滑動推靠式垂直鉆井系統結構性能優化及應用

陶松齡，陳世春，徐明磊，黃 峰，汝大軍，郭云鵬，馬 哲，魏慶振

(1.渤海鉆探工程公司 工程技術研究院，河北 任丘 062552；2.渤海鉆探工程公司 工程技術處，天津 300457)

為解決高陡構造、斷層與鹽層等復雜易斜地質條件下的深井防斜打快難題，自動垂直鉆井技術得到了快速發展。滑動推靠式垂直鉆井系統，在糾斜過程中，近鉆頭處的推靠翼伸出，推靠井壁使鉆頭產生側向切削力，具有側向力大、降斜率高等優點[1-6]。此外，糾斜執行機構外部不隨鉆具一起旋轉，井下振動小，推靠翼的磨損程度較低，糾斜效果好，在礫巖地層應用的效果更佳。因此，滑動推靠式垂直鉆井系統得到了廣泛的應用[7-10]。滑動推靠式垂直鉆井系統主要分為脈沖傳輸及井下閉環系統2部分。根據脈沖傳輸機理，主要分為負脈沖、正脈沖及連續波傳輸3種。正脈沖信號發生器信號穩定，結構簡單，是目前普遍使用的一種傳輸方式[11-12]。泥漿正脈沖發生器在塔里木油田進行了大量應用，但在大排量下的抗沖蝕性能差，在高密度鉆井液、深井環境下存在信號衰減問題[13]；另外，滑動式垂直鉆井系統，糾斜執行機構不隨鉆具旋轉，在復雜地層及工況下，鉆進過程中不可避免存在一定的托壓。針對這些不足，對脈沖器閥座及主閥總成進行了結構優化，提高耐沖蝕性，增加控制閥的起始力和優選行程，解決信號衰減問題。根據施工井地質特性，采取了推靠翼尺寸規格及推靠力優選等措施，應用取得了良好的效果。

1 滑動推靠式垂直鉆井系統脈沖器簡介

1.1 泥漿正脈沖發生器結構

泥漿正脈沖發生器主要由控制閥總成及主閥總成組成，如圖1所示。其中，控制閥總成包括線圈、外殼、閥芯、閥座總成等；主閥總成主要包括主閥扶正器、導桿、蘑菇頭、護套及濾網總成等。

圖1 泥漿正脈沖發生器結構示意

1.2 泥漿正脈沖發生器工作原理

滑動推靠式垂直鉆井系統中的微控制器MCU，將井下各類傳感器測得的數據按照既定的算法規則進行編碼，產生一定時序的脈沖信號。該脈沖信號通過脈沖驅動電路控制脈沖器的控制閥閥芯上下動作，從而和閥座噴嘴之間的過流孔形成了開關狀態。當過流孔關閉時，主閥蘑菇頭的內部壓力升高，迫使蘑菇頭向上運動。蘑菇頭上端位置的改變，導致其與外圍的限流環鉆井液流道變化，從而在鉆柱內產生壓力脈沖。壓力脈沖被地面壓力傳感器感知到，然后通過接收器和計算機軟件解碼，將井下測得的數據實時顯示出來。

1.3 脈沖器存在的不足

1) 遇大排量、含砂比高等井，脈沖器內部零件沖蝕嚴重，容易導致閥座噴嘴脫落、主閥導桿斷裂等問題，影響了脈沖信號的傳輸，進而降低了系統的工作壽命。

在KS5-5井，采用垂直鉆系統，鉆井液的排量65 L/s，工作循環時間130 h后因信號消失而起鉆。返修發現閥座總成噴嘴脫落。如圖2所示，從脈沖器閥座總成應用前后對比可以看出，閥座在工作一段時間以后，內孔明顯沖大，噴嘴槽沖蝕嚴重，導致噴嘴無法膠接在閥座上而脫落。因此，控制閥閥芯上頂后，無法封閉內部流道，導致信號傳輸失效。

圖2 閥座總成應用前后對比

DB1401井,其中的一趟鉆，鉆井液排量62～65 L/s,工作循環105 h后，信號幅值突然減小，后信號微弱，無法解碼而起鉆。返修發現主閥導桿斷裂，如圖3所示。導桿斷裂之后，一方面，信號可能直接消失，或信號幅值急劇下降，無法解碼；另一方面，由于上部無限位，直接撞在上部硬質合金環上，很容易進一步引起蘑菇頭碎裂，信號徹底消失。

圖3 主閥導桿斷裂情況

2) 高密度、高黏度鉆井液，深井條件下，脈沖器性能不穩定。在BZ15井三開鉆井過程中，鉆井液密度2.18 g/cm3、黏度71 s，井深4 374 m，出現淺層測試信號正常，下鉆到底無信號，起出至淺層信號又恢復的狀況。

2 脈沖器結構優化設計

2.1 閥座總成結構優化

閥座總成主要由閥座和噴嘴組成。噴嘴通過過盈或高強度粘接膠固定在閥座上。通過對多井次閥座總成應用情況分析發現，閥座在長時間工作后，內孔沖蝕增大，而噴嘴材料采用硬質合金不易沖蝕，故閥座內孔與噴嘴內孔之間逐漸形成了1個臺階。原有的結構導致噴嘴沒有支撐，完全依靠過盈或高強度粘接，形成較大的臺階后，膠接強度不足以抗衡流體對噴嘴的沖擊力時，就會導致噴嘴下移或脫落。

鑒于此，對閥座總成結構進行了優化，如圖4所示，采用加長型懸掛式噴嘴結構，將噴嘴懸掛在閥座內部的小臺階上，在噴嘴的下端同時抹上高強度的粘接膠。該結構一方面防止了閥座總成噴嘴脫落，另一方面也減少了閥座的沖蝕，使閥座能重復使用。

2.2 主閥總成結構優化

脈沖器主閥總成的不足，主要表現在主閥導桿在長時間工作后由于沖蝕而斷裂，如圖5所示。通過對主閥導桿應用過后的解剖發現，由于沖蝕，噴嘴下方導桿內孔均有不同程度的“大肚子”。由于內部結構及尺寸限制，該處壁厚是整個主閥導桿的薄弱環節。

a 優化前

b 優化后

圖5 主閥導桿內部沖蝕

由于蘑菇頭以2～3 min-1的頻率沿主閥導桿做上、下往復運動，沖蝕到一定程度后，加劇了主閥導桿的斷裂。

鑒于此，對主閥導桿及其噴嘴進行了結構優化。在內部尺寸限制，無法采用增加壁厚的情況下，采用加長型導桿噴嘴，將易沖蝕部位轉移到壁厚更厚的部位，如圖6所示。

a 優化前

b 優化后

導桿噴嘴加長之后，圖5中所示“大肚子”部位得到保護，主要沖蝕部位向左轉移，從而達到提高主閥總成工作壽命的目的。

3 系統性能改進

3.1 脈沖器控制閥總成性能改進

在深井、高密度鉆井液條件下，信號傳輸性能不穩定的主要原因有2個方面。

1) 鉆井液性能造成的信號衰減。鉆井液中的固相會堵塞脈沖器內部通道，使主閥蘑菇頭或控制閥閥芯行程不足；鉆井液氣泡的存在對鉆井液的壓縮性有很大影響，含氣量大時會有較大的脈沖幅度衰減，甚至會造成地面監測不到信號[14]。另外，鉆井液的黏度越高、密度越大，信號衰減幅度就越大，特別是在深井中監測困難。

2) 信號干擾。當鉆井泵的吸入液流波動、鉆井液中的氣泡在上升過程中膨脹破裂，會形成一定的雜波，從而導致信號與雜波難于分離。

針對上述情況，一方面，提高鉆井液性能，避免鉆井液固相堵塞、減少氣泡含量，從而減少外界引起的信號衰減和干擾；另一方面，優選脈沖器自身性能，從控制閥力學性能、行程上進行改進。針對高密度、高黏度鉆井液，改進控制閥力學性能，提高其克服流體沖擊上頂的速度和幅度，從而提高脈沖器的抗干擾能力。優化控制閥行程，太小會增大其克服流體沖擊上升的難度，也會加快沖蝕的速度；太大會影響控制閥上行的速度，從而減小脈沖信號的強度。

3.2 系統部件工作參數優選

滑動推靠式垂直鉆井系統，采用滑動式鉆進方式，下部糾斜執行機構在鉆進過程中不與鉆柱一起旋轉(或以極小的速率旋轉)，而是相對穩定在某一固定的方位上并提供推靠力。該結構相比動態式(調制式)減輕了井下震動，能夠使鉆頭鉆出較為光滑的井眼，并且減輕鉆具對套管的磨損，推靠翼的磨損程度低[15-16]，糾斜效果好。然而，在特殊復雜地層或工況，例如，泥頁巖的吸水膨脹、鹽膏層的蠕動、地質構造應力及斷層引起的縮頸，砂巖泥餅、鉆頭保徑磨損等，容易造成托壓、掛卡。

針對這些情況，根據臨井調研及當前地層地質特性，可優選系統推靠力及推靠翼尺寸規格，控制鉆井參數、短起鉆并修復井壁等措施，從而緩解滑動推靠式垂直鉆井系統在復雜地層或工況下托壓、掛卡等。

4 BZ11井現場應用

4.1 BZ11井概況

BZ11井是位于庫車坳陷克拉蘇構造帶拜城斷裂構造帶南部的1口預探井，二開444.5 mm(17英寸)井眼，設計井段230～3 352 m。根據地質設計，鉆遇地層西域、庫車、康村及吉迪克組，康村組及以上地層巖性為中厚至厚層狀雜色小礫巖、細礫巖、砂礫巖，局部夾薄至中厚層狀含泥礫巖、粉砂質泥巖，進入吉迪克組之后，上部地層以泥砂巖為主，下部為不等厚砂質泥巖、灰質泥巖。

4.2 施工難點

1) 根據地質設計，二開230～350 m井段和530～1 700 m 井段，鉆遇礫石層(地層傾角 18°左右)，長段礫石巖層的研磨性強，導致鉆井過程中高頻震動、跳鉆，容易造成垂直鉆井系統的機械部件疲勞，對電子零配件的抗振性能要求高。另外，高頻的震動及較大的地層傾角對系統糾斜也是挑戰。

2) 為了便于攜巖，二開施工排量大(65～70 L/s)，對系統脈沖器零部件的抗沖蝕性能要求高。

3) 下部地層泥漿密度逐步增大，將面臨深井高密度鉆井液環境下的信號上傳問題。

4) 350～530 m 井段準成巖段礫巖，為欠壓實、壓實過渡段地層，根據臨井資料，地層坍塌風險大，容易卡鉆。二開下部地層轉為泥巖夾層、不等厚互層較多，鉆進過程中易發生拖壓、掛卡等復雜情況。

4.3 施工技術措施

1) 考慮到礫巖震動情況，在電路板及殼體之間增設減震柱，提升電路減震效果，同時根據測量的井下震動值合理調整優選鉆進參數。鉆具組合中要保證扶正器的尺寸，最多比鉆頭尺寸少2～3 mm，且扶正器的位置盡可能得靠近垂直鉆井工具，以兼顧穩定井下鉆具和糾斜效果。

2) 針對大排量鉆進，泥漿對零部件的沖蝕情況，采用優化之后的脈沖器，提高其抗沖蝕性能。

3) 深井高密度鉆井液下信號發出的關鍵是控制閥，首先要優選出起始力大的控制閥，保證能正常發出信號；其次控制閥動作響應時間要盡可能的短，行程要大且要滿行程，確保脈沖信號幅值高，信號強。

4) 上部礫巖地層優選大尺寸推靠翼，以保證工具在井下有個較為穩定的工作環境，利于準確測量和提高糾斜效果。下部地層選擇較小尺寸推靠翼及推靠力，減少在復雜地層及工況下拖壓及掛卡情況。

4.4 現場施工概況

垂直鉆井系統二開服務井段230～2 473 m。總進尺2 243 m,累計純鉆時間459 h，平均鉆速4.9 m/h，出井井斜0.6°，滿足井深2 000 m井斜≤1.5°的設計要求。

1) 鉆具組合。444.5 mm(17英寸)牙輪鉆頭+垂直鉆井系統+730*NC61 +228.6 mm(9英寸)浮閥+228.6 mm(9英寸)LDC×1根+?443 mm扶正器+228.6 mm(9英寸)LDC×2根+NC61公*NC56母+203.2 mm(8英寸)LDC×12根+NC56公*520+149.2 mm(5英寸)DP。

2) 施工參數。鉆壓140～180 kN，轉速80～90 r/min，轉矩3～11 kN·m，排量65～70 L/s。

3) 詳細施工情況如表1所示。

表1 BZ11井施工參數

4.5 應用效果分析

1) 優化后脈沖器性能穩定。該井第2趟鉆井時間347.5 h，在排量70 L/s工況下，工作循環時間258.5 h，單根工具累計進尺1 356 m，工具出井依舊有信號，創造該垂直鉆井系統在礫巖地層單根進尺記錄。結合后期BZ1201井及BZ1501井應用情況(如表2)，其中，BZ1201井創該系統單根入井時間、工作循環時間在塔里木應用2項記錄。應用結果表明，脈沖器的結構優化取得了較好的效果。

表2 單根工具應用情況

2) 垂直鉆井系統部件工作參數優選取得了較好的效果，尚有一些不足。使用了5套系統，其中4套系統鉆井過程中基本無拖壓、掛卡，整體上系統工作參數優選取得了較好的效果。但第3套系統面對復雜地層，拖壓較為嚴重。通過分析，主要有2個原因：①該井段實鉆顯示為吉迪克組上部地層，巖性相比上部地層存在較大的變化，主要為含泥砂巖，滲透性好，在井壁容易形成較厚的泥餅，同時砂質泥巖、灰質泥巖夾層較多，井壁存在一定的吸水膨脹；②選用的推靠翼尺寸相比上根系統偏大，綜合兩者影響造成了第3套系統拖壓、掛卡偏多。

3) 鉆井液密度達到1.6 g/cm3，深度超過2 400 m，信號一直強勁有力，沒有出現因信號衰減，使地面設備無法解碼，或是信號發不出來的情況。

4) 機械鉆速快，達到了釋放鉆壓，防斜打快的目的。總進尺2 243 m,平均機械鉆速4.9 m/h。相比臨井使用常規鐘擺鉆具、MWD+螺桿及西方公司動態推靠垂直鉆井系統，在巖性相近的情況下，機械鉆速有較大的提高，如表3。

5 結論

1) 優化后的滑動推靠式垂直鉆井系統，在BZ11井二開應用成功，單套系統入井時間347.5 h，在排量70 L/s左右工況下，循環時間258.5 h，單根工具累計進尺1 356 m，出井后工具依舊有信號，表明脈沖器閥座及主閥總成的結構優化取得了較好的效果。

2) 在山前高陡地質構造，應用滑動推靠式垂直鉆井系統，能夠達到釋放鉆壓，防斜打快的目的。BZ11井二開服務井段230～2 473 m，平均機械鉆速4.9 m/h，出井井斜0.6°，相比常規鐘擺及螺桿鉆具具有顯著的優勢。

3) 采用滑動推靠式垂直鉆井系統，在BZ11井、BZ1201井等礫巖地層應用，系統入井時間多次突破300 h，表明滑動式垂直鉆井系統能夠減少震動造成的系統損傷，在礫巖層段應用具有顯著的優勢。

4) 優化滑動推靠式垂直鉆井系統的推靠翼規格及推靠力，能夠極大地緩解復雜地層及工況下的托壓、掛卡情況。但是，仍需提前對地層巖性、泥漿性能做出準確評估，進一步細化措施。

表3 幾種垂直鉆井工具的機械鉆速對比