徐 超，夏宏南

Power-V垂直鉆井技術(shù)及現(xiàn)場應用研究

徐 超，夏宏南

垂直鉆井系統(tǒng)是一套專為垂直鉆井而設計的旋轉(zhuǎn)導向技術(shù)新系統(tǒng)。隨著塔里木油田在山前構(gòu)造區(qū)域勘探開發(fā)力度的不斷增大，防斜快打技術(shù)成為制約塔里木地區(qū)山前構(gòu)造勘探開發(fā)鉆井進程的關鍵技術(shù)。重點介紹了Power-V系統(tǒng)的特點及工作原理，列舉了其在塔里木山前構(gòu)造垂直鉆井技術(shù)應用情況。Power-V系統(tǒng)垂直鉆井技術(shù)可完全解放鉆壓，變被動防斜為主動防斜，對未來山前高陡構(gòu)造防斜快打、縮短鉆井周期、降低鉆井成本具有一定的借鑒意義。

垂直鉆井技術(shù)；Power-V系統(tǒng)；防斜快打

近年來，隨著導向鉆井技術(shù)的快速發(fā)展與應用，垂直鉆井技術(shù)在傳統(tǒng)的防斜快打理論和技術(shù)的基礎上取得了較大進展。目前世界上廣泛使用的垂直鉆井系統(tǒng)主要有：德國的ZBE系統(tǒng)，斯倫貝謝的Power-V系統(tǒng)和VertiTrak系統(tǒng)3種。下面，筆者將重點對Power-V系統(tǒng)進行概述。

1 Power-V系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

圖1 Power-V系統(tǒng)降斜原理

圖2 Power-V系統(tǒng)組成示意圖

Power-V系統(tǒng)是斯倫貝謝公司開發(fā)的一套“全自動化”的旋轉(zhuǎn)導向垂直鉆進工具。在鉆進時會自動追蹤地心引力，當井斜超過規(guī)定值后，自動設定和調(diào)整工具側(cè)向力，在工具全旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下伸縮塊沿井斜高邊方向頻繁推出，給鉆具一個側(cè)向力，使井眼軌跡快速返回垂直狀態(tài)，如圖1所示。該工具主要由2大部件組成，在兩者中間還有一個輔助部分加長短接(Extension Sub，ES)，如圖2所示。

1)控制單元(Control Unit， CU) 控制單元是Power-V的指揮中樞，通過測量系統(tǒng)測量井底的井斜角和方位角，然后按照地面工程師的要求把其內(nèi)部的電子控制部分固定在某一個方位上(即高邊工具面角)，從而實現(xiàn)無論鉆柱如何旋轉(zhuǎn)，控制器內(nèi)部的控制軸始終對準需要的方位上，通過接受泵排量產(chǎn)生的脈沖信號指令來改變工具的工作狀態(tài)。

2)偏置單元(Bias Unit， BU) 偏置單元是一個純機械執(zhí)行裝置，下接鉆頭，上接控制器，主要由3個伸縮塊和1個鉆井液導流閥組成。伸縮塊的伸縮由鉆井液導流閥控制。

Power-V指令的發(fā)送是通過泵壓的脈沖實現(xiàn)的，4個脈沖可以完成1個指令的發(fā)送，實現(xiàn)不同工具面的轉(zhuǎn)換。Power-V系統(tǒng)的伸縮塊的最大伸出量、伸出前后工具可達最大外徑如表1所示。

1.2 工作原理

表1 Power-V系統(tǒng)工作尺寸

開泵后，發(fā)電機發(fā)電，陀螺測量到井底的井斜角和方位角(即高邊)，然后按照地面工程師的要求把其內(nèi)部的電子控制部分固定在某一個方位(即高邊工具面角)，從而實現(xiàn)無論鉆柱如何旋轉(zhuǎn)，CU內(nèi)部的控制軸始終對準在需要的方位上，這個方位加上一個校對值后就是地面工程師所需要的高邊工具面角的反方向。如果需要調(diào)整這個控制軸的方位角，可以由地面工程師給Power-V發(fā)送命令，方法是：按照一定的時間編排方式，在不同的時間開不同的工作排量，CU內(nèi)部的傳感器探測到這個排量的變化后，由其內(nèi)部的程序?qū)ζ溥M行核對，如果與預先設定的某個指令相符，就開始執(zhí)行這個新的工作指令。

2 Power-V系統(tǒng)的特點

2.1 Power-V系統(tǒng)的優(yōu)點

①使用Power-V鉆出的井徑很規(guī)則，而使用傳統(tǒng)泥漿馬達在滑動井段的井徑擴大很多，而轉(zhuǎn)動井段的井徑基本不擴大。這種井徑的忽大忽小是井下事故的隱患，也不利于固井時水泥量的計算。②由于Power-V鉆具組合中的所有部分都在不停的旋轉(zhuǎn)，大大降低了卡鉆的風險。同時，有利于巖屑的搬移，大大減少了形成巖屑床的機會，從而更好的清潔井眼。③鉆進時進行自動糾斜，即不需要起鉆換鉆具，也不必停鉆調(diào)整設置。④由于Power-V鉆具組合一直在旋轉(zhuǎn)，有利于水平井、大斜度井和3000m以下深井中鉆壓的傳遞，可以使用更高的鉆壓和轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速，有利于提高機械鉆速。而使用泥漿馬達在大井斜的長裸眼段滑動鉆進時送鉆特別困難，經(jīng)常是上部的鉆桿已經(jīng)被壓彎了，而鉆壓還沒有傳遞到鉆頭上，還常常引發(fā)隨鉆震擊器下?lián)?，損害鉆頭壽命。

2.2 Power-V系統(tǒng)的局限性

①對泥漿密度要求比較嚴格，必須在Power-V下井之前從甲方那里得到下一趟鉆泥漿密度的平均值和可能的范圍，其次還要知道進行水利計算所需要的塑性粘度和屈服值。②排量。在Power-V下井之前，必須從甲方那里得到井隊泥漿泵可以提供的排量范圍。每根儀器具體的工作排量由實驗室確定。③鉆頭水眼。根據(jù)上述各項數(shù)據(jù)進行水力計算，在總泵壓允許的情況下，按照Power-V比較理想的工作壓降選擇鉆頭水眼，如果可能的話，兼顧鉆頭水馬力。④鉆頭壓降。它決定著推力塊對井壁的推力大小。壓降太大會降低機械部分的壽命，甚至破壞機械部分；壓降太小會降低Power-V的作用，達不到預期效果。需要根據(jù)當時井的具體情況選擇一個合理值。一旦儀器下井，通常是通過改變排量來調(diào)節(jié)鉆頭壓降。⑤轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速。工作范圍0～240r/min，轉(zhuǎn)速太低，達不到預期效果；轉(zhuǎn)速太高，則機械部分BU的磨損加快，需要根據(jù)當時井的具體需要而定。⑥Power-V對牙輪鉆頭的要求比較簡單：能夠承受高鉆壓和高轉(zhuǎn)速。對PDC的要求比較嚴格：保徑部分要短，保徑部分上必須要有切削齒，Taper要短，鉆頭總長度要短。

3 塔里木山前構(gòu)造垂直鉆井技術(shù)應用情況

2004～2008年，垂直鉆井技術(shù)僅在塔里木山前構(gòu)造2口井的8in井眼中進行了應用(全部為Power-V系統(tǒng))，總進尺844.33m，平均機械鉆速1.68m/h，其中英深1井為側(cè)鉆，古城4井用于糾斜(見表2)。

表2 垂直鉆井技術(shù)在8in井眼的應用情況統(tǒng)計

表2 垂直鉆井技術(shù)在8in井眼的應用情況統(tǒng)計

井 號井段/m進尺/m純鉆時間/h鉆速時間/m·h-1最大井斜/(°)工具磨損情況英深1井4870～55006302053.071.1BU部分PAD磨損古城4井4799.85～4868.768.85148.40.460.49無描述4868.7～4888.6319.9346.180.43無描述4888.63～4966 77.3765.271.19無描述 4966～5046.1848.1839.21.23無描述

2006～2007年，垂直鉆井技術(shù)在15口井16in(17in)井眼中進行了推廣應用，總進尺42933.22m，總的純鉆時間6605.81h，平均機械鉆速6.05m/h，機械鉆速最高達到51.05m/h，最大井斜控制在1.8°以內(nèi)，井斜和全角變化率控制全部合格。這一階段Power-V系統(tǒng)壽命有很大提高，很少發(fā)生因Power-V系統(tǒng)出現(xiàn)問題而起鉆的現(xiàn)象(見表3)。

表3 2006～2007年垂直鉆井技術(shù)在16in( 17in)井眼應用情況

表3 2006～2007年垂直鉆井技術(shù)在16in( 17in)井眼應用情況

井 號井段/m進尺/m純鉆時間/h鉆速/m·h-1最大井斜/(°)工具磨損情況克深2393.56～1802 1408.4498.514.30.5Power-V磨損正常DN2-5256.15～885 628.8520.0731.330.42正常885～27421857196.969.43正常2742～3366624109.035.72PAD輕微磨損,密封沖蝕3366～374337765.185.78正常

總的來說，垂直鉆井技術(shù)的成功應用加快了鉆井速度，解決了山前高陡構(gòu)造防斜與快打的矛盾，大大加快了勘探開發(fā)進程。塔里木油田迪那地區(qū)應用垂直鉆井技術(shù)后，勘探開發(fā)進度明顯快于常規(guī)鉆井，鉆達4000m井深平均少用130d左右。

4 結(jié) 論

1)根據(jù)Power-V工具的工作原理，該套垂直鉆進系統(tǒng)可應用與定向井、水平井的施工作業(yè)，井眼軌跡將比常規(guī)彎外殼螺桿或彎接頭滑動造斜、增斜鉆出的井眼軌跡平滑連續(xù)，不會出現(xiàn)摩阻、拖壓等現(xiàn)象。

2)Power-V垂直鉆井技術(shù)可有效解決山前高陡構(gòu)造防斜快打問題。該技術(shù)的應用提高了井身質(zhì)量，縮短了鉆井周期，使井斜控制和成本控制有機地結(jié)合在一起。

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[編輯] 洪云飛

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.10.032

TE921.2

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1673-1409(2012)10-N104-03