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(中石化西南石油工程有限公司 鉆井工程研究院，四川 德陽 618000)①

重慶永川地區(qū)頁巖氣資源豐富，探明儲量達1 347.57×108m3，是中國石化非常規(guī)油氣資源增儲上產(chǎn)的重點區(qū)域。儲層龍馬溪組頁巖氣埋深3 900～4 200 m，較涪陵地區(qū)平均深約1 000 m，因此上部井段防斜打直十分重要。前期在陸相地層先后試驗了塔式鉆具組合、鐘擺鉆具組合、預彎曲動力鉆具組合等防斜打快技術，但這些技術都屬于被動防斜技術，鉆壓無法得到完全的釋放，沒有從真正意義上解決防斜打快矛盾[1-3]。區(qū)塊也嘗試使用了POWER-V垂直鉆井系統(tǒng)，雖然井身質(zhì)量控制好，但經(jīng)濟性價比不高[4-6]。基于此，在YY5-1HF井首次探索試驗了國產(chǎn)垂直鉆井系統(tǒng)。現(xiàn)場應用表明，井斜控制在0.73°以內(nèi)，機械鉆速提高了158.85 %，為區(qū)塊上部直井段低成本防斜打快找到了新的技術手段。

1 防斜打快技術難點分析

1) 永川地區(qū)陸相地層上沙溪廟組-須家河組厚度約1 800 m，整個陸相井段砂泥巖交互頻繁，易井斜，通常采用“輕壓吊打”保證井身質(zhì)量。鄰井YY6井采用鐘擺鉆具組合防斜技術，井斜依然超過3°。

2) 自流井組-須家河組地層砂巖石英含量高，研磨性強，可鉆性差，為了控制井斜鉆壓無法釋放，機械鉆速低。YY1井自流井組珍珠沖段-須家河組五段平均機械鉆速為0.94 m/h，須家河組二段-須家河組一段平均機械鉆速為0.87 m/h。

3) 永川地區(qū)直井段要求最大井斜小于5°，水平位移控制在30 m以內(nèi)，考慮直井段方位穩(wěn)定，常規(guī)方法即使將井斜控制在1°，造斜點垂深3 650 m的水平位移也將達到63.71 m，如果不采用中途扭方位，則應將井斜控制在0.5°左右，這為井身質(zhì)量控制帶來極大難度。

2 國產(chǎn)垂直鉆井系統(tǒng)

2.1 結(jié)構(gòu)組成

國產(chǎn)垂直鉆井系統(tǒng)是集機電液一體化的井下閉環(huán)鉆井系統(tǒng)，主要由電源系統(tǒng)、測控系統(tǒng)和執(zhí)行系統(tǒng)3部分組成。如圖1所示。

1—泥漿渦輪發(fā)電機；2—整流逆變單元；3—硬質(zhì)合金軸承；4—旋轉(zhuǎn)變壓器；5—本體；6—電子節(jié)；7—中心管；8—護板；9—液壓模塊。

2.2 工作原理

在鉆進過程中，鉆井液流經(jīng)渦輪發(fā)電機時驅(qū)動電機發(fā)電，電流經(jīng)過整流逆變，再通過非接觸傳輸子系統(tǒng)為測控系統(tǒng)和執(zhí)行系統(tǒng)提供電能。當井斜大于門限值時，井下測控系統(tǒng)經(jīng)過計算、分析、判斷，自動向執(zhí)行系統(tǒng)發(fā)出指令，控制相應的柱塞伸出。借助井壁的反作用力，在鉆頭上產(chǎn)生一個指向井斜低邊的側(cè)向力，使鉆頭沿糾斜方向鉆進，從而產(chǎn)生降斜效果。執(zhí)行系統(tǒng)中的3個柱塞成120°夾角分布，通過不同柱塞壓力的匹配，實現(xiàn)糾斜力的方向始終與井斜高邊相反。當井斜小于門限值時，測控系統(tǒng)向執(zhí)行系統(tǒng)發(fā)出指令，柱塞收回，糾斜力消失，鉆頭保持垂直鉆進。垂直鉆井系統(tǒng)工作原理如圖2所示。

圖2 國產(chǎn)垂直鉆井系統(tǒng)工作原理示意

3 現(xiàn)場試驗

3.1 YY5-1HF井基本情況

YY5-1HF井是以永川地區(qū)龍馬溪組深層頁巖氣為開發(fā)對象的一口水平井，設計井深5 634 m，設計完鉆垂深3 956 m。該井一開井眼尺寸?406.4 mm，中完井深901 m，鉆遇地層分別為上沙溪廟組、下沙溪廟組、新田溝組，巖性以砂泥巖交互為主。采用單彎螺桿鐘擺鉆具組合防斜打快工藝，多點投測井底井斜1.95°；二開井眼尺寸?311.15 mm，開孔鉆遇陸相地層自流井組，巖性以砂泥巖不等厚互層為主，自流井組珍珠沖段富含石英砂巖，可鉆性級值達到7以上，需要進一步釋放鉆壓才能提高機械鉆速[7-8]?；诖?，二開開鉆就探索試驗國產(chǎn)垂直鉆井系統(tǒng)。

3.2 鉆具組合優(yōu)化

鉆具組合:?311.15 mm PDC鉆頭+國產(chǎn)垂直鉆井系統(tǒng)+止回閥+?203.2 mMWD坐鍵接頭+?203.2 mm無磁+?308 mm扶正器+?228.6 mm鉆挺+?203.2 mm鉆挺+變扣接頭+旁通閥+?139.7 mm加重鉆桿+?139.7 mm鉆桿。

該組合只含1個扶正器，本身為強降斜鐘擺組合，側(cè)向力大，降斜率高，但承受大鉆壓后方位穩(wěn)定性差[9-10]。垂直鉆井系統(tǒng)工作時，相當于在近鉆頭處增加了1個變徑扶正器，整個鉆具調(diào)整為弱降斜組合，鉆進時既能承受較大鉆壓又能平滑降斜；同時垂直鉆井系統(tǒng)時刻推靠井壁高邊的特性使鉆頭能保持垂直方向前進，可以達到穩(wěn)定降斜的目的，符合YY5-1HF井實際需求。

3.3 試驗分析

1) 試驗過程。

YY5-1HF井二開自井深901 m開始下入自動垂直鉆井系統(tǒng)，試驗共使用1套國產(chǎn)垂直鉆井系統(tǒng)，試驗井段901～991.14 m，鉆進進尺90.14 m，純鉆15.41 h，平均機速5.85 m/h。試驗中，除了初期鉆壓控制在60 kN內(nèi)，大多數(shù)井段鉆壓控制120 kN，達到了使用垂直鉆井系統(tǒng)解放鉆壓的目的。后因發(fā)生井下復雜，處理后起鉆停止試驗國產(chǎn)垂直鉆井系統(tǒng)。

2) 鉆井參數(shù)。

鉆壓120 kN，排量55 L/s，泵壓13 MPa，轉(zhuǎn)速60 r/min。

3) 井斜控制。

國產(chǎn)垂直鉆井系統(tǒng)入井工作后，井斜得到精確控制，平滑降斜。從井深901 m鉆至991.14 m，井斜由1.95°降至0.73°，降斜率0.41(°)/30m。試驗結(jié)果表明，國產(chǎn)垂直鉆井系統(tǒng)實現(xiàn)了穩(wěn)定糾斜功能，達到了設計要求。YY5-1HF井井斜變化曲線如圖3。

圖3 YY5-1HF井井斜變化曲線

4) 相同地層條件下的機械鉆速對比。

試驗井段平均機速5.85 m/h，同比鄰井YY2井在自流井組采用彎螺桿鉆具配合鐘擺組合鉆進平均機速2.26 m/h 提高了158.85 %，與鄰井YY3-1HF、YY1-4HF井同層位采用國外POWER-V垂直鉆井系統(tǒng)機械鉆速相當。同區(qū)塊同層位機械鉆速對比如表1。

表1 同區(qū)塊同層位機械鉆速對比

4 結(jié)論

1) 在永川陸相易斜地層使用國產(chǎn)垂直鉆井系統(tǒng)，可以有效控制住井斜，確保井眼打直。

2) 使用國產(chǎn)垂直鉆井系統(tǒng)能夠強化鉆井參數(shù)，釋放鉆壓。相比常規(guī)“輕壓吊打”防斜技術，機械鉆速得到大幅提高。

3) 國產(chǎn)垂直鉆井系統(tǒng)能滿足永川地區(qū)陸相地層防斜與打快的鉆井需求，但試驗時間短。建議進一步試驗，驗證工具的穩(wěn)定性，使工具的經(jīng)濟技術指標能夠充分體現(xiàn)出來。

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