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(中石化西南石油工程有限公司 钻井工程研究院，四川 德阳 618000)①

重庆永川地区页岩气资源丰富，探明储量达1 347.57×108m3，是中国石化非常规油气资源增储上产的重点区域。储层龙马溪组页岩气埋深3 900～4 200 m，较涪陵地区平均深约1 000 m，因此上部井段防斜打直十分重要。前期在陆相地层先后试验了塔式钻具组合、钟摆钻具组合、预弯曲动力钻具组合等防斜打快技术，但这些技术都属于被动防斜技术，钻压无法得到完全的释放，没有从真正意义上解决防斜打快矛盾[1-3]。区块也尝试使用了POWER-V垂直钻井系统，虽然井身质量控制好，但经济性价比不高[4-6]。基于此，在YY5-1HF井首次探索试验了国产垂直钻井系统。现场应用表明，井斜控制在0.73°以内，机械钻速提高了158.85 %，为区块上部直井段低成本防斜打快找到了新的技术手段。

1 防斜打快技术难点分析

1) 永川地区陆相地层上沙溪庙组-须家河组厚度约1 800 m，整个陆相井段砂泥岩交互频繁，易井斜，通常采用“轻压吊打”保证井身质量。邻井YY6井采用钟摆钻具组合防斜技术，井斜依然超过3°。

2) 自流井组-须家河组地层砂岩石英含量高，研磨性强，可钻性差，为了控制井斜钻压无法释放，机械钻速低。YY1井自流井组珍珠冲段-须家河组五段平均机械钻速为0.94 m/h，须家河组二段-须家河组一段平均机械钻速为0.87 m/h。

3) 永川地区直井段要求最大井斜小于5°，水平位移控制在30 m以内，考虑直井段方位稳定，常规方法即使将井斜控制在1°，造斜点垂深3 650 m的水平位移也将达到63.71 m，如果不采用中途扭方位，则应将井斜控制在0.5°左右，这为井身质量控制带来极大难度。

2 国产垂直钻井系统

2.1 结构组成

国产垂直钻井系统是集机电液一体化的井下闭环钻井系统，主要由电源系统、测控系统和执行系统3部分组成。如图1所示。

1—泥浆涡轮发电机；2—整流逆变单元；3—硬质合金轴承；4—旋转变压器；5—本体；6—电子节；7—中心管；8—护板；9—液压模块。

2.2 工作原理

在钻进过程中，钻井液流经涡轮发电机时驱动电机发电，电流经过整流逆变，再通过非接触传输子系统为测控系统和执行系统提供电能。当井斜大于门限值时，井下测控系统经过计算、分析、判断，自动向执行系统发出指令，控制相应的柱塞伸出。借助井壁的反作用力，在钻头上产生一个指向井斜低边的侧向力，使钻头沿纠斜方向钻进，从而产生降斜效果。执行系统中的3个柱塞成120°夹角分布，通过不同柱塞压力的匹配，实现纠斜力的方向始终与井斜高边相反。当井斜小于门限值时，测控系统向执行系统发出指令，柱塞收回，纠斜力消失，钻头保持垂直钻进。垂直钻井系统工作原理如图2所示。

图2 国产垂直钻井系统工作原理示意

3 现场试验

3.1 YY5-1HF井基本情况

YY5-1HF井是以永川地区龙马溪组深层页岩气为开发对象的一口水平井，设计井深5 634 m，设计完钻垂深3 956 m。该井一开井眼尺寸ø406.4 mm，中完井深901 m，钻遇地层分别为上沙溪庙组、下沙溪庙组、新田沟组，岩性以砂泥岩交互为主。采用单弯螺杆钟摆钻具组合防斜打快工艺，多点投测井底井斜1.95°；二开井眼尺寸ø311.15 mm，开孔钻遇陆相地层自流井组，岩性以砂泥岩不等厚互层为主，自流井组珍珠冲段富含石英砂岩，可钻性级值达到7以上，需要进一步释放钻压才能提高机械钻速[7-8]。基于此，二开开钻就探索试验国产垂直钻井系统。

3.2 钻具组合优化

钻具组合:ø311.15 mm PDC钻头+国产垂直钻井系统+止回阀+ø203.2 mMWD坐键接头+ø203.2 mm无磁+ø308 mm扶正器+ø228.6 mm钻挺+ø203.2 mm钻挺+变扣接头+旁通阀+ø139.7 mm加重钻杆+ø139.7 mm钻杆。

该组合只含1个扶正器，本身为强降斜钟摆组合，侧向力大，降斜率高，但承受大钻压后方位稳定性差[9-10]。垂直钻井系统工作时，相当于在近钻头处增加了1个变径扶正器，整个钻具调整为弱降斜组合，钻进时既能承受较大钻压又能平滑降斜；同时垂直钻井系统时刻推靠井壁高边的特性使钻头能保持垂直方向前进，可以达到稳定降斜的目的，符合YY5-1HF井实际需求。

3.3 试验分析

1) 试验过程。

YY5-1HF井二开自井深901 m开始下入自动垂直钻井系统，试验共使用1套国产垂直钻井系统，试验井段901～991.14 m，钻进进尺90.14 m，纯钻15.41 h，平均机速5.85 m/h。试验中，除了初期钻压控制在60 kN内，大多数井段钻压控制120 kN，达到了使用垂直钻井系统解放钻压的目的。后因发生井下复杂，处理后起钻停止试验国产垂直钻井系统。

2) 钻井参数。

钻压120 kN，排量55 L/s，泵压13 MPa，转速60 r/min。

3) 井斜控制。

国产垂直钻井系统入井工作后，井斜得到精确控制，平滑降斜。从井深901 m钻至991.14 m，井斜由1.95°降至0.73°，降斜率0.41(°)/30m。试验结果表明，国产垂直钻井系统实现了稳定纠斜功能，达到了设计要求。YY5-1HF井井斜变化曲线如图3。

图3 YY5-1HF井井斜变化曲线

4) 相同地层条件下的机械钻速对比。

试验井段平均机速5.85 m/h，同比邻井YY2井在自流井组采用弯螺杆钻具配合钟摆组合钻进平均机速2.26 m/h 提高了158.85 %，与邻井YY3-1HF、YY1-4HF井同层位采用国外POWER-V垂直钻井系统机械钻速相当。同区块同层位机械钻速对比如表1。

表1 同区块同层位机械钻速对比

4 结论

1) 在永川陆相易斜地层使用国产垂直钻井系统，可以有效控制住井斜，确保井眼打直。

2) 使用国产垂直钻井系统能够强化钻井参数，释放钻压。相比常规“轻压吊打”防斜技术，机械钻速得到大幅提高。

3) 国产垂直钻井系统能满足永川地区陆相地层防斜与打快的钻井需求，但试验时间短。建议进一步试验，验证工具的稳定性，使工具的经济技术指标能够充分体现出来。

[1] 郝楠，黄峰，黄海岩，等.BH-VDT垂直钻井工具在鄂探1井的应用[J].钻采工艺,2016,39(4):90-91.

[2] 苏义脑.油气直井防斜打快技术理论与实践[M].北京：石油工业出版社,2003:69-75.

[3] 杨春旭,韩来聚,步玉环,等.自动垂直钻井系统BHA力学分析的二维模型[J].石油钻采工艺,2010,32(1):26-30.

[4] 张冬冬，张志刚，王辉东，等.Power-V垂直钻井工具在窟窿山逆掩推覆体地层的应用[J].西部探矿工程,2017(6):77-80.

[5] 陈涛，蒋西平，魏强，等.阿北1井垂直钻井工具应用分析[J].石油钻探技术,2012,40(5):123-126.

[6] 王俊良，王值锐，胡建华，等.垂直钻井系统PowerV技术首次在川西高陡构造X01井的应用效果[J].天然气工业,2016,43(12):87-91.

[7] 田径，段晓东，马上刚，等.国产自动垂直钻井系统在鸭K1-1H井的试验应用[J].西部探矿工程,2014(11):83-86.

[8] 徐泓.VTK垂直钻井系统在大湾1井的应用[J].钻采工艺,2010,33(6):134-136.

[9] 朱化蜀,王希勇,范希连,等.捷联式自动垂直钻井工具在川西的应用[J].天然气技术与经济,2013,7(6):36-38.

[10] 王闻涛,王小通,杨晓勇,等.全旋转推靠式自动垂直钻井工具现场试验分析[J].石油机械,2015,43(9):24-27.