蔣金寶，陳養(yǎng)龍，倪紅堅

（1.中國石化中原石油工程有限公司塔里木分公司，新疆 庫爾勒841000；2.中國石油大學（華東）高壓水射流研究中心，山東 青島266580）

0 引言

順南地區(qū)位于塔里木盆地塔中區(qū)塊的東北方向，地處順托果勒南古城墟隆起西傾斜坡區(qū)，是中國石化塔里木盆地增儲上產的主要區(qū)塊，鉆井地質環(huán)境復雜，如奧陶系上部的桑塔木組地層埋藏深（超過7 000 m）、厚度大（超過2 000 m）、造斜能力強（傾角15～25°），給安全優(yōu)快鉆井帶來很大挑戰(zhàn)。順南1 井的最大井斜角為4.9°/5 475 m（桑塔木組），古隆2 井采用單彎螺桿+MWD 技術后最大井斜角為4.5°/4 625 m（桑塔木組），都出現(xiàn)井斜角超標 （設計要求最大井斜角不超過3.0°）的情況，且井底溫度高，順南1 井為174 ℃/7 050 m，高溫下MWD 信號異常，測斜難度較大。鑒于常規(guī)防斜打快系統(tǒng)不能滿足井身質量的要求，綜合考慮采用自動垂直鉆井工藝技術進行防斜打直的現(xiàn)場試驗。

1 垂直鉆井系統(tǒng)優(yōu)選

目前國外自動垂直鉆井系統(tǒng)防斜技術主要有VDS 系統(tǒng)、Power-V 系統(tǒng)和VertiTrak 閉環(huán)導向系統(tǒng)防斜技術［1-4］。其中Power-V 是一套智能化的垂直鉆井系統(tǒng)，能夠在發(fā)生井斜時自動測量井斜的變化，調整機械部分的伸出值，以改變底部鉆具組合的力學性質控制井斜，其結構主要由控制機構和執(zhí)行機構組成［5］。當Power-V 系統(tǒng)鉆進高陡易斜地層時，能夠有效地解決防斜和打快之間的矛盾，提高鉆井速度［6-16］。這一點2012年在塔里木盆地大北地區(qū)得到了充分驗證，使用Power-V 后，鉆井進尺由螺桿復合鉆井的不足20 m/d提高至近200 m/d，提速效果極為顯著，但成本也較高。

國內克拉瑪依、大港、華北、勝利等油田和中石油鉆井院、 中國石油大學等單位都擁有各自研發(fā)的垂直鉆井系統(tǒng)。其中，中國石油大學的UPC-VDS 系統(tǒng)可以在鉆進過程中實現(xiàn)隨鉆柱旋轉，從而大幅度降低超深井段摩阻及井下復雜情況的發(fā)生。綜合考慮后，選擇了UPC-VDS 自動垂直鉆井系統(tǒng)在順南地區(qū)深部地層進行現(xiàn)場試驗。

2 UPC-VDS 簡介

UPC-VDS 自動垂直鉆井系統(tǒng)，在鉆進時能自動感應井斜，自動調整側向力，使井眼軌跡趨向垂直狀態(tài)，實現(xiàn)主動防斜、實時糾斜、快速優(yōu)質鉆井。在高陡構造、易斜地層的鉆進中，該系統(tǒng)可有效解決防斜和加大鉆壓之間的矛盾，顯著提高鉆井速度和井眼質量。自動垂直導向鉆井系統(tǒng)由井斜感應系統(tǒng)、 導向控制系統(tǒng)和信號傳輸系統(tǒng)3 個子系統(tǒng)組成（見圖1）。

其工作原理為：

首先井斜感應系統(tǒng)確定井底的井斜角和井斜方位角，然后驅動執(zhí)行機構鎖定所需控制的井斜方位角，對垂直鉆井而言即是鎖定井眼高邊，確保鉆柱旋轉時井斜感應系統(tǒng)的執(zhí)行機構始終鎖定所需井斜方位角。

導向控制系統(tǒng)是一套液壓機械執(zhí)行裝置，下接鉆頭，上接井斜感應系統(tǒng)，主要由側向推靠機構和鉆井液導流閥組成。鉆井液導流閥由井斜感應系統(tǒng)控制，側向推靠機構由鉆井液導流閥控制。在井眼高邊（即井斜感應系統(tǒng)鎖定的控制井斜方位角）側向推靠機構的推靠巴掌伸出，推靠井壁，井壁的反作用力則將鉆頭推向低邊；而在井眼的其他位置，側向推靠機構則不工作，實現(xiàn)在鉆進過程中對井斜的修正。

為了確保整個系統(tǒng)工作的可靠性和穩(wěn)定性，自動垂直鉆井系統(tǒng)在井斜感應系統(tǒng)和信號傳輸系統(tǒng)內建有2 個獨立的井斜測量裝置。其中，信號傳輸系統(tǒng)可向地面?zhèn)鬏斁毙盘?，幫助地面工作人員了解和控制井下自動垂直鉆井系統(tǒng)的工作。根據(jù)鉆井施工要求的不同，信號傳輸系統(tǒng)選用實時傳輸（本文采用）和間斷傳輸2種模式。

3 探索試驗

3.1 順南3 井

順南3 井是順南地區(qū)的一口風險探井，設計井深7 565 m，5 017～7 213 m 為桑塔木組井段。上部井段為防止井斜使用MWD+單彎螺桿方式鉆進，在鉆進至6 500 m 以后MWD 信號異常時有發(fā)生，轉為轉盤鉆井后，井斜嚴重超標（井斜角由0.5°/6 202 m 迅速增至5.1°/6 656 m），故決定引入UPC-VDS 自動垂直鉆井系統(tǒng)進行糾斜作業(yè)。

順南3 井的試驗井段為6 809～7 002 m，進尺193 m，純鉆時間71.5 h，機械鉆速2.70 m/h。鉆遇地層為桑塔木組底部，巖性為灰色泥巖，鉆壓80 kN，排量27 L/s，泵壓23 MPa，鉆頭壓降4.5 MPa（要求5～6 MPa），井斜控制較好（井斜角在3.0°以內，符合該井段的設計要求，見圖2）。

圖2 順南3 井井斜控制情況

該系統(tǒng)出井后檢查結構完整，在6 900～6 973 m 井段因排量稍微降低（由27 L/s 降為25 L/s），糾斜力降低導致井斜角開始上升，隨后將排量提高到原排量，井斜角逐漸下降。這說明地層的造斜能力強，鉆進時極易發(fā)生井斜；也從側面說明，該系統(tǒng)糾斜能力完全能滿足現(xiàn)場施工要求，具有良好的防斜、糾斜效果。

3.2 順南2 井

鑒于順南3 井良好的試驗效果，在順南2 井桑塔木組開展了現(xiàn)場試驗，共使用2 套垂直鉆井系統(tǒng)。順南2 井的試驗井段為4 000～5 691m，進尺1 691 m，純鉆時間376.0 h，平均機械鉆速4.50 m/h，排量25～28 L/s，鉆頭壓降4.0～4.5 MPa。2 套系統(tǒng)出井檢查均結構完整，未見損傷。井斜控制情況見圖3。

圖3 順南2 井井斜控制情況

在4 307～4 511 m 井段，因排量降低導致鉆頭壓降不足，推靠力變弱，井斜角很快由1.2°/4 276 m 上升至3.6°/4 450 m；在5 626 m 處，該系統(tǒng)密封件失效，井斜角快速增加，從1.5°/5 626 m 快速上升至4.7°/5 691 m，井斜角增加非?？欤?.0°/100 m）。由此可以看出，該系統(tǒng)對鉆頭壓降的要求較高，地層造斜能力強，以致極易發(fā)生井斜，但也側面說明該垂直鉆井系統(tǒng)的防斜效果較好。

3.3 探索試驗效果評價

從上述2 口井的試驗過程可以看出，由于施工排量下降導致鉆頭壓降降低時，UPC-VDS 自動垂直鉆井系統(tǒng)容易出現(xiàn)推靠力不足的情況，井斜角明顯上升；而當恢復排量后，井斜角又很快下降。這說明地層傾角大，造斜能力強，鉆進時極易發(fā)生井斜；同時也說明該系統(tǒng)的防斜能力較強，出井后檢查結構完整性好。該系統(tǒng)可靠性高，整體應用效果良好，能有效解決地層傾角造成井斜控制難度大的問題。

4 推廣試驗

由于探索試驗中UPC-VDS 自動垂直鉆井系統(tǒng)的推靠力對鉆頭壓降的依賴程度較高（要求鉆頭壓降5～6 MPa），因此對該系統(tǒng)進行了改進，以解決深部地層鉆頭壓降不足帶來的推靠力不足問題。

4.1 系統(tǒng)改進

考慮2 種方案： 一是垂直鉆井系統(tǒng)下端接動力鉆具（螺桿）增加垂直鉆井系統(tǒng)壓差。但考慮到螺桿鉆具尺寸較長（7 m 以上），會大幅度降低鉆頭側向切削力（降低50%以上），不能滿足防斜要求。二是在系統(tǒng)下端安裝合適的噴嘴，提高系統(tǒng)自身產生的壓降，以彌補鉆頭壓降不足帶來的糾斜力不足問題［17-18］。本研究采用第2 種方案。

考慮到攜巖要求，鉆井液排量不能低于40 L/s（鉆井液密度1.36 g/cm3），設計為40～45 L/s，循環(huán)壓耗14.5～18.4 MPa，鉆頭壓降2.2～2.8 MPa。利用水力計算軟件，優(yōu)化了垂直鉆井系統(tǒng)下端的噴嘴直徑。依據(jù)噴嘴系列，噴嘴直徑優(yōu)化為31.75 mm，壓降為2.76～3.49 MPa。泵壓為19.8～24.6 MPa，系統(tǒng)下端壓降為4.96～6.29 MPa，可滿足施工要求。

4.2 現(xiàn)場試驗

在順南4 井和順南5 井進行了推廣試驗，2 口井均采用UPC-VDS-311 改進型垂直鉆井系統(tǒng)，井斜控制效果較好。

4.2.1 順南4 井

順南4 井鉆進至奧陶系桑塔木組，井斜角增大至2.9°，下入UPC-VDS 自動垂直鉆井系統(tǒng)糾斜，使用井段為5 076～6 300 m，進尺1 224 m，純鉆時間239.9 h，平均機械鉆速5.10 m/h，排量42～44 L/s，系統(tǒng)內外壓差5.3～6.0 MPa。該系統(tǒng)入井后工作正常，井斜角一直減小，最終維持在0.5°左右，由于系統(tǒng)使用到后期糾斜能力下降，但是井斜角仍然小于1.0°（見圖4），井斜控制良好，能滿足現(xiàn)場施工要求。

圖4 順南4 井井斜控制情況

4.2.2 順南5 井

順南5 井鉆進至井深5 673 m 時，投測井斜角為3.8°/5 665 m，決定下入UPC-VDS 自動垂直鉆井系統(tǒng)糾斜，使用井段為5 673～6 300 m，進尺626 m，純鉆時間162.0 h，平均機械鉆速3.86 m/h，排量43～45 L/s，系統(tǒng)內外壓差5.2～6.3 MPa。該系統(tǒng)下入井內正常工作后，井斜角從3.8°逐漸降至0.5°左右（見圖5），在之后的鉆進過程中井斜角一直控制在0.5°左右，降斜效果突出，工作狀態(tài)穩(wěn)定。

圖5 順南5 井井斜控制情況

4.3 推廣試驗效果評價

UPC-VDS 自動垂直鉆井系統(tǒng)經過改進之后，推靠力對鉆頭壓降的依賴程度大大降低，沒有出現(xiàn)順南3井和順南2 井由于排量降低導致井斜角增加的情況；在順南4 井和順南5 井的現(xiàn)場試驗過程中，降斜、糾斜效果顯著，井斜角都控制在1.0°以內。與前期效果相比，該系統(tǒng)改進后對井斜的控制能力進一步提高，完全滿足了現(xiàn)場施工要求，能實現(xiàn)對井斜的精細化控制。

5 結論

1）桑塔木組地層造斜能力強、高溫高壓下MWD測斜難度大等，是造成井斜控制難度大的主要原因。在綜合考慮地層物性、 作業(yè)成本等因素的基礎上，優(yōu)選UPC-VDS 自動垂直鉆井系統(tǒng)。

2）在順南3 井和順南2 井開展了UPC-VDS 垂直鉆井系統(tǒng)的探索試驗。結果表明：該系統(tǒng)能夠將井斜角控制在3.0°以內，且壽命較長、性能可靠；但推靠力對鉆頭壓降的要求較高（要求鉆頭壓降5～6 MPa）。

3）通過優(yōu)化垂直鉆井系統(tǒng)結構，推靠力依賴鉆頭壓降的程度大幅度降低，并在順南4 井和順南5 井進行了推廣試驗。改進后的垂直鉆井系統(tǒng)能夠將井斜角控制在0.5～1.0°。

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