻井中托压机理分析及对策探讨

The Formation Mechanism and Technical Countermeasures for Back Pressure during Directional Drilling
Bo Yubing
Drilling Engineering and Technology Company, Sinopec Shengli Oilfield Service Corporation, Dongying, Shandong, 257064, China
Abstract: In order to solve the problem of back pressure during directional drilling,the mechanism by which it occurs was investigated by analyzing the force on the bottom hole assembly (BHA).Then,the main factors affecting back pressure were explored,and accordingly primary technical countermeasures were proposed.It was shown that the back pressure was mainly caused by friction resistance between drillstrings and borehole wall,and it was dominantly affected by wellbore trajectory,downhole cleaning,BHA,drilling fluid lubricity and formation types.It was proposed to control the back pressure by optimizing wellbore trajectory and BHA,increasing downhole cleaning and drilling fluid lubricity,and adopting down hole tools which could reduce back pressure.And finally,the application of back pressure controlling measures in Wells D15-X14 and Y123-5HF were introduced.It was indicated that these technical countermeasures for back pressure control were more effective.Based on these countermeasures,the frequency and degree of back pressure decreased significanlty and the rate of penetration(ROP)also increased.The research results provided the reference and basis for the directional drilling.
Key words: directional well     back pressure     friction resistance     wellbore trajectory     bottom hole assembly

1 托压发生机理分析

 图 1 滑动钻进工况下管柱微元受力分析 Fig.1 Force analysis on a drill string element in the process of slide drilling

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2 影响托压的主要因素

2.1 井眼轨迹

1) 井斜角主要影响钻具对下井壁的正压力。井斜角越大，钻具对下井壁的正压力越大，钻具受到的摩擦力就越大，发生托压的概率也就越大。

2) 井眼曲率主要影响钻具在井眼中弯曲产生的附加刚性正压力(如图 2所示[11])。井眼曲率越大，钻具弯曲越严重，附加刚性正压力越大，钻具受到的摩擦力就越大，发生托压的概率也越大。

 图 2 刚性管柱在弯曲井眼中受井壁约束而产生附加刚性正压力 Fig.2 Additional rigid positive force on rigid drilling string in crooked holes due to the constraint of the borehole wall

3) 斜井段长度的影响。随着斜井段长度的增加，正压力和附加刚性正压力也相应增大，钻具受到的摩擦力就会增大，发生托压的概率也会增大。

2.2 井眼清洁程度

2.3 钻具组合

1) 重量大的管柱对井壁的正压力大，导致摩阻大，容易引起托压；2)管柱受压屈曲时还会产生附加正压力，导致管柱摩阻增大[12]，也容易引起托压；3)若螺杆钻具及其稳定器外径过大，其与井壁之间的间隙过小，则稳定器会紧贴井壁，滑动钻进时钻压加在稳定器上无法传递给钻头，从而造成托压。

2.4 钻井液的润滑性

2.5 地层类型

3 主要技术对策 3.1 优化井眼轨道

3.2 优化钻具组合

1) 减少钻铤的使用。在滑动钻进时，下部钻具组合尽量减少钻铤的使用，可用加重钻杆或螺旋钻铤代替，以减小钻具的重量以及与井壁的接触面积，降低摩擦阻力和发生托压的风险。

2) 减少稳定器的使用。稳定器与井眼之间的间隙对钻具的造斜率有较大影响，近钻头稳定器对造斜率的影响尤为突出[13]。由于稳定器尺寸较大，易与井壁接触而增大钻柱的摩擦阻力，因此在滑动钻进阶段，除非需要较高的造斜率，尽量不使用稳定器。

3) 采用倒装钻具组合。倒装钻具组合就是把加重钻杆或者钻铤加在直井段或者井斜角、水平位移较小的井段，而在下部井斜角大、水平位移大的井段(钻头附近)采用普通钻杆或无磁承压钻杆，以增加钻具的刚性和重量,增大下部钻柱的推动力。对于水平位移较大的定向井，采用倒装钻具组合，可以有效减小下部钻具的重量，从而减小下部钻具组合对下井壁的压力，使钻具与井壁间的摩擦力降低，可有效减轻托压的程度。例如，高平1井是1口水垂比达4.02的大位移井，在钻进中应用了倒装钻具组合，保证了钻压的有效传递，有力预防了托压问题的出现[14]

4) 应用牙轮钻头。牙轮钻头适合于高钻压钻进，而高钻压有利于克服更大的摩阻，从而在定向钻井中能够减少托压的发生[15]；而且采用较高钻压钻进时的机械钻速相对较高，可以增加钻具活动的频率，从而减小滤饼对钻具的粘吸作用；由于钻头牙轮的滚动，加压到托压消除时，钻头上的扭矩较PDC钻头小得多，所以蹩转盘、憋泵和工具面波动的概率更小。

3.3 提高井眼清洁程度

1) 适当提高钻井液密度和环空返速。在任意井斜角井眼中，无论是层流还是紊流，提高环空返速都能增强钻井液的携岩能力，从而降低环空岩屑浓度；适当增加钻井液密度，也可降低岩屑床的厚度，从而改善井眼清洁程度。

2) 调整钻井液的流型和流变性能。在井斜角较小的井段，钻井液为层流时井眼清洁效果最佳，层流状态下，提高钻井液的动切力和动塑比，可以降低环空钻屑浓度，并可用高黏度段塞清除岩屑；在大斜度井段中，钻井液为紊流时清洁效果更好，但由于现场条件所限，钻井液在环空中无法形成紊流，所以可以通过提高钻井液的动塑比，形成平板型层流来提高井眼清洗效果[16]；还可以保持低剪切速率下的钻井液黏度，以提高其悬浮岩屑的能力。

3) 调节钻杆转速。增大钻杆转速可扰动岩屑床，使岩屑重新分散到钻井液中，并使钻杆周围形成紊流，阻止岩屑在钻杆接头和钻杆保护器附近聚集。钻杆转速越高，井眼清洁效果越好，但转速过高对定向设备具有一定危害，且会增加套管与钻杆间的磨损。

4) 短起下钻破坏岩屑床。在定向钻井过程中，采取短起下钻破坏岩屑床是提高井眼清洁效果、预防和控制托压的常用手段，可根据井段长度或托压严重程度来确定短起下钻的频次。

3.4 提高钻井液的润滑性

3.5 采用改善托压的井下工具

4 应用实例 4.1 D15-X14井

DB区块的D15-X14井是一口定向井，完钻井深3 163.00 m，设计采用三段式井眼轨道，设计造斜点井深2 350.00 m，井斜角23.7°，垂深3 110.00 m，水平位移298.40 m。

4.2 Y123-5HF井

Y123-5HF井是部署在Y123区块S3特低渗透油藏的一口非常规水平井，完钻井深4 926.00 m，造斜点井深3 064.00 m，井斜角90.50°，垂深3 499.97 m，水平位移1 717.41 m，水平段长度1 336.00 m,φ177.8 mm技术套管下至井深3 589.68 m。

 井号 钻头型号 钻进井段/m 机械钻速/(m·h-1) 纯钻时间/h 备注 Y123-9HF ST336M 3 180.14~3 358.00 2.42 73.50 未使用水力振荡器 HJT517G 3 358.00~3 520.71 2.29 71.00 HJT517G 3 520.71~3 700.00 2.41 74.50 Y123-10HF BR1656DW 3 194.43~3 327.84 2.38 56.00 未使用水力振荡器 HJT517G 3 327.84~3 453.11 2.08 60.30 HJ537G 3 453.11~3 493.34 2.15 18.75 HJT517G 3 493.34~3 584.8 1.80 50.75 Y123-2HF PK6257MJ 3 209.50~3 710.11 2.51 199.67 使用水力振荡器 Y123-5HF PK5362MJ 3 199.00~3 590.00 3.23 121.05 使用水力振荡器
5 结 论

1) 托压主要是由钻柱与井壁之间的摩擦力造成的，其影响因素包括井眼轨迹的平滑度、井眼清洁程度、钻具组合、钻井液的润滑性和地层类型等。

2) 控制托压的技术对策有优化井眼轨道和钻具组合、提高井眼清洁程度和钻井液的润滑性及采用改善托压的井下工具等。

3) 多口井的现场施工效果表明，采取减少稳定器、选用牙轮钻头、提高钻井液的动切力、动塑比和润滑性、应用水力振荡器等技术措施，可以有效减小摩擦阻力，降低托压的频率和程度，提高机械钻速，缩短钻井周期。

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#### 文章信息

Bo Yubing

The Formation Mechanism and Technical Countermeasures for Back Pressure during Directional Drilling

Petroleum Drilling Techniques, 2017, 45(1): 27-32.
http://dx.doi.org/10.11911/syztjs.201701005