使用螺杆和旋转导向工具组合系统的钻井方法与流程

609 编辑：中冶有色技术网来源：洲际海峡能源科技有限公司

2023-09-25 15:27:02

本发明涉及钻井技术领域，尤其是一种使用螺杆和旋转导向工具组合系统的钻井方法。

背景技术：

在定向井、水平井钻井施工中，常规弯螺杆在定向钻进时存在托压问题，旋转导向工具由于能在旋转时进行定向，有效规避了定向托压问题。但旋转导向工具在实际应用时也存在一定的技术短板：旋转导向工具的驱动力来自于顶驱，其转速受到顶驱扭矩输出、顶驱转速输出、工具粘滑震动、套管打磨等多方面因素的制约，从而导致在对转速敏感的地层中钻进时机械钻速较低。为提高旋转导向工具的转速，通常在旋转导向工具上方配置大功率螺杆(或称为螺杆马达)，将大功率螺杆和旋转导向工具组合使用，旋转导向工具由顶驱和螺杆共同驱动，使旋转导向工具的转速得到提高。

目前使用螺杆和旋转导向工具组合系统钻井时，为防止螺杆因顶驱转速较高而损坏，在整个钻进过程中都采用基本相同的较低的顶驱转速，但这不仅限制了钻进时的机械钻速，还导致井眼清洁不足。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种使用直螺杆马达和旋转导向工具组合系统的钻井方法，以解决现有技术存在的机械钻速受到限制和井眼清洁不足的问题。

为达到上述目的，本发明提出一种使用螺杆和旋转导向工具组合系统的钻井方法，其包括：根据井眼的狗腿度，将井眼分为低狗腿井段、中狗腿井段和高狗腿井段，所述低狗腿井段的狗腿度小于所述中狗腿井段的狗腿度，所述中狗腿井段的狗腿度小于所述高狗腿井段的狗腿度；使用具有螺杆和旋转导向工具组合系统的钻具钻井，在钻进过程中，当螺杆处于所述低狗腿井段时使用第一顶驱转速，当螺杆处于所述中狗腿井段时使用第二顶驱转速，当螺杆处于所述高狗腿井段时使用第三顶驱转速，所述第一顶驱转速大于所述第二顶驱转速，所述第二顶驱转速大于所述第三顶驱转速。

如上所述的使用螺杆和旋转导向工具组合系统的钻井方法，其中，所述低狗腿井段的狗腿度为0～2°/30m，所述中狗腿井段的狗腿度为2°/30m～6°/30m，所述高狗腿井段的狗腿度大于6°/30m。

如上所述的使用螺杆和旋转导向工具组合系统的钻井方法，其中，所述第一顶驱转速为100rpm～130rpm，所述第二顶驱转速为60rpm～100rpm，所述第三顶驱转速为40rpm～60rpm。

如上所述的使用螺杆和旋转导向工具组合系统的钻井方法，其中，所述第二顶驱转速为80rpm～100rpm。

如上所述的使用螺杆和旋转导向工具组合系统的钻井方法，其中，所述使用具有螺杆和旋转导向工具组合系统的钻具钻井，在钻进过程中，当螺杆处于所述低狗腿井段时使用第一顶驱转速，当螺杆处于所述中狗腿井段时使用第二顶驱转速，当螺杆处于所述高狗腿井段时使用第三顶驱转速，所述第一顶驱转速大于所述第二顶驱转速，所述第二顶驱转速大于所述第三顶驱转速，包括：步骤s1：将螺杆和旋转导向工具组合系统随钻具下放至井底；步骤s2：根据此时螺杆所处井段的狗腿度确定钻进顶驱转速；步骤s3：启动顶驱和钻具进行钻进；步骤s4：钻完立柱后接新立柱；步骤s5：重复步骤s2～步骤s4，直至一趟钻完成。

如上所述的使用螺杆和旋转导向工具组合系统的钻井方法，其中，所述步骤s4包括：步骤s41：钻完立柱后，保持钻进排量和转速进行洗井作业；步骤s42：关闭顶驱，在保持钻进排量的同时，将钻具匀速上提预设距离，记录实际上提悬重，再将钻具匀速下放预设距离，记录实际下放悬重；步骤s43：将实际上提悬重和实际下放悬重分别与预设正常上提悬重和预设正常下放悬重对比，当实际上提悬重与预设正常上提悬重的差值、以及预设正常下放悬重与实际下放悬重的差值都在允许差值范围内时，进入步骤s45，否则进入步骤s44；步骤s44：进行倒划眼作业；步骤s45：下钻到井底，接新立柱。

如上所述的使用螺杆和旋转导向工具组合系统的钻井方法，其中，所述允许差值范围为0～30kn，在所述步骤s43中，当实际上提悬重与预设正常上提悬重的差值在0～30kn的范围内，且预设正常下放悬重与实际下放悬重的差值在0～30kn的范围内时，进入步骤s45；当实际上提悬重比预设正常上提悬重高30kn以上，或者实际下放悬重比预设正常下放悬重低30kn以上时，进入步骤s44。

如上所述的使用螺杆和旋转导向工具组合系统的钻井方法，其中，所述步骤s3包括：步骤s31：将钻具上提预设悬空距离，开泵测斜；步骤s32：将顶驱转速设置为初始转速，所述初始转速小于所述第三顶驱转速，启动顶驱，使顶驱按照所述初始转速驱动钻具旋转，同时记录初始扭矩最大值、空转扭矩和空转悬重；步骤s33：将顶驱转速设置为所述钻进顶驱转速，待顶驱转速提速至所述钻进顶驱转速后，下放钻具至井底进行钻进。

如上所述的使用螺杆和旋转导向工具组合系统的钻井方法，其中，所述螺杆为直螺杆。

如上所述的使用螺杆和旋转导向工具组合系统的钻井方法，其中，所述直螺杆的功率为240kw～300kw。

本发明的使用直螺杆马达和旋转导向工具组合系统的钻井方法的特点和优点是：

1、本发明通过提高钻进时的顶驱转速，能进一步提高机械钻速，并改善钻进时的井眼清洁，降低岩屑床高度，降低发生岩屑雪崩、砂桥卡钻等井下事故的风险；

2、本发明通过提高钻进时的顶驱转速改善井眼清洁，可以减小甚至取消每次接新立柱前的倒划眼作业，延长螺杆的寿命，提高螺杆使用效率，有助于缩短钻井工期。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：

图1是本发明实施例提供的使用直螺杆马达和旋转导向工具组合系统的钻井方法的流程图；

图2是本发明实施例提供的启动顶驱和钻具进行钻进的具体步骤的流程图；

图3是本发明实施例提供的钻完立柱后接新立柱的具体步骤的流程图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

现有技术在使用螺杆和旋转导向工具组合系统钻井时，一直采用较低的顶驱转速(40rpm～60rpm)，业内人士认为螺杆转速较高时易导致螺杆损坏甚至扭断，但此认知是由弯螺杆转速限制导致的认知误区。

为克服现有技术的认知偏见，本发明提供一种使用螺杆和旋转导向工具组合系统的钻井方法，其包括：

根据井眼的狗腿度，将井眼分为低狗腿井段、中狗腿井段和高狗腿井段，其中低狗腿井段的狗腿度小于中狗腿井段的狗腿度，中狗腿井段的狗腿度小于高狗腿井段的狗腿度；

使用具有螺杆(或称为螺杆马达)和旋转导向工具组合系统的钻具钻井，在钻进过程中，当螺杆处于低狗腿井段时使用第一顶驱转速，当螺杆处于中狗腿井段时使用第二顶驱转速，当螺杆处于高狗腿井段时使用第三顶驱转速，其中第一顶驱转速大于第二顶驱转速，第二顶驱转速大于第三顶驱转速。

本发明根据螺杆所处井段的狗腿度确定顶驱转速，在钻进过程中，当螺杆所处井段的狗腿度不同时，采用的顶驱转速也不同。当螺杆所处井段的狗腿度较小时，选用较大的顶驱转速，以进一步提高机械钻速，同时改善井眼清洁度，由于螺杆所处井段的狗腿度较小，不会造成螺杆损坏；当螺杆所处井段的狗腿度较大时，选用较小的顶驱转速，以避免螺杆损坏。

本发明通过提高顶驱转速，与现有技术相比能显著改善井眼清洁度，因为钻柱转速对井眼清洁具有较大影响，且被认为是最重要的影响因素，因为高转速的钻柱有利于形成紊流，并搅动井眼低边的岩屑床，迫使岩屑上返，最终被带出井眼，从而减少岩屑床，提升井眼清洁。

本发明通过提高顶驱转速改善井眼清洁度，所带来的另一个显著技术效果是，可以减小甚至取消每次接新立柱前的倒划眼作业，因为进行倒划眼作业主要是为了弥补井眼清洁的不足、修复润滑井壁，因此本发明减小了倒划眼作业的必要性。通过减小甚至取消每次接新立柱前的倒划眼作业，能提高作业效率、缩短施工周期，最重要的是还起到保护螺杆轴承的作用，因为在倒划眼作业时，螺杆轴承承受的泥浆冲击力、以及钻头和螺杆下部钻具与井壁的摩擦力的方向均向下，使螺杆轴承受力处于严重失衡状态，加速轴承托盘钢珠的磨损，因此通过减小甚至取消每次接新立柱前的倒划眼作业，能延长螺杆寿命。

进一步，低狗腿井段的狗腿度为0～2°/30m，中狗腿井段的狗腿度为2°/30m～6°/30m，高狗腿井段的狗腿度大于6°/30m。

进一步，第一顶驱转速为100rpm～130rpm，第二顶驱转速为60rpm～100rpm，第三顶驱转速为40rpm～60rpm。也就是，当螺杆所处井段的狗腿度为0～2°/30m时，将顶驱转速设置为100rpm～130rpm；当螺杆所处井段的狗腿度为2°/30m～6°/30m时，将顶驱转速设置为60rpm～100rpm；当螺杆所处井段的狗腿度大于6°/30m时，将顶驱转速设置为40rpm～60rpm。例如，第一顶驱转速为110rpm、120rpm或130rpm，第二顶驱转速为70rpm、80rpm、90rpm或100rpm，第三顶驱转速为40rpm、50rpm或60rpm。

更进一步，第二顶驱转速为80rpm～100rpm。

如图1所示，在一个实施例中，使用具有螺杆和旋转导向工具组合系统的钻具钻井，在钻进过程中，当螺杆处于低狗腿井段时使用第一顶驱转速，当螺杆处于中狗腿井段时使用第二顶驱转速，当螺杆处于高狗腿井段时使用第三顶驱转速，第一顶驱转速大于第二顶驱转速，第二顶驱转速大于第三顶驱转速，具体包括以下步骤：

步骤s1：将螺杆和旋转导向工具组合系统随钻具下放至井底；

步骤s2：根据此时螺杆所处井段的狗腿度确定钻进顶驱转速，钻进顶驱转速指的是正常钻进时的顶驱转速；比如，若此时螺杆所处井段的狗腿度在低狗腿井段的狗腿度范围内，则将钻进顶驱转速设置为第一顶驱转速，若此时螺杆所处井段的狗腿度在中狗腿井段的狗腿度范围内，则将钻进顶驱转速设置为第二顶驱转速，若此时螺杆所处井段的狗腿度在高狗腿井段的狗腿度范围内，则将钻进顶驱转速设置为第三顶驱转速；

步骤s3：启动顶驱和钻具进行钻进；

步骤s4：钻完立柱后接新立柱；

步骤s5：重复步骤s2～步骤s4，直至一趟钻完成。

如图3所示，在一个具体实施例中，步骤s4包括：

步骤s41：钻完立柱后，保持钻进排量和转速进行洗井作业；例如洗井5分钟；

步骤s42：关闭顶驱，在保持钻进排量的同时，将钻具匀速上提预设距离，记录实际上提悬重，再将钻具匀速下放预设距离，记录实际下放悬重；例如该预设距离为10米，注意在上提和下放转换时保持10秒静止时间；

步骤s43：将实际上提悬重和实际下放悬重分别与预设正常上提悬重和预设正常下放悬重对比，当实际上提悬重与预设正常上提悬重的差值、以及预设正常下放悬重与实际下放悬重的差值都在允许差值范围内时，进入步骤s45，也就是省去倒划眼作业；否则进入步骤s44，也就是进行必要的倒划眼作业；其中的预设正常上提悬重和预设正常下放悬重可以是根据井眼轨迹、井身结构、泥浆性能等实际情况模拟计算磨阻系数后确定的数值范围，此计算方法为现有技术，容不赘述；

步骤s44：进行倒划眼作业；

步骤s45：下钻到井底，接新立柱。

进一步，在步骤s43中，允许差值范围为0～30kn，也就是当实际上提悬重与预设正常上提悬重的差值在0～30kn的范围内，且预设正常下放悬重与实际下放悬重的差值在0～30kn的范围内时，代表实际上提悬重和实际下放悬重正常，省去倒划眼作业；当实际上提悬重比预设正常上提悬重高30kn以上，或者实际下放悬重比预设正常下放悬重低30kn以上时，需要进行倒划眼作业。

例如，预设正常上提悬重和预设正常下放悬重均为200kn，当实际上提悬重在200kn～230kn的范围内且实际下放悬重在170kn～200kn的范围时，省去倒划眼作业；当实际上提悬重大于230kn，或实际下放悬重小于170kn时，需要进行倒划眼作业。如图2所示，在一个具体实施例中，步骤s3包括：

步骤s31：将钻具上提预设悬空距离，开泵测斜；例如该悬空距离为1米～1.5米；

步骤s32：将顶驱转速设置为初始转速，例如初始转速为40rpm，初始转速小于第三顶驱转速，启动顶驱，使顶驱按照初始转速驱动钻具旋转，此时钻具为空转，同时记录初始扭矩最大值、空转扭矩和空转悬重；

步骤s33：将顶驱转速设置为钻进顶驱转速，待顶驱转速提速至钻进顶驱转速后，缓慢下放钻具至井底，加压至正常钻进钻压，进行钻进。

在实际钻井作业中，在将螺杆和旋转导向工具组合系统随钻具下放至井底后，在初次正常钻进前，进行钻头磨合及造型，钻压10kn～20kn，排量根据钻井实际井眼清洁需要选择，钻0.3m～0.5m。

在一个实施例中，螺杆为直螺杆(或称为直螺杆马达)，直螺杆能适应更高的顶驱转速，较佳地，直螺杆是功率为240kw～300kw的大功率直螺杆。

本发明使用的螺杆和旋转导向工具组合系统可以是专利公告号cn207131392u公开的高速旋转导向钻井系统，当然还可以是其它现有的螺杆和旋转导向工具组合系统。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。而且需要说明的是，本发明的各组成部分并不仅限于上述整体应用，本发明的说明书中描述的各技术特征可以根据实际需要选择一项单独使用或选择多项组合起来使用，因此，本发明理所当然地涵盖了与本案发明点有关的其它组合及具体应用。

技术特征：

1.一种使用螺杆和旋转导向工具组合系统的钻井方法，其特征在于，所述钻井方法包括：

根据井眼的狗腿度，将井眼分为低狗腿井段、中狗腿井段和高狗腿井段，所述低狗腿井段的狗腿度小于所述中狗腿井段的狗腿度，所述中狗腿井段的狗腿度小于所述高狗腿井段的狗腿度；

使用具有螺杆和旋转导向工具组合系统的钻具钻井，在钻进过程中，当螺杆处于所述低狗腿井段时使用第一顶驱转速，当螺杆处于所述中狗腿井段时使用第二顶驱转速，当螺杆处于所述高狗腿井段时使用第三顶驱转速，所述第一顶驱转速大于所述第二顶驱转速，所述第二顶驱转速大于所述第三顶驱转速。

2.如权利要求1所述的使用螺杆和旋转导向工具组合系统的钻井方法，其特征在于，所述低狗腿井段的狗腿度为0～2°/30m，所述中狗腿井段的狗腿度为2°/30m～6°/30m，所述高狗腿井段的狗腿度大于6°/30m。

3.如权利要求1或2所述的使用螺杆和旋转导向工具组合系统的钻井方法，其特征在于，所述第一顶驱转速为100rpm～130rpm，所述第二顶驱转速为60rpm～100rpm，所述第三顶驱转速为40rpm～60rpm。

4.如权利要求3所述的使用螺杆和旋转导向工具组合系统的钻井方法，其特征在于，所述第二顶驱转速为80rpm～100rpm。

5.如权利要求1所述的使用螺杆和旋转导向工具组合系统的钻井方法，其特征在于，所述使用具有螺杆和旋转导向工具组合系统的钻具钻井，在钻进过程中，当螺杆处于所述低狗腿井段时使用第一顶驱转速，当螺杆处于所述中狗腿井段时使用第二顶驱转速，当螺杆处于所述高狗腿井段时使用第三顶驱转速，所述第一顶驱转速大于所述第二顶驱转速，所述第二顶驱转速大于所述第三顶驱转速，包括：

步骤s1：将螺杆和旋转导向工具组合系统随钻具下放至井底；

步骤s2：根据此时螺杆所处井段的狗腿度确定钻进顶驱转速；

步骤s3：启动顶驱和钻具进行钻进；

步骤s4：钻完立柱后接新立柱；

步骤s5：重复步骤s2～步骤s4，直至一趟钻完成。

6.如权利要求5所述的使用螺杆和旋转导向工具组合系统的钻井方法，其特征在于，所述步骤s4包括：

步骤s41：钻完立柱后，保持钻进排量和转速进行洗井作业；

步骤s42：关闭顶驱，在保持钻进排量的同时，将钻具匀速上提预设距离，记录实际上提悬重，再将钻具匀速下放预设距离，记录实际下放悬重；

步骤s43：将实际上提悬重和实际下放悬重分别与预设正常上提悬重和预设正常下放悬重对比，当实际上提悬重与预设正常上提悬重的差值、以及预设正常下放悬重与实际下放悬重的差值都在允许差值范围内时，进入步骤s45，否则进入步骤s44；

步骤s44：进行倒划眼作业；

步骤s45：下钻到井底，接新立柱。

7.如权利要求6所述的使用螺杆和旋转导向工具组合系统的钻井方法，其特征在于，所述允许差值范围为0～30kn，在所述步骤s43中，当实际上提悬重与预设正常上提悬重的差值在0～30kn的范围内，且预设正常下放悬重与实际下放悬重的差值在0～30kn的范围内时，进入步骤s45；当实际上提悬重比预设正常上提悬重高30kn以上，或者实际下放悬重比预设正常下放悬重低30kn以上时，进入步骤s44。

8.如权利要求5所述的使用螺杆和旋转导向工具组合系统的钻井方法，其特征在于，所述步骤s3包括：

步骤s31：将钻具上提预设悬空距离，开泵测斜；

步骤s32：将顶驱转速设置为初始转速，所述初始转速小于所述第三顶驱转速，启动顶驱，使顶驱按照所述初始转速驱动钻具旋转，同时记录初始扭矩最大值、空转扭矩和空转悬重；

步骤s33：将顶驱转速设置为所述钻进顶驱转速，待顶驱转速提速至所述钻进顶驱转速后，下放钻具至井底进行钻进。

9.如权利要求1所述的使用螺杆和旋转导向工具组合系统的钻井方法，其特征在于，所述螺杆为直螺杆。

10.如权利要求9所述的使用螺杆和旋转导向工具组合系统的钻井方法，其特征在于，所述直螺杆的功率为240kw～300kw。

技术总结

本发明提供一种使用螺杆和旋转导向工具组合系统的钻井方法，其包括：根据井眼的狗腿度，将井眼分为低狗腿井段、中狗腿井段和高狗腿井段，低狗腿井段的狗腿度小于中狗腿井段的狗腿度，中狗腿井段的狗腿度小于高狗腿井段的狗腿度；使用具有螺杆和旋转导向工具组合系统的钻具钻井，在钻进过程中，当螺杆处于低狗腿井段时使用第一顶驱转速，当螺杆处于中狗腿井段时使用第二顶驱转速，当螺杆处于高狗腿井段时使用第三顶驱转速，第一顶驱转速大于第二顶驱转速，第二顶驱转速大于第三顶驱转速。本发明通过提高钻进时的顶驱转速，能进一步提高机械钻速，并改善钻进时的井眼清洁，降低岩屑床高度，降低发生岩屑雪崩、砂桥卡钻等井下事故的风险。

技术研发人员：孙金德;张福祥;刘万寿;李志斌

受保护的技术使用者：洲际海峡能源科技有限公司

技术研发日：2020.05.15

技术公布日：2020.08.18

声明：

“使用螺杆和旋转导向工具组合系统的钻井方法与流程” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。

我是此专利(论文)的发明人(作者)