VTK垂直鉆井技術(shù)在川東地區(qū)的應(yīng)用

摘 要

摘要：四川盆地川東高陡構(gòu)造區(qū)內(nèi)的侏羅系沙溪廟組-下三疊統(tǒng)嘉陵江組地層巖性組合復(fù)雜、軟硬交替頻繁，屬于典型的易井斜地層，采用常規(guī)的防斜技術(shù)雖能防斜，但因鉆井參數(shù)受限，嚴(yán)重影
摘要：四川盆地川東高陡構(gòu)造區(qū)內(nèi)的侏羅系沙溪廟組-下三疊統(tǒng)嘉陵江組地層巖性組合復(fù)雜、軟硬交替頻繁，屬于典型的易井斜地層，采用常規(guī)的防斜技術(shù)雖能防斜，但因鉆井參數(shù)受限，嚴(yán)重影響了機(jī)械鉆速的提高。VertiTrak是貝克休斯公司最先進(jìn)的垂直鉆井系統(tǒng)，它是綜合了閉環(huán)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)、高性能X-TREME馬達(dá)、可靠的隨鉆測試等3種技術(shù)而開發(fā)出來的一種閉環(huán)自動(dòng)垂直鉆井系統(tǒng)(簡稱VTK垂直鉆井技術(shù))。在川東地區(qū)試驗(yàn)應(yīng)用了VTK垂直鉆井技術(shù)，同時(shí)強(qiáng)化鉆井參數(shù)、優(yōu)化鉆井液防塌及流變性能。結(jié)果表明，試驗(yàn)獲得了成功：①在已經(jīng)發(fā)生井斜的井段用VTK工具進(jìn)行正常鉆壓鉆進(jìn)，較快地實(shí)現(xiàn)了井眼軌跡的平穩(wěn)降斜；②糾斜任務(wù)完成后，正常鉆壓鉆進(jìn)過程中實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)斜防斜；③VTK垂直鉆井防斜打快效果顯著——鉆壓達(dá)25t，機(jī)械鉆速提高50%～60%，鉆井周期縮短30%以上。該方法為實(shí)現(xiàn)川東高陡構(gòu)造區(qū)沙溪廟組一嘉陵江組長段易斜地層的防斜打快探索出了一條新途徑。
關(guān)鍵詞：四川盆地東部；高陡構(gòu)造；易斜地層；垂直鉆井；防斜打快；機(jī)械鉆速；侏羅紀(jì)；早三疊世
    四川盆地川東地區(qū)上部侏羅系沙溪廟組-下三疊統(tǒng)嘉陵江組地層處于褶皺強(qiáng)烈、斷層發(fā)育、地層陡峭的構(gòu)造復(fù)雜帶，鉆井過程中極易發(fā)生井斜，井眼軌跡不穩(wěn)定。特別是沙溪廟組、自流井組、須家河組、雷口坡組等巖性組合復(fù)雜，巖性軟硬交替頻繁的地層造斜率強(qiáng)、規(guī)律性差，井斜和井眼軌跡控制難度很大，屬于典型的易斜地層[1～6]。采用常規(guī)的防斜技術(shù)雖能防斜，但因鉆井參數(shù)受限，特別是鉆壓受到較大限制，嚴(yán)重影響了機(jī)械鉆速的提高。而上述易斜井段長，單井厚度一般在2500m左右，占全部井段的1/3～1/2，該井段的鉆井速度緩慢，嚴(yán)重制約了川東地區(qū)整體鉆井提速。
    針對(duì)川東地區(qū)易斜地層的地質(zhì)特點(diǎn)與鉆井難點(diǎn)，在川東地區(qū)2口井易斜地層進(jìn)行了VTK垂直鉆井技術(shù)進(jìn)行防斜打快鉆井試驗(yàn)，取得了預(yù)期的效果。天東004-X3井在沙溪廟組-自流井組鉆獲進(jìn)尺1255.26m，平均機(jī)械鉆速為3.56m/h，為該井常規(guī)鉆進(jìn)采用輕壓吊打時(shí)的3.375倍；板東006-H1井在沙溪廟組-須家河組鉆獲進(jìn)尺973.48m，平均機(jī)械鉆速3.61m/h，比板東6井常規(guī)鉆井提高60%。該技術(shù)的成功應(yīng)用，為實(shí)現(xiàn)川東高陡構(gòu)造區(qū)沙溪廟組-嘉陵江組長段易斜地層的防斜打快、進(jìn)一步提高川東地區(qū)鉆井速度，摸索出了一條新途徑。
1 VTK垂直鉆井技術(shù)介紹
    VertiTrak是貝克休斯公司最先進(jìn)的垂直鉆井系統(tǒng)，它是綜合了閉環(huán)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)(AUTOTRAK)、高性能X-TREME馬達(dá)、可靠的隨鉆測試(MWD)等3種技術(shù)而開發(fā)出來的一種閉環(huán)自動(dòng)垂直鉆井系統(tǒng)，可以鉆出像槍管一樣筆直的井眼。鉆進(jìn)時(shí)當(dāng)MWD重力傳感器(距離鉆頭10m)檢測到有井斜趨勢時(shí)，即可啟動(dòng)液壓部件，通過1～2個(gè)肋板向井壁施加3t的作用力以對(duì)抗這一趨勢，同時(shí)MWD傳送實(shí)時(shí)井斜數(shù)據(jù)到地面系統(tǒng)以方便跟蹤和監(jiān)測。當(dāng)井眼完全垂直時(shí)，3個(gè)肋板全部伸出，并對(duì)井壁施加相同的力，將鉆頭居中，保持井眼按垂直方向鉆進(jìn)。這一過程全部自動(dòng)完成，不需要任何人為干預(yù)。
    VertiTrak最大降斜能力可以達(dá)到1.5°/30m。通過選擇欠尺寸扶正器在鉆具組合中的位置及扶正外徑的大小，可以對(duì)預(yù)期降斜率的大小進(jìn)行設(shè)定，范圍介于1.5°/30m～0.8°/30m之間。在鉆進(jìn)時(shí)通過調(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)。
   VTK垂直鉆井技術(shù)主要用于高傾角地層、斷層及破碎地層、鹽膏層及鹽層。該系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：①井眼光滑；②摩阻或扭矩小，減少鉆具磨損，降低鉆具扭斷落井風(fēng)險(xiǎn)；③可以有效降低對(duì)套管的磨損；④在高傾角地層應(yīng)用中，解放鉆壓、提高鉆速，有效縮短鉆井工期；⑤能夠有效控制井斜，保持井眼垂直。
   VTK垂直鉆井的典型鉆具組合：鉆頭+VTK工具+單流閥+濾網(wǎng)接頭+欠尺寸扶正器+減震器+鉆鋌+震擊器。241.3mm VTK工具適用于Φ311.2～Φ711.2mm井眼；工具排量介于33～73L/s，有2種排量類型以適應(yīng)不同的應(yīng)用環(huán)境——正常排量(33～58L/s)與高排量(50～73L/s)；工作模式也有兩種一鉆進(jìn)工作模式與劃眼工作模式，可以通過控制開泵后2 min內(nèi)的排量來進(jìn)行設(shè)定。
   VTK系統(tǒng)由MWD系統(tǒng)、高性能馬達(dá)以及肋板等3部分組成。MWD系統(tǒng)由重力傳感器、控制電路、渦輪發(fā)電機(jī)、脈沖發(fā)生器以及液壓控制系統(tǒng)組成。MWD系統(tǒng)的工作原理：渦輪發(fā)電機(jī)給整個(gè)系統(tǒng)供電，并同時(shí)驅(qū)動(dòng)液壓泵；MWD通過重力加速度計(jì)監(jiān)測井眼的偏斜。液壓控制系統(tǒng)通過控制閥將液壓傳遞到合適的1～2個(gè)肋板上，使其在井壁上產(chǎn)生一個(gè)3t的反作用力，從而使井眼回到垂直方向。MWD傳輸數(shù)據(jù)：井斜、溫度、液壓力、交流電壓以及肋板的工作狀況。泥漿馬達(dá)采用的是貝克休斯公司最新高性能大功率的X-TREME系列的馬達(dá)。肋板部分相當(dāng)于馬達(dá)上的扶正器。鉆進(jìn)工作模式下有1個(gè)或2個(gè)肋板在液壓的作用下伸出；劃眼工作模式下3個(gè)肋板全部收回。
2 VTK垂直鉆井技術(shù)難點(diǎn)分析
    1) 地層傾角大，井壁不穩(wěn)定，鉆進(jìn)中容易垮塌，危及井下安全及工具安全。特別是該工具價(jià)值幾百萬元，一旦損壞，經(jīng)濟(jì)損失巨大。
    2) VTK工具轉(zhuǎn)速高，鉆頭磨損加劇。VTK工具轉(zhuǎn)速高(130～150r/min)，鉆頭磨損快，特別是鉆進(jìn)須家河組，地層研磨性強(qiáng)，易掉牙輪，使用時(shí)間有待摸索。
    3) VTK工具水眼小，制約了對(duì)井漏等井下復(fù)雜情況的及時(shí)處理。VTK工具僅允許用濃度為3%～5%的SDL進(jìn)行隨鉆堵漏。一旦發(fā)生井漏，特別是大漏，必須起鉆下光鉆桿進(jìn)行專程堵漏。
    4) 滑動(dòng)鉆，鉆具不轉(zhuǎn)動(dòng)，長時(shí)間靜止，易與井壁泥餅形成黏附，產(chǎn)生“托壓”。隨著井深增加，裸眼段增長，“托壓”現(xiàn)象更易發(fā)生。
    5) VTK工具依靠肋板實(shí)現(xiàn)垂直鉆進(jìn)，滑動(dòng)鉆過程中肋板易損壞。
3 推行VTK垂直鉆井技術(shù)應(yīng)采取的對(duì)策與措施
    1) 維護(hù)好鉆井液性能，強(qiáng)化抑制性，進(jìn)入珍珠沖組前控制好失水量，保持井眼穩(wěn)定，保持井底清潔；并根據(jù)井下情況及時(shí)調(diào)整鉆井液性能，合理控制鉆井液密度。這樣做既保證了井下安全，又有利于提速。每次起鉆前用稠漿循環(huán)舉砂，然后視情況，用泵帶單根起鉆，下鉆再處理井壁掉塊，以減少復(fù)雜處理時(shí)間、降低卡鉆風(fēng)險(xiǎn)[7～10]。
    2) 優(yōu)選高效長壽命鉆頭，壽命盡可能與VTK工具一次入井使用時(shí)間相當(dāng)，有條件的地方盡可能使用高效PDC鉆頭；使用牙輪鉆頭的井盡可能選用適合高轉(zhuǎn)速的鉆頭，同時(shí)根據(jù)地層以及鉆速的變化，正確判斷鉆頭在井下的使用情況，增加牙輪鉆頭在井下的有效作業(yè)時(shí)間。
    3) 發(fā)生井漏后，根據(jù)漏速大小，采取相應(yīng)措施處理。如漏速小(10m3/h以內(nèi))，可進(jìn)行隨鉆堵漏；如遇大漏，則需要起鉆堵漏，不漏后將橋塞物清理干凈，才能重新下VTK鉆具，恢復(fù)鉆進(jìn)。對(duì)長段低壓易漏井，因井漏頻繁且漏速大，不僅需要起鉆堵漏，難以連續(xù)、有效發(fā)揮提速優(yōu)勢，而且還會(huì)大大增加中途等待費(fèi)用，所以不宜使用該技術(shù)。
    4) 強(qiáng)化鉆井參數(shù)，使VTK快速鉆進(jìn)優(yōu)勢充分發(fā)揮。通過該工具解放鉆壓后，鉆井參數(shù)的配套與強(qiáng)化，是該技術(shù)優(yōu)勢得以充分發(fā)揮的保證——充足的泵排量，使螺桿高速運(yùn)轉(zhuǎn)，并保證井底干凈，避免重復(fù)破碎，提高機(jī)械鉆速。同時(shí)，鉆壓跟上，更能發(fā)揮其提速優(yōu)勢。保證雙泵排量介于50～55L/s，鉆壓介于24～25t，確保各鉆井參數(shù)達(dá)到設(shè)計(jì)技術(shù)要求。適當(dāng)控制泵壓(保持在20MPa以內(nèi))，減少修泵時(shí)間，提高純鉆時(shí)效[11～13]。
    5) 滑動(dòng)鉆與復(fù)合鉆交替進(jìn)行：初期鉆進(jìn)中，一根單根滑動(dòng)鉆，一根單根復(fù)合鉆；后期鉆進(jìn)中，盡量多采用復(fù)合鉆，少采用滑動(dòng)鉆。這樣做既控制了井斜，又避免了“托壓”。同時(shí)，強(qiáng)化鉆井液的潤滑性和流變性，減少黏附機(jī)會(huì)，避免“托壓”。隨著井深逐步增加，建議適當(dāng)放開井斜控制，進(jìn)一步減少滑動(dòng)鉆的井段。
    6) 防止誤操作，損壞肋板。在滑動(dòng)鉆與復(fù)合鉆工作模式轉(zhuǎn)換的過程中，要加強(qiáng)信息溝通，確認(rèn)肋板完全退回后，才能轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤，防止誤操作損壞肋板。
4 現(xiàn)場應(yīng)用情況及效果
4.1 天東004-X3井
4.1.1基本情況
    天東004-X3井設(shè)計(jì)井深為5456m，完鉆層位為石炭系，出露地層為沙溪廟組，井口附近地層產(chǎn)狀為傾向130°、傾角65°，實(shí)鉆估計(jì)傾角達(dá)80°。該井鉆至井深400m下Φ339.7mm套管固井。在Φ444.5mm井眼中，采用15t鉆壓鉆進(jìn)，增斜趨勢明顯，鉆至井深123m，測深116.57m，井斜1.4°，降壓至12t，鉆至井深241m，測深235.6m，井斜2.7°，繼續(xù)降鉆壓至10t，鉆進(jìn)至354m，測深351.50m，井斜3°。由于實(shí)鉆鉆壓較低，444.5mm井段鉆速僅為1.90m/h。
4.1.2鉆井液使用
    該井鉆井液使用情況如表1所示。
 

4.1.3井斜控制
    天東004-X3井地層傾角達(dá)81°，在沙溪廟組-自流井組井段使用VTK技術(shù)，從井深415.44m到井深444.61m，順利將井斜從2.7°降到0.98°，較快地實(shí)現(xiàn)了井眼軌跡的平穩(wěn)降斜。糾斜任務(wù)完成后，正常鉆壓鉆進(jìn)過程中實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)斜防斜。最高鉆壓達(dá)25t，井斜均在1°以內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了全壓鉆進(jìn)。
4.1.4鉆井簡況
    沙溪廟組地層從井深415m開始使用VTK工具鉆進(jìn)，鉆至井深1672.66m，進(jìn)入須家河組30m后緒束VTK垂直鉆進(jìn)。共鉆進(jìn)25d，鉆進(jìn)進(jìn)尺為1255.30m，純鉆時(shí)間為343.50h，平均機(jī)械鉆速為3.56m/h，比常規(guī)鉆井提高64%；行程鉆速50.2m/d，比天東030 1井同井段節(jié)約52d，比天東026-2井同井段周期節(jié)約23d。
4.2 板東006-H1井
4.2.1基本情況
    板東006 H1井井口地表出露沙溪廟組，實(shí)測地層產(chǎn)狀為傾向131°、傾角18°，地層傾角不大，但實(shí)鉆顯示，該井上部沙溪廟組 雷口坡組地層仍然有較強(qiáng)的造斜趨勢。該井采用Φ339.7mm套管下至井深404.47m。用Φ311.2mm鉆頭，鐘擺鉆具第二次開鉆，用18t鉆壓鉆至井深434.09m，井斜1.8°，逐步降低鉆壓至10t，井斜逐步增大至4.08°(井深733.67m)，采用輕壓吊打技術(shù)井斜增加明顯，控制難度較大。
4.2.2鉆井液使用
    該井鉆井液使用情況如表2所示。
 
4.2.3井斜控制
    板東006-H1井地層傾角為18°，在沙溪廟組須家河組井段使用VTK技術(shù)(井深743.81～801.01m)，順利將井斜從4.08。降到1°以內(nèi)，較快地實(shí)現(xiàn)井眼軌跡的平穩(wěn)降斜。糾斜任務(wù)完成后，正常鉆壓鉆進(jìn)過程中實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)斜防斜。最高鉆壓達(dá)25t，井斜均在1°以內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了全壓鉆進(jìn)。
4.2.4鉆井簡況
    從自流井組地層從井深743.81m開始使用VTK工具鉆進(jìn)，鉆至井深1672.66m進(jìn)入雷口坡，結(jié)束VTK垂直鉆進(jìn)。共鉆進(jìn)18d，鉆進(jìn)進(jìn)尺973.48m，純鉆時(shí)間270h，平均機(jī)械鉆速為3.61m/h，比板東6井提高60%；行程鉆速為54.08m/d，比板東6井鉆井胤期縮短9d，節(jié)約30%。
5 認(rèn)識(shí)與建議
    1) 分別在川東地區(qū)的高陡構(gòu)造、低傾角構(gòu)造的沙溪廟組-須家河組地層完成了VTK防斜打快鉆井試驗(yàn)，試驗(yàn)取得了成功：在已經(jīng)發(fā)生井斜的井段用VTK工具進(jìn)行正常鉆壓鉆進(jìn)，較快地實(shí)現(xiàn)了井眼軌跡的平穩(wěn)降斜；糾斜任務(wù)完成后，正常鉆壓鉆進(jìn)過程中實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)斜防斜；最大鉆壓達(dá)25t，井斜角完全控制在1°以內(nèi)，大大解放了鉆壓。使用VTK技術(shù)，提速效果明顯。在沙溪廟組-須家河組使用VTK工具后，鉆壓提高1倍，平均機(jī)械鉆速提高50%～60%。
   2) 井隊(duì)機(jī)泵條件基本能滿足垂直鉆井作業(yè)的要求。井隊(duì)按照甲方要求配備了滿足VTK工藝要求的相應(yīng)工具，主要是減震器、扶正器。在鉆具上加減震器，可減少鉆具疲勞破壞，同時(shí)可改善鉆頭在井底的工作狀況。
   3) VTK垂直鉆井技術(shù)降低了鉆具轉(zhuǎn)速，能有效地保護(hù)鉆具，減少套管磨損。
   4) 鉆井液性能是保持井眼穩(wěn)定，井底清潔的關(guān)鍵因素。要根據(jù)井下情況及時(shí)調(diào)整鉆井液性能，合理控制鉆井液密度，維護(hù)井壁穩(wěn)定，保證井下安全，保證工具安全。
   5) VTK工具轉(zhuǎn)速高達(dá)130～150r/min，加劇了鉆頭磨損，特別是須家河組地層，研磨性強(qiáng)，易掉牙輪，其有效使用時(shí)間有待進(jìn)一步摸索。建議優(yōu)選高效長壽命鉆頭，壽命盡可能與VTK工具一次入井使用時(shí)間相當(dāng)。
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(本文作者：卓云 張杰 王天華 劉良榮 李崇模 黃柯 陳濤 川慶鉆探工程有限公司川東鉆探公司)