垂直钻井技术的概念

  随着勘探开发领域的不断拓展与深入,高陡构造、大倾角地层的勘探开发工作量越来越大,井斜问表1  3种不同工作方式旋转导向工具系统对比工作方式代表系统旋转导向程度造斜能力/(b)#(30m)-1钻井安全性位移延伸能力螺旋井眼适应井眼尺寸/mm静态偏置推靠钻头式AutoTrackRCLS外筒不旋转615中低存在21519~31111动态偏置推靠钻头式Power DriveSRD全旋转815高高存在15214~46316静态偏置指向钻头式Geo-Pilot外筒不旋转515中中消除21519~31111题在一定程度上成了制约这些区域勘探开发工作的质量、效益乃至成败的关键。为了更好地解决直井防斜问题,国内外一直致力于新型防斜钻具与技术的研究与开发[10-12]。

 

  Verti Trak闭环直井钻进系统[13]

 

  VertiTrak闭环直井钻进系统是贝克休斯IN-TEQ公司推出的一种先进的垂直钻井工具,可在常规钻井需要多次纠斜的地区或地质条件下使用,包括大倾角地层或断层,以及墨西哥湾或北海的盐层,因为在这些地区,很难控制PDC钻头的定向特性。

 

  另外,由于该系统不旋转,适于在井壁稳定性差的井段应用。

 

  Verti Trak的结构Verti Trak主要由导向装置、MWD传感器、高性能马达等组成。其导向装置主要靠3个可伸缩的导向翼肋工作,每个导向翼肋可传递高达30 kN的推力。Verti Trak的动力段采用了纳维钻具(Navi-Drill)技术,从而使其输出功率、扭矩比常规钻井马达高60%。由于采用了贝克休斯INTEQ公司专有的定子加工工艺使马达中的橡胶成分减少了90%,提高了效率,降低了摩擦,减少了变形,从而提高了马达的可靠性,延长了下井使用时间。Verti Trak的MWD控制模块可提供精确的井斜角测量结果(011b),并能与地面进行双向通讯。涡轮驱动的发电机和液压泵可向每个导向翼肋提供导向压力,以便通过连续的井下纠斜保持井眼垂直。此外,VertiTrak的传感器还可提供温度测量数据、工具状态读数(导向、旋转)、交流发电机电压输出等。

 

  应用实例在加拿大阿尔伯塔省西部的Foothills地区应用Verti Trak钻了一口井,最大井斜角0160b,全井井斜角平均只有0111b,最大全角变化率仅为1165b/30m,平均0124b/30m。而邻井使用常规定向马达组合钻进,定向纠斜前井斜角却高达4100b,局部全角变化率高达815b/30m。

 

  Power V旋转导向自动垂直钻井系统斯伦贝谢公司研制的Power V是一套全自动化旋转导向垂直钻井系统,利用可靠的旋转导向技术实现旋转钻进时对井斜角的连续控制,能在确保井眼垂直的前提下最大程度地提高机械钻速。

 

  Power V的结构和工作原理[12,14-15]

 

  Power V主要由电子控制(识别)系统(CU)和机械纠斜装置(BU)两大部分组成,两者之间还配有一个加长短节。电子控制系统是Power V的指挥中枢,内装钻井液驱动的发电机、陀螺和各种传感器,不受钻铤的制约。机械纠斜装置是一个纯机械执行机构,下接钻头,上接电子控制系统,主要由一个钻井液导流阀和3个伸缩块(或叫推力块)组成。

 

  伸缩块的伸缩动力由钻井液提供,并由导流阀分配,即控制伸缩块的伸缩。

 

  应用实例Anadarko C5井位于美国德州的Robertson县,Power V垂直钻井系统下井前,井斜角已达815b,该系统下井后在122 m的进尺内自动将井斜角降至1b之内,并钻完剩余的井段。Power V垂直钻井系统的总进尺439 m,平均机械钻速1712 m/h(比采用常规钻井技术的邻井快611 m/h),总钻进时间2515 h,节省了2 d的钻机时间。

 

  机械式自动垂直钻井工具为了有效提高直井钻井的速度和井眼质量,胜利石油管理局研制了机械式自动垂直钻井工具。其原理是适时感应井斜的重力信号,由重力驱动机构,建立钻柱内外高低压流体间的通道,利用二者间的压差,在钻柱旋转的情况下,驱动侧向推靠机构靠在井壁高边,井壁的反作用力将钻头推向低边,而在井眼的其他位置,侧向推靠机构不工作,实现在钻进过程中井斜的自动感应和修正。机械式自动垂直钻井工具具有结构简单、可靠等特点,能在实现主动、适时防斜的同时,有效解放钻压,提高钻速和井眼质量,降低施工风险。

 

  2007年在四川盆地川东北的雷北1井进行了机械式自动垂直钻井工具现场试验,试验井段(1 034156~1 137156 m)为须家河组地层,地层倾角30b~50b,岩性为灰黑色泥岩夹灰色细砂岩,质地坚硬,岩石可钻性差,易井斜。试验时钻压加至18~200 kN,井斜角控制在215b~310b,与可比井段(须家河组3段)相比机械钻速提高了97134%。起钻观察,机械式自动垂直钻井工具的外观、推靠巴掌及密封等部件均正常。试验结果表明:机械式自动垂直钻井工具的工作原理正确,结构可靠,经电子单点测斜验证,井斜角控制精度在310b以内。