楊炳祥 李 榕 江 波

（1.中國(guó)石化西南油氣分公司川西采氣廠，四川 德陽(yáng) 618000；2.中國(guó)石化西南石油工程有限公司四川鉆井分公司，四川 德陽(yáng) 618000；3.中國(guó)石化西南油氣分公司工程技術(shù)研究院，四川 德陽(yáng) 618000）

0 引言

常用的塔式鉆具、鐘擺鉆具、滿眼鉆具、導(dǎo)向鉆具等均屬于傳統(tǒng)的直井段防斜打快鉆井技術(shù)，不能滿足深井、超深井和復(fù)雜結(jié)構(gòu)井直井段垂直鉆井的要求，尤其不能滿足在高陡構(gòu)造與大傾角等易斜地層和自然造斜能力強(qiáng)的條件下鉆垂直井的要求。垂直鉆井系統(tǒng)在20世紀(jì)80年代末已開(kāi)始研究，并先后開(kāi)發(fā)出了不同的工具，即依據(jù)可靠的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)在旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)進(jìn)行連續(xù)性的井斜控制，改變了以前嚴(yán)格控制鉆井參數(shù)的方式，有助于減少套管層次和套管尺寸、提高機(jī)械鉆速、減少鉆柱事故，確保了井眼垂直和最大限度地提高鉆速。

國(guó)內(nèi)在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的防斜、糾斜工具主要是Bak?er Hughes公司的VertiTrak垂直鉆井系統(tǒng)，Schlum?berger公司的PowerV自動(dòng)垂直鉆井系統(tǒng)、哈里伯頓公司的V-Pilot垂直鉆井系統(tǒng)等國(guó)外工具［1-5］。2005年P(guān)owerV垂直鉆井技術(shù)在黑池1井的應(yīng)用結(jié)果顯示，平均機(jī)械鉆速提高147.30%，同時(shí)使用Power V垂直鉆井技術(shù)期間節(jié)約成本474 451元［6］。由于川東北地區(qū)上部陸相地層巖石可鉆性差，地層傾角大，井身質(zhì)量控制難度大，2007年川東北探區(qū)累計(jì)使用VertiTrak垂直鉆井技術(shù)2 958.12 m，累計(jì)純鉆時(shí)間1 327.67 h，平均機(jī)械鉆速2.23 m／h，比川東北探區(qū)2003-2007年泥漿鉆平均機(jī)械鉆速1.22 m／h提高了82.79%［7］。

川西地區(qū)巖石具有軟硬交錯(cuò)頻繁、地層研磨性強(qiáng)、高溫、高壓等地層特點(diǎn)，導(dǎo)致井身質(zhì)量差、機(jī)械鉆速低、井下復(fù)雜情況多，嚴(yán)重影響了鉆井速度的提高。垂直鉆井工具有自動(dòng)防斜、糾斜功能，適用于硬地層中大鉆壓鉆進(jìn)，能有效控制井身質(zhì)量，提高機(jī)械鉆速。為了實(shí)現(xiàn)川西上部地層防斜打直，尋求提高井身質(zhì)量和鉆速的鉆井技術(shù)方法，引進(jìn)的VertiTrak、V-Pilot垂直鉆井系統(tǒng)先后在川西復(fù)雜深井，如新209井、新場(chǎng)6井、川科1井等井的鉆井施工中獲得良好應(yīng)用，在一定井深和井眼尺寸范圍內(nèi)有效地控制了井斜變化，并達(dá)到比較理想的機(jī)械速度。筆者對(duì)比分析了垂直鉆井系統(tǒng)在川西的應(yīng)用情況，并深入研究了垂直鉆井工具在川西地區(qū)的適用性層位和鉆井技術(shù)方法。

1 VertiTrak垂直鉆井系統(tǒng)

VertiTrak系統(tǒng)是綜合了Auto Trak的導(dǎo)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)、高性能的X-TREME馬達(dá)及MWD實(shí)時(shí)上傳技術(shù)的一種閉環(huán)垂直鉆井系統(tǒng)。MWD控制短節(jié)由重力傳感器、控制電路、渦輪發(fā)電機(jī)、脈沖發(fā)生器以及液壓控制系統(tǒng)組成（圖1）。渦輪發(fā)電機(jī)給整個(gè)系統(tǒng)供電，并同時(shí)驅(qū)動(dòng)液壓泵。MWD通過(guò)重力加速計(jì)監(jiān)測(cè)井眼的偏斜；液壓控制系統(tǒng)通過(guò)控制閥將液壓傳遞到合適的1～2個(gè)肋板上，使其在井壁上產(chǎn)生一個(gè)3 t的反作用力，從而使井眼回到垂直方向。MWD上傳的數(shù)據(jù)包括井斜、溫度、液壓力、交流電壓以及導(dǎo)向塊的工作狀況。

圖1 VertiTrak系統(tǒng)的主要組成部分圖

1）泥漿馬達(dá)是BakerHughes公司新型高性能大功率的X-TREME系列馬達(dá)。融合了Navi-Drill技術(shù)，輸出功率比普通鉆井液馬達(dá)高60%。

2）導(dǎo)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)的推力塊相當(dāng)于常規(guī)馬達(dá)的近鉆頭穩(wěn)定器，其伸縮由液壓控制系統(tǒng)控制，通過(guò)控制閥將液壓力傳遞到相應(yīng)的推力塊。VertiTrak最大降斜能力可以達(dá)到1.5°／30 m，通過(guò)選擇欠尺寸扶正器在鉆具組合中的位置及扶正器外徑的大小，可對(duì)預(yù)期降斜率的大小進(jìn)行設(shè)定，范圍在0.8°～1.5°／30 m。在鉆進(jìn)時(shí)通過(guò)調(diào)整鉆壓、排量等技術(shù)參數(shù)也可以對(duì)降斜率做適當(dāng)?shù)奈⒄{(diào)。VertiTrak的優(yōu)勢(shì)：① 降低了扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，減低了脫扣掉鉆具的風(fēng)險(xiǎn)，降低了扭矩和摩阻，避免憋鉆，鉆具與套管的磨損最小，減少了總的機(jī)械損耗；② 釋放鉆壓，提高機(jī)械鉆速，縮短鉆井周期；③ 降低成本，減少了鉆井時(shí)間，“瘦”井眼比大井眼降低了破巖量、較低的鉆井液費(fèi)用和環(huán)保費(fèi)用、較低的鉆頭費(fèi)用、固井效率提高、可減少套管層數(shù)。

2 川西垂直鉆井系統(tǒng)應(yīng)用及效果分析

2.1 川西垂直鉆井系統(tǒng)應(yīng)用情況

2.1.1 新209井和新場(chǎng)6井垂直鉆井系統(tǒng)應(yīng)用情況

川西地區(qū)淺層蓬萊鎮(zhèn)組600～1 200 m井段可鉆性好，夾層多，以常規(guī)復(fù)合鉆進(jìn)提速易發(fā)生井斜。針對(duì)這一情況，新209井、新場(chǎng)6井在二開(kāi)井段鉆進(jìn)中成功使用了貝克休斯VertiTrak（VTK）垂直鉆井系統(tǒng)工藝技術(shù)，并配合高效鉆頭，實(shí)現(xiàn)了劍門關(guān)—遂寧組地層的高效快速鉆進(jìn)。具體應(yīng)用情況對(duì)比分析如表1所示。

其中新209井是川西坳陷新場(chǎng)構(gòu)造七郎廟高點(diǎn)的一口開(kāi)發(fā)評(píng)價(jià)井，新場(chǎng)6井是川西坳陷孝泉—豐谷構(gòu)造羅江構(gòu)造南翼部署的一口定向預(yù)探井。

表1 VTK鉆井技術(shù)應(yīng)用效果表

新209井使用迪普DM741鉆頭在蓬萊鎮(zhèn)組鉆進(jìn)效果比較理想，機(jī)械鉆速較高，在遂寧組中由于有泥巖、粉砂巖夾層并且?guī)r石含鈣較高，導(dǎo)致鉆頭有比較明顯的磨損。新場(chǎng)6井使用5刀翼結(jié)構(gòu)DM852PDC鉆頭，鉆頭出井時(shí)基本無(wú)磨損，可繼續(xù)入井使用，機(jī)械鉆速比常規(guī)鉆井方式有明顯提高。充分說(shuō)明垂直鉆井系統(tǒng)配合4刀翼PDC鉆頭深水槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有利于清洗和冷卻鉆頭，以防止鉆頭泥包，達(dá)到了快速破巖，提高機(jī)械鉆速的目的，在蓬萊鎮(zhèn)地層的鉆進(jìn)更具適應(yīng)性，效果更好。

2.1.2 川科1井垂直鉆井系統(tǒng)應(yīng)用情況

川科1井位于四川盆地川西坳陷孝泉構(gòu)造，設(shè)計(jì)井深8 875 m。一開(kāi)完鉆井深499 m，二開(kāi)中完井深為3 200 m。在二開(kāi)井段引入了VertiTrak垂直鉆井系統(tǒng)，具體應(yīng)用情況如表2所示。

川科1井二開(kāi)鉆遇地層為蓬萊鎮(zhèn)組至須4段，井眼尺寸?444.5 mm，裸眼井段大于2 800 m，地質(zhì)方面，該地層砂泥巖軟硬交錯(cuò)，夾層多、跳鉆嚴(yán)重，下部泥頁(yè)巖或砂泥巖易產(chǎn)生掉塊，易塌、易卡，千佛崖組、白田壩組地層可能存在漏失，同時(shí)大尺寸井眼井斜控制困難，機(jī)械鉆速難以提高。實(shí)際應(yīng)用情況顯示，垂直鉆井系統(tǒng)應(yīng)用井段平均機(jī)械鉆速達(dá)到1.87 m／h。

2.2 川西垂直鉆井系統(tǒng)效果分析

新209井、新場(chǎng)6井在蓬萊鎮(zhèn)組地層分別應(yīng)用了VTK鉆井技術(shù)，從上述分析情況及表3可知，效果非常顯著，成功實(shí)現(xiàn)了防斜打直的目的。

由表3可知，新209井與新場(chǎng)6井使用VTK垂直鉆井系統(tǒng)的井段所得鉆井技術(shù)指標(biāo)，在井眼軌跡均得到良好控制的情況下，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)常規(guī)鉆井方式的指標(biāo)。新209井鉆井周期縮短率為63.88%，臺(tái)月效率提高170.69%，機(jī)械鉆速提高188.13%，純鉆時(shí)間縮短率為65.55%；新場(chǎng)6井鉆井周期縮短率為47.5%，臺(tái)月效率提高83.57%，機(jī)械鉆速提高100.5%，純鉆時(shí)間縮短率為51.63%。同時(shí)垂直鉆井系統(tǒng)在川科1井應(yīng)用井段平均機(jī)械鉆速達(dá)到1.87 m／h，保證了川科1井二開(kāi)大尺寸井眼的井身質(zhì)量，為后續(xù)施工井段提供了良好的井眼條件。

表2 VTK鉆井技術(shù)應(yīng)用效果表

表3 新209井和新場(chǎng)6井VTK鉆井技術(shù)指標(biāo)對(duì)比分析表

由此在新209井與新場(chǎng)6井蓬萊鎮(zhèn)組地層的鉆進(jìn)過(guò)程中，VTK鉆井技術(shù)的成功引用不僅提高了機(jī)械鉆速，還順利將井斜控制在了1°以內(nèi)，大大提高了井身質(zhì)量，為后續(xù)井段作業(yè)提供了有利條件。

3 川西地區(qū)垂直鉆井工具及井段優(yōu)選

由于地質(zhì)構(gòu)造的不均衡性，川西地區(qū)不同構(gòu)造帶蓬萊鎮(zhèn)組地層的厚度有所不同，四川盆地川西坳陷馬井構(gòu)造蓬萊鎮(zhèn)組地層的厚度約為950～1 020 m，新場(chǎng)構(gòu)造蓬萊鎮(zhèn)組地層的厚度約為700～1 300 m、羅江構(gòu)造蓬萊鎮(zhèn)組地層厚度約為900～1 300 m。川西地區(qū)淺層蓬萊鎮(zhèn)組地層特點(diǎn)是：巖性主要為泥巖，與粉砂巖含礫巖互層、軟硬交錯(cuò)變化大、巖石滲透性強(qiáng)，承壓能力低，泥巖水化膨脹易縮徑，地壓梯度變化幅度大，含多壓力層系。該地層可鉆性好，但是以常規(guī)復(fù)合鉆進(jìn)方法提高鉆井速度易發(fā)生井斜，通常在該井段都會(huì)采用塔式鉆具組合來(lái)控制鉆壓防止井斜及水平位移過(guò)大，但是效果都不是很好，平均井斜都會(huì)在2°左右，因此如何防斜打直同時(shí)保證井眼質(zhì)量是影響川西中深井提速提效的關(guān)鍵因素。通過(guò)對(duì)比分析目前川西地區(qū)應(yīng)用垂直鉆井系統(tǒng)施工幾口井的基本情況，可以得出，美國(guó)貝克休斯公司的 VertiTrak垂直鉆井系統(tǒng)在川西蓬萊鎮(zhèn)—遂寧組地層的垂直鉆井使用過(guò)程中機(jī)械鉆速提高的同時(shí)，井斜都能夠很好地控制在0.5°以內(nèi)，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)都取得了理想的效果。

4 川西地區(qū)垂直鉆井技術(shù)運(yùn)用要點(diǎn)

1）鉆井設(shè)備應(yīng)盡量選擇狀態(tài)好、輸出功率較大的，盡量滿足大井眼長(zhǎng)裸眼井段攜砂要求，有效預(yù)防沉砂、縮徑卡鉆的出現(xiàn)。建議使用頂驅(qū)，可以節(jié)約接單跟和轉(zhuǎn)換模式時(shí)間。

2）泵入井內(nèi)的巖屑及堵漏材料過(guò)多會(huì)嚴(yán)重影響工具的正常使用，因此必須保證鉆井液的清潔。建議安裝鉆井液泵上水濾子，并及時(shí)檢查、清洗。

3）組合貝克工具和浮閥時(shí)，必須將扣和臺(tái)階面清洗干凈，抹好絲扣油。不僅絲扣，而且臺(tái)階面也要抹好。如發(fā)現(xiàn)與之相連的公扣或母扣有損傷，必須更換，以防刺壞VTK工具和浮閥絲扣。

4）每打完一單根加強(qiáng)劃眼及時(shí)修整井壁和活動(dòng)鉆具，防止卡鉆，井隊(duì)技術(shù)人員應(yīng)準(zhǔn)確判斷鉆進(jìn)過(guò)程中的異常蹩跳鉆情況，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)處理，使用PDC鉆頭時(shí)準(zhǔn)確調(diào)整好指重表，保證了均勻送鉆。

5）配備滿足VTK工藝要求的扶正器，因?yàn)槿绻稣髋鋫洳缓线m，如當(dāng)扶正器過(guò)大時(shí)會(huì)出現(xiàn)脫壓現(xiàn)象。

5 結(jié)論

1）由于川西地層巖性組成具有不均質(zhì)性，上部地層易發(fā)生井斜，常規(guī)鉆進(jìn)方式往往為了防斜采取降低鉆壓吊打方式，降低了機(jī)械鉆速。VertiTrak垂直鉆井系統(tǒng)在新209井、新場(chǎng)6井及川科1井的成功應(yīng)用，有效地實(shí)現(xiàn)上部地層防斜打快的目標(biāo)，解放了鉆壓、控制住了井斜，取得了較好的防斜打快效果。

2）鉆頭選型方面，由于VTK工具處于高轉(zhuǎn)速、高鉆壓狀態(tài)，因此鉆頭選擇非常重要，幾口井的使用效果顯示VTK工具配合迪普DM741型四刀翼PDC鉆頭在該井段的應(yīng)用效果較為理想，機(jī)械鉆速較高。

3）通過(guò)對(duì)川西地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性及Verti?Trak垂直鉆井系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例的深入分析可知，在川西蓬萊鎮(zhèn)組至遂寧組地層應(yīng)用垂直鉆井系統(tǒng)可有效的控制井斜，同時(shí)機(jī)械鉆速增幅明顯，值得推廣應(yīng)用。

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