國產垂直鉆井系統在永川地區的首次探索試驗

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(中石化西南石油工程有限公司 鉆井工程研究院，四川 德陽 618000)①

重慶永川地區頁巖氣資源豐富，探明儲量達1 347.57×108m3，是中國石化非常規油氣資源增儲上產的重點區域。儲層龍馬溪組頁巖氣埋深3 900～4 200 m，較涪陵地區平均深約1 000 m，因此上部井段防斜打直十分重要。前期在陸相地層先后試驗了塔式鉆具組合、鐘擺鉆具組合、預彎曲動力鉆具組合等防斜打快技術，但這些技術都屬于被動防斜技術，鉆壓無法得到完全的釋放，沒有從真正意義上解決防斜打快矛盾[1-3]。區塊也嘗試使用了POWER-V垂直鉆井系統，雖然井身質量控制好，但經濟性價比不高[4-6]。基于此，在YY5-1HF井首次探索試驗了國產垂直鉆井系統。現場應用表明，井斜控制在0.73°以內，機械鉆速提高了158.85 %，為區塊上部直井段低成本防斜打快找到了新的技術手段。

1 防斜打快技術難點分析

1) 永川地區陸相地層上沙溪廟組-須家河組厚度約1 800 m，整個陸相井段砂泥巖交互頻繁，易井斜，通常采用“輕壓吊打”保證井身質量。鄰井YY6井采用鐘擺鉆具組合防斜技術，井斜依然超過3°。

2) 自流井組-須家河組地層砂巖石英含量高，研磨性強，可鉆性差，為了控制井斜鉆壓無法釋放，機械鉆速低。YY1井自流井組珍珠沖段-須家河組五段平均機械鉆速為0.94 m/h，須家河組二段-須家河組一段平均機械鉆速為0.87 m/h。

3) 永川地區直井段要求最大井斜小于5°，水平位移控制在30 m以內，考慮直井段方位穩定，常規方法即使將井斜控制在1°，造斜點垂深3 650 m的水平位移也將達到63.71 m，如果不采用中途扭方位，則應將井斜控制在0.5°左右，這為井身質量控制帶來極大難度。

2 國產垂直鉆井系統

2.1 結構組成

國產垂直鉆井系統是集機電液一體化的井下閉環鉆井系統，主要由電源系統、測控系統和執行系統3部分組成。如圖1所示。

1—泥漿渦輪發電機；2—整流逆變單元；3—硬質合金軸承；4—旋轉變壓器；5—本體；6—電子節；7—中心管；8—護板；9—液壓模塊。

2.2 工作原理

在鉆進過程中，鉆井液流經渦輪發電機時驅動電機發電，電流經過整流逆變，再通過非接觸傳輸子系統為測控系統和執行系統提供電能。當井斜大于門限值時，井下測控系統經過計算、分析、判斷，自動向執行系統發出指令，控制相應的柱塞伸出。借助井壁的反作用力，在鉆頭上產生一個指向井斜低邊的側向力，使鉆頭沿糾斜方向鉆進，從而產生降斜效果。執行系統中的3個柱塞成120°夾角分布，通過不同柱塞壓力的匹配，實現糾斜力的方向始終與井斜高邊相反。當井斜小于門限值時，測控系統向執行系統發出指令，柱塞收回，糾斜力消失，鉆頭保持垂直鉆進。垂直鉆井系統工作原理如圖2所示。

圖2 國產垂直鉆井系統工作原理示意

3 現場試驗

3.1 YY5-1HF井基本情況

YY5-1HF井是以永川地區龍馬溪組深層頁巖氣為開發對象的一口水平井，設計井深5 634 m，設計完鉆垂深3 956 m。該井一開井眼尺寸?406.4 mm，中完井深901 m，鉆遇地層分別為上沙溪廟組、下沙溪廟組、新田溝組，巖性以砂泥巖交互為主。采用單彎螺桿鐘擺鉆具組合防斜打快工藝，多點投測井底井斜1.95°；二開井眼尺寸?311.15 mm，開孔鉆遇陸相地層自流井組，巖性以砂泥巖不等厚互層為主，自流井組珍珠沖段富含石英砂巖，可鉆性級值達到7以上，需要進一步釋放鉆壓才能提高機械鉆速[7-8]。基于此，二開開鉆就探索試驗國產垂直鉆井系統。

3.2 鉆具組合優化

鉆具組合:?311.15 mm PDC鉆頭+國產垂直鉆井系統+止回閥+?203.2 mMWD坐鍵接頭+?203.2 mm無磁+?308 mm扶正器+?228.6 mm鉆挺+?203.2 mm鉆挺+變扣接頭+旁通閥+?139.7 mm加重鉆桿+?139.7 mm鉆桿。

該組合只含1個扶正器，本身為強降斜鐘擺組合，側向力大，降斜率高，但承受大鉆壓后方位穩定性差[9-10]。垂直鉆井系統工作時，相當于在近鉆頭處增加了1個變徑扶正器，整個鉆具調整為弱降斜組合，鉆進時既能承受較大鉆壓又能平滑降斜；同時垂直鉆井系統時刻推靠井壁高邊的特性使鉆頭能保持垂直方向前進，可以達到穩定降斜的目的，符合YY5-1HF井實際需求。

3.3 試驗分析

1) 試驗過程。

YY5-1HF井二開自井深901 m開始下入自動垂直鉆井系統，試驗共使用1套國產垂直鉆井系統，試驗井段901～991.14 m，鉆進進尺90.14 m，純鉆15.41 h，平均機速5.85 m/h。試驗中，除了初期鉆壓控制在60 kN內，大多數井段鉆壓控制120 kN，達到了使用垂直鉆井系統解放鉆壓的目的。后因發生井下復雜，處理后起鉆停止試驗國產垂直鉆井系統。

2) 鉆井參數。

鉆壓120 kN，排量55 L/s，泵壓13 MPa，轉速60 r/min。

3) 井斜控制。

國產垂直鉆井系統入井工作后，井斜得到精確控制，平滑降斜。從井深901 m鉆至991.14 m，井斜由1.95°降至0.73°，降斜率0.41(°)/30m。試驗結果表明，國產垂直鉆井系統實現了穩定糾斜功能，達到了設計要求。YY5-1HF井井斜變化曲線如圖3。

圖3 YY5-1HF井井斜變化曲線

4) 相同地層條件下的機械鉆速對比。

試驗井段平均機速5.85 m/h，同比鄰井YY2井在自流井組采用彎螺桿鉆具配合鐘擺組合鉆進平均機速2.26 m/h 提高了158.85 %，與鄰井YY3-1HF、YY1-4HF井同層位采用國外POWER-V垂直鉆井系統機械鉆速相當。同區塊同層位機械鉆速對比如表1。

表1 同區塊同層位機械鉆速對比

4 結論

1) 在永川陸相易斜地層使用國產垂直鉆井系統，可以有效控制住井斜，確保井眼打直。

2) 使用國產垂直鉆井系統能夠強化鉆井參數，釋放鉆壓。相比常規“輕壓吊打”防斜技術，機械鉆速得到大幅提高。

3) 國產垂直鉆井系統能滿足永川地區陸相地層防斜與打快的鉆井需求，但試驗時間短。建議進一步試驗，驗證工具的穩定性，使工具的經濟技術指標能夠充分體現出來。

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