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

防斜打直新技術(shù)在川科1井中的應(yīng)用

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

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60.35 m,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(yàn)。

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7 540 m,設(shè)計(jì)井底水平位移小于200 m,最大全角變化率小于3.5°/25 m,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(`660 mm)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`381 mm鉆鋌、`279.4 mm鉆鋌、`228.6 mm鉆鋌、`203.2 mm鉆鋌和`177.8 mm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191.50 m,第一次開(kāi)鉆井底水平位移為2.12 m,最大井眼曲率為1.38°/30 m。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`444.5 mm,中完井深為3 200.00 m。第二次開(kāi)鉆井段499.00～3 200.00 m,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1 m/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V TK)來(lái)控制井斜。

VertiTrak系統(tǒng)綜合了AU TOTRA K(閉環(huán)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng))、高性能的X-TREM E馬達(dá)、可靠的MWD 3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1.5°/30 m。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°)/30 m。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

`444.5 mmMD9541ZC鉆頭×0.53 m+`241.3 mm V TK工具×11.30 m+`241.3 mm浮閥(731× 730)×0.80 m+`438 mm穩(wěn)定器×1.57 m+濾網(wǎng)接頭(731×730)×1.70 m+`228.6 mm減震器×5.85 m+`241.3 mm鉆鋌×26.39 m+`228.6 mm鉆鋌×80.47 m+731×731雙公接頭×0.29 m+`228.6 mm震擊器×7.75 m+731×630轉(zhuǎn)換接頭+`203.2 mm鉆鋌×51.76 m+631×410轉(zhuǎn)換接頭+411×520轉(zhuǎn)換接頭+`139.7 mm鉆桿。

2.2 鉆井參數(shù)

鉆壓為240～360 kN;排量為50～55 L/s;泵壓為18～20 M Pa。

2.3 效果分析

V TK鉆井總進(jìn)尺2 240.44 m,純鉆進(jìn)時(shí)間為1 200.06 h,平均機(jī)械鉆速為1.87 m/h。比使用常規(guī)防斜鉆具組合的機(jī)械鉆速提高近1倍。V TK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511.00～2 873.00m井斜角為0.06°～1.68°。最大井眼曲率為1.72°/30 m。井底水平位移僅22.40 m。

2.4 垂直鉆井關(guān)鍵技術(shù)措施

1)采用V TK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V TK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)V TK工具壓耗約5M Pa,在鉆井液密度較高的情況下V TK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)V TK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`311.15 mm鉆頭鉆進(jìn),第三次開(kāi)鉆井段(3 200.00～5 700.00 m),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(V GS)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

`311.2 mm鉆頭+630×730雙母接頭+731× 730翻板式回壓凡爾+`228.6 mm雙向減震器(型號(hào)JZYS229-Ⅱ)+`228.6 mm隨鉆測(cè)斜接頭+`228.6 mm鉆鋌×18.22 m+731×630接頭+`311 mm變徑穩(wěn)正器+`203.2 mm鉆鋌×82.35 m+631×410接頭+`177.8 mm鉆鋌+411×520接頭+`139.7 mm鉆桿。

3.2 鉆井參數(shù)

鉆壓為240～280 kN;轉(zhuǎn)速為 55 r/min;排量為34～35 L/s;泵壓為18～20 M Pa。

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3 200～5 658 m采用遙控可變徑穩(wěn)定器,分4次入井,共使用1 627 h。平均機(jī)械鉆速為1.31 m/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5 092 m,第三次開(kāi)鉆井底水平位移40.85 m,最大井眼曲率0.84°/30 m。

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7 540 m,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。

圖1 系統(tǒng)組成及原理圖

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3～5 m in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)7 000 m,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)。5 000 m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?，F(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5 000 m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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Application of new anti-deflection vertical drilling in the well Chuanke-1

Li Peiw u,Dong M ingjian,Zhang Jubo
(Southw est Petroleum Engineering M anagement Center,Sheng li Petroleum A dm inistration Bureau,Sinopec Group,Dazhou,Sichuan 635000,China)

NATUR.GAS IND.VOLUM E 30,ISSUE 7,pp.55-57,7/25/2010.(ISSN 1000-0976;In Chinese)

Deflection control is a challenge fo r ultradeep well drilling.The well Chuanke-1,featured by super high temperature and p ressure,is the first deepest scientific exp loration well drilled through marine fo rmations in China.To ensure a quality wellbo re of this well,besides the conventional anti-deflection vertical drilling techniques,wemade an in-dep th study on the well deflection control theory and app licable techniquesadop ted both at home and abroad,and then recommended such new anti-deflection techniques be used respectively as adop ting tapered strings w ith large-size collars,vertical drilling,remote-controlled adjustable stabilizer,MWD survey system and survey sub,etc.at the first and the fourth spud-in in this well,and good resultswere achieved as expected.The well deflection was controlled w ithin the design range(<10°),the ho rizontal disp lacement wasonly 60.35 m,and the ROPwas significantly imp roved.This successful app lication of these anti-deflection techniquesw ill p rovide valuable experience in drilling similar ultradeep wells w ith super high p ressure and temperature.

ultradeep well,well deflection,BHA,new technique,anti-deflection vertical drilling,Sichuan basin

中國(guó)石化“川氣東送”建設(shè)工程勘探開(kāi)發(fā)重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目“川科1井超深井鉆井新技術(shù)研究與應(yīng)用”(編號(hào):GK20813)。

李佩武,1969年生,高級(jí)工程師;1992年畢業(yè)于原江漢石油學(xué)院鉆井工程專業(yè),2005年獲石油大學(xué)油氣井工程碩士學(xué)位;從事鉆井技術(shù)攻關(guān)與管理工作。地址:(635000)四川省達(dá)州市楊柳埡勝利西南石油工程管理中心技術(shù)裝備部。電話: 18982889028。E-mail:xbgw lpw@163.com

李佩武等.防斜打直新技術(shù)在川科1井中的應(yīng)用.天然氣工業(yè),2010,30(7):55-57.

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.07.015

2010-04-27 編輯 鐘水清)

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.07.015

L i Peiwu,senior engineer,bo rn in 1969,graduated in drilling engineering from Jianghan Petroleum Institute in 1992,then obtained an M.Sc.degree in Petroleum Engineering from China University of Petroleum in 2005.He is now doing research on drilling technology and associated management.

Add:Yangliuya,Dazhou,Sichuan 635000,P.R.China

Mobile:+86-18982889028E-mail:xbgw lpw@163.com