滑動推靠式垂直鉆井系統(tǒng)結(jié)構(gòu)性能優(yōu)化及應(yīng)用

陶松齡，陳世春，徐明磊，黃 峰，汝大軍，郭云鵬，馬 哲，魏慶振

(1.渤海鉆探工程公司 工程技術(shù)研究院，河北 任丘 062552；2.渤海鉆探工程公司 工程技術(shù)處，天津 300457)

為解決高陡構(gòu)造、斷層與鹽層等復(fù)雜易斜地質(zhì)條件下的深井防斜打快難題，自動垂直鉆井技術(shù)得到了快速發(fā)展?；瑒油瓶渴酱怪便@井系統(tǒng)，在糾斜過程中，近鉆頭處的推靠翼伸出，推靠井壁使鉆頭產(chǎn)生側(cè)向切削力，具有側(cè)向力大、降斜率高等優(yōu)點(diǎn)[1-6]。此外，糾斜執(zhí)行機(jī)構(gòu)外部不隨鉆具一起旋轉(zhuǎn)，井下振動小，推靠翼的磨損程度較低，糾斜效果好，在礫巖地層應(yīng)用的效果更佳。因此，滑動推靠式垂直鉆井系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用[7-10]?；瑒油瓶渴酱怪便@井系統(tǒng)主要分為脈沖傳輸及井下閉環(huán)系統(tǒng)2部分。根據(jù)脈沖傳輸機(jī)理，主要分為負(fù)脈沖、正脈沖及連續(xù)波傳輸3種。正脈沖信號發(fā)生器信號穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，是目前普遍使用的一種傳輸方式[11-12]。泥漿正脈沖發(fā)生器在塔里木油田進(jìn)行了大量應(yīng)用，但在大排量下的抗沖蝕性能差，在高密度鉆井液、深井環(huán)境下存在信號衰減問題[13]；另外，滑動式垂直鉆井系統(tǒng)，糾斜執(zhí)行機(jī)構(gòu)不隨鉆具旋轉(zhuǎn)，在復(fù)雜地層及工況下，鉆進(jìn)過程中不可避免存在一定的托壓。針對這些不足，對脈沖器閥座及主閥總成進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提高耐沖蝕性，增加控制閥的起始力和優(yōu)選行程，解決信號衰減問題。根據(jù)施工井地質(zhì)特性，采取了推靠翼尺寸規(guī)格及推靠力優(yōu)選等措施，應(yīng)用取得了良好的效果。

1 滑動推靠式垂直鉆井系統(tǒng)脈沖器簡介

1.1 泥漿正脈沖發(fā)生器結(jié)構(gòu)

泥漿正脈沖發(fā)生器主要由控制閥總成及主閥總成組成，如圖1所示。其中，控制閥總成包括線圈、外殼、閥芯、閥座總成等；主閥總成主要包括主閥扶正器、導(dǎo)桿、蘑菇頭、護(hù)套及濾網(wǎng)總成等。

圖1 泥漿正脈沖發(fā)生器結(jié)構(gòu)示意

1.2 泥漿正脈沖發(fā)生器工作原理

滑動推靠式垂直鉆井系統(tǒng)中的微控制器MCU，將井下各類傳感器測得的數(shù)據(jù)按照既定的算法規(guī)則進(jìn)行編碼，產(chǎn)生一定時序的脈沖信號。該脈沖信號通過脈沖驅(qū)動電路控制脈沖器的控制閥閥芯上下動作，從而和閥座噴嘴之間的過流孔形成了開關(guān)狀態(tài)。當(dāng)過流孔關(guān)閉時，主閥蘑菇頭的內(nèi)部壓力升高，迫使蘑菇頭向上運(yùn)動。蘑菇頭上端位置的改變，導(dǎo)致其與外圍的限流環(huán)鉆井液流道變化，從而在鉆柱內(nèi)產(chǎn)生壓力脈沖。壓力脈沖被地面壓力傳感器感知到，然后通過接收器和計算機(jī)軟件解碼，將井下測得的數(shù)據(jù)實(shí)時顯示出來。

1.3 脈沖器存在的不足

1) 遇大排量、含砂比高等井，脈沖器內(nèi)部零件沖蝕嚴(yán)重，容易導(dǎo)致閥座噴嘴脫落、主閥導(dǎo)桿斷裂等問題，影響了脈沖信號的傳輸，進(jìn)而降低了系統(tǒng)的工作壽命。

在KS5-5井，采用垂直鉆系統(tǒng)，鉆井液的排量65 L/s，工作循環(huán)時間130 h后因信號消失而起鉆。返修發(fā)現(xiàn)閥座總成噴嘴脫落。如圖2所示，從脈沖器閥座總成應(yīng)用前后對比可以看出，閥座在工作一段時間以后，內(nèi)孔明顯沖大，噴嘴槽沖蝕嚴(yán)重，導(dǎo)致噴嘴無法膠接在閥座上而脫落。因此，控制閥閥芯上頂后，無法封閉內(nèi)部流道，導(dǎo)致信號傳輸失效。

圖2 閥座總成應(yīng)用前后對比

DB1401井,其中的一趟鉆，鉆井液排量62～65 L/s,工作循環(huán)105 h后，信號幅值突然減小，后信號微弱，無法解碼而起鉆。返修發(fā)現(xiàn)主閥導(dǎo)桿斷裂，如圖3所示。導(dǎo)桿斷裂之后，一方面，信號可能直接消失，或信號幅值急劇下降，無法解碼；另一方面，由于上部無限位，直接撞在上部硬質(zhì)合金環(huán)上，很容易進(jìn)一步引起蘑菇頭碎裂，信號徹底消失。

圖3 主閥導(dǎo)桿斷裂情況

2) 高密度、高黏度鉆井液，深井條件下，脈沖器性能不穩(wěn)定。在BZ15井三開鉆井過程中，鉆井液密度2.18 g/cm3、黏度71 s，井深4 374 m，出現(xiàn)淺層測試信號正常，下鉆到底無信號，起出至淺層信號又恢復(fù)的狀況。

2 脈沖器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

2.1 閥座總成結(jié)構(gòu)優(yōu)化

閥座總成主要由閥座和噴嘴組成。噴嘴通過過盈或高強(qiáng)度粘接膠固定在閥座上。通過對多井次閥座總成應(yīng)用情況分析發(fā)現(xiàn)，閥座在長時間工作后，內(nèi)孔沖蝕增大，而噴嘴材料采用硬質(zhì)合金不易沖蝕，故閥座內(nèi)孔與噴嘴內(nèi)孔之間逐漸形成了1個臺階。原有的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致噴嘴沒有支撐，完全依靠過盈或高強(qiáng)度粘接，形成較大的臺階后，膠接強(qiáng)度不足以抗衡流體對噴嘴的沖擊力時，就會導(dǎo)致噴嘴下移或脫落。

鑒于此，對閥座總成結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，如圖4所示，采用加長型懸掛式噴嘴結(jié)構(gòu)，將噴嘴懸掛在閥座內(nèi)部的小臺階上，在噴嘴的下端同時抹上高強(qiáng)度的粘接膠。該結(jié)構(gòu)一方面防止了閥座總成噴嘴脫落，另一方面也減少了閥座的沖蝕，使閥座能重復(fù)使用。

2.2 主閥總成結(jié)構(gòu)優(yōu)化

脈沖器主閥總成的不足，主要表現(xiàn)在主閥導(dǎo)桿在長時間工作后由于沖蝕而斷裂，如圖5所示。通過對主閥導(dǎo)桿應(yīng)用過后的解剖發(fā)現(xiàn)，由于沖蝕，噴嘴下方導(dǎo)桿內(nèi)孔均有不同程度的“大肚子”。由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)及尺寸限制，該處壁厚是整個主閥導(dǎo)桿的薄弱環(huán)節(jié)。

a 優(yōu)化前

b 優(yōu)化后

圖5 主閥導(dǎo)桿內(nèi)部沖蝕

由于蘑菇頭以2～3 min-1的頻率沿主閥導(dǎo)桿做上、下往復(fù)運(yùn)動，沖蝕到一定程度后，加劇了主閥導(dǎo)桿的斷裂。

鑒于此，對主閥導(dǎo)桿及其噴嘴進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。在內(nèi)部尺寸限制，無法采用增加壁厚的情況下，采用加長型導(dǎo)桿噴嘴，將易沖蝕部位轉(zhuǎn)移到壁厚更厚的部位，如圖6所示。

a 優(yōu)化前

b 優(yōu)化后

導(dǎo)桿噴嘴加長之后，圖5中所示“大肚子”部位得到保護(hù)，主要沖蝕部位向左轉(zhuǎn)移，從而達(dá)到提高主閥總成工作壽命的目的。

3 系統(tǒng)性能改進(jìn)

3.1 脈沖器控制閥總成性能改進(jìn)

在深井、高密度鉆井液條件下，信號傳輸性能不穩(wěn)定的主要原因有2個方面。

1) 鉆井液性能造成的信號衰減。鉆井液中的固相會堵塞脈沖器內(nèi)部通道，使主閥蘑菇頭或控制閥閥芯行程不足；鉆井液氣泡的存在對鉆井液的壓縮性有很大影響，含氣量大時會有較大的脈沖幅度衰減，甚至?xí)斐傻孛姹O(jiān)測不到信號[14]。另外，鉆井液的黏度越高、密度越大，信號衰減幅度就越大，特別是在深井中監(jiān)測困難。

2) 信號干擾。當(dāng)鉆井泵的吸入液流波動、鉆井液中的氣泡在上升過程中膨脹破裂，會形成一定的雜波，從而導(dǎo)致信號與雜波難于分離。

針對上述情況，一方面，提高鉆井液性能，避免鉆井液固相堵塞、減少氣泡含量，從而減少外界引起的信號衰減和干擾；另一方面，優(yōu)選脈沖器自身性能，從控制閥力學(xué)性能、行程上進(jìn)行改進(jìn)。針對高密度、高黏度鉆井液，改進(jìn)控制閥力學(xué)性能，提高其克服流體沖擊上頂?shù)乃俣群头龋瑥亩岣呙}沖器的抗干擾能力。優(yōu)化控制閥行程，太小會增大其克服流體沖擊上升的難度，也會加快沖蝕的速度；太大會影響控制閥上行的速度，從而減小脈沖信號的強(qiáng)度。

3.2 系統(tǒng)部件工作參數(shù)優(yōu)選

滑動推靠式垂直鉆井系統(tǒng)，采用滑動式鉆進(jìn)方式，下部糾斜執(zhí)行機(jī)構(gòu)在鉆進(jìn)過程中不與鉆柱一起旋轉(zhuǎn)(或以極小的速率旋轉(zhuǎn))，而是相對穩(wěn)定在某一固定的方位上并提供推靠力。該結(jié)構(gòu)相比動態(tài)式(調(diào)制式)減輕了井下震動，能夠使鉆頭鉆出較為光滑的井眼，并且減輕鉆具對套管的磨損，推靠翼的磨損程度低[15-16]，糾斜效果好。然而，在特殊復(fù)雜地層或工況，例如，泥頁巖的吸水膨脹、鹽膏層的蠕動、地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力及斷層引起的縮頸，砂巖泥餅、鉆頭保徑磨損等，容易造成托壓、掛卡。

針對這些情況，根據(jù)臨井調(diào)研及當(dāng)前地層地質(zhì)特性，可優(yōu)選系統(tǒng)推靠力及推靠翼尺寸規(guī)格，控制鉆井參數(shù)、短起鉆并修復(fù)井壁等措施，從而緩解滑動推靠式垂直鉆井系統(tǒng)在復(fù)雜地層或工況下托壓、掛卡等。

4 BZ11井現(xiàn)場應(yīng)用

4.1 BZ11井概況

BZ11井是位于庫車坳陷克拉蘇構(gòu)造帶拜城斷裂構(gòu)造帶南部的1口預(yù)探井，二開444.5 mm(17英寸)井眼，設(shè)計井段230～3 352 m。根據(jù)地質(zhì)設(shè)計，鉆遇地層西域、庫車、康村及吉迪克組，康村組及以上地層巖性為中厚至厚層狀雜色小礫巖、細(xì)礫巖、砂礫巖，局部夾薄至中厚層狀含泥礫巖、粉砂質(zhì)泥巖，進(jìn)入吉迪克組之后，上部地層以泥砂巖為主，下部為不等厚砂質(zhì)泥巖、灰質(zhì)泥巖。

4.2 施工難點(diǎn)

1) 根據(jù)地質(zhì)設(shè)計，二開230～350 m井段和530～1 700 m 井段，鉆遇礫石層(地層傾角 18°左右)，長段礫石巖層的研磨性強(qiáng)，導(dǎo)致鉆井過程中高頻震動、跳鉆，容易造成垂直鉆井系統(tǒng)的機(jī)械部件疲勞，對電子零配件的抗振性能要求高。另外，高頻的震動及較大的地層傾角對系統(tǒng)糾斜也是挑戰(zhàn)。

2) 為了便于攜巖，二開施工排量大(65～70 L/s)，對系統(tǒng)脈沖器零部件的抗沖蝕性能要求高。

3) 下部地層泥漿密度逐步增大，將面臨深井高密度鉆井液環(huán)境下的信號上傳問題。

4) 350～530 m 井段準(zhǔn)成巖段礫巖，為欠壓實(shí)、壓實(shí)過渡段地層，根據(jù)臨井資料，地層坍塌風(fēng)險大，容易卡鉆。二開下部地層轉(zhuǎn)為泥巖夾層、不等厚互層較多，鉆進(jìn)過程中易發(fā)生拖壓、掛卡等復(fù)雜情況。

4.3 施工技術(shù)措施

1) 考慮到礫巖震動情況，在電路板及殼體之間增設(shè)減震柱，提升電路減震效果，同時根據(jù)測量的井下震動值合理調(diào)整優(yōu)選鉆進(jìn)參數(shù)。鉆具組合中要保證扶正器的尺寸，最多比鉆頭尺寸少2～3 mm，且扶正器的位置盡可能得靠近垂直鉆井工具，以兼顧穩(wěn)定井下鉆具和糾斜效果。

2) 針對大排量鉆進(jìn)，泥漿對零部件的沖蝕情況，采用優(yōu)化之后的脈沖器，提高其抗沖蝕性能。

3) 深井高密度鉆井液下信號發(fā)出的關(guān)鍵是控制閥，首先要優(yōu)選出起始力大的控制閥，保證能正常發(fā)出信號；其次控制閥動作響應(yīng)時間要盡可能的短，行程要大且要滿行程，確保脈沖信號幅值高，信號強(qiáng)。

4) 上部礫巖地層優(yōu)選大尺寸推靠翼，以保證工具在井下有個較為穩(wěn)定的工作環(huán)境，利于準(zhǔn)確測量和提高糾斜效果。下部地層選擇較小尺寸推靠翼及推靠力，減少在復(fù)雜地層及工況下拖壓及掛卡情況。

4.4 現(xiàn)場施工概況

垂直鉆井系統(tǒng)二開服務(wù)井段230～2 473 m?？傔M(jìn)尺2 243 m,累計純鉆時間459 h，平均鉆速4.9 m/h，出井井斜0.6°，滿足井深2 000 m井斜≤1.5°的設(shè)計要求。

1) 鉆具組合。444.5 mm(17英寸)牙輪鉆頭+垂直鉆井系統(tǒng)+730*NC61 +228.6 mm(9英寸)浮閥+228.6 mm(9英寸)LDC×1根+?443 mm扶正器+228.6 mm(9英寸)LDC×2根+NC61公*NC56母+203.2 mm(8英寸)LDC×12根+NC56公*520+149.2 mm(5英寸)DP。

2) 施工參數(shù)。鉆壓140～180 kN，轉(zhuǎn)速80～90 r/min，轉(zhuǎn)矩3～11 kN·m，排量65～70 L/s。

3) 詳細(xì)施工情況如表1所示。

表1 BZ11井施工參數(shù)

4.5 應(yīng)用效果分析

1) 優(yōu)化后脈沖器性能穩(wěn)定。該井第2趟鉆井時間347.5 h，在排量70 L/s工況下，工作循環(huán)時間258.5 h，單根工具累計進(jìn)尺1 356 m，工具出井依舊有信號，創(chuàng)造該垂直鉆井系統(tǒng)在礫巖地層單根進(jìn)尺記錄。結(jié)合后期BZ1201井及BZ1501井應(yīng)用情況(如表2)，其中，BZ1201井創(chuàng)該系統(tǒng)單根入井時間、工作循環(huán)時間在塔里木應(yīng)用2項(xiàng)記錄。應(yīng)用結(jié)果表明，脈沖器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化取得了較好的效果。

表2 單根工具應(yīng)用情況

2) 垂直鉆井系統(tǒng)部件工作參數(shù)優(yōu)選取得了較好的效果，尚有一些不足。使用了5套系統(tǒng)，其中4套系統(tǒng)鉆井過程中基本無拖壓、掛卡，整體上系統(tǒng)工作參數(shù)優(yōu)選取得了較好的效果。但第3套系統(tǒng)面對復(fù)雜地層，拖壓較為嚴(yán)重。通過分析，主要有2個原因：①該井段實(shí)鉆顯示為吉迪克組上部地層，巖性相比上部地層存在較大的變化，主要為含泥砂巖，滲透性好，在井壁容易形成較厚的泥餅，同時砂質(zhì)泥巖、灰質(zhì)泥巖夾層較多，井壁存在一定的吸水膨脹；②選用的推靠翼尺寸相比上根系統(tǒng)偏大，綜合兩者影響造成了第3套系統(tǒng)拖壓、掛卡偏多。

3) 鉆井液密度達(dá)到1.6 g/cm3，深度超過2 400 m，信號一直強(qiáng)勁有力，沒有出現(xiàn)因信號衰減，使地面設(shè)備無法解碼，或是信號發(fā)不出來的情況。

4) 機(jī)械鉆速快，達(dá)到了釋放鉆壓，防斜打快的目的。總進(jìn)尺2 243 m,平均機(jī)械鉆速4.9 m/h。相比臨井使用常規(guī)鐘擺鉆具、MWD+螺桿及西方公司動態(tài)推靠垂直鉆井系統(tǒng)，在巖性相近的情況下，機(jī)械鉆速有較大的提高，如表3。

5 結(jié)論

1) 優(yōu)化后的滑動推靠式垂直鉆井系統(tǒng)，在BZ11井二開應(yīng)用成功，單套系統(tǒng)入井時間347.5 h，在排量70 L/s左右工況下，循環(huán)時間258.5 h，單根工具累計進(jìn)尺1 356 m，出井后工具依舊有信號，表明脈沖器閥座及主閥總成的結(jié)構(gòu)優(yōu)化取得了較好的效果。

2) 在山前高陡地質(zhì)構(gòu)造，應(yīng)用滑動推靠式垂直鉆井系統(tǒng)，能夠達(dá)到釋放鉆壓，防斜打快的目的。BZ11井二開服務(wù)井段230～2 473 m，平均機(jī)械鉆速4.9 m/h，出井井斜0.6°，相比常規(guī)鐘擺及螺桿鉆具具有顯著的優(yōu)勢。

3) 采用滑動推靠式垂直鉆井系統(tǒng)，在BZ11井、BZ1201井等礫巖地層應(yīng)用，系統(tǒng)入井時間多次突破300 h，表明滑動式垂直鉆井系統(tǒng)能夠減少震動造成的系統(tǒng)損傷，在礫巖層段應(yīng)用具有顯著的優(yōu)勢。

4) 優(yōu)化滑動推靠式垂直鉆井系統(tǒng)的推靠翼規(guī)格及推靠力，能夠極大地緩解復(fù)雜地層及工況下的托壓、掛卡情況。但是，仍需提前對地層巖性、泥漿性能做出準(zhǔn)確評估，進(jìn)一步細(xì)化措施。

表3 幾種垂直鉆井工具的機(jī)械鉆速對比