捷聯(lián)式自動(dòng)垂直鉆井系統(tǒng)現(xiàn)場試驗(yàn)研究

白立業(yè)，趙洪山，劉新華

（勝利石油管理局 鉆井工藝研究院，山東 東營257017）①

自動(dòng)垂直鉆井系統(tǒng)用于我國南方海相、西部新區(qū)高陡構(gòu)造及復(fù)雜地層，在防斜、提高機(jī)械鉆速方面具有顯著的技術(shù)優(yōu)勢［1－3］。目前，Baker Hughes公司的VertiTrak工具以及Schlumberger公司的Power V工具在國內(nèi)這些地區(qū)的現(xiàn)場應(yīng)用中效果良好。由于國外的自動(dòng)垂直鉆井工具只租不賣，依靠租用國外設(shè)備，成本昂貴且不易維護(hù)［4－7］。為了打破國外的技術(shù)壟斷，有效降低鉆井成本，研制出了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的捷聯(lián)式自動(dòng)垂直鉆井工具。經(jīng)過現(xiàn)場試驗(yàn)、改進(jìn)和完善，在貴州省普定縣的安順1井二開311.2mm井眼試驗(yàn)中取得了階段性成功，該工具的穩(wěn)定性、可靠性以及壽命等得到了進(jìn)一步驗(yàn)證。

1 安順1井工程概況

安順1井是中石化勘探南方分公司在貴州省普定縣部署的一口風(fēng)險(xiǎn)探井，設(shè)計(jì)井深5 600m，鉆遇地層自上而下依次為三疊系的關(guān)嶺組、夜郎組；二疊系長興組、龍?zhí)督M、茅口組；石炭系黃龍組、擺佐組、大塘組；泥盆系獨(dú)山組、舒家坪組。井深＜3 000m時(shí)，要求井底位移≤80m。

為了提高機(jī)械鉆速，安全快速鉆穿上部地層，該井二開802.00～2 100.25m井段實(shí)施了氣體鉆井，機(jī)械鉆速得到提高，但是井斜從0.87°／795.42m 增大至了5.72°／2 033.77m。改用鉆井液鉆進(jìn)至井深2 436m時(shí)，實(shí)測井底斜角為6.25°。為了實(shí)現(xiàn)快速糾斜并保證機(jī)械鉆速，使用自主研制的捷聯(lián)式自動(dòng)垂直鉆井工具。根據(jù)地質(zhì)設(shè)計(jì)，該段地層為二疊系茅口組，地層巖性以灰色厚層塊狀?yuàn)A中厚層生物碎屑灰?guī)r、白云巖為主，局部含有燧石結(jié)核，可鉆性較差，大鉆壓下鉆進(jìn)容易發(fā)生井斜，跳鉆嚴(yán)重。

2 捷聯(lián)式自動(dòng)垂直鉆井工具介紹

2.1 結(jié)構(gòu)及工作原理

捷聯(lián)式自動(dòng)垂直鉆井工具由捷聯(lián)式穩(wěn)定平臺(tái)和防斜糾斜執(zhí)行機(jī)構(gòu)2大部分組成，如圖1所示。捷聯(lián)式穩(wěn)定平臺(tái)為工具的核心部件，由電源短節(jié)、測控短節(jié)和伺服短節(jié)3部分組成。防斜糾斜執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要由盤閥組件和推靠組件組成［8－9］。

圖1 捷聯(lián)式自動(dòng)垂直鉆井工具結(jié)構(gòu)

其工作過程為鉆井液推動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)工作，為測控短節(jié)和力矩電動(dòng)機(jī)提供所需的電能；測控短節(jié)實(shí)時(shí)檢測各種傳感器信號(hào)并進(jìn)行處理，向力矩電動(dòng)機(jī)發(fā)送控制指令；力矩電動(dòng)機(jī)接收測控短節(jié)的指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)過流鉆井液進(jìn)行分配，通過鉆鋌內(nèi)鉆井液與環(huán)空鉆井液的壓力差，推動(dòng)活塞推靠井壁，從而使鉆頭處獲得反向作用力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)有效防斜、糾斜。

2.2 技術(shù)參數(shù)（如表1）

表1 捷聯(lián)式自動(dòng)垂直鉆井工具技術(shù)參數(shù)

3 現(xiàn)場試驗(yàn)

2012－01－11—23，在安順1井開展了2套捷聯(lián)式自動(dòng)垂直鉆井工具的現(xiàn)場試驗(yàn)。鉆具組合為：311.2mm HJT537GK鉆頭×0.30m＋300mm垂直鉆井工具（三翼肋）×7.25m＋731×730回壓閥×0.49m＋229mm短鉆鋌（含機(jī)械測斜儀器）×2.60m＋229mm鉆鋌1根×8.61m＋308 mm扶正器×1.06m＋731×630轉(zhuǎn)換接頭×0.48 m＋203mm無磁鉆鋌1根×8.61m＋203mm鉆鋌8根×71.51m＋631×630屈性長軸×3.06m＋203mm隨鉆震擊器×7.26m＋630×410轉(zhuǎn)換接頭×0.45m＋178mm鉆鋌6根×54.31m＋411×410旁通閥×0.49m＋127mm鉆桿。

第1套工具試驗(yàn)井段2 436.00～2 518.37m，工作時(shí)間102h，進(jìn)尺82.37m，平均機(jī)械鉆速1.02m／h，井斜由6.25°／2 436m降到了2.22°／2 518m，降斜率約6°／100m；第2套工具試驗(yàn)井段2 518.37～2 610.79m，工作時(shí)間112h，進(jìn)尺92.42m，純鉆井時(shí)間90h，平均機(jī)械鉆速1.03m／h，井斜由2.22°／2 518m降到了0.25°／2 610m，降斜率約4°／100m。

試驗(yàn)期間，鉆井液密度1.19～1.20g／cm3，排量45～50L／s，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速45～60r／min，泵壓16～20MPa。初始時(shí)施加鉆壓200～220kN，有跳鉆現(xiàn)象發(fā)生，隨后調(diào)整鉆壓180～200kN鉆進(jìn)。工具出井檢測，表觀正常，巴掌活動(dòng)靈活，磨損均勻；拆檢發(fā)現(xiàn)各部分基本完好，沒有出現(xiàn)進(jìn)泥漿部件損壞現(xiàn)象，工具工作時(shí)間達(dá)112h，壽命較以前大幅提高，2套工具均因鉆頭壽命到期、鉆時(shí)慢起鉆。試驗(yàn)結(jié)果表明：捷聯(lián)式自動(dòng)垂直鉆井工具工作正常，結(jié)構(gòu)可靠，能夠滿足現(xiàn)場的使用要求。

圖2為利用多點(diǎn)測量井斜數(shù)據(jù)繪制出的安順1井二開井斜隨井深的變化曲線。由圖2可以看出：在垂鉆試驗(yàn)井段，井斜呈明顯的下降趨勢，并且降斜趨勢均勻。

表2對(duì)捷聯(lián)式自動(dòng)垂直鉆井工具試驗(yàn)前后幾趟鉆的施工情況進(jìn)行了對(duì)比，可以看出：使用垂鉆工具2趟鉆的平均單趟鉆進(jìn)尺87.4m，平均機(jī)械鉆速1.02m／h；與試驗(yàn)之后第1趟鉆相比，在地層、鉆頭型號(hào)及純鉆時(shí)間等條件均一致情況下，機(jī)械鉆速提高了25.9%，鉆頭進(jìn)尺提高了18.3%。試驗(yàn)結(jié)果表明：使用自主研制的垂鉆工具不僅收到了明顯的糾斜效果，同時(shí)由于釋放了鉆壓，使得鉆頭進(jìn)尺與機(jī)械鉆速大幅提高，鉆井周期得到了有效縮短。

圖2 安順1井二開井斜角隨井深的變化曲線

表2 捷聯(lián)式自動(dòng)垂鉆工具試驗(yàn)前后效果對(duì)比

4 結(jié)論

1） 自主研制的捷聯(lián)式自動(dòng)垂直鉆井工具具有明顯的防斜、糾斜效果，能夠完全釋放鉆壓。在保證井斜控制的前提下大幅提高機(jī)械鉆速，縮短鉆井周期，有效解決了高陡構(gòu)造及大傾角地層的防斜打快問題。

2） 在安順1井的現(xiàn)場試驗(yàn)中，該工具糾斜效果達(dá)到6°／100m，糾斜趨勢均勻。工具工作時(shí)間達(dá)到112h，拆檢后無部件損壞，壽命較以前大幅提高，能夠滿足現(xiàn)場的使用要求。

3） 建議進(jìn)一步加強(qiáng)311.2mm井眼用捷聯(lián)式自動(dòng)垂直鉆井工具的現(xiàn)場試驗(yàn)工作，并研制適合不同井眼尺寸的垂直鉆井工具。通過試驗(yàn)、改進(jìn)與完善，提高工具的壽命、耐高溫等性能，縮短與國外垂直鉆井技術(shù)的差距。

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