康建濤,蘇海峰,張川,崔永林,柳江,周智

1.中國石油渤海鉆探工程有限公司工程技術(shù)研究院,天津 300270 2.中國石油渤海鉆探工程有限公司庫爾勒分公司,新疆 庫爾勒 841008

新疆油田南緣區(qū)塊地質(zhì)條件受構(gòu)造運動的影響,平面上南北分帶(齊古沖斷帶、烏奎褶皺帶),東西分段(東、中、西),普遍具有上部高陡緊閉,下部寬緩完整的特征,地層傾角15°～45°,最大可達78°,常規(guī)鐘擺鉆具控制井斜十分困難,對下入大段大尺寸套管也增加了難度,且塔西河組-沙灣組礫石層發(fā)育,鉆進過程中鉆具振動劇烈,可鉆性較差[1-5]。因此,在該區(qū)塊?571.5mm大尺寸井眼使用垂直鉆井技術(shù)十分必要。

其他油氣田及區(qū)塊由于地質(zhì)因素導致井身結(jié)構(gòu)設(shè)計與南緣區(qū)塊有很大差異，?571.5mm井眼的設(shè)計井深往往不超過400m，對大尺寸垂直鉆井工具的需求量較少[6-11]。渤海鉆探工程有限公司自主研發(fā)的BH-VDT垂直鉆井(以下簡稱BH-VDT垂鉆)工具一般通過更換不同常規(guī)標準尺寸推靠翼來滿足不同井眼的施工要求，BH-VDT5000垂鉆工具為最大尺寸垂鉆工具，適用于?406.4～?444.5mm井眼的垂直鉆進。要滿足南緣區(qū)塊二開?571.5mm大尺寸井眼垂直鉆進就要加大推靠翼尺寸，而BH-VDT垂鉆工具懸掛推靠翼尺寸越大，對工具的抗拉和抗扭的性能要求也越高。為滿足該區(qū)塊大井眼垂鉆工具安全鉆進的需求，渤海鉆探工程有限公司對BH-VDT5000垂鉆工具進行了優(yōu)化設(shè)計，2020年在新疆油田南緣區(qū)塊天灣1井二開?571.5mm大尺寸井眼應(yīng)用并獲得成功。

1 BH-VDT垂鉆系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

BH-VDT垂鉆系統(tǒng)主要由井下閉環(huán)控制系統(tǒng)、供電和信號上傳系統(tǒng)、地面解碼系統(tǒng)3部分組成：井下閉環(huán)控制系統(tǒng)包括驅(qū)動軸、工具本體、推靠翼、壓力補償器、軸承裝置、液壓泵、測量和電子控制電路等；供電和信號上傳系統(tǒng)包括發(fā)電機、整流電路和脈沖發(fā)生器等；地面解碼系統(tǒng)包括壓力傳感器、TFR地面解碼器和計算機等,該系統(tǒng)是機電液一體化產(chǎn)品。BH-VDT垂鉆工具結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 BH-VDT垂鉆工具結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of Structure of BH-VDT vertical drilling tool

BH-VDT垂鉆系統(tǒng)工作時,當測斜儀監(jiān)測到井斜以后將信號傳輸?shù)诫娮涌刂葡到y(tǒng),電子控制系統(tǒng)激發(fā)導向液缸產(chǎn)生動作,將相應(yīng)位置的導向塊推出,推靠翼支撐在井壁上防止工具本體旋轉(zhuǎn),并給鉆頭施加一個側(cè)向力,使鉆頭重新回到垂直方向。

液缸工作原理如圖2所示,2個液壓活塞(土黃色)伸出產(chǎn)生反向合力,推動鉆頭向紅色箭頭方向移動,從而保證鉆頭沿垂線鉆進,實現(xiàn)防斜打直的目的。

圖2 液缸工作示意圖Fig.2 Schematic diagram of working of hydraulic cylinder

液壓導向控制系統(tǒng)的部件、傳感器和電子系統(tǒng)位于推靠翼后置腔室,測量元件和導向元件所需電能和液壓能由發(fā)電機和液壓泵提供,發(fā)電機依靠鉆井液驅(qū)動葉輪發(fā)電。系統(tǒng)使用MWD脈沖發(fā)生器傳輸鉆井過程中測量到的井斜數(shù)據(jù)、井下導向壓力、發(fā)電機電壓等參數(shù)。

2 BH-VDT大尺寸垂鉆工具結(jié)構(gòu)優(yōu)化

BH-VDT系列常規(guī)尺寸垂鉆工具分為BH-VDT4000和BH-VDT5000,2種系列垂鉆工具分別懸掛不同尺寸的推靠翼，可滿足?311.2～?444.5mm之間井眼尺寸的鉆進要求,具體如表1所示。

表1 常規(guī)施工井眼直徑

隨著塔里木油田深井與超深井的日益增多,井身結(jié)構(gòu)也發(fā)生變化,二開井眼尺寸由?444.5mm增加至?571.5mm。為滿足大井眼的垂直鉆井施工要求,渤海鉆探工程有限公司工程技術(shù)研究院針對BH-VDT5000垂鉆工具進行了優(yōu)化設(shè)計,重新設(shè)計了適用于?571.5mm井眼施工要求的非常規(guī)垂鉆工具。

2.1 推靠翼結(jié)構(gòu)優(yōu)化

適用于?444.5mm井眼施工的推靠翼如圖3(a)所示,推靠翼厚79.75mm,長1146mm,寬110mm,質(zhì)量40kg,工具工作時伸出最大外徑?463.5mm。適用于?571.5mm井眼施工的推靠翼如圖3(b)所示,推靠翼厚度為143.25mm,長1146mm,寬110mm,質(zhì)量58kg,工具工作時伸出最大外徑可達590.5mm,完全滿足?571.5mm井眼施工要求,可以達到糾斜的目的。大尺寸推靠翼由于體積、質(zhì)量較大,為減輕其重量在保持其強度的同時設(shè)計為內(nèi)鏤空結(jié)構(gòu),提高了井下安全性。

圖3 適用于不同直徑井眼的推靠翼Fig.3 Thrust wings suitable for different diameter boreholes

2.2 鎖緊裝置強度優(yōu)化

鎖緊裝置是工具內(nèi)部克服外部傳遞扭矩的主要裝置,推靠翼越厚,力臂就越長,對工具本身內(nèi)部產(chǎn)生的扭矩也就越大,工具的抗拉性能受到極大的影響[12，13]。常規(guī)型鎖緊裝置已經(jīng)無法滿足懸掛大尺寸推靠翼的使用要求,所以必須對鎖緊裝置的材質(zhì)及厚度開展優(yōu)化設(shè)計,達到安全可靠的使用目的。

為提高鎖緊裝置的抗拉性能,優(yōu)化了止退墊圈的材質(zhì)(由之前的Q235A優(yōu)化為302),拉伸強度由之前的375MPa增加至520MPa。鎖緊功能主要依靠止退墊圈實現(xiàn),如圖4所示。為提高鎖緊裝置的強度,除了對止退墊圈的材質(zhì)進行優(yōu)化,還對厚度進行了改進,由之前的2.5mm加厚至4mm。

圖4 鎖緊裝置結(jié)構(gòu)圖 Fig. 4 Structural diagram of locking device

通過SolidWorks軟件模擬加載100kN,由圖5可以看出,經(jīng)過對其材質(zhì)與厚度的改進后,工具的整體抗扭和抗拉性能得到了大幅度的提高,可滿足BH-VDT垂鉆工具懸掛大尺寸推靠翼在大尺寸井眼中的施工要求。

圖5 鎖緊裝置改進前后應(yīng)力分析對比圖Fig. 5 Comparison diagram of stress analysis before and after improvement of locking device

3 BH-VDT大尺寸垂鉆工具應(yīng)用實踐

3.1 應(yīng)用井況

天灣1井是新疆油田在準噶爾盆地南緣沖斷帶布置的一口風險探井,設(shè)計井深7950m,采用五開井身結(jié)構(gòu)完井。二開設(shè)計鉆頭尺寸為?571.5mm,井段200～2800m。地質(zhì)資料表明,該區(qū)塊地層傾角為10°左右,鉆進防斜問題較為突出,要求二開井眼應(yīng)用垂直鉆井技術(shù)。

3.2 工程設(shè)計難點及技術(shù)措施

1)地層傾角大,井斜控制困難。鄰井東灣1井地層較為平緩,約0～10°,礫石層厚度達1850m；齊北1井上部無礫石層,但地層高陡,傾角55°～60°,鉆進中易產(chǎn)生井斜。采用國產(chǎn)滑動式BH-VDT垂直鉆井技術(shù)進行防斜打直。

2)上部礫石層發(fā)育,鉆進過程中跳鉆嚴重。二開?571.5mm井眼鉆遇地層為第四系、新近系獨山子組、塔西河組上部,上部鉆遇約1850m礫石層,跳鉆嚴重,鉆具事故風險高。采取配合使用水力加壓器或減震器降低跳鉆,并及時調(diào)整鉆井參數(shù)的措施。

3)上部地層疏松,滲透性好,井漏風險高,井壁容易失穩(wěn)。采取保持鉆井液液柱壓力高于地層坍塌壓力,提高鉆井液護壁和封堵性,并堅持“兩短一長”的短起下措施,通過提拉穩(wěn)定井壁。

4)大井眼摩阻大,起下鉆易發(fā)生阻卡。打完立柱劃眼2遍,無阻卡后再接立柱,每鉆進200m短起下1次,起下鉆遇阻卡噸位不超過100kN,否則采取劃眼及倒劃眼方式處理。

5)井眼尺寸大,環(huán)空返速低。二開為?571.5mm大尺寸井眼鉆進,環(huán)空返速低,攜巖困難。調(diào)整好鉆井液性能以保證攜砂,在井下及機泵條件允許時盡量提高排量,增加環(huán)空返速滿足攜巖的要求。

6)二開?473.1mm套管下深2800m,懸重5310kN。使用該井身結(jié)構(gòu)套管下入井段長、懸重高、間隙小、套管下入難度大。鉆進過程中保證井身質(zhì)量,尤其做好上部地層的防斜打直,同時下套管前進行通井,提高鉆井液潤滑性,保障套管順利下入；當阻卡嚴重時要進行擴眼作業(yè),使用卡盤及7500kN吊卡、吊環(huán),以確保套管順利下入。

3.3 垂鉆工具施工難點及技術(shù)措施

3.3.1 施工工藝

天灣1井二開井段鉆遇第四系、新近系獨山子組、塔西河組,中上部以礫巖為主,中下部泥巖、礫巖、砂礫巖等軟硬巖性交變互層,工具在井下要承受跳鉆、大扭矩的考驗,對工具的抗扭、抗拉及垂鉆工具使用的安全性提出了更高要求。

1)優(yōu)化鉆具組合。二開鉆具組合：?571.5mm牙輪/PDC+VDT工具+轉(zhuǎn)換接頭+SJ242水力加壓器/241雙向減震器+轉(zhuǎn)換接頭+?279.4mm LDC×1+568mm F1+?279.4mm浮閥+轉(zhuǎn)換接頭+?228.6mm LDC×6+轉(zhuǎn)換接頭+?203.2mm LDC×6+轉(zhuǎn)換接頭+?139.7mm WDP×5+?149.2mm DP。天灣1井二開均采用單扶組合,該組合只有1個扶正器,本身為強降斜組合,其優(yōu)點是鐘擺側(cè)向力大、降斜率高；缺點是井眼方位穩(wěn)定性差且不能承受大鉆壓。當BH-VDT垂鉆工具工作時,相當于在近鉆頭處增加了一個變徑扶正器,整個鉆具調(diào)整為弱降斜組合,鉆進時既能承受較大鉆壓又能平滑降斜,同時BH-VDT垂鉆工具始終推靠井壁高邊，使鉆頭既能保持垂直方向鉆進,又能達到穩(wěn)定降斜的目的,符合天灣1井實際需求,最終現(xiàn)場采用該組合實施控斜鉆進。

2)優(yōu)化參數(shù)設(shè)計。在礫巖層鉆進時嚴格按照垂鉆三維振動數(shù)據(jù)要求使用牙輪鉆頭,合理優(yōu)化鉆井參數(shù),保證X軸振動<2g(g為重力加速度),Y軸振動<1g,Z軸振動<1g,超出該振動值時應(yīng)及時降低鉆井參數(shù),保證工具的工作時效。

3)優(yōu)化扭矩。雖然工具設(shè)計的最大扭矩為30kN·m,但為了保障工具的安全和長壽命,針對?571.5mm這種大尺寸井眼,最大安全扭矩設(shè)置為20kN·m。

3.3.2 垂鉆工具

中上部以礫巖層為主,考慮礫巖的硬度較高,會對工具產(chǎn)生一定的磨損,影響工具的使用壽命[14,15],所以對垂鉆工具抗磨性也提出了更高要求。針對以上難點,為防止新型加厚型推靠翼在上部礫巖層鉆進時磨損嚴重,背部整體耐磨層采取激光熔覆處理(見圖6),粉末材料為50%WC和50%Ni,鍍層厚度(1+0.2)mm,洛式硬度≥60。最后對耐磨層進行打磨光滑處理,以保證工具推靠翼整面在井下的穩(wěn)定性及安全性。

圖6 大尺寸推靠翼背部處理 Fig. 6 Back treatment of large size thrust wing

3.4 應(yīng)用實踐

優(yōu)化后BH-VDT5000垂鉆工具于230m深度入井,井斜0.6°,鉆進2800m出井,井斜0.1°,90%井段井斜控制在0.2°以內(nèi),井身質(zhì)量控制良好,總?cè)刖畷r間1438.5h,總進尺2570m,其中最大單趟入井時間達到了308h,工具性能表現(xiàn)穩(wěn)定。

3.4.1 礫巖地層

第一趟鉆選用欠尺寸推靠翼,最大工作外徑為?577mm,比井眼尺寸大5.5mm,由于上部礫石層膠結(jié)疏松,井壁容易失穩(wěn),井眼擴大后,工具推靠翼糾斜效果較差,鉆進至480m時井斜達到了1.3°,及時起鉆更換成工作外徑最大達到?590mm全尺寸推靠翼,第二趟鉆進尺100m后井斜糾回至0.1°,之后在礫巖層鉆井中延續(xù)全尺寸推靠翼的選用,井斜控制良好。

在鉆進至1400m時,井下鉆具振動持續(xù)加劇,該趟鉆入井26h,工作14h,X軸、Y軸、Z軸平均振動值分別為1.77g、1.43g、0.85g,信號消失前2～4h平均振動值上升,X軸、Y軸、Z軸分別達到了1.85g和2.03g、1.62g和2.03g、1.03g和1.17g,大大超出工具所能承受的振動范圍,最終導致工具信號突然消失。工具出井后檢查發(fā)現(xiàn)，由于劇烈振動導致電路板蓋板松動,泥漿進入系統(tǒng),致使電路短路,此趟鉆具體振動值見表2。

表2 垂鉆檢測振動值

工具再次入井時嚴格按照三維振動值情況控制鉆進參數(shù),最終鉆進至2228m順利穿越了礫巖層,既保證了工具在井下的安全性,也保證了鉆進的時效性。

3.4.2 泥巖地層

鉆進至1833m后泥巖漸多,起鉆更換PDC鉆頭鉆進,由于BH-VDT為滑動鉆進方式,推靠翼推靠井壁不隨中心軸旋轉(zhuǎn),為降低推靠翼與井壁間的黏卡問題,針對垂鉆工具推靠翼尺寸進行了優(yōu)化,優(yōu)選使用最大工作外徑577mm欠尺寸推靠翼,在滿足井下糾斜的前提下也降低了推靠力,提高了井下工具的安全性,鉆進至2800m中完井深未出現(xiàn)因工具使用造成的井下復雜情況發(fā)生。

3.4.3 效果分析

經(jīng)過對大尺寸推靠翼及鎖緊裝置的優(yōu)化,在天灣1井二開應(yīng)用過程中無任何因工具使用造成的復雜情況發(fā)生,其中最大單趟入井時間達到了308h,工具表現(xiàn)穩(wěn)定,長時間使用也沒有對工具內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成損傷。天灣1井二開鉆井的成功應(yīng)用表明，改進后的BH-VDT非常規(guī)尺寸垂直鉆井工具可滿足山前復雜井的施工要求,達到了防斜打直、提高機械鉆速、節(jié)約鉆井周期的目的。

4 結(jié)論及建議

1)通過對垂鉆工具的鎖緊裝置的材質(zhì)及厚度的優(yōu)化及現(xiàn)場應(yīng)用獲得成功,說明當前垂鉆工具懸掛大尺寸推靠翼配合減震工具滿足在南緣區(qū)塊礫巖層中的鉆進要求。

2)在礫巖地層使用滑動式垂直鉆井工具,井壁對工具磨損較小,工具性能穩(wěn)定,提高了工具的使用壽命,最長入井時間達到了308h,減少了起下鉆次數(shù),縮短了鉆井周期。

3)新疆油田南緣區(qū)塊工程地質(zhì)復雜且工程難點多,進一步提高大井眼垂鉆工具應(yīng)用中的安全性,天灣1井的成功應(yīng)用為BH-VDT6000垂鉆工具的研發(fā)提供了技術(shù)參考。