VTK垂直鉆井技術(shù)在海拉爾油田的應(yīng)用

楊麗晶

（中國石油大慶油田有限責(zé)任公司采油工程研究院，黑龍江大慶 163453）

VTK垂直鉆井技術(shù)在海拉爾油田的應(yīng)用

楊麗晶

（中國石油大慶油田有限責(zé)任公司采油工程研究院，黑龍江大慶 163453）

海拉爾油田地層傾角大、地下斷層多、自然造斜能力強(qiáng)，采用輕壓吊打或彎螺桿糾斜方法，不能解決井斜等問題。為此，引進(jìn)了貝克休斯的VTK垂直鉆井系統(tǒng)，同時(shí)優(yōu)選了與其相適應(yīng)的鉆頭、鉆具組合及鉆井液體系。該技術(shù)現(xiàn)場應(yīng)用15口井表明，在易斜地層，可以有效控制井斜、解放鉆壓，全面提高機(jī)械鉆速。

海拉爾油田；垂直鉆井系統(tǒng)；地層傾角；井斜控制；機(jī)械鉆速

海拉爾油田屬復(fù)雜斷塊油田，巖性復(fù)雜多變，儲層橫向變化大。上部地層水敏性強(qiáng)，成巖性差；中部大磨拐河組地層傾角為20°～25°，南屯組含礫巖層，地層傾角為38°～45°，有些地層高達(dá)50°～60°，地層自然造斜能力強(qiáng)；下部以凝灰質(zhì)火山巖為主，裂縫發(fā)育，斷層多。在該地區(qū)鉆井施工中極易發(fā)生井斜、卡鉆、磨損和井漏等事故［1］，防斜打快的矛盾十分突出，嚴(yán)重制約了鉆井速度的提高。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，海拉爾地區(qū)已鉆46口井中，單井糾斜次數(shù)達(dá)每井2.5次，平均每1次糾斜損失2天。為了有效地控制了井斜，保持井眼垂直，解決井斜與鉆壓的矛盾［2-4］，引進(jìn)了貝克休斯的VertiTrak垂直鉆井系統(tǒng)，同時(shí)優(yōu)選了與其適應(yīng)的鉆頭、鉆具組合及鉆井液體系。

1 VTK垂直鉆井系統(tǒng)

VTK垂直鉆井系統(tǒng)將Auto Trak閉環(huán)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)、高性能X-T REME馬達(dá)和可靠的 MWD三種技術(shù)集于一體，它可鉆出較為筆直的井眼［5］。鉆進(jìn)過程中當(dāng)井眼偏斜僅有0.1°時(shí)，井斜傳感器就會(huì)檢測到（距離鉆頭10 m），對需要克服的偏斜力，微處理器可進(jìn)行計(jì)算，隨后啟動(dòng)液壓部件，通過1～2個(gè)肋板向井壁施加3 t的作用力以對抗這一趨勢，同時(shí)MWD傳送實(shí)時(shí)井斜數(shù)據(jù)到地面系統(tǒng)以方便跟蹤和監(jiān)測。當(dāng)井眼完全垂直時(shí)，3個(gè)肋板全部伸出，并對井壁施加相同的力，使鉆頭居中，保持井眼按垂直方向鉆進(jìn)，這一過程全部自動(dòng)完成，不需要任何人為干預(yù)。該系統(tǒng)消除了意想不到的狗腿度和對礦層的影響，使井眼更規(guī)矩，下套管更容易，此外，還有完整的泥漿脈沖發(fā)生器，負(fù)責(zé)傳輸井眼傾斜和工具狀態(tài)的相關(guān)信息。

2 與VTK匹配的鉆頭優(yōu)選

大磨拐河組，存在泥巖夾砂巖、泥質(zhì)粉砂巖互層、軟硬交錯(cuò)、造斜力較大問題，因此，為配合VTK使用，宜選擇高轉(zhuǎn)速的PDC鉆頭。通過對TH1654D、B425、MD9431鉆頭進(jìn)行分析，認(rèn)為B425、MD9431鉆頭轉(zhuǎn)速較快，但下入深度不夠，失效嚴(yán)重。而TH1654D型號的PDC鉆頭具有側(cè)向切削齒、脖柄短和刀翼受力均勻的特點(diǎn)，在防斜、控斜方面性能突出，該鉆頭配合VTK使用，取得了較好應(yīng)用效果。它與B425、MD9431鉆頭相比，進(jìn)尺平均增加11.5%，機(jī)械鉆速提高25.9%。

南屯組、銅缽廟組到布達(dá)特群，礫石、裂縫發(fā)育，斷層多，且泥、砂巖軟硬交替，可鉆性差、研磨性強(qiáng)，所以應(yīng)選用牙輪鉆頭鉆進(jìn)。通過對HJ437G、HA437、HJ517G、HJ537GK、SMD517牙輪鉆頭對比分析，使用HJ437G型號鉆頭出現(xiàn)斷齒較多，HA437型號鉆頭磨損嚴(yán)重，而 HJ517G、HJ537GK和SMD517在克服斷齒、磨損和適應(yīng)轉(zhuǎn)速等方面應(yīng)用效果都較好，特別是超高轉(zhuǎn)速SMD517型號的鉆頭，配合VTK系統(tǒng)使用，在這些層段取得了較理想的應(yīng)用效果。優(yōu)選后的牙輪鉆頭進(jìn)尺平均增加11.7%，機(jī)械鉆速提高了25.8%。

3 鉆具組合優(yōu)化

通過優(yōu)化鉆具組合控制井眼軌跡，減少了井斜、卡鉆事故的發(fā)生。一開井眼為374.7 mm，井深一般在100～120 m，該層段巖石膠結(jié)疏松。優(yōu)選的鉆具組合為塔式鉆具組合：φ374.7 mm鉆頭＋φ177.8 mm鉆鋌＋φ158.7 mm 鉆鋌＋φ127.0 mm 鉆桿。塔式鉆具組合的鉆鋌柱重心低、穩(wěn)定性好，能產(chǎn)生較大的鐘擺減斜力，在松軟井徑易擴(kuò)大地層可有效地控制井斜問題的發(fā)生。另外該組合直徑大、剛度大，與井眼間隙較小，也具有較好地防斜效果。二開優(yōu)選的為垂直導(dǎo)向鉆具組合：215.9 mm鉆頭＋180 mm VTK＋165.1 mm鉆具止回閥＋214 mm螺扶＋177.8 mm雙向震擊器＋177.8 mm鉆鋌＋158.7 mm鉆鋌＋127 mm鉆桿。180 mm VTK垂直導(dǎo)向工具的使用，可控制易斜地層的井斜角，保持井眼垂直；214 mm螺扶配合VTK導(dǎo)向工具使用，可防止托壓、形成支點(diǎn)，一旦出現(xiàn)井斜，將產(chǎn)生降斜的鐘擺力；當(dāng)鉆具遇卡時(shí)，可通過震擊器給卡點(diǎn)處向上或向下的強(qiáng)烈震擊力，使卡點(diǎn)松動(dòng)，從而達(dá)到迅速解卡的目的。

4 鉆井液體系優(yōu)選

海拉爾油田上部地層粘土礦物含量高；泥巖易膨脹強(qiáng)分散，且造漿嚴(yán)重，易形成泥環(huán)；中下部地層蒙脫石含量高、泥巖易吸水膨脹并造成井壁垮塌、嚴(yán)重掉塊等事故。因此，要求鉆井液具有極強(qiáng)的抑制性、防塌性和降失水性能。通過開展海拉爾油田儲層損害機(jī)理、儲層保護(hù)鉆井液體系等方面的研究，優(yōu)選了新型兩性復(fù)合離子鉆井液體系，并配合VTK垂直鉆井工具，實(shí)現(xiàn)了較好的井身質(zhì)量控制目的。新型兩性復(fù)合離子聚合物包被劑FA368和降粘劑XY28，在降低液體粘度的同時(shí)，可大大增強(qiáng)體系的抑制能力，使降粘和抑制性達(dá)到高度統(tǒng)一，其配方為：（4.0～5.0）%膨潤土＋（0.2～0.4）%純堿＋（0.8～1.0）%NPAN＋（0.2～0.3）%FA368＋（0.2～0.3）%XY28＋（1.2～2.0）%SPNH＋（0.8～1.0）%有機(jī)硅腐鉀＋（0.04～0.06）%KOH。

該體系用4.0%～6.0%的有機(jī)硅腐鉀水溶液維護(hù)處理，p H值低時(shí)，用0.04%～0.06%的KOH水溶液進(jìn)行調(diào)整；粘度高時(shí)，用XY28水溶液進(jìn)行處理。每鉆進(jìn)300 m，加入 NPAN 100～200 kg、SPNH 300～500 kg、有機(jī)硅腐鉀200～400 kg和FA368 100～200 kg處理劑，以利于防塌、防卡和降失水。在進(jìn)入目的層50～100 m前，加入瀝青質(zhì)的軟性高效封堵濾失劑和足量稍硬性的超細(xì)碳酸鈣，加強(qiáng)泥餅的致密性，同時(shí)嚴(yán)格控制失水不大于4.0 m L，這既穩(wěn)定了鉆井液的性能，降低了濾失量，又減少了固相顆粒侵入地層，并使產(chǎn)層的孔隙度和滲透率最大程度的不受影響。

5 現(xiàn)場應(yīng)用效果

2009～2011年，VTK在海拉爾油田共應(yīng)用15口井，主要用于解決大磨拐河組、南屯組等易斜地層。與鄰井糾斜后相比，15口井均取得了較好的控斜效果，平均井斜由2.74°降到0.47°，平均機(jī)械鉆速由4.51 m／h提高到7.68 m／h，與鄰井相比平均提高70.29%，大大地提高了機(jī)械鉆速，縮短了鉆井周期，具體情況見表1。

表1 海拉爾油田應(yīng)用VTK系統(tǒng)情況統(tǒng)計(jì)

5.1 利用VTK主動(dòng)控斜

在以往現(xiàn)場鉆進(jìn)過程中，多數(shù)情況是已發(fā)現(xiàn)井斜，且要超出設(shè)計(jì)要求時(shí)，利用VTK系統(tǒng)進(jìn)行糾斜，其最終后果是雖然井斜度很小，但狗腿度依然很大，井身質(zhì)量差。而現(xiàn)在采取主動(dòng)控斜方式，從易斜井段開始就應(yīng)用VTK垂直鉆井系統(tǒng)，該系統(tǒng)入井2到3次就可以鉆穿整個(gè)易斜井段，打出較為筆直的井眼，這樣就充分發(fā)揮了VTK垂直鉆井系統(tǒng)的提速潛能。以烏33-1井和貝3-14井為例說明。

烏33-1井地層傾角較大，伊敏組至銅缽廟組地層傾角范圍為15.6°～45.2°。南二段井深為1 807～1 849 m，南一段井深為1 851～2 166 m，銅缽廟組井深為2 176～2 401 m，在井斜角2.0°時(shí)，就下入VTK垂直鉆井系統(tǒng)進(jìn)行主動(dòng)控斜，最終井斜角控制在0.1°，該指標(biāo)小于設(shè)計(jì)要求（2 000 m井斜角≤4.5°），與鄰井相比機(jī)械鉆速提高了85.94%。

貝3-14井從大磨拐河組到布達(dá)特群地層傾角范圍為19°～38°，在南一段井深為794～1 175 m和布達(dá)特群井深為1 202～1 320 m，井斜角在1.4°時(shí)，就下入VTK垂直鉆井系統(tǒng)進(jìn)行主動(dòng)控斜，最終井斜控制在0.12°（設(shè)計(jì)要求1 500 m 井斜≤3.0），并且與鄰井相比機(jī)械鉆速提高了106.74%。

5.2 主動(dòng)糾斜效果對比分析

從圖1上可以看出，主動(dòng)糾斜的烏33-1井，在1 851～2 166 m井段（層位南一段），與鄰井烏38-1井相比，相應(yīng)井段和層位井斜角大大降低，最小為0.1°。而鄰井的烏3 8-1井井斜角較大，最大為5.78°，雖然采取了糾斜措施進(jìn)行降斜，但損失了時(shí)間1.8天。從圖2上可看出，主動(dòng)糾斜的貝3-14井，在1 202～1 320 m井段（層位為布達(dá)特群），與鄰井貝3-13井相比，井斜角也大大降低，最小為0.12°，而鄰井貝3-13井井斜角卻較大，最大為5.99°，該井雖然也采取了糾斜措施進(jìn)行降斜，但損失了時(shí)間2.0天。

6 結(jié)論與建議

（1）VTK垂直鉆井技術(shù)在海拉爾油田高陡地層的應(yīng)用，徹底改變了傳統(tǒng)輕壓吊打被動(dòng)防斜或彎螺桿糾斜的鉆井方式，保證了井眼垂直，徹底解放了鉆壓，提高了機(jī)械鉆速，縮短了鉆井周期。

（2）優(yōu)化后的鉆具組合和鉆井液體系，能配合VTK垂直導(dǎo)向工具有效地控制井斜，提高井身質(zhì)量，減少鉆具失效、卡鉆和井漏等事故的發(fā)生。

圖1 烏33-1井與烏38-1井實(shí)測井斜角對比

圖2 貝3-14井與貝3-13井實(shí)測井斜角對比

（3）大磨拐河組地層優(yōu)選使用了PDC鉆頭，南屯組地層優(yōu)選使用牙輪鉆頭，使所選鉆頭與VTK垂直鉆井技術(shù)的匹配達(dá)到了最佳程度。

（4）VTK使用成本較高，要合理選擇應(yīng)用區(qū)塊及下入層段，對于能放開鉆壓且地層傾角不大的地層效果不是很明顯，建議同一口井可以分段使用。

［1］ 張輝，張振華.海拉爾油田水平井鉆井技術(shù)及應(yīng)用效果［J］.石油地質(zhì)與工程，2011，25（6）：107-111.

［2］ 劉小剛，陶林，孫長利，等.新型防斜打快鉆井技術(shù)在渤海油田的應(yīng)用［J］.石油鉆采工藝，2010，33（2）：120-122..

［3］ 徐泓.VTK垂直鉆井系統(tǒng)在大灣1井的應(yīng)用［J］.鉆采工藝，2010，33（6）：134-136.

［4］ 丁旭莊，聶翠平.川東北探區(qū)垂直鉆井技術(shù)經(jīng)濟(jì)評價(jià)［J］.內(nèi)蒙古石油化工，2008，（16）：23-24.

［5］ 卓云，張杰，王天華，等.VTK垂直鉆井技術(shù)在川東地區(qū)的應(yīng)用［J］.天然氣工業(yè)，2011，31（5）：80-83.

Hailaer oilfield has the characteristics of sharply changed stratigraphic dip，many developed faults and strong natural deflecting force.So deflection control is very difficult and the ROP is slowly to use light compression and bit-easing and bent screw，the situation has an effect on ROP and the development.In order to solve the above problems，the introduction of the VTK vertical drilling system of Baker Hughes is found to be a good solution to the contradiction between well deflection and the WOB，which can increase the ROP.At the same time，the suitable bit，drilling string，drilling mud system，decreasing the accident，such as drill tool failures，bit freezing，well collapse and so on have been optimized.Shown by 15 Wells field application，this system can effectively control well deflection，release the WOB and increase the ROP in the inclined strata.

88 Application of VTK vertical drilling technology in Hailaer oilfield

Yang Lijing（Production Engineering Institute of Daqing Oilfield Co.Ltd.，PetroChina，Daqing，Heilongjiang 163453）

Hailaer oilfield；vertical drilling system；dip angle；deflection control；ROP

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1673-8217（2012）06-0088-03

2012-05-22；改回日期：2012-07-30

楊麗晶，工程師，碩士，1980年生，2007年畢業(yè)于東北石油大學(xué)工程力學(xué)專業(yè)，現(xiàn)從事鉆井工程設(shè)計(jì)及科研工作。

劉洪樹