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復(fù)雜的技術(shù)難題。目前國內(nèi)海相地層第一口超深重點科學(xué)探索井——川科1井具有超高溫、超高壓的特點。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復(fù)雜的技術(shù)難題。目前國內(nèi)海相地層第一口超深重點科學(xué)探索井——川科1井具有超高溫、超高壓的特點。為確保其井身質(zhì)量，除采用常規(guī)防斜打直技術(shù)外，在對國內(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，提出針對該井從第一次開鉆到第四次開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)械式無線隨鉆測斜儀和測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)計范圍內(nèi)(井斜設(shè)計小于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，為類似的超高溫、超高壓、超深井的防斜打直提供了經(jīng)驗。
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科學(xué)探索井，該井設(shè)計井深為7540m，設(shè)計井底水平位移小于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，該井井斜控制是影響快速鉆井和安全鉆井的關(guān)鍵[1～2]。在對國內(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。
1 大尺寸鉆鋌塔式鉆具防斜打直技術(shù)
   川科1井對上部井段提出了嚴(yán)格的井身質(zhì)量要求，由于第一次開鉆的井眼(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。
    實鉆結(jié)果顯示：第一次開鉆井段最大井斜角1.23°，對應(yīng)井深191.50m，第一次開鉆井底水平位移為2.12m，最大井眼曲率為1.38°/30m。均低于設(shè)計要求，這為該井以后鉆井施工打下了堅實的基礎(chǔ)。
2 垂直鉆井防斜打直技術(shù)
    川科1井第二次開鉆井眼尺寸為Φ444.5mm中，中完井深為3200.00m。第二次開鉆井段499.O0～3200.00m，該地層巖石堅硬、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，第二次開鉆井段選用了美國貝克休斯的垂直鉆井系統(tǒng)VertiTrak(簡稱VTK)來控制井斜。
    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)開發(fā)出來的一種閉環(huán)自動垂直鉆井系統(tǒng)，VertiTrak最大降斜能力可以達(dá)到1.0/30m。通過選擇欠尺寸穩(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)時通過調(diào)整鉆壓、排量等技術(shù)參數(shù)也可以對降斜率做適當(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)井段隨鉆測斜井斜均控制在0.5°以內(nèi)。第二次開鉆電測從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，盡量選用帶電動泵的鉆機(jī)實施垂直鉆井。
    5) VTK鉆井所使用的鉆頭保徑段要有特殊保護(hù)設(shè)計，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，滿足鉆頭長時間鉆進(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多會嚴(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井第三次開鉆采用Φ311.15mm鉆頭鉆進(jìn)，第三次開鉆井段(3200.O0～5700.O0m)，第三次開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)測的井斜情況及時調(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)每一個翼片有5個活塞，有5個活動斜面體，每一個斜面體調(diào)節(jié)3個活塞，每一個活塞有1個斜面，所有的斜面是一起活動的。當(dāng)壓差作用在活塞下部斜面體上時，活塞向外伸展?；钊纳炜s是通過凸輪筒控制的，活塞通過壓差保持工作狀態(tài)。當(dāng)帶有斜面的心軸通過作用在自身的壓差向下移動時，斜面同時推動所有活塞，活塞從自由狀態(tài)向外移動。通過壓差控制，在凸輪筒保持固定。當(dāng)停泵消除壓差時，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)下一個位置。重新開泵將引導(dǎo)RCDS-1穩(wěn)定器從自由狀態(tài)到另一個工作狀態(tài)?；钊ㄟ^壓差在凸輪筒中保持固定。當(dāng)壓差變化時，活塞重新恢復(fù)下一個狀態(tài)?；钊麑⒁恢北３稚煺?fàn)顟B(tài)，直到停泵時收縮。鉆壓不對活塞產(chǎn)生影響，利用鉆井液流過孔板所產(chǎn)生的壓差來判斷活塞工作狀態(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JZYS229-Ⅱ)+9228.6mm隨鉆測斜接頭+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)場應(yīng)用情況及效果分析
    川科1井在第三次開鉆井段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%。第三次開鉆井段井斜控制在1.75°以內(nèi)，起下鉆過程無阻卡顯示。第三次開鉆井段井身軌跡控制較好，第三次開鉆中完電測最大井斜角1.74°，對應(yīng)井深5092m，第三次開鉆井底水平位移40.85m，最大井眼曲率0.84°/30m。
4 抗高溫機(jī)械式測斜儀監(jiān)測技術(shù)
    川科1井設(shè)計井深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170℃。川科1井從第三次開鉆到井底，采用抗高溫機(jī)械式測斜儀技術(shù)[3]來監(jiān)測井斜。
4.1 機(jī)械式無線隨鉆測斜儀的工作原理
   機(jī)械式無線隨鉆測斜儀利用精密機(jī)械結(jié)構(gòu)測量井斜，它的基本組成結(jié)構(gòu)與現(xiàn)場廣泛使用的電子式無線隨鉆測斜儀(MWD)相似，它與MWD的顯著區(qū)別是，機(jī)械式無線隨鉆測斜儀的井下儀器為純機(jī)械機(jī)構(gòu)，井斜的測量、井斜信息的轉(zhuǎn)換、脈沖發(fā)生器的控制及脈沖信號的發(fā)生等全部由機(jī)械裝置完成[3～6]。
    圖1是整個系統(tǒng)的組成及工作原理圖。整個系統(tǒng)的工作原理是：井下儀器的測量裝置測得的井斜信息通過一定的機(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，脈沖信號通過鉆井液傳遞到地面，立管上的傳感器檢測到壓力脈沖信號并由地面記錄儀打印出來，并根據(jù)脈沖信號的數(shù)量顯示出井斜的大小。
 

4.2 性能特點
   機(jī)械式無線隨鉆測斜儀的測斜原理與結(jié)構(gòu)特點決定了其具有以下特點和優(yōu)點：①操作簡單，使用方便；②測量時間短，可在任意井深時測量井斜，用機(jī)械式測斜儀測量一次井斜僅需3～5min且可以在接單根時進(jìn)行，可以節(jié)省時間，提高鉆井速度，而且從第二次開鉆開始，可以在任何井深測量井斜，而不需擔(dān)心卡鉆的風(fēng)險；③適應(yīng)性強(qiáng)，受溫度和井深影響較小，機(jī)械式無線隨鉆測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可實現(xiàn)隨鉆測量，實時監(jiān)測井斜，目前直井測斜儀器都不能進(jìn)行隨鉆測量，機(jī)械式無線隨鉆測斜儀的井下儀器可直接安裝在鉆具上，隨鉆測量，對井斜進(jìn)行監(jiān)測，防止超過要求，從而提高井身質(zhì)量；⑤測量結(jié)果穩(wěn)定，性能可靠，由于是機(jī)械結(jié)構(gòu)，沒有溫飄等現(xiàn)象的發(fā)生，測量結(jié)果穩(wěn)定；⑥測量結(jié)果直接打印出來，可作為永久資料保存。
4.3 應(yīng)用情況簡介
    第三次開鉆階段共測斜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巖，該層易斜易漏，鉆井液性能更加惡劣，有時信號不清楚，給測斜帶來更大困難。現(xiàn)場服務(wù)人員隨時配合井隊工作，適當(dāng)?shù)卣{(diào)整測斜時的鉆井參數(shù)，保證了測斜信號的質(zhì)量和準(zhǔn)確性。并根據(jù)實際情況，調(diào)整、制訂了相應(yīng)的測斜方案，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間。
    4) 機(jī)械式隨鉆測斜監(jiān)控技術(shù)在川科1井第三次開鉆的使用成功，解決了5000m以上超深井段測斜的難題，為該井的順利安全鉆進(jìn)提供了技術(shù)支撐。同時，由于在鉆進(jìn)過程中可以隨鉆測斜，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 中國石化勝利石油管理局西南石油工程管理中心)