郭志奇 辛勇 韓丹 朱年濤

(中國石油集團西部鉆探工程有限公司鉆井工程技術(shù)研究院， 新疆 克拉瑪依 834000)

庫車山前克深區(qū)塊是中石油塔里木油田增儲上產(chǎn)主力區(qū)塊，地質(zhì)條件復(fù)雜，高陡構(gòu)造地層廣泛分布，地層傾角大，自然造斜能力強，直井防斜打直與優(yōu)快鉆進的矛盾突出。高陡構(gòu)造防斜打快技術(shù)一直是油氣勘探開發(fā)研究的熱點[1]。對于克深區(qū)塊超過6 500 m的超深井，如果上部井段井斜超標(biāo)，會導(dǎo)致機械鉆速慢、井身質(zhì)量差、頻繁起下鉆磨損套管等后果，極不利于安全鉆井。垂直鉆井系統(tǒng)是被廣泛證明行之有效的防斜打快利器。為了進一步滿足塔里木油田公司“提速、降本、增效”的要求，在該區(qū)塊開發(fā)中引入了中石油西部鉆探有限公司自主研發(fā)的國產(chǎn)垂直鉆井系統(tǒng)，以保證上部井段井眼垂直，實現(xiàn)井身質(zhì)量控制與低成本優(yōu)快鉆進目標(biāo)。

1 垂直鉆井系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

西部鉆探有限公司研發(fā)的XZ-CZ系列垂直鉆井系統(tǒng)是機電液一體化鉆井工具的典型代表[2]，其主要結(jié)構(gòu)包括電源系統(tǒng)、測控系統(tǒng)和液壓執(zhí)行系統(tǒng)等子系統(tǒng)(見圖1)。

根據(jù)系統(tǒng)控制原理(見圖2)，應(yīng)用該垂直鉆井系統(tǒng)鉆進時，泥漿發(fā)電系統(tǒng)為測控系統(tǒng)和液壓執(zhí)行系統(tǒng)提供電能。當(dāng)測控系統(tǒng)檢測到井斜已達設(shè)定的閾值時，即向液壓執(zhí)行系統(tǒng)發(fā)出指令，使該子系統(tǒng)中翼板在液壓作用下將沿系統(tǒng)徑向伸向井眼高邊，作用于井壁，對系統(tǒng)施加反向作用力，從而在鉆頭處產(chǎn)生降斜側(cè)向力，使鉆頭沿著糾斜方向鉆進，以此產(chǎn)生降斜效果。

圖1 XZ-CZ垂直鉆井系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖3所示，XZ-CZ垂直鉆井系統(tǒng)執(zhí)行系統(tǒng)中的3個柱塞成120°夾角均勻分布[3]，通過不同數(shù)量柱塞伸縮產(chǎn)生的壓力匹配使系統(tǒng)糾斜方向始終與井眼高邊保持一致；而當(dāng)井斜角低于閾值時，翼板收縮，鉆頭降斜側(cè)向力消失。如此反復(fù)，在井下形成自動閉環(huán)控制系統(tǒng)，促使井眼軌跡始終趨于垂直方向，保證井斜在規(guī)定值內(nèi)[4]。表1所示為Φ445 mm、Φ333 mm垂直鉆井系統(tǒng)參數(shù)。

2 現(xiàn)場應(yīng)用情況

XZ-CZ系列垂直鉆井系統(tǒng)應(yīng)用于克深區(qū)塊6口井，分別是克深13井、克深8-10井、克深11井、克深508井、克深907井和克深131井。

Φ445 mm系統(tǒng)的累計進尺為17 823 m，累計純鉆時間為871.3 h，系統(tǒng)累計入井次數(shù)為40次。其鉆具組合為“Φ445 mm鉆頭+XZ-CZ445垂直鉆井儀器+Φ228.6 mm無磁鉆鋌+Φ444 mm穩(wěn)定器+Φ228.6 mm鉆鋌×3根+Φ203.2 mm鉆鋌×8根+Φ203.2 mm隨鉆震擊器+Φ203.2 mm鉆鋌×3根+Φ139.7加重鉆桿×9根+Φ139.7 mm鉆桿”。

圖2 XZ-CZ垂直鉆井系統(tǒng)控制原理

圖3 XZ-CZ垂直鉆井系統(tǒng)執(zhí)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

井眼尺寸/mm工具外徑/mm工具內(nèi)徑/mm最大工作外徑/mm最大側(cè)向力/kN445/333*442/330*75/72*476/357*20.1抗拉強度/kN抗溫/℃抗壓/MPa工具總長/m控制精度/(°)4 000/2 100*12510550.1

*分子為Φ445 mm系統(tǒng)的參數(shù)，分母為Φ333 mm系統(tǒng)的參數(shù)。

Φ333 mm系統(tǒng)僅應(yīng)用于其中的1口井(克深907井)，累計進尺為2 069 m，累計純鉆時間為734.6 h，系統(tǒng)累計入井次數(shù)為7次。其鉆具組合為“Φ333 mm鉆頭+XZ-CZ333垂直鉆井儀器+Φ333 mm扶正器+Φ228.6 mm螺旋鉆鋌×3根+Φ203.2 mm螺旋鉆鋌×14根+Φ203.2 mm隨鉆震擊器+撓性短節(jié)+Φ203.2 mm螺旋鉆鋌×3根 +Φ139.7 mm加重鉆桿×14根+Φ139.7 mm鉆桿”。

該垂直鉆井系統(tǒng)應(yīng)用于克深區(qū)塊期間，各項性能穩(wěn)定，信號傳輸正常，測斜糾斜能力得到進一步驗證。其應(yīng)用情況如表2所示。

3 應(yīng)用效果分析

Φ445 mm垂直鉆井系統(tǒng)應(yīng)用于克深區(qū)塊6口井，平均機械鉆速為4.67 m/h，控制井段最大井斜為1°。Φ333 mm垂直鉆井系統(tǒng)僅應(yīng)用于克深區(qū)塊克深907井，平均機械鉆速為2.82 m/h，控制井段最大井斜為0.9°。

同區(qū)塊、同井深條件下克深901井應(yīng)用的是國外同類型系統(tǒng) —— Power-V系統(tǒng)，將其應(yīng)用效果與XZ-CZ垂直鉆井系統(tǒng)應(yīng)用效果進行了對比。相比之下，應(yīng)用XZ-CZ垂直鉆井系統(tǒng)時，Φ445 mm井段機械鉆速提高12.3%，Φ333 mm井段機械鉆速提高44.6%，井斜控制效果與應(yīng)用Power-V的效果相當(dāng)。這表明國產(chǎn)垂直鉆井系統(tǒng)綜合性能已達到國外同類型產(chǎn)品水平。

4 結(jié) 語

將西部鉆探自主研發(fā)的XZ-CZ垂直鉆井系統(tǒng)應(yīng)用于克深區(qū)塊6口井，系統(tǒng)各項性能穩(wěn)定可靠，參數(shù)傳輸正常，上部井段井斜控制符合要求，二開平均機械鉆速達4.67 m/h，達到了克深區(qū)塊高陡構(gòu)造防斜打直、提高鉆速的目的。

在相同區(qū)塊、相同井深條件下，XZ-CZ垂直鉆井系統(tǒng)與Power-V垂直鉆井系統(tǒng)相比，機械鉆速有所提高，井斜控制效果相當(dāng)。這表明XZ-CZ垂直鉆井系統(tǒng)已達到國外同類型產(chǎn)品水平。

除了在高陡構(gòu)造中的應(yīng)用效果明顯外，垂直鉆井系統(tǒng)還適用于大傾角地層、山前逆掩推覆體地層、斷層、地應(yīng)力異常地層等復(fù)雜地層。建議在復(fù)雜地層開發(fā)中進一步推廣該系統(tǒng)，以提高復(fù)雜地層的機械鉆速，保證井身質(zhì)量，降低鉆井成本。