UPC-VDS垂直钻井系统在顺南地区的应用

2014-06-15蒋金宝陈养龙倪红坚

断块油气田 2014年6期

蒋金宝，陈养龙，倪红坚

（1.中国石化中原石油工程有限公司塔里木分公司，新疆库尔勒841000；2.中国石油大学（华东）高压水射流研究中心，山东青岛266580）

0 引言

顺南地区位于塔里木盆地塔中区块的东北方向，地处顺托果勒南古城墟隆起西倾斜坡区，是中国石化塔里木盆地增储上产的主要区块，钻井地质环境复杂，如奥陶系上部的桑塔木组地层埋藏深（超过7 000 m）、厚度大（超过2 000 m）、造斜能力强（倾角15～25°），给安全优快钻井带来很大挑战。顺南1 井的最大井斜角为4.9°/5 475 m（桑塔木组），古隆2 井采用单弯螺杆+MWD 技术后最大井斜角为4.5°/4 625 m（桑塔木组），都出现井斜角超标（设计要求最大井斜角不超过3.0°）的情况，且井底温度高，顺南1 井为174 ℃/7 050 m，高温下MWD 信号异常，测斜难度较大。鉴于常规防斜打快系统不能满足井身质量的要求，综合考虑采用自动垂直钻井工艺技术进行防斜打直的现场试验。

1 垂直钻井系统优选

目前国外自动垂直钻井系统防斜技术主要有VDS 系统、Power-V 系统和VertiTrak 闭环导向系统防斜技术［1-4］。其中Power-V 是一套智能化的垂直钻井系统，能够在发生井斜时自动测量井斜的变化，调整机械部分的伸出值，以改变底部钻具组合的力学性质控制井斜，其结构主要由控制机构和执行机构组成［5］。当Power-V 系统钻进高陡易斜地层时，能够有效地解决防斜和打快之间的矛盾，提高钻井速度［6-16］。这一点2012年在塔里木盆地大北地区得到了充分验证，使用Power-V 后，钻井进尺由螺杆复合钻井的不足20 m/d提高至近200 m/d，提速效果极为显著，但成本也较高。

国内克拉玛依、大港、华北、胜利等油田和中石油钻井院、中国石油大学等单位都拥有各自研发的垂直钻井系统。其中，中国石油大学的UPC-VDS 系统可以在钻进过程中实现随钻柱旋转，从而大幅度降低超深井段摩阻及井下复杂情况的发生。综合考虑后，选择了UPC-VDS 自动垂直钻井系统在顺南地区深部地层进行现场试验。

2 UPC-VDS 简介

UPC-VDS 自动垂直钻井系统，在钻进时能自动感应井斜，自动调整侧向力，使井眼轨迹趋向垂直状态，实现主动防斜、实时纠斜、快速优质钻井。在高陡构造、易斜地层的钻进中，该系统可有效解决防斜和加大钻压之间的矛盾，显著提高钻井速度和井眼质量。自动垂直导向钻井系统由井斜感应系统、导向控制系统和信号传输系统3 个子系统组成（见图1）。

其工作原理为：

首先井斜感应系统确定井底的井斜角和井斜方位角，然后驱动执行机构锁定所需控制的井斜方位角，对垂直钻井而言即是锁定井眼高边，确保钻柱旋转时井斜感应系统的执行机构始终锁定所需井斜方位角。

导向控制系统是一套液压机械执行装置，下接钻头，上接井斜感应系统，主要由侧向推靠机构和钻井液导流阀组成。钻井液导流阀由井斜感应系统控制，侧向推靠机构由钻井液导流阀控制。在井眼高边（即井斜感应系统锁定的控制井斜方位角）侧向推靠机构的推靠巴掌伸出，推靠井壁，井壁的反作用力则将钻头推向低边；而在井眼的其他位置，侧向推靠机构则不工作，实现在钻进过程中对井斜的修正。

为了确保整个系统工作的可靠性和稳定性，自动垂直钻井系统在井斜感应系统和信号传输系统内建有2 个独立的井斜测量装置。其中，信号传输系统可向地面传输井斜信号，帮助地面工作人员了解和控制井下自动垂直钻井系统的工作。根据钻井施工要求的不同，信号传输系统选用实时传输（本文采用）和间断传输2种模式。

3 探索试验

3.1 顺南3 井

顺南3 井是顺南地区的一口风险探井，设计井深7 565 m，5 017～7 213 m 为桑塔木组井段。上部井段为防止井斜使用MWD+单弯螺杆方式钻进，在钻进至6 500 m 以后MWD 信号异常时有发生，转为转盘钻井后，井斜严重超标（井斜角由0.5°/6 202 m 迅速增至5.1°/6 656 m），故决定引入UPC-VDS 自动垂直钻井系统进行纠斜作业。

顺南3 井的试验井段为6 809～7 002 m，进尺193 m，纯钻时间71.5 h，机械钻速2.70 m/h。钻遇地层为桑塔木组底部，岩性为灰色泥岩，钻压80 kN，排量27 L/s，泵压23 MPa，钻头压降4.5 MPa（要求5～6 MPa），井斜控制较好（井斜角在3.0°以内，符合该井段的设计要求，见图2）。

图2 顺南3 井井斜控制情况

该系统出井后检查结构完整，在6 900～6 973 m 井段因排量稍微降低（由27 L/s 降为25 L/s），纠斜力降低导致井斜角开始上升，随后将排量提高到原排量，井斜角逐渐下降。这说明地层的造斜能力强，钻进时极易发生井斜；也从侧面说明，该系统纠斜能力完全能满足现场施工要求，具有良好的防斜、纠斜效果。

3.2 顺南2 井

鉴于顺南3 井良好的试验效果，在顺南2 井桑塔木组开展了现场试验，共使用2 套垂直钻井系统。顺南2 井的试验井段为4 000～5 691m，进尺1 691 m，纯钻时间376.0 h，平均机械钻速4.50 m/h，排量25～28 L/s，钻头压降4.0～4.5 MPa。2 套系统出井检查均结构完整，未见损伤。井斜控制情况见图3。

图3 顺南2 井井斜控制情况

在4 307～4 511 m 井段，因排量降低导致钻头压降不足，推靠力变弱，井斜角很快由1.2°/4 276 m 上升至3.6°/4 450 m；在5 626 m 处，该系统密封件失效，井斜角快速增加，从1.5°/5 626 m 快速上升至4.7°/5 691 m，井斜角增加非常快（5.0°/100 m）。由此可以看出，该系统对钻头压降的要求较高，地层造斜能力强，以致极易发生井斜，但也侧面说明该垂直钻井系统的防斜效果较好。

3.3 探索试验效果评价

从上述2 口井的试验过程可以看出，由于施工排量下降导致钻头压降降低时，UPC-VDS 自动垂直钻井系统容易出现推靠力不足的情况，井斜角明显上升；而当恢复排量后，井斜角又很快下降。这说明地层倾角大，造斜能力强，钻进时极易发生井斜；同时也说明该系统的防斜能力较强，出井后检查结构完整性好。该系统可靠性高，整体应用效果良好，能有效解决地层倾角造成井斜控制难度大的问题。

4 推广试验

由于探索试验中UPC-VDS 自动垂直钻井系统的推靠力对钻头压降的依赖程度较高（要求钻头压降5～6 MPa），因此对该系统进行了改进，以解决深部地层钻头压降不足带来的推靠力不足问题。

4.1 系统改进

考虑2 种方案：一是垂直钻井系统下端接动力钻具（螺杆）增加垂直钻井系统压差。但考虑到螺杆钻具尺寸较长（7 m 以上），会大幅度降低钻头侧向切削力（降低50%以上），不能满足防斜要求。二是在系统下端安装合适的喷嘴，提高系统自身产生的压降，以弥补钻头压降不足带来的纠斜力不足问题［17-18］。本研究采用第2 种方案。

考虑到携岩要求，钻井液排量不能低于40 L/s（钻井液密度1.36 g/cm3），设计为40～45 L/s，循环压耗14.5～18.4 MPa，钻头压降2.2～2.8 MPa。利用水力计算软件，优化了垂直钻井系统下端的喷嘴直径。依据喷嘴系列，喷嘴直径优化为31.75 mm，压降为2.76～3.49 MPa。泵压为19.8～24.6 MPa，系统下端压降为4.96～6.29 MPa，可满足施工要求。

4.2 现场试验

在顺南4 井和顺南5 井进行了推广试验，2 口井均采用UPC-VDS-311 改进型垂直钻井系统，井斜控制效果较好。

4.2.1 顺南4 井

顺南4 井钻进至奥陶系桑塔木组，井斜角增大至2.9°，下入UPC-VDS 自动垂直钻井系统纠斜，使用井段为5 076～6 300 m，进尺1 224 m，纯钻时间239.9 h，平均机械钻速5.10 m/h，排量42～44 L/s，系统内外压差5.3～6.0 MPa。该系统入井后工作正常，井斜角一直减小，最终维持在0.5°左右，由于系统使用到后期纠斜能力下降，但是井斜角仍然小于1.0°（见图4），井斜控制良好，能满足现场施工要求。

图4 顺南4 井井斜控制情况

4.2.2 顺南5 井

顺南5 井钻进至井深5 673 m 时，投测井斜角为3.8°/5 665 m，决定下入UPC-VDS 自动垂直钻井系统纠斜，使用井段为5 673～6 300 m，进尺626 m，纯钻时间162.0 h，平均机械钻速3.86 m/h，排量43～45 L/s，系统内外压差5.2～6.3 MPa。该系统下入井内正常工作后，井斜角从3.8°逐渐降至0.5°左右（见图5），在之后的钻进过程中井斜角一直控制在0.5°左右，降斜效果突出，工作状态稳定。

图5 顺南5 井井斜控制情况

4.3 推广试验效果评价

UPC-VDS 自动垂直钻井系统经过改进之后，推靠力对钻头压降的依赖程度大大降低，没有出现顺南3井和顺南2 井由于排量降低导致井斜角增加的情况；在顺南4 井和顺南5 井的现场试验过程中，降斜、纠斜效果显著，井斜角都控制在1.0°以内。与前期效果相比，该系统改进后对井斜的控制能力进一步提高，完全满足了现场施工要求，能实现对井斜的精细化控制。