VertiTrak垂直鉆井工具在川西地區(qū)的應(yīng)用性研究

楊炳祥 李 榕 江 波

（1.中國石化西南油氣分公司川西采氣廠，四川 德陽 618000；2.中國石化西南石油工程有限公司四川鉆井分公司，四川 德陽 618000；3.中國石化西南油氣分公司工程技術(shù)研究院，四川 德陽 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年代末已開始研究，并先后開發(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)鉆進時進行連續(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。

國內(nèi)在現(xiàn)場應(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，平均機械鉆速提高147.30%，同時使用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)累計使用VertiTrak垂直鉆井技術(shù)2 958.12 m，累計純鉆時間1 327.67 h，平均機械鉆速2.23 m／h，比川東北探區(qū)2003-2007年泥漿鉆平均機械鉆速1.22 m／h提高了82.79%［7］。

川西地區(qū)巖石具有軟硬交錯頻繁、地層研磨性強、高溫、高壓等地層特點，導(dǎo)致井身質(zhì)量差、機械鉆速低、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防斜、糾斜功能，適用于硬地層中大鉆壓鉆進，能有效控制井身質(zhì)量，提高機械鉆速。為了實現(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，并達到比較理想的機械速度。筆者對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)行機構(gòu)、高性能的X-TREME馬達及MWD實時上傳技術(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、脈沖發(fā)生器以及液壓控制系統(tǒng)組成（圖1）。渦輪發(fā)電機給整個系統(tǒng)供電，并同時驅(qū)動液壓泵。MWD通過重力加速計監(jiān)測井眼的偏斜；液壓控制系統(tǒng)通過控制閥將液壓傳遞到合適的1～2個肋板上，使其在井壁上產(chǎn)生一個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）泥漿馬達是BakerHughes公司新型高性能大功率的X-TREME系列馬達。融合了Navi-Drill技術(shù)，輸出功率比普通鉆井液馬達高60%。

2）導(dǎo)向執(zhí)行機構(gòu)的推力塊相當(dāng)于常規(guī)馬達的近鉆頭穩(wěn)定器，其伸縮由液壓控制系統(tǒng)控制，通過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到1.5°／30 m，通過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，可對預(yù)期降斜率的大小進行設(shè)定，范圍在0.8°～1.5°／30 m。在鉆進時通過調(diào)整鉆壓、排量等技術(shù)參數(shù)也可以對降斜率做適當(dāng)?shù)奈⒄{(diào)。VertiTrak的優(yōu)勢：① 降低了扭轉(zhuǎn)振動，減低了脫扣掉鉆具的風(fēng)險，降低了扭矩和摩阻，避免憋鉆，鉆具與套管的磨損最小，減少了總的機械損耗；② 釋放鉆壓，提高機械鉆速，縮短鉆井周期；③ 降低成本，減少了鉆井時間，“瘦”井眼比大井眼降低了破巖量、較低的鉆井液費用和環(huán)保費用、較低的鉆頭費用、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)合鉆進提速易發(fā)生井斜。針對這一情況，新209井、新場6井在二開井段鉆進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，實現(xiàn)了劍門關(guān)—遂寧組地層的高效快速鉆進。具體應(yīng)用情況對比分析如表1所示。

其中新209井是川西坳陷新場構(gòu)造七郎廟高點的一口開發(fā)評價井，新場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)組鉆進效果比較理想，機械鉆速較高，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6井使用5刀翼結(jié)構(gòu)DM852PDC鉆頭，鉆頭出井時基本無磨損，可繼續(xù)入井使用，機械鉆速比常規(guī)鉆井方式有明顯提高。充分說明垂直鉆井系統(tǒng)配合4刀翼PDC鉆頭深水槽結(jié)構(gòu)設(shè)計有利于清洗和冷卻鉆頭，以防止鉆頭泥包，達到了快速破巖，提高機械鉆速的目的，在蓬萊鎮(zhèn)地層的鉆進更具適應(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)計井深8 875 m。一開完鉆井深499 m，二開中完井深為3 200 m。在二開井段引入了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，夾層多、跳鉆嚴(yán)重，下部泥頁巖或砂泥巖易產(chǎn)生掉塊，易塌、易卡，千佛崖組、白田壩組地層可能存在漏失，同時大尺寸井眼井斜控制困難，機械鉆速難以提高。實際應(yīng)用情況顯示，垂直鉆井系統(tǒng)應(yīng)用井段平均機械鉆速達到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，成功實現(xiàn)了防斜打直的目的。

由表3可知，新209井與新場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，各項技術(shù)指標(biāo)遠遠高于設(shè)計常規(guī)鉆井方式的指標(biāo)。新209井鉆井周期縮短率為63.88%，臺月效率提高170.69%，機械鉆速提高188.13%，純鉆時間縮短率為65.55%；新場6井鉆井周期縮短率為47.5%，臺月效率提高83.57%，機械鉆速提高100.5%，純鉆時間縮短率為51.63%。同時垂直鉆井系統(tǒng)在川科1井應(yīng)用井段平均機械鉆速達到1.87 m／h，保證了川科1井二開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6井VTK鉆井技術(shù)指標(biāo)對比分析表

由此在新209井與新場6井蓬萊鎮(zhèn)組地層的鉆進過程中，VTK鉆井技術(shù)的成功引用不僅提高了機械鉆速，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)組地層特點是：巖性主要為泥巖，與粉砂巖含礫巖互層、軟硬交錯變化大、巖石滲透性強，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)合鉆進方法提高鉆井速度易發(fā)生井斜，通常在該井段都會采用塔式鉆具組合來控制鉆壓防止井斜及水平位移過大，但是效果都不是很好，平均井斜都會在2°左右，因此如何防斜打直同時保證井眼質(zhì)量是影響川西中深井提速提效的關(guān)鍵因素。通過對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程中機械鉆速提高的同時，井斜都能夠很好地控制在0.5°以內(nèi)，各項技術(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)運用要點

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)換模式時間。

2）泵入井內(nèi)的巖屑及堵漏材料過多會嚴(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，并及時檢查、清洗。

3）組合貝克工具和浮閥時，必須將扣和臺階面清洗干凈，抹好絲扣油。不僅絲扣，而且臺階面也要抹好。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）每打完一單根加強劃眼及時修整井壁和活動鉆具，防止卡鉆，井隊技術(shù)人員應(yīng)準(zhǔn)確判斷鉆進過程中的異常蹩跳鉆情況，發(fā)現(xiàn)異常及時處理，使用PDC鉆頭時準(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，因為如果扶正器配備不合適，如當(dāng)扶正器過大時會出現(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)鉆進方式往往為了防斜采取降低鉆壓吊打方式，降低了機械鉆速。VertiTrak垂直鉆井系統(tǒng)在新209井、新場6井及川科1井的成功應(yīng)用，有效地實現(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，機械鉆速較高。

3）通過對川西地質(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，同時機械鉆速增幅明顯，值得推廣應(yīng)用。

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