滕學(xué)清，劉洪濤，李 寧，王天博，汝大軍，董 仁

（1.中國石油塔里木油田分公司油氣工程研究院，新疆庫爾勒841000；2.中國石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司工程技術(shù)研究院，河北任丘062552；3.中國石油塔里木油田分公司工程技術(shù)處，新疆庫爾勒841000）

隨著石油資源勘探開發(fā)的不斷拓展和深入，鉆進(jìn)山前高陡構(gòu)造、大傾角地層過程中易發(fā)生井斜，直接影響井身質(zhì)量和鉆井速度。鉆井過程中的防斜打直一直是鉆井工程中的主要難題之一[1]，傳統(tǒng)的鐘擺鉆具組合和滿眼鉆具組合技術(shù)均采用輕壓吊打方式，鉆速均較為緩慢；隨著導(dǎo)向鉆井技術(shù)的快速發(fā)展與應(yīng)用，垂直鉆井技術(shù)在傳統(tǒng)的防斜打快理論和技術(shù)基礎(chǔ)上也取得了較大進(jìn)展。偏軸鉆具、柔性鉆井、螺桿鉆具等在現(xiàn)場(chǎng)逐漸進(jìn)行了一些應(yīng)用，但這些技術(shù)均屬于動(dòng)力學(xué)防斜打直范疇，沒有抗地層造斜力的功能，對(duì)于高陡構(gòu)造和強(qiáng)造斜地層，井斜控制效果難以得到保證[2-5]。自動(dòng)垂直鉆井系統(tǒng)作為一種有效的防斜打直前沿技術(shù)[6-8]，在博孜區(qū)塊得到了廣泛應(yīng)用，但針對(duì)礫巖地層鉆具抗振、鹽膏層防卡鉆和深井及應(yīng)用高密度鉆井液井信號(hào)傳輸困難等技術(shù)問題，尚有一些不足。為了提高自動(dòng)垂直鉆井系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性，達(dá)到防斜打直的目的，筆者開展了自動(dòng)垂直鉆井系統(tǒng)組合水力加壓器的應(yīng)用、電路板減振優(yōu)化等方面的探索；針對(duì)自動(dòng)垂直鉆井系統(tǒng)鉆進(jìn)過程中的托壓等問題，提出了根據(jù)不同地質(zhì)特征，采取優(yōu)化系統(tǒng)推靠翼尺寸及推靠力等技術(shù)措施，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后防斜打直效果較好。

1 自動(dòng)垂直鉆井技術(shù)應(yīng)用難點(diǎn)

博孜區(qū)塊位于塔里木盆地庫車坳陷克拉蘇構(gòu)造帶克深斷裂構(gòu)造帶，屬于典型的山前高陡構(gòu)造，地層傾角大，自然造斜能力強(qiáng)[1-2]。該區(qū)塊的上部地層巖性多為礫巖，第四系到新近系庫車組、康村組，再到吉迪克組上部均以小礫巖、砂礫巖為主，可鉆性差，蹩跳鉆嚴(yán)重；吉迪克組下部主要為泥巖，之后廣泛分布古近系庫姆格列木群膏鹽巖和膏泥巖，地層容易縮徑，提高了鉆井復(fù)雜風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)該區(qū)塊的地質(zhì)特征，采用自動(dòng)垂直鉆井技術(shù)進(jìn)行防斜打直主要存在以下技術(shù)難點(diǎn)。

1.1 高頻振動(dòng)引起系統(tǒng)機(jī)械損傷

自動(dòng)垂直鉆井系統(tǒng)鉆進(jìn)礫巖地層時(shí)蹩跳鉆嚴(yán)重，振動(dòng)幅度較大，頻繁的大幅振動(dòng)容易造成系統(tǒng)內(nèi)部零配件疲勞、偏磨。博孜區(qū)塊一些井前期應(yīng)用垂直鉆井系統(tǒng)鉆進(jìn)時(shí)，軸向振動(dòng)最大達(dá)到15g（g為重力加速度，下同），周向振動(dòng)最大達(dá)10g，多次出現(xiàn)因內(nèi)部零配件疲勞斷裂而造成的系統(tǒng)動(dòng)密封失效等情況，一旦動(dòng)密封失效，鉆井液進(jìn)入系統(tǒng)內(nèi)部，電子電路就容易短路，整個(gè)垂直鉆井系統(tǒng)就不再工作；另外，高頻振動(dòng)也容易造成電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)不暢等問題，垂直鉆井系統(tǒng)由其內(nèi)部液壓泵提供液壓能推靠井壁，產(chǎn)生糾斜的側(cè)向力，而系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)不暢，直接影響液壓泵的泵效，從而也影響系統(tǒng)用于糾斜的側(cè)向力。因此，博孜區(qū)塊上部地層使用自動(dòng)垂直鉆井技術(shù)時(shí)，為了達(dá)到防斜打直的目的，首先要提高自動(dòng)垂直鉆井系統(tǒng)在礫巖地層的機(jī)械抗振性能。

1.2 高頻振動(dòng)引起系統(tǒng)電路失效

自動(dòng)垂直鉆井系統(tǒng)一般包括井下閉環(huán)控制系統(tǒng)、供電及信號(hào)上傳系統(tǒng)[2]，2個(gè)系統(tǒng)中均有大量的集成電路，高頻振動(dòng)對(duì)電路的抗振性能提出了極大挑戰(zhàn)。從博孜區(qū)塊前期的應(yīng)用情況看，因?yàn)閺?qiáng)烈振動(dòng)導(dǎo)致的電路短路、斷路，引起信號(hào)上傳、井下測(cè)量失效，是造成整個(gè)系統(tǒng)失效的一個(gè)主要原因?？梢?，電子元器件及其線路的抗振性能是制約使用自動(dòng)垂直鉆井系統(tǒng)防斜打直的關(guān)鍵因素。

1.3 礫巖地層對(duì)系統(tǒng)造成機(jī)械磨損

鉆進(jìn)礫巖地層時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)推靠翼磨損嚴(yán)重、甚至推靠翼落井的情況，特別是動(dòng)態(tài)式垂直鉆井系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)跟鉆柱一起旋轉(zhuǎn)，系統(tǒng)工作時(shí)振動(dòng)大，推靠翼磨損嚴(yán)重[9]。由于推靠翼磨損和活塞密封遭到破壞，不能產(chǎn)生足夠的壓降，導(dǎo)致井斜失控。相對(duì)而言，鉆進(jìn)礫巖地層時(shí)，垂直鉆井系統(tǒng)采用滑動(dòng)推靠模式具有一定的優(yōu)勢(shì)，其推靠翼能夠牢牢支撐井壁，工作更平穩(wěn)[9]，防斜打直效果更好。

1.4 深井和應(yīng)用高密度鉆井液井信號(hào)傳輸失效

博孜區(qū)塊深井、超深井鉆井過程中，為了解決井眼失穩(wěn)、鹽膏層阻卡等問題和滿足平衡高壓鹽水層壓力的要求[10]，常采用高密度油基鉆井液，這對(duì)信號(hào)的發(fā)生及傳輸造成較大的困難[11]。如BZ15井，采用密度2.18kg/L 的油基鉆井液，下鉆至井底（井深 4374m）后測(cè)試系統(tǒng)無信號(hào)，起鉆至淺層進(jìn)行測(cè)試，信號(hào)又恢復(fù)。信號(hào)上傳系統(tǒng)失效直接導(dǎo)致自動(dòng)垂直鉆井系統(tǒng)不能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井下動(dòng)態(tài)，如井斜、系統(tǒng)導(dǎo)向壓力等。

1.5 出現(xiàn)托壓、掛卡等復(fù)雜情況

自動(dòng)垂直鉆井系統(tǒng)的托壓、掛卡問題主要表現(xiàn)在泥頁巖的吸水膨脹、鹽膏層的蠕動(dòng)等方面。博孜區(qū)塊上部地層多為礫巖，托壓現(xiàn)象不明顯，但在鉆進(jìn)巖性變化的井段（如軟硬交錯(cuò)等夾層、不等厚互層或下部泥巖段、鹽膏層）時(shí)，容易出現(xiàn)托壓現(xiàn)象，起下鉆也易掛卡。這一方面會(huì)影響機(jī)械鉆速；另一方面也容易引起井下故障，較大的提拉力、下壓載荷很容易造成系統(tǒng)零配件疲勞與失效。特別是應(yīng)用滑動(dòng)式垂直鉆井系統(tǒng)過程中，推靠翼始終牢牢支撐井壁[9]，糾斜效果更好，但相對(duì)更容易出現(xiàn)托壓、掛卡等復(fù)雜情況。

2 鉆井技術(shù)對(duì)策

在分析塔里木博孜區(qū)塊超深井應(yīng)用自動(dòng)垂直鉆井技術(shù)防斜打直面臨技術(shù)難點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出保證自動(dòng)垂直鉆進(jìn)系統(tǒng)防斜打直效果的技術(shù)對(duì)策。從自動(dòng)垂直鉆井系統(tǒng)外界減振及自身抗振性能入手，解決鉆進(jìn)博孜區(qū)塊上部礫巖時(shí)，鉆具振動(dòng)大、糾斜難的問題；通過優(yōu)化脈沖發(fā)生器控制閥的性能，克服深井、超深井脈沖信號(hào)傳輸?shù)碾y題；根據(jù)不同層位的地質(zhì)特性，優(yōu)選糾斜執(zhí)行機(jī)構(gòu)推靠翼的尺寸及推靠力，從而在確保防斜打直的同時(shí)，緩解復(fù)雜地層或工況下的托壓、掛卡問題。

2.1 鉆具組合減振優(yōu)化

鉆進(jìn)地質(zhì)條件惡劣的地層（如礫巖地層）時(shí)，整個(gè)鉆具會(huì)隨著鉆頭上下跳動(dòng)而同步上下振動(dòng)，從而在鉆具中產(chǎn)生較大的應(yīng)力波，容易造成自動(dòng)垂直鉆井系統(tǒng)內(nèi)部機(jī)械及電子零配件損傷失效；另外，頻繁的振動(dòng)也會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的推靠翼不能有效推靠井壁，無法產(chǎn)生有效的糾斜側(cè)向力。鑒于此，進(jìn)行了自動(dòng)垂直鉆井系統(tǒng)組合水力加壓器的應(yīng)用研究，利用水力加壓器的活塞吸收鉆頭產(chǎn)生的上下跳動(dòng)，將剛性加壓變?yōu)橐毫θ嵝约訅海畲蟪潭鹊匚照駝?dòng)和鉆頭的沖擊，達(dá)到減振、釋放鉆壓的目的[12-13]，從而提高自動(dòng)垂直鉆井系統(tǒng)的整體性能，形成穩(wěn)定有效的推靠力，達(dá)到防斜打直的目的。

2.2 電路減振優(yōu)化

自動(dòng)垂直鉆井系統(tǒng)電路板的工作性能是確保防斜打直的關(guān)鍵，供電系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)和信號(hào)上傳系統(tǒng)任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障，均有可能造成整個(gè)系統(tǒng)失效。

常規(guī)安裝工藝中，電路板直接用螺釘與短節(jié)電路板倉緊固，鉆井過程中井下振動(dòng)極易使電路板上的電子元器件松動(dòng)，直接影響電路板的正常工作，甚至破壞電路板的結(jié)構(gòu)，造成電路板報(bào)廢。為此，對(duì)電路板進(jìn)行了減振優(yōu)化，采用減振橡膠柱等減振材料與短節(jié)電路板倉壁接觸。發(fā)生井下振動(dòng)時(shí)，振動(dòng)首先傳導(dǎo)至減振橡膠柱上，減振橡膠柱發(fā)生彈性變形，吸收部分振動(dòng)能量，從而減輕井下振動(dòng)對(duì)電路板的影響（見圖1）。

圖1 電路板減振優(yōu)化Fig.1 Damping optimization of circuit board

2.3 超深井信號(hào)發(fā)生與傳輸措施

自動(dòng)垂直鉆井技術(shù)防斜打直的核心是井斜控制及動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，需要信號(hào)上傳系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)井下動(dòng)態(tài)。對(duì)超深井和使用高密度鉆井液的井而言，脈沖信號(hào)的發(fā)生與傳輸困難，地面設(shè)備有時(shí)難以監(jiān)測(cè)，主要表現(xiàn)在3方面：1）相比低密度鉆井液，高密度鉆井液對(duì)控制閥閥芯的沖擊力更大，導(dǎo)致閥芯啟動(dòng)時(shí)需要更高的起始力，當(dāng)控制閥啟動(dòng)力不能克服鉆井液沖擊力時(shí)，信號(hào)不能發(fā)生（見圖2）；2）隨著井深增加，脈沖信號(hào)受鉆井液性能、空氣包的影響，存在不同程度的衰減；3）脈沖信號(hào)受外界干擾，如鉆井泵工作狀態(tài)不平衡、鉆井液中存在氣泡，也會(huì)影響脈沖信號(hào)的傳輸[14-16]。鑒于此，一方面可通過優(yōu)選控制閥磁性材料，提高控制閥的起始力，確保脈沖信號(hào)的發(fā)生；另一方面，可改變脈沖閥與限流環(huán)的組合方式，提高脈沖信號(hào)抗衰減、抗干擾的能力。

圖2 正脈沖發(fā)生器控制閥的結(jié)構(gòu)Fig.2 Structural diagram of positive pulse generator control valve

2.4 防斜打直工藝優(yōu)化

山前高陡構(gòu)造廣泛應(yīng)用自動(dòng)垂直鉆井技術(shù)，相比于其他傳統(tǒng)防斜技術(shù)，其優(yōu)勢(shì)主要在于釋放鉆壓、提高機(jī)械鉆速，自身能夠提供糾斜側(cè)向力、主動(dòng)糾斜。然而，滑動(dòng)式垂直鉆井系統(tǒng)的殼體不隨鉆具一起旋轉(zhuǎn)，推靠翼牢固支撐井壁，不可避免地會(huì)存在一定程度的托壓，雖能達(dá)到防斜打直的目的，但會(huì)降低機(jī)械鉆速，增大井下復(fù)雜風(fēng)險(xiǎn)。

針對(duì)上述情況，根據(jù)不同層位的地質(zhì)特征和鄰井調(diào)研情況，優(yōu)化了自動(dòng)垂直鉆井系統(tǒng)推靠翼的尺寸和推靠力。鉆進(jìn)博孜區(qū)塊上部礫巖地層時(shí)，鉆具振動(dòng)大、防斜打直難度大，可適當(dāng)增大推靠翼的尺寸和推靠力，確保能形成有效的糾斜側(cè)向力；鉆進(jìn)軟泥巖、鹽膏巖等容易縮徑地層時(shí)，可適當(dāng)減小推靠翼與井壁的接觸面積，減小推靠力，從而降低托壓、壓差卡鉆等井下故障的發(fā)生概率。另外，優(yōu)選合適尺寸的穩(wěn)定器，其尺寸一般比井眼小2～3mm，以確保倒劃眼時(shí)推靠翼的安全。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

BZ1501井是位于塔里木盆地庫車坳陷克拉蘇構(gòu)造帶克深斷裂構(gòu)造帶博孜區(qū)塊的一口評(píng)價(jià)井，一開井段 0～1000m，設(shè)計(jì)采用φ444.5mm 鉆頭鉆進(jìn)，第四系地層傾角大，地層巖性主要為中厚礫巖，可鉆性差。0～198m井段使用常規(guī)鐘擺鉆具組合鉆進(jìn)，井斜角0.6°，鉆井過程中跳鉆嚴(yán)重、機(jī)械鉆速低。針對(duì)以上情況，采用BH-VDT5000垂直鉆井系統(tǒng)組合水力加壓器進(jìn)行鉆進(jìn)，對(duì)電路板進(jìn)行了減振優(yōu)化，增大了推靠翼的尺寸和推靠力，以確保推靠翼支撐井壁，形成有效的側(cè)向糾斜力，達(dá)到防斜打直的目的。

3.1 施工情況

分別在 BZ1501 井 198～417 和 565～1000m 井段應(yīng)用了BH-VDT5000垂直鉆井系統(tǒng)組合水力加壓器。第一趟鉆入井井斜角0.6°，鉆進(jìn)30m后井斜角迅速降為 0.1°，該趟鉆進(jìn)尺 219m，工作循環(huán)時(shí)間 96h，后因更換鉆頭起鉆。417～565m井段采用常規(guī)鐘擺鉆具鉆進(jìn)，井斜角增至1.1°，井斜控制效果較差。更換為垂直鉆井系統(tǒng)后，井斜角迅速降為0.2°，至一開中完起鉆，該趟鉆進(jìn)尺435m，工作循環(huán)時(shí)間185h，相比常規(guī)鐘擺鉆具，整個(gè)鉆進(jìn)過程中蹩跳鉆明顯減輕，系統(tǒng)性能穩(wěn)定。

3.2 應(yīng)用效果分析

BZ1501井一開兩趟鉆采用了BH-VDT5000垂直鉆井系統(tǒng)，井斜角均控制在0.2°以內(nèi)，累計(jì)進(jìn)尺654m，累計(jì)工作循環(huán)時(shí)間 281h，平均機(jī)械鉆速 2.43m/h，起鉆前系統(tǒng)工作正常，整個(gè)過程中基本無托壓、掛卡情況。與該井采用常規(guī)鐘擺鉆具鉆進(jìn)相比，防斜打直效果明顯。與前期BZ18井應(yīng)用BH-VDT5000垂直鉆井系統(tǒng)相比，系統(tǒng)壽命更長、工作更穩(wěn)定。

BZ1501井兩趟鉆的X軸振動(dòng)基本集中在1.5g～2.5g，而BZ18井有大量的3.0g～4.0g及以上的振動(dòng)。整體看，在地層巖性相近、鉆進(jìn)參數(shù)差別不大的情況下，BH-VDT5000垂直鉆井系統(tǒng)組合水力加壓器進(jìn)行施工，在一定程度上減小了振動(dòng)。

BZ1501井采用自動(dòng)垂直鉆井系統(tǒng)兩趟鉆完成一開施工，系統(tǒng)出井前工作正常；而BZ18井使用了9趟鉆，其中5次因?yàn)橄到y(tǒng)故障起鉆（見表1）。分析認(rèn)為，主要是因?yàn)檎駝?dòng)造成的電路故障，其次為推靠翼的尺寸不合適，造成鉆進(jìn)托壓，提拉力、下壓載荷過大，導(dǎo)致系統(tǒng)動(dòng)密封失效。

表1 BH-VDT5000 垂直鉆井系統(tǒng)應(yīng)用對(duì)比Table1 Application Comparison of BH-VDT5000vertical drilling system

4 結(jié)論與建議

1）自動(dòng)垂直鉆井系統(tǒng)與水力加壓器組合，對(duì)電路板進(jìn)行減振優(yōu)化，提高了自動(dòng)垂直鉆井系統(tǒng)的抗振性能，緩解了振動(dòng)對(duì)其的影響，從而延長工作壽命，實(shí)現(xiàn)了防斜打直。

2）博孜區(qū)塊礫巖地層應(yīng)用滑動(dòng)式垂直鉆井系統(tǒng)時(shí)，糾斜執(zhí)行機(jī)構(gòu)不隨鉆具轉(zhuǎn)動(dòng)，能夠形成更有效的側(cè)向糾斜力，防斜打直效果較好。

3）滑動(dòng)式垂直鉆井系統(tǒng)能夠在保證防斜打直的前提下，根據(jù)地層的巖性緩解其鉆進(jìn)復(fù)雜地層及復(fù)雜工況下的托壓情況。但對(duì)于鹽膏層、軟泥巖等易縮徑地層，需要提前準(zhǔn)確預(yù)判，其實(shí)際應(yīng)用效果還需進(jìn)一步驗(yàn)證。

4）建議繼續(xù)開展 “工程地質(zhì)一體化” 應(yīng)用探索，拓展滑動(dòng)式垂直鉆井系統(tǒng)在不同巖性地層的適用性。