蔣金寶，陳養(yǎng)龍，倪紅堅

（1.中國石化中原石油工程有限公司塔里木分公司，新疆 庫爾勒841000；2.中國石油大學(xué)（華東）高壓水射流研究中心，山東 青島266580）

0 引言

順南地區(qū)位于塔里木盆地塔中區(qū)塊的東北方向，地處順托果勒南古城墟隆起西傾斜坡區(qū)，是中國石化塔里木盆地增儲上產(chǎn)的主要區(qū)塊，鉆井地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，如奧陶系上部的桑塔木組地層埋藏深（超過7 000 m）、厚度大（超過2 000 m）、造斜能力強(qiáng)（傾角15～25°），給安全優(yōu)快鉆井帶來很大挑戰(zhàn)。順南1 井的最大井斜角為4.9°/5 475 m（桑塔木組），古隆2 井采用單彎螺桿+MWD 技術(shù)后最大井斜角為4.5°/4 625 m（桑塔木組），都出現(xiàn)井斜角超標(biāo) （設(shè)計要求最大井斜角不超過3.0°）的情況，且井底溫度高，順南1 井為174 ℃/7 050 m，高溫下MWD 信號異常，測斜難度較大。鑒于常規(guī)防斜打快系統(tǒng)不能滿足井身質(zhì)量的要求，綜合考慮采用自動垂直鉆井工藝技術(shù)進(jìn)行防斜打直的現(xiàn)場試驗。

1 垂直鉆井系統(tǒng)優(yōu)選

目前國外自動垂直鉆井系統(tǒng)防斜技術(shù)主要有VDS 系統(tǒng)、Power-V 系統(tǒng)和VertiTrak 閉環(huán)導(dǎo)向系統(tǒng)防斜技術(shù)［1-4］。其中Power-V 是一套智能化的垂直鉆井系統(tǒng)，能夠在發(fā)生井斜時自動測量井斜的變化，調(diào)整機(jī)械部分的伸出值，以改變底部鉆具組合的力學(xué)性質(zhì)控制井斜，其結(jié)構(gòu)主要由控制機(jī)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成［5］。當(dāng)Power-V 系統(tǒng)鉆進(jìn)高陡易斜地層時，能夠有效地解決防斜和打快之間的矛盾，提高鉆井速度［6-16］。這一點(diǎn)2012年在塔里木盆地大北地區(qū)得到了充分驗證，使用Power-V 后，鉆井進(jìn)尺由螺桿復(fù)合鉆井的不足20 m/d提高至近200 m/d，提速效果極為顯著，但成本也較高。

國內(nèi)克拉瑪依、大港、華北、勝利等油田和中石油鉆井院、 中國石油大學(xué)等單位都擁有各自研發(fā)的垂直鉆井系統(tǒng)。其中，中國石油大學(xué)的UPC-VDS 系統(tǒng)可以在鉆進(jìn)過程中實現(xiàn)隨鉆柱旋轉(zhuǎn)，從而大幅度降低超深井段摩阻及井下復(fù)雜情況的發(fā)生。綜合考慮后，選擇了UPC-VDS 自動垂直鉆井系統(tǒng)在順南地區(qū)深部地層進(jìn)行現(xiàn)場試驗。

2 UPC-VDS 簡介

UPC-VDS 自動垂直鉆井系統(tǒng)，在鉆進(jìn)時能自動感應(yīng)井斜，自動調(diào)整側(cè)向力，使井眼軌跡趨向垂直狀態(tài)，實現(xiàn)主動防斜、實時糾斜、快速優(yōu)質(zhì)鉆井。在高陡構(gòu)造、易斜地層的鉆進(jìn)中，該系統(tǒng)可有效解決防斜和加大鉆壓之間的矛盾，顯著提高鉆井速度和井眼質(zhì)量。自動垂直導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)由井斜感應(yīng)系統(tǒng)、 導(dǎo)向控制系統(tǒng)和信號傳輸系統(tǒng)3 個子系統(tǒng)組成（見圖1）。

其工作原理為：

首先井斜感應(yīng)系統(tǒng)確定井底的井斜角和井斜方位角，然后驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)鎖定所需控制的井斜方位角，對垂直鉆井而言即是鎖定井眼高邊，確保鉆柱旋轉(zhuǎn)時井斜感應(yīng)系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)始終鎖定所需井斜方位角。

導(dǎo)向控制系統(tǒng)是一套液壓機(jī)械執(zhí)行裝置，下接鉆頭，上接井斜感應(yīng)系統(tǒng)，主要由側(cè)向推靠機(jī)構(gòu)和鉆井液導(dǎo)流閥組成。鉆井液導(dǎo)流閥由井斜感應(yīng)系統(tǒng)控制，側(cè)向推靠機(jī)構(gòu)由鉆井液導(dǎo)流閥控制。在井眼高邊（即井斜感應(yīng)系統(tǒng)鎖定的控制井斜方位角）側(cè)向推靠機(jī)構(gòu)的推靠巴掌伸出，推靠井壁，井壁的反作用力則將鉆頭推向低邊；而在井眼的其他位置，側(cè)向推靠機(jī)構(gòu)則不工作，實現(xiàn)在鉆進(jìn)過程中對井斜的修正。

為了確保整個系統(tǒng)工作的可靠性和穩(wěn)定性，自動垂直鉆井系統(tǒng)在井斜感應(yīng)系統(tǒng)和信號傳輸系統(tǒng)內(nèi)建有2 個獨(dú)立的井斜測量裝置。其中，信號傳輸系統(tǒng)可向地面?zhèn)鬏斁毙盘?，幫助地面工作人員了解和控制井下自動垂直鉆井系統(tǒng)的工作。根據(jù)鉆井施工要求的不同，信號傳輸系統(tǒng)選用實時傳輸（本文采用）和間斷傳輸2種模式。

3 探索試驗

3.1 順南3 井

順南3 井是順南地區(qū)的一口風(fēng)險探井，設(shè)計井深7 565 m，5 017～7 213 m 為桑塔木組井段。上部井段為防止井斜使用MWD+單彎螺桿方式鉆進(jìn)，在鉆進(jìn)至6 500 m 以后MWD 信號異常時有發(fā)生，轉(zhuǎn)為轉(zhuǎn)盤鉆井后，井斜嚴(yán)重超標(biāo)（井斜角由0.5°/6 202 m 迅速增至5.1°/6 656 m），故決定引入UPC-VDS 自動垂直鉆井系統(tǒng)進(jìn)行糾斜作業(yè)。

順南3 井的試驗井段為6 809～7 002 m，進(jìn)尺193 m，純鉆時間71.5 h，機(jī)械鉆速2.70 m/h。鉆遇地層為桑塔木組底部，巖性為灰色泥巖，鉆壓80 kN，排量27 L/s，泵壓23 MPa，鉆頭壓降4.5 MPa（要求5～6 MPa），井斜控制較好（井斜角在3.0°以內(nèi)，符合該井段的設(shè)計要求，見圖2）。

圖2 順南3 井井斜控制情況

該系統(tǒng)出井后檢查結(jié)構(gòu)完整，在6 900～6 973 m 井段因排量稍微降低（由27 L/s 降為25 L/s），糾斜力降低導(dǎo)致井斜角開始上升，隨后將排量提高到原排量，井斜角逐漸下降。這說明地層的造斜能力強(qiáng)，鉆進(jìn)時極易發(fā)生井斜；也從側(cè)面說明，該系統(tǒng)糾斜能力完全能滿足現(xiàn)場施工要求，具有良好的防斜、糾斜效果。

3.2 順南2 井

鑒于順南3 井良好的試驗效果，在順南2 井桑塔木組開展了現(xiàn)場試驗，共使用2 套垂直鉆井系統(tǒng)。順南2 井的試驗井段為4 000～5 691m，進(jìn)尺1 691 m，純鉆時間376.0 h，平均機(jī)械鉆速4.50 m/h，排量25～28 L/s，鉆頭壓降4.0～4.5 MPa。2 套系統(tǒng)出井檢查均結(jié)構(gòu)完整，未見損傷。井斜控制情況見圖3。

圖3 順南2 井井斜控制情況

在4 307～4 511 m 井段，因排量降低導(dǎo)致鉆頭壓降不足，推靠力變?nèi)?，井斜角很快?.2°/4 276 m 上升至3.6°/4 450 m；在5 626 m 處，該系統(tǒng)密封件失效，井斜角快速增加，從1.5°/5 626 m 快速上升至4.7°/5 691 m，井斜角增加非常快（5.0°/100 m）。由此可以看出，該系統(tǒng)對鉆頭壓降的要求較高，地層造斜能力強(qiáng)，以致極易發(fā)生井斜，但也側(cè)面說明該垂直鉆井系統(tǒng)的防斜效果較好。

3.3 探索試驗效果評價

從上述2 口井的試驗過程可以看出，由于施工排量下降導(dǎo)致鉆頭壓降降低時，UPC-VDS 自動垂直鉆井系統(tǒng)容易出現(xiàn)推靠力不足的情況，井斜角明顯上升；而當(dāng)恢復(fù)排量后，井斜角又很快下降。這說明地層傾角大，造斜能力強(qiáng)，鉆進(jìn)時極易發(fā)生井斜；同時也說明該系統(tǒng)的防斜能力較強(qiáng)，出井后檢查結(jié)構(gòu)完整性好。該系統(tǒng)可靠性高，整體應(yīng)用效果良好，能有效解決地層傾角造成井斜控制難度大的問題。

4 推廣試驗

由于探索試驗中UPC-VDS 自動垂直鉆井系統(tǒng)的推靠力對鉆頭壓降的依賴程度較高（要求鉆頭壓降5～6 MPa），因此對該系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，以解決深部地層鉆頭壓降不足帶來的推靠力不足問題。

4.1 系統(tǒng)改進(jìn)

考慮2 種方案： 一是垂直鉆井系統(tǒng)下端接動力鉆具（螺桿）增加垂直鉆井系統(tǒng)壓差。但考慮到螺桿鉆具尺寸較長（7 m 以上），會大幅度降低鉆頭側(cè)向切削力（降低50%以上），不能滿足防斜要求。二是在系統(tǒng)下端安裝合適的噴嘴，提高系統(tǒng)自身產(chǎn)生的壓降，以彌補(bǔ)鉆頭壓降不足帶來的糾斜力不足問題［17-18］。本研究采用第2 種方案。

考慮到攜巖要求，鉆井液排量不能低于40 L/s（鉆井液密度1.36 g/cm3），設(shè)計為40～45 L/s，循環(huán)壓耗14.5～18.4 MPa，鉆頭壓降2.2～2.8 MPa。利用水力計算軟件，優(yōu)化了垂直鉆井系統(tǒng)下端的噴嘴直徑。依據(jù)噴嘴系列，噴嘴直徑優(yōu)化為31.75 mm，壓降為2.76～3.49 MPa。泵壓為19.8～24.6 MPa，系統(tǒng)下端壓降為4.96～6.29 MPa，可滿足施工要求。

4.2 現(xiàn)場試驗

在順南4 井和順南5 井進(jìn)行了推廣試驗，2 口井均采用UPC-VDS-311 改進(jìn)型垂直鉆井系統(tǒng)，井斜控制效果較好。

4.2.1 順南4 井

順南4 井鉆進(jìn)至奧陶系桑塔木組，井斜角增大至2.9°，下入UPC-VDS 自動垂直鉆井系統(tǒng)糾斜，使用井段為5 076～6 300 m，進(jìn)尺1 224 m，純鉆時間239.9 h，平均機(jī)械鉆速5.10 m/h，排量42～44 L/s，系統(tǒng)內(nèi)外壓差5.3～6.0 MPa。該系統(tǒng)入井后工作正常，井斜角一直減小，最終維持在0.5°左右，由于系統(tǒng)使用到后期糾斜能力下降，但是井斜角仍然小于1.0°（見圖4），井斜控制良好，能滿足現(xiàn)場施工要求。

圖4 順南4 井井斜控制情況

4.2.2 順南5 井

順南5 井鉆進(jìn)至井深5 673 m 時，投測井斜角為3.8°/5 665 m，決定下入UPC-VDS 自動垂直鉆井系統(tǒng)糾斜，使用井段為5 673～6 300 m，進(jìn)尺626 m，純鉆時間162.0 h，平均機(jī)械鉆速3.86 m/h，排量43～45 L/s，系統(tǒng)內(nèi)外壓差5.2～6.3 MPa。該系統(tǒng)下入井內(nèi)正常工作后，井斜角從3.8°逐漸降至0.5°左右（見圖5），在之后的鉆進(jìn)過程中井斜角一直控制在0.5°左右，降斜效果突出，工作狀態(tài)穩(wěn)定。

圖5 順南5 井井斜控制情況

4.3 推廣試驗效果評價

UPC-VDS 自動垂直鉆井系統(tǒng)經(jīng)過改進(jìn)之后，推靠力對鉆頭壓降的依賴程度大大降低，沒有出現(xiàn)順南3井和順南2 井由于排量降低導(dǎo)致井斜角增加的情況；在順南4 井和順南5 井的現(xiàn)場試驗過程中，降斜、糾斜效果顯著，井斜角都控制在1.0°以內(nèi)。與前期效果相比，該系統(tǒng)改進(jìn)后對井斜的控制能力進(jìn)一步提高，完全滿足了現(xiàn)場施工要求，能實現(xiàn)對井斜的精細(xì)化控制。

5 結(jié)論

1）桑塔木組地層造斜能力強(qiáng)、高溫高壓下MWD測斜難度大等，是造成井斜控制難度大的主要原因。在綜合考慮地層物性、 作業(yè)成本等因素的基礎(chǔ)上，優(yōu)選UPC-VDS 自動垂直鉆井系統(tǒng)。

2）在順南3 井和順南2 井開展了UPC-VDS 垂直鉆井系統(tǒng)的探索試驗。結(jié)果表明：該系統(tǒng)能夠?qū)⒕苯强刂圃?.0°以內(nèi)，且壽命較長、性能可靠；但推靠力對鉆頭壓降的要求較高（要求鉆頭壓降5～6 MPa）。

3）通過優(yōu)化垂直鉆井系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，推靠力依賴鉆頭壓降的程度大幅度降低，并在順南4 井和順南5 井進(jìn)行了推廣試驗。改進(jìn)后的垂直鉆井系統(tǒng)能夠?qū)⒕苯强刂圃?.5～1.0°。

［1］梁武東，陳鑫，王迪，等.直井防斜技術(shù)及防斜鉆具綜述［J］.內(nèi)蒙古石油化工，2009，35（18）：88-90.

［2］龔勛，劉白雁，陳新元，等.自動垂直鉆井工具糾斜控制實驗研究［J］.石油鉆采工藝，2009，31（4）：16-20.

［3］張建平，肖華，石麗娟，等.垂直鉆井系統(tǒng)在吐哈盆地山前高陡構(gòu)造的應(yīng)用［J］.石油天然氣學(xué)報，2011，33（10）：158-160.

［4］羅發(fā)強(qiáng).VTK 垂直鉆井系統(tǒng)在阿北1 井鉆井中的應(yīng)用［J］.石油機(jī)械，2011，39（9）：13-15.

［5］劉振宇，易明新，魏廣建，等.Power V 垂直導(dǎo)向鉆井技術(shù)在普光7井的應(yīng)用［J］.天然氣工業(yè)，2007，27（3）：58-59.

［6］王興武.塔里木超深井深部井斜控制技術(shù)［J］.斷塊油氣田，2011，18（1）：100-102.

［7］陳芳，李玉泉，趙前進(jìn)，等.巴喀山前高陡構(gòu)造防斜打快技術(shù)的研究與應(yīng)用［J］.新疆石油天然氣，2012，8（3）：21-25.

［8］張紹槐.深井、超深井和復(fù)雜結(jié)構(gòu)井垂直鉆井技術(shù)［J］.石油鉆探技術(shù)，2005，33（5）：11-15.

［9］張偉，申延晴，徐新紐，等.防斜打快技術(shù)在準(zhǔn)格爾盆地南緣地區(qū)的應(yīng)用［J］.鉆采工藝，2013，36（4）：107-108，118.

［10］汝大軍，楊士明，喬金中，等.BH-VDT 5000 垂直鉆井系統(tǒng)在克深207 井的應(yīng)用［J］.鉆采工藝，2013，36（1）：107-109.

［11］許京國，鄭淑杰，陶瑞東，等.高陡構(gòu)造克深206 井鉆井提速配套技術(shù)［J］.石油鉆采工藝，2013，35（5）：29-32.

［12］朱化蜀，王希勇，范希連，等.捷聯(lián)式自動垂直鉆井工具在川西的應(yīng)用［J］.天然氣技術(shù)與經(jīng)濟(jì)，2013，7（6）：36-38.

［13］劉偉.四川地區(qū)防斜打直新技術(shù)的運(yùn)用［J］.西部探礦工程，2013，25（7）：93-95.

［14］楊春旭，韓來聚，步玉環(huán)，等.垂直鉆井系統(tǒng)配合單穩(wěn)定器力學(xué)性能研究［J］.斷塊油氣田，2012，19（3）：364-369.

［15］劉磊，劉志坤，高曉榮，等.垂直鉆井系統(tǒng)在塔里木油田應(yīng)用效果及對比分析［J］.西安石油大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2007，22（1）：79-81.

［16］劉鵬.易斜地層對鉆速的影響及防斜措施研究［D］.大慶：東北石油大學(xué)，2011.

［17］張奎林，夏柏如.國產(chǎn)自動垂直鉆井系統(tǒng)的改進(jìn)與優(yōu)化［J］.斷塊油氣田，2012，19（4）：529-532.

［18］李雙貴，崔祥，方建波，等.非標(biāo)大水眼高強(qiáng)度鉆桿水力破巖技術(shù)［J］.斷塊油氣田，2013，20（3）：370-372.