VTK垂直鉆井技術在川東地區的應用

摘 要

摘要：四川盆地川東高陡構造區內的侏羅系沙溪廟組-下三疊統嘉陵江組地層巖性組合復雜、軟硬交替頻繁，屬于典型的易井斜地層，采用常規的防斜技術雖能防斜，但因鉆井參數受限，嚴重影
摘要：四川盆地川東高陡構造區內的侏羅系沙溪廟組-下三疊統嘉陵江組地層巖性組合復雜、軟硬交替頻繁，屬于典型的易井斜地層，采用常規的防斜技術雖能防斜，但因鉆井參數受限，嚴重影響了機械鉆速的提高。VertiTrak是貝克休斯公司最先進的垂直鉆井系統，它是綜合了閉環旋轉導向系統、高性能X-TREME馬達、可靠的隨鉆測試等3種技術而開發出來的一種閉環自動垂直鉆井系統(簡稱VTK垂直鉆井技術)。在川東地區試驗應用了VTK垂直鉆井技術，同時強化鉆井參數、優化鉆井液防塌及流變性能。結果表明，試驗獲得了成功：①在已經發生井斜的井段用VTK工具進行正常鉆壓鉆進，較快地實現了井眼軌跡的平穩降斜；②糾斜任務完成后，正常鉆壓鉆進過程中實現了穩斜防斜；③VTK垂直鉆井防斜打快效果顯著——鉆壓達25t，機械鉆速提高50%～60%，鉆井周期縮短30%以上。該方法為實現川東高陡構造區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。
關鍵詞：四川盆地東部；高陡構造；易斜地層；垂直鉆井；防斜打快；機械鉆速；侏羅紀；早三疊世
    四川盆地川東地區上部侏羅系沙溪廟組-下三疊統嘉陵江組地層處于褶皺強烈、斷層發育、地層陡峭的構造復雜帶，鉆井過程中極易發生井斜，井眼軌跡不穩定。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雜，巖性軟硬交替頻繁的地層造斜率強、規律性差，井斜和井眼軌跡控制難度很大，屬于典型的易斜地層[1～6]。采用常規的防斜技術雖能防斜，但因鉆井參數受限，特別是鉆壓受到較大限制，嚴重影響了機械鉆速的提高。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，嚴重制約了川東地區整體鉆井提速。
    針對川東地區易斜地層的地質特點與鉆井難點，在川東地區2口井易斜地層進行了VTK垂直鉆井技術進行防斜打快鉆井試驗，取得了預期的效果。天東004-X3井在沙溪廟組-自流井組鉆獲進尺1255.26m，平均機械鉆速為3.56m/h，為該井常規鉆進采用輕壓吊打時的3.375倍；板東006-H1井在沙溪廟組-須家河組鉆獲進尺973.48m，平均機械鉆速3.61m/h，比板東6井常規鉆井提高60%。該技術的成功應用，為實現川東高陡構造區沙溪廟組-嘉陵江組長段易斜地層的防斜打快、進一步提高川東地區鉆井速度，摸索出了一條新途徑。
1 VTK垂直鉆井技術介紹
    VertiTrak是貝克休斯公司最先進的垂直鉆井系統，它是綜合了閉環旋轉導向系統(AUTOTRAK)、高性能X-TREME馬達、可靠的隨鉆測試(MWD)等3種技術而開發出來的一種閉環自動垂直鉆井系統，可以鉆出像槍管一樣筆直的井眼。鉆進時當MWD重力傳感器(距離鉆頭10m)檢測到有井斜趨勢時，即可啟動液壓部件，通過1～2個肋板向井壁施加3t的作用力以對抗這一趨勢，同時MWD傳送實時井斜數據到地面系統以方便跟蹤和監測。當井眼完全垂直時，3個肋板全部伸出，并對井壁施加相同的力，將鉆頭居中，保持井眼按垂直方向鉆進。這一過程全部自動完成，不需要任何人為干預。
    VertiTrak最大降斜能力可以達到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，可以對預期降斜率的大小進行設定，范圍介于1.5°/30m～0.8°/30m之間。在鉆進時通過調整鉆壓、排量等技術參數也可以對降斜率做適當的微調。
   VTK垂直鉆井技術主要用于高傾角地層、斷層及破碎地層、鹽膏層及鹽層。該系統具有以下優點：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險；③可以有效降低對套管的磨損；④在高傾角地層應用中，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種排量類型以適應不同的應用環境——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工作模式與劃眼工作模式，可以通過控制開泵后2 min內的排量來進行設定。
   VTK系統由MWD系統、高性能馬達以及肋板等3部分組成。MWD系統由重力傳感器、控制電路、渦輪發電機、脈沖發生器以及液壓控制系統組成。MWD系統的工作原理：渦輪發電機給整個系統供電，并同時驅動液壓泵；MWD通過重力加速度計監測井眼的偏斜。液壓控制系統通過控制閥將液壓傳遞到合適的1～2個肋板上，使其在井壁上產生一個3t的反作用力，從而使井眼回到垂直方向。MWD傳輸數據：井斜、溫度、液壓力、交流電壓以及肋板的工作狀況。泥漿馬達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。肋板部分相當于馬達上的扶正器。鉆進工作模式下有1個或2個肋板在液壓的作用下伸出；劃眼工作模式下3個肋板全部收回。
2 VTK垂直鉆井技術難點分析
    1) 地層傾角大，井壁不穩定，鉆進中容易垮塌，危及井下安全及工具安全。特別是該工具價值幾百萬元，一旦損壞，經濟損失巨大。
    2) VTK工具轉速高，鉆頭磨損加劇。VTK工具轉速高(130～150r/min)，鉆頭磨損快，特別是鉆進須家河組，地層研磨性強，易掉牙輪，使用時間有待摸索。
    3) VTK工具水眼小，制約了對井漏等井下復雜情況的及時處理。VTK工具僅允許用濃度為3%～5%的SDL進行隨鉆堵漏。一旦發生井漏，特別是大漏，必須起鉆下光鉆桿進行專程堵漏。
    4) 滑動鉆，鉆具不轉動，長時間靜止，易與井壁泥餅形成黏附，產生“托壓”。隨著井深增加，裸眼段增長，“托壓”現象更易發生。
    5) VTK工具依靠肋板實現垂直鉆進，滑動鉆過程中肋板易損壞。
3 推行VTK垂直鉆井技術應采取的對策與措施
    1) 維護好鉆井液性能，強化抑制性，進入珍珠沖組前控制好失水量，保持井眼穩定，保持井底清潔；并根據井下情況及時調整鉆井液性能，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，以減少復雜處理時間、降低卡鉆風險[7～10]。
    2) 優選高效長壽命鉆頭，壽命盡可能與VTK工具一次入井使用時間相當，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速的鉆頭，同時根據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時間。
    3) 發生井漏后，根據漏速大小，采取相應措施處理。如漏速小(10m3/h以內)，可進行隨鉆堵漏；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，恢復鉆進。對長段低壓易漏井，因井漏頻繁且漏速大，不僅需要起鉆堵漏，難以連續、有效發揮提速優勢，而且還會大大增加中途等待費用，所以不宜使用該技術。
    4) 強化鉆井參數，使VTK快速鉆進優勢充分發揮。通過該工具解放鉆壓后，鉆井參數的配套與強化，是該技術優勢得以充分發揮的保證——充足的泵排量，使螺桿高速運轉，并保證井底干凈，避免重復破碎，提高機械鉆速。同時，鉆壓跟上，更能發揮其提速優勢。保證雙泵排量介于50～55L/s，鉆壓介于24～25t，確保各鉆井參數達到設計技術要求。適當控制泵壓(保持在20MPa以內)，減少修泵時間，提高純鉆時效[11～13]。
    5) 滑動鉆與復合鉆交替進行：初期鉆進中，一根單根滑動鉆，一根單根復合鉆；后期鉆進中，盡量多采用復合鉆，少采用滑動鉆。這樣做既控制了井斜，又避免了“托壓”。同時，強化鉆井液的潤滑性和流變性，減少黏附機會，避免“托壓”。隨著井深逐步增加，建議適當放開井斜控制，進一步減少滑動鉆的井段。
    6) 防止誤操作，損壞肋板。在滑動鉆與復合鉆工作模式轉換的過程中，要加強信息溝通，確認肋板完全退回后，才能轉動轉盤，防止誤操作損壞肋板。
4 現場應用情況及效果
4.1 天東004-X3井
4.1.1基本情況
    天東004-X3井設計井深為5456m，完鉆層位為石炭系，出露地層為沙溪廟組，井口附近地層產狀為傾向130°、傾角65°，實鉆估計傾角達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，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°，繼續降鉆壓至10t，鉆進至354m，測深351.50m，井斜3°。由于實鉆鉆壓較低，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81°，在沙溪廟組-自流井組井段使用VTK技術，從井深415.44m到井深444.61m，順利將井斜從2.7°降到0.98°，較快地實現了井眼軌跡的平穩降斜。糾斜任務完成后，正常鉆壓鉆進過程中實現了穩斜防斜。最高鉆壓達25t，井斜均在1°以內，實現了全壓鉆進。
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，鉆至井深1672.66m，進入須家河組30m后緒束VTK垂直鉆進。共鉆進25d，鉆進進尺為1255.30m，純鉆時間為343.50h，平均機械鉆速為3.56m/h，比常規鉆井提高64%；行程鉆速50.2m/d，比天東030 1井同井段節約52d，比天東026-2井同井段周期節約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，實測地層產狀為傾向131°、傾角18°，地層傾角不大，但實鉆顯示，該井上部沙溪廟組 雷口坡組地層仍然有較強的造斜趨勢。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(井深743.81～801.01m)，順利將井斜從4.08。降到1°以內，較快地實現井眼軌跡的平穩降斜。糾斜任務完成后，正常鉆壓鉆進過程中實現了穩斜防斜。最高鉆壓達25t，井斜均在1°以內，實現了全壓鉆進。
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，鉆至井深1672.66m進入雷口坡，結束VTK垂直鉆進。共鉆進18d，鉆進進尺973.48m，純鉆時間270h，平均機械鉆速為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，節約30%。
5 認識與建議
    1) 分別在川東地區的高陡構造、低傾角構造的沙溪廟組-須家河組地層完成了VTK防斜打快鉆井試驗，試驗取得了成功：在已經發生井斜的井段用VTK工具進行正常鉆壓鉆進，較快地實現了井眼軌跡的平穩降斜；糾斜任務完成后，正常鉆壓鉆進過程中實現了穩斜防斜；最大鉆壓達25t，井斜角完全控制在1°以內，大大解放了鉆壓。使用VTK技術，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，平均機械鉆速提高50%～60%。
   2) 井隊機泵條件基本能滿足垂直鉆井作業的要求。井隊按照甲方要求配備了滿足VTK工藝要求的相應工具，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，同時可改善鉆頭在井底的工作狀況。
   3) VTK垂直鉆井技術降低了鉆具轉速，能有效地保護鉆具，減少套管磨損。
   4) 鉆井液性能是保持井眼穩定，井底清潔的關鍵因素。要根據井下情況及時調整鉆井液性能，合理控制鉆井液密度，維護井壁穩定，保證井下安全，保證工具安全。
   5) VTK工具轉速高達130～150r/min，加劇了鉆頭磨損，特別是須家河組地層，研磨性強，易掉牙輪，其有效使用時間有待進一步摸索。建議優選高效長壽命鉆頭，壽命盡可能與VTK工具一次入井使用時間相當。
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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)