防斜打直新技術(shù)在川科1井中的應(yīng)用

摘 要

摘要：超深井井斜控制是一項(xiàng)復(fù)雜的技術(shù)難題。目前國(guó)內(nèi)海相地層第一口超深重點(diǎn)科學(xué)探索井——川科1井具有超高溫、超高壓的特點(diǎn)。為確保其井身質(zhì)量，除采用常規(guī)防斜打
摘要：超深井井斜控制是一項(xiàng)復(fù)雜的技術(shù)難題。目前國(guó)內(nèi)海相地層第一口超深重點(diǎn)科學(xué)探索井——川科1井具有超高溫、超高壓的特點(diǎn)。為確保其井身質(zhì)量，除采用常規(guī)防斜打直技術(shù)外，在對(duì)國(guó)內(nèi)外井斜控制理論與技術(shù)進(jìn)行深入調(diào)研的基礎(chǔ)上，提出針對(duì)該井從第一次開(kāi)鉆到第四次開(kāi)鉆分別采用大尺寸鉆鋌塔式鉆具、垂直鉆井技術(shù)、遙控可變徑穩(wěn)定器、機(jī)械式無(wú)線隨鉆測(cè)斜儀和測(cè)斜接頭等一系列防斜打直新技術(shù)，收到了預(yù)期效果：不僅井斜控制在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)(井斜設(shè)計(jì)小于10°)，井底水平位移僅60.35m，而且大大提高了機(jī)械鉆速。防斜打直配套新技術(shù)在該井的成功應(yīng)用，為類(lèi)似的超高溫、超高壓、超深井的防斜打直提供了經(jīng)驗(yàn)。
關(guān)鍵詞：超深井；井斜；鉆具組合；新技術(shù)；防斜打直；四川盆地；川科1井
    川科1井是中國(guó)石油化工股份有限公司在四川盆地川西坳陷孝泉-豐谷隆起帶的孝泉構(gòu)造上部署的第一口超深重點(diǎn)科學(xué)探索井，該井設(shè)計(jì)井深為7540m，設(shè)計(jì)井底水平位移小于200m，最大全角變化率小于3.5°/25m，井底最大井斜小于12°。
   根據(jù)鄰井的經(jīng)驗(yàn)，該井井斜控制是影響快速鉆井和安全鉆井的關(guān)鍵[1～2]。在對(duì)國(guó)內(nèi)外井斜控制理論與技術(shù)進(jìn)行深入調(diào)研分析的基礎(chǔ)上，川科1井采用大尺寸鉆鋌塔式鉆具、垂直鉆井系統(tǒng)、變徑穩(wěn)定器和測(cè)斜接頭等防斜打直新技術(shù)，有效地控制井斜，并獲得了較高的機(jī)械鉆速。該井為類(lèi)似的超深井井斜控制及降低綜合成本提供了可資借鑒的寶貴經(jīng)驗(yàn)。
1 大尺寸鉆鋌塔式鉆具防斜打直技術(shù)
   川科1井對(duì)上部井段提出了嚴(yán)格的井身質(zhì)量要求，由于第一次開(kāi)鉆的井眼(Φ660mm)鉆頭尺寸大、環(huán)空間隙大，防斜難度很大，川科1井第一次開(kāi)鉆鉆進(jìn)首次選用Φ381mm鉆鋌、Φ279.4mm鉆鋌、Φ228.6mm鉆鋌、Φ203.2mm鉆鋌和Φ177.8mm鉆鋌構(gòu)成的塔式鉆具組合，優(yōu)選鉆井參數(shù)，并堅(jiān)持與輕壓吊打相結(jié)合的方式，為防止上部地層井斜，鉆具結(jié)構(gòu)適當(dāng)增加鉆鋌的數(shù)量，緩慢增大鉆壓，提高鉆進(jìn)速度。
    實(shí)鉆結(jié)果顯示：第一次開(kāi)鉆井段最大井斜角1.23°，對(duì)應(yīng)井深191.50m，第一次開(kāi)鉆井底水平位移為2.12m，最大井眼曲率為1.38°/30m。均低于設(shè)計(jì)要求，這為該井以后鉆井施工打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
2 垂直鉆井防斜打直技術(shù)
    川科1井第二次開(kāi)鉆井眼尺寸為Φ444.5mm中，中完井深為3200.00m。第二次開(kāi)鉆井段499.O0～3200.00m，該地層巖石堅(jiān)硬、夾層多、跳鉆嚴(yán)重、井斜控制困難、機(jī)械鉆速低，機(jī)械鉆速小于1m/h。因此，第二次開(kāi)鉆井段選用了美國(guó)貝克休斯的垂直鉆井系統(tǒng)VertiTrak(簡(jiǎn)稱(chēng)VTK)來(lái)控制井斜。
    VertiTrak系統(tǒng)綜合了AUTOTRAK(閉環(huán)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng))、高性能的X-TREME馬達(dá)、可靠的MWD3種技術(shù)開(kāi)發(fā)出來(lái)的一種閉環(huán)自動(dòng)垂直鉆井系統(tǒng)，VertiTrak最大降斜能力可以達(dá)到1.0/30m。通過(guò)選擇欠尺寸穩(wěn)定器在鉆具組合中的位置及穩(wěn)定器外徑的大小，可以對(duì)預(yù)期降斜率的大小進(jìn)行設(shè)定，范圍為(1.5°～0.8°)/30m。在鉆進(jìn)時(shí)通過(guò)調(diào)整鉆壓、排量等技術(shù)參數(shù)也可以對(duì)降斜率做適當(dāng)?shù)奈⒄{(diào)。
2.1 垂直鉆井鉆具組合
    Φ444.5mmMD9541ZC鉆頭×0.53m+Φ241.3mmVTK工具×11.30m+Φ241.3mm浮閥(731×730)×0.80m+Φ438mm穩(wěn)定器×1.57m+濾網(wǎng)接頭(731×730)×1.70m+Φ228.6mm減震器×5.85m+Φ241.3mm鉆鋌×26.39m+Φ228.6mm鉆鋌×80.47m+731×731雙公接頭×0.29m+Φ228.6mm震擊器×7.75m+731×630轉(zhuǎn)換接頭+Φ203.2mm鉆鋌×51.76 m+631×410轉(zhuǎn)換接頭+411×520轉(zhuǎn)換接頭+Φ139.7mm鉆桿。
2.2 鉆井參數(shù)
    鉆壓為240～360kN；排量為50～55L/s；泵壓為18～20MPa。
2.3 效果分析
    VTK鉆井總進(jìn)尺2240.44m，純鉆進(jìn)時(shí)間為1200.06h，平均機(jī)械鉆速為1.87m/h。比使用常規(guī)防斜鉆具組合的機(jī)械鉆速提高近1倍。VTK鉆進(jìn)井段隨鉆測(cè)斜井斜均控制在0.5°以內(nèi)。第二次開(kāi)鉆電測(cè)從511.O0～2873.O0m井斜角為0.06°～1.68°。最大井眼曲率為1.72°/30m。井底水平位移僅22.40m。
2.4 垂直鉆井關(guān)鍵技術(shù)措施
    1) 采用VTK工具鉆進(jìn)鉆具不旋轉(zhuǎn)，一方面避免了鉆具事故的發(fā)生，但另一方面發(fā)生井下復(fù)雜情況或事故的概率較大。因此，要注意加強(qiáng)劃眼，以保證井下正常。
    2) 采取垂直鉆井增大了鉆壓，在應(yīng)用低密度鉆井液鉆井的情況下既能控制井身質(zhì)量，又能提高機(jī)械鉆速。
    3) 由于VTK是以水力驅(qū)動(dòng)鉆井，保持盡可能低的循環(huán)壓耗是提高鉆井效率的關(guān)鍵，應(yīng)盡可能少用小內(nèi)徑鉆具和保持鉆井液的表觀黏度較低。
    4) VTK工具壓耗約5MPa，在鉆井液密度較高的情況下VTK鉆井泵壓高。因此，盡量選用帶電動(dòng)泵的鉆機(jī)實(shí)施垂直鉆井。
    5) VTK鉆井所使用的鉆頭保徑段要有特殊保護(hù)設(shè)計(jì)，提高保徑段強(qiáng)度及抗研磨性，保證井眼尺寸，以適用于鉆進(jìn)研磨性地層，滿足鉆頭長(zhǎng)時(shí)間鉆進(jìn)的需要。
    6) 必須保證打入井中的鉆井液的清潔，泵入井內(nèi)的巖屑及堵漏材料過(guò)多會(huì)嚴(yán)重影響工具的正常使用。因此，需要不定期清洗鉆井液罐。
3 變徑穩(wěn)定器防斜打直技術(shù)
    川科1井第三次開(kāi)鉆采用Φ311.15mm鉆頭鉆進(jìn)，第三次開(kāi)鉆井段(3200.O0～5700.O0m)，第三次開(kāi)鉆井段地層巖性主要是陸相砂泥巖頻繁交替互層，客觀上防斜打直難度較大。選用了先進(jìn)的變徑穩(wěn)定器，根據(jù)監(jiān)測(cè)的井斜情況及時(shí)調(diào)整鉆井參數(shù)和鉆具結(jié)構(gòu)，有效控制了井斜。
    遙控變徑穩(wěn)定器(VGS)每一個(gè)翼片有5個(gè)活塞，有5個(gè)活動(dòng)斜面體，每一個(gè)斜面體調(diào)節(jié)3個(gè)活塞，每一個(gè)活塞有1個(gè)斜面，所有的斜面是一起活動(dòng)的。當(dāng)壓差作用在活塞下部斜面體上時(shí)，活塞向外伸展?；钊纳炜s是通過(guò)凸輪筒控制的，活塞通過(guò)壓差保持工作狀態(tài)。當(dāng)帶有斜面的心軸通過(guò)作用在自身的壓差向下移動(dòng)時(shí)，斜面同時(shí)推動(dòng)所有活塞，活塞從自由狀態(tài)向外移動(dòng)。通過(guò)壓差控制，在凸輪筒保持固定。當(dāng)停泵消除壓差時(shí)，內(nèi)部彈簧回彈，心軸恢復(fù)原位，活塞收縮，并且引導(dǎo)凸輪筒到達(dá)下一個(gè)位置。重新開(kāi)泵將引導(dǎo)RCDS-1穩(wěn)定器從自由狀態(tài)到另一個(gè)工作狀態(tài)?；钊ㄟ^(guò)壓差在凸輪筒中保持固定。當(dāng)壓差變化時(shí)，活塞重新恢復(fù)下一個(gè)狀態(tài)。活塞將一直保持伸展?fàn)顟B(tài)，直到停泵時(shí)收縮。鉆壓不對(duì)活塞產(chǎn)生影響，利用鉆井液流過(guò)孔板所產(chǎn)生的壓差來(lái)判斷活塞工作狀態(tài)。
3.1 鉆具組合
    Φ311.2mm鉆頭+630×730雙母接頭+731×730翻板式回壓凡爾+Φ228.6mm雙向減震器(型號(hào)JZYS229-Ⅱ)+9228.6mm隨鉆測(cè)斜接頭+Φ228.6mm鉆鋌×18.22m+731×630接頭+Φ311mm變徑穩(wěn)正器+Φ203.2mm鉆鋌×82.35m+631×410接頭+Φ177.8mm鉆鋌+411×520接頭+Φ139.7mm鉆桿。
3.2 鉆井參數(shù)
    鉆壓為240～280kN；轉(zhuǎn)速為55r/min；排量為34～35L/s；泵壓為18～20MPa。
3.3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況及效果分析
    川科1井在第三次開(kāi)鉆井段3200～5658m采用遙控可變徑穩(wěn)定器，分4次入井，共使用1627h。平均機(jī)械鉆速為1.31m/h。比使用常規(guī)防斜鉆具組合的機(jī)械鉆速提高近30%。第三次開(kāi)鉆井段井斜控制在1.75°以內(nèi)，起下鉆過(guò)程無(wú)阻卡顯示。第三次開(kāi)鉆井段井身軌跡控制較好，第三次開(kāi)鉆中完電測(cè)最大井斜角1.74°，對(duì)應(yīng)井深5092m，第三次開(kāi)鉆井底水平位移40.85m，最大井眼曲率0.84°/30m。
4 抗高溫機(jī)械式測(cè)斜儀監(jiān)測(cè)技術(shù)
    川科1井設(shè)計(jì)井深7540m，地層壓力梯度高，地層壓力大，地層溫度高，井底地層溫度超過(guò)170℃。川科1井從第三次開(kāi)鉆到井底，采用抗高溫機(jī)械式測(cè)斜儀技術(shù)[3]來(lái)監(jiān)測(cè)井斜。
4.1 機(jī)械式無(wú)線隨鉆測(cè)斜儀的工作原理
   機(jī)械式無(wú)線隨鉆測(cè)斜儀利用精密機(jī)械結(jié)構(gòu)測(cè)量井斜，它的基本組成結(jié)構(gòu)與現(xiàn)場(chǎng)廣泛使用的電子式無(wú)線隨鉆測(cè)斜儀(MWD)相似，它與MWD的顯著區(qū)別是，機(jī)械式無(wú)線隨鉆測(cè)斜儀的井下儀器為純機(jī)械機(jī)構(gòu)，井斜的測(cè)量、井斜信息的轉(zhuǎn)換、脈沖發(fā)生器的控制及脈沖信號(hào)的發(fā)生等全部由機(jī)械裝置完成[3～6]。
    圖1是整個(gè)系統(tǒng)的組成及工作原理圖。整個(gè)系統(tǒng)的工作原理是：井下儀器的測(cè)量裝置測(cè)得的井斜信息通過(guò)一定的機(jī)構(gòu)傳遞給控制裝置，控制裝置將井斜信息轉(zhuǎn)換為控制信息，從而控制脈沖發(fā)生器產(chǎn)生脈沖信號(hào)，脈沖信號(hào)通過(guò)鉆井液傳遞到地面，立管上的傳感器檢測(cè)到壓力脈沖信號(hào)并由地面記錄儀打印出來(lái)，并根據(jù)脈沖信號(hào)的數(shù)量顯示出井斜的大小。
 

4.2 性能特點(diǎn)
   機(jī)械式無(wú)線隨鉆測(cè)斜儀的測(cè)斜原理與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了其具有以下特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)：①操作簡(jiǎn)單，使用方便；②測(cè)量時(shí)間短，可在任意井深時(shí)測(cè)量井斜，用機(jī)械式測(cè)斜儀測(cè)量一次井斜僅需3～5min且可以在接單根時(shí)進(jìn)行，可以節(jié)省時(shí)間，提高鉆井速度，而且從第二次開(kāi)鉆開(kāi)始，可以在任何井深測(cè)量井斜，而不需擔(dān)心卡鉆的風(fēng)險(xiǎn)；③適應(yīng)性強(qiáng)，受溫度和井深影響較小，機(jī)械式無(wú)線隨鉆測(cè)斜儀的井下儀器的最高工作溫度可達(dá)210℃，最大工作井深可達(dá)7000m，完全可以滿足目前深井和特殊井的需要；④可實(shí)現(xiàn)隨鉆測(cè)量，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井斜，目前直井測(cè)斜儀器都不能進(jìn)行隨鉆測(cè)量，機(jī)械式無(wú)線隨鉆測(cè)斜儀的井下儀器可直接安裝在鉆具上，隨鉆測(cè)量，對(duì)井斜進(jìn)行監(jiān)測(cè)，防止超過(guò)要求，從而提高井身質(zhì)量；⑤測(cè)量結(jié)果穩(wěn)定，性能可靠，由于是機(jī)械結(jié)構(gòu)，沒(méi)有溫飄等現(xiàn)象的發(fā)生，測(cè)量結(jié)果穩(wěn)定；⑥測(cè)量結(jié)果直接打印出來(lái)，可作為永久資料保存。
4.3 應(yīng)用情況簡(jiǎn)介
    第三次開(kāi)鉆階段共測(cè)斜29次，最大井斜為1.5°，大部分控制在1°以內(nèi)。5000m以后，鉆遇灰色粉砂巖和頁(yè)巖，該層易斜易漏，鉆井液性能更加惡劣，有時(shí)信號(hào)不清楚，給測(cè)斜帶來(lái)更大困難。現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)人員隨時(shí)配合井隊(duì)工作，適當(dāng)?shù)卣{(diào)整測(cè)斜時(shí)的鉆井參數(shù)，保證了測(cè)斜信號(hào)的質(zhì)量和準(zhǔn)確性。并根據(jù)實(shí)際情況，調(diào)整、制訂了相應(yīng)的測(cè)斜方案，使斜度一直控制在1.5°以內(nèi)。
5 結(jié)論與建議
    1) 超深井井斜控制是一個(gè)復(fù)雜的技術(shù)難題，應(yīng)根據(jù)地層因素，采用常規(guī)防斜打直技術(shù)和防斜打直新技術(shù)相結(jié)合，才能很好地控制井斜。
    2) 垂直鉆井防斜打直技術(shù)能增加鉆壓，在應(yīng)用低密度鉆井液鉆進(jìn)的情況下效果特別明顯，既能控制井身質(zhì)量，又能提高機(jī)械鉆速。
    3) 遙控可變徑穩(wěn)定器在直井鉆井過(guò)程中形成滿眼鉆具結(jié)構(gòu)，不僅能起到防斜和糾斜的作用，而且能提高鉆頭鉆壓，提高機(jī)械鉆速，修復(fù)井壁，減少起下鉆遇阻遇卡程度和減少劃眼時(shí)間。
    4) 機(jī)械式隨鉆測(cè)斜監(jiān)控技術(shù)在川科1井第三次開(kāi)鉆的使用成功，解決了5000m以上超深井段測(cè)斜的難題，為該井的順利安全鉆進(jìn)提供了技術(shù)支撐。同時(shí)，由于在鉆進(jìn)過(guò)程中可以隨鉆測(cè)斜，根據(jù)井斜的情況，適當(dāng)調(diào)整鉆井參數(shù)，從而增加部分鉆壓，提高鉆井速度。
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(本文作者：李佩武 董明鍵 張居波 中國(guó)石化勝利石油管理局西南石油工程管理中心)