阿北1井垂直钻井工具应用分析.pdf

第 4 O卷第 5 期 2 O l 2年 9月 石 油 钻 探 技 术 P ETI I EUM I RI I I I N F ECHNI QUES V l _ 4 0 No ． 5 Se p ．。 2Ol 2 ． ． 现 场交 流 陈 涛 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 0 8 9 0 ． 2 0 1 2 ． 0 5 ． 0 2 7 阿北 1井垂直钻 井工具 应用分 析 ，蒋 西平 ， 魏 强 ，冉照辉 ，帕提古丽 亚尔买买提。 1 J 中国石油西部钻探工程有限公司钻井工程技 术研究 院 ， 新疆克拉玛依 8 3 4 0 0 0 ； 2 ． 中国石 油西部钻探工程有 限公司苏里格气 田 开发第一项 目经理部 ， 内蒙古乌审旗 0 1 7 3 0 0 ； 3 ． 中国石油新疆油 田分公司采油一厂 ， 新疆 克拉玛依 8 3 4 0 0 0 摘要 为解决塔里木盆地两北地区二叠系地层底部一志留系地层采用常规钻具组合钻井时井斜严重及防斜 与打快矛盾突 出的难题 ， 阿北 1井进行 了 V T K 垂直钻井 系统防斜打快试验 。VT K垂直钻井 系统 为一种 闭环 自动 垂 直钻 井 系统 ， 在工作 中可主动启动液压部件 ， 通过 1 ～2个肋板 向井壁施加 一定 的作 用力以对抗 井斜趋 势， 以保 持 井眼按垂 直方向钻进 。现 场试验 结果表 明 阿北 1井应 用 V T K 垂直钻井 系统钻进深部 易斜地层 时， 井斜 角控制 在 0 ． 1 4 。 42 ． 0 9 。 ， 大部分井段 的井斜 角小于 1 ． 。 0 。 ； 大部分试验 井段 5 3 3 1 ． [ ～5 5 3 2 ． O 0和 5 6 9 8 ． 8 ～5 9 6 5 ． 1 5 m 机 械钻速可达 2 ． 3 4 ～1 ． 1 7 m／ h ， 与常规钟摆钻具组合相比， 机械钻速提高1 7 oA～2 1 。这表明利用、 厂 r K垂直钻井系 统基本 可以解决塔里木 盆地 两北地区井斜控制 困难及 防斜 与打快 突出的难题 ， 但 为充分发挥 vT K垂直钻 井系统 防 斜打快的优势， 需在钻头选型、 钻井液性能优化及应对井下故障能力等方面进行进一步研究。 关键词 垂 直钻 井 井斜控 制 机 械钻速 阿北 1井 中图分类号 TE 9 2 1 ． 2 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 0 8 9 0 2 0 1 2 0 5 0 1 2 3 0 4 An a l y s i s o n App l i c a t i o n o f Ve r t i c a l Dr i l l i ng To o l s i n W e l l 1 o f Abe i Oi l f i e l d C h e n T a o ， J i a n g X i p i n g ， We i Q i a n g ， R a n Z h a o h u i ， P a t i g u l i J a r l Ma i ma i t i 。 1 ． Dr i l l i n g E n g i n e e r i n g I n s t i t u t e ， Xi b u Dr i l l i n g C o mp a n y Li mi t e d， C NP C， Ka r a ma y ， Xi n j i a n g ， 8 3 4 0 0 0 ， C h i n a ； 2 ． N0 ． 1 De v e l o p me n t De p a r t me n t o f S u l i g e G a s Fi e l d， Xi b u Dr i l l i n g C o mp a n y L i mi t e d， CNPC， Wu s h e n q i ， I n n e r Mo n g o l i a， 0 1 7 3 0 0， C厅 i n a； 3 ． N0 ．1 0 f Pr o d u c t i o n Pl a n t ， Pe t r o Ch i n a Xi n j i a n g O i l f i e l d C o mp a n y， Ka r a ma y ， X i a n g， 8 3 4 0 0 0 ， C h i n a Ab s t r a c t I n t h e Two No r t h e x p l o r a t i o n wi l d c a t s o f t h e Ta r i m Ba s i n， s e r i o u s we l l h o l e d e v i a t i o n a n d f i e r c e c o n f l i c t b e t we e n a n t i d e v i a t i o n a n d f a s t d r i l l i n g o c c u r r e d d u r i n g t h e d r i l l i n g f r o m t h e b o t t o m o f t h e P e r mi a n t o S i l u r i a n s t r a t a wi t h c o n v e n t i o n a 1 BHA． To r e s o l v e t h i s p r o b l e m ， s p e c i a l VTK Ve r t i Tr a k d r i l l i n g s y s t e m wa s t e s t e d i n W e l l 1 o f Ab e i Oi l f i e l d ． As a c l o s e d l o o p a u t o ma t i c v e r t i c a l d r i l l i n g s y s t e m ． i t c a n a u t o ma t i c a l l y a c t i v a t e t h e h y d r a u l i c p a r t s ， c o u n t e r i n g d e v i a t i o n b y e x e r t i n g a c e r t a i n f o r c e a g a i n s t t h e b o r e h o l e wa l l t h r o u g h o n e t o t wo f l o o r p l a t e s ， a n d k e e p i n g t h e we l l v e r t i c a 1 ． Th e t e s t r e s u l t s s h o we d t h a t ， u s i n g t h e VTK v e r t i c a l d r i l l i n g s y s t e m i n t h e d r i l l i n g o f d e e p i n c l i n a t i o n p r o n e s t r a t a i n W e l l 1 o f Ab e i Oi l f i e l d． t h e d e v i a t i o n a n g l e o f t h e we l 1 w a s c o n t r o l l e d b e t we e n 0 ． 1 4 。 a n d 2 ． 0 9 。， f o r t h e ma j o r i t y o f b o r e h o l e 。 l e s s t h a n 1 ． 0 0 。 ； a t t h e s a me t i me ， t h e R OP i n c r e a s e d u p t o 2 ． 3 4 一l _ 1 7 m／ h f o r mo s t o f t h e we l l s e c t i o n 5 3 3 1 ． 0 0 5 5 3 2 ． O 0 m ， 5 6 9 8 ． 8 2 5 9 6 5 ． 1 5 m ， wh i c h wa s 1 7 ～ 2 1 h i g h e r t h a n t h a t o f c o n v e n t i o n a l p e n d u l u m d r i l l a s s e mb l y ． Th i s s u g g e s t e d t h a t t h e VTK v e r t i c a l d r i l l i n g s y s t e m c o u l d s o l v e t h e p r o b l e m me n t i o n e d a b o v e ， b u t i n o r d e r t o g i v e f u l l p l a y t o a n t i d e v i a t i o n a n d f a s t d r i l l i n g s p e e d o f t h e VTK v e r t i c a l d r i l l i n g s y s t e m ， b i t s e l e c t i o n， d r i l l i n g f l u i d p e r f o r ma n c e o p t i mi z a t i o n a n d d e a l i n g wi t h t h e c o mp l e x d o wn h o l e c o n d i t i o n s n e e d t o b e s t u d i e d f u r t h e r f o r t h e s y s t e m． Ke y wo r d s v e r t i c a 1 d r i l l i n g； d e v i a t i o n c o n t r o l ； p e n e t r a t i o n r a t e ； W e l l l o f Ab e i Oi l f i e l d 阿北 1 井位于塔里木盆地两北探 区阿瓦提断陷 阿北 1号构造， 是一 口超深风险预探井 ， 目的层为奥 陶系良里塔格组 O 1 ， 采用五开次井身结构 ， 完钻 井深 7 0 7 0 ． 9 8 m， 钻井周期 3 4 6 ． 5 6 d 。该井 四开井 收稿 日期 2 0 1 2 一 j 3 0 5 ； 改 回日期 2 0 1 2 0 8 2 I 。 作者简介 陈涛 1 5 ， 男 ． 湖北 仙桃 人 ， l 9 9 9年 毕业 于西安 石 油学院， 工程师 ， 主要从事钻井工程设 计与钻 井项 目研究。 联 系方式 1 8 6 9 9 0 0 6 8 8 1 ， ma g i c 0 9 2 3 y a h o o ． c i 1 。 石 油 钻 探 技 术 段 4 9 9 1 ． 7 2 ～6 9 9 7 ． 0 0 m 依次钻遇二叠系 P 2 、 泥盆系 D 、 志留系 S 及奥 陶系桑塔 木组 o。 s 地 层 ， 其面临的主要钻井难题为 1 二叠系一志留系地 层逆断裂发育及地层倾角大 ， 其 中二叠 系地层构造 倾角 1 2 。 ～1 4 。 ， 泥盆系地层构造倾 角 8 。 ～1 1 。 ， 志 留 系地层构 造倾角 5 。 ～9 。 ； 2 地层 岩心反 映 出泥 盆 系一志留系地层存在大量地质激烈构造运动后的破 碎带 。上述地质因素造成在钻遇二叠系地层底部 志留系地层时防斜与打快矛盾突出。阿北 1 井在钻 至二叠 系地层底部 时井斜 角 由 1 ． 5 0 。 迅速增 大 至 3 ． 8 8 。 ， 虽然调整为大钟摆纠斜钻具组合配合小钻压 吊打的方式 ， 但仍不能有效控制井斜 角， 井斜角 由 3 ． 8 8 。 增大至 7 ． 8 2 。 。为控制井身质量 ， 在注灰 回填井 斜角及狗腿度过大的井段后 ， 扫灰至井深5 3 0 0 ． O 0 m 二叠系底部 开始采用 VTK Ve r t i Tr a k 垂直钻井 系统进行纠斜及防斜施工， 且基本达到 了防斜打快 目的 。 1 VTK垂直钻井系统及工作原理 VT K Ve r t i T r a k 是美 国 B a k e r Hu g h e s 公 司 开发的垂直 钻井 系统 ， 属 于典 型 的静 止推靠 式系 统[ 1 ] 。它是综合 Au t o t r a k 闭环旋转 导 向系统 、 高性能 X - T r e me 马达 、 可靠的 MWD开发出来的一 种闭环 自动垂直钻井系统 见 图 1 。VTK Ve r t i Tr a k 在井下工作过程 中，转盘带动芯轴转动 ， 外筒 不转动 ， 当 MWD重力传 感器检 测到有 井斜趋 势 时， 即可启动液压部件 ， 通过 1 ～2个肋板 向井壁施 加 1 5 ～ 3 0 k N 的作 用 力 以对 抗 这 一 趋势 ， 同时 MWD实时传输井斜数据到地面系统以方便跟踪和 监测 。当井眼完全垂直时， 3 个肋板全部伸出， 并对 井壁施加相同的力 ， 将钻头居 中， 保持井眼按垂直方 向钻进 。 I 4 _ 。 高性能马达 肋板 部分 MWD系统 图 1 V T K垂 直钻 井工具结构示意 Fi g ．1 S t r u c t u r e di a g r a m o f VTK v e r t i c al d r i l l i n g s y s t e m VT K 系统最大降斜能力可 以达到 1 ．0 ／ 3 o m， 通过选择欠尺寸稳定器在钻具组合 中的位置及稳定 器外 径 ， 可 以对 预期 降斜 率 进行 设定 ， 设 定 范 围 1 ． 5 。 ～O ． 8 。 ／ 3 0 m。在钻进时通过调整钻压、 排量 等参数也可以对降斜率进行适 当微调。 2 现场应 用 2 ． 1 应用情况 阿北 1 井 自四开二叠系地层底部开始井斜角连 续大幅超标 由 1 ． 5 O 。 升至 7 ． 8 2 。 ， 因此在注灰 回填 部分原井眼后 ， 扫灰至井深 5 3 0 0 ． 0 0 m 二 叠系地 层底部 开始采用 j 5 1 7 1 ．5 mm VTK垂直钻井系统 对下部井眼 二叠系地层底部志留系地层 进行防 斜打快试 验 。该 井 分别 在 5 3 0 0 ． O 0 ～ 5 5 3 2 ． O 0 、 5 ． 6 9 8 ． 8 2 ～ 5 9 6 5 ． 1 5和 5 9 7 1 ． 7 6 ～ 5 9 7 7 ． 3 5 m 井 段采用 VT K垂直钻井系统进行了防斜打快试验。 3个 试 验井 段 所 用 垂 直 钻 井钻 具 组 合 均 为 ≠ 2 1 5 ． 9 mm钻头 ≠1 7 1 ． 5 mm VT K 垂直钻 井工 具j 5 1 5 8 ． 8 mm钻具止 回阀 2 0 1 ． 4 mm 螺旋稳 定器乒 1 5 8 ． 8 mm钻铤 转 换接头 1 2 7 ． 0 mm 加重钻杆 1 2 7 ． 0 mm钻杆 。 5 3 0 0 ． 。 O ～5 5 3 2 ． O 0 m井段滑动钻进控斜效果 较 好 ， 井 斜 角 由 3 ． 8 8 。 降 至 0 ． 1 4 。 ， 5 3 3 0 ． O 0～ 5 5 3 2 ． O 0 m井段井斜角控制在 0 ． 5 0 。 以内， 平均机械 钻速为 1 ． 2 1 m／ h 。 5 6 9 8 ． 8 2 ～5 9 6 5 ． 1 5 m 井段 总体 控斜效果 较 好 ， 平 均 机 械 钻 速 为 1 ． 1 7 m／ h ， 但 5 7 1 8 ． 4 0～ 5 7 2 4 ． 0 0 m井段井斜角有所增 大， 由 1 ． 7 2 。 增 大至 2 ． 0 9 。 ， 5 9 0 4 ． 3 0 ～5 9 6 5 ． 1 5 m井段掉块较严重。 5 9 7 1 ． 7 6 ～5 9 7 7 ． 3 5 m井段平均机械钻速可达 1 ． 2 O m／ h ， 但后期 因井下 掉块严 重及 连续 出现憋 泵 、 卡钻等井下故障， 且井斜角控制效果一般 井斜 角达 2 ． 0 。 ， 结束 VTK垂直钻井试验。 2 ． 2 应用效果 VT I 垂直钻井系统在阿北 1 井大部分井段的应 用效果 较 好， 防斜 控 斜效 果 明显， 最 大 井 斜 角 为 2 ． O 9 。 ， 最小井斜角仅 0 ． 1 4 O ， 其中 5 3 3 0 ． 。 O ～5 5 3 2 ． O 0 m 井段井斜角控制在 0 ． 5 O 。 以内， 5 8 0 0 ． ] ～5 9 0 0 ． 0 0 m 井段井斜角控制在 1 ． O 0 。 以内。 阿北 1井应 用 VT K 垂直钻 井系统解 放 了钻 压 ， 在防斜的同时提高了机械钻速 ， 其中 5 3 3 1 ． O 0 ～ 5 5 3 2 ． O 0 m 井 段 平 均 机 械 钻 速 为 2 ． 3 4 m／ h， 5 6 9 8 ． 8 2 m～ 5 9 6 5 ． 1 5 m 井 段 平 均 机械 钻 速 为 1 ． 1 7 m／ h ， 与采用钟摆钻具的 5 5 3 2 ． O 0 ～5 6 9 8 ． 8 2 m 井段相比， 平均机械钻速分别提高了 2 1 和 1 7 。 第4 O卷第 5期 陈 涛等． 阿北 1 井垂直钻井工具应用分析 3 存 在问题 分析及 解决措施 3 ． 1 存在问题分析 3 ． 1 ． 1 部分井段控斜效果不佳 阿北 1井 在 应 用 VT K 垂 直 钻 井 系 统 的 5 7 1 8 ． 4 O ～5 7 2 4 ． 0 0 m 志 留系 S 2 y 井段井斜角增 大较 快 ， 井 斜 角 由 1 ． 7 2 。 增 至 2 ． 0 9 。 ； 5 9 7 1 ． 7 6 ～ 5 9 7 7 ． 3 5 m 志留系 S t 井段控制井斜角效果一般 井斜角最高达 2 ． 0 0 。 ， 并因此提前结束 VTK垂直 钻井试验 。分析其原 因为 1 井下故障导致 VTK钻井系统工作模式转换 频繁 。志留系部分地层坍塌掉块严重 ， 连续 出现憋 泵、 卡钻等井下故障。在处理井下故障时， V T K垂 直钻井系统的工作模式多次转换 ， 造成井斜角增大 。 2 扩径严 重导致肋 板难 以有 效支撑 到井壁 。 志留系部分地层扩径 十分严重 ， 且严重扩径直接导 致 VTK垂直钻井系统驱动柱塞 肋板 沿井眼高边 伸出后难 以有效支撑到井壁 ， 造成 VTK垂直钻井 系统的推靠力 给井下工具提供的降斜力 不足。 3 VTK垂直钻井系统在处理井下故障时存在 局限性 。由 VTK 垂直 钻 井 系 统工 作 原理 可知 ， VT K垂直钻井工具在复合钻进工作模 式下 3个肋 板全部收回， 无法控制井斜角， 仅在滑动钻进模式下 该系统才能起 到控斜 、 防斜效果 。因此 ， V TK垂直 钻井系统在处理井下故障 如掉块严重 时不能满足 既要旋转钻具又要控制井斜的要求。 3 ． 1 ． 2 部 分 井段提 速 效果 不佳 阿北 1 井 5 6 9 8 ． 8 2 ～5 8 0 8 ． 0 0 I l l 井段采用 Ⅵ K 垂直钻井系统 的平均机械钻速仅 1 ． 0 7 m／ h ， 与常规 钟摆钻具钻进井段的平均机械钻速 1 ． 0 8 m／ h 相 比， 机械钻速并没有提高 ， 分析其原因为 1 钻具托压影响提速 。由于该井段采用 VTK 钻进时滑动钻进时间长 ， 钻具不转动 ， 易与井壁泥饼 形成粘 附。同时 ， 该 井段钻井液密度较 高 1 ． 6 3 ～ 1 ． 6 8 k g ／ L ， 井底压差大 ， 上返岩屑易在稳定器处堆 积 。上述 2方面原 因造成 钻压加不到钻头上 ， 严重 影响了钻速 ， 且随着井深增深 ， 裸 眼段增长 ， 托压现 象更易发生。 2 与垂直钻井系统配合 的 P D C钻头结构设计 针对性不强。该井钻遇的地层可钻性差 、 研磨性强 ， 二叠系地层底部～志留系地层倾角大 ， 除应根据钻 遇岩石特性选择与 VTK垂直钻井系统配套使用 的 钻头型号 ， 还需同时兼顾垂直钻井系统对 P D C钻头 的要求 ， 而该井在实钻 中 P D C钻头结构设计针对性 不强， 导致提速效果受限。 3 ． 2 解决措施 3 ． 2 ． 1 增强 VT K垂直钻井系统控斜降斜效果 1 尽量减少 VT K垂直钻井系统工作模式的转 换频次 ， 以降低对控斜 降斜效果的影 响。在滑动钻 进与复合钻进工作模式转换的过程中， 应确认 VT K 垂直钻井系统的肋板完全收回后 ， 才能转动转盘 ， 防 止误操作损坏肋板。 2 减少扩径 以确保 肋板有效支撑到井壁。提 高所用 聚磺钻井液 的防塌性能 ， 并控制好 滤失 量 ， 以保持井 眼稳定 、 保证井 底清 洁 ， 以利于 VT K垂 直钻井工具驱动柱塞 助板 沿井眼高边伸 出后能 有效支撑 到井壁 ， 充分 发挥垂 直钻井 系统 的降斜 作用。 3 ． 2 ． 2 提 高 VTK 垂直钻 井 系统 的提 速 效果 1 减少托压现象。可在初期钻进中， 采用 1 ～2 根单根滑动钻进及 l ～2根单根复合钻进 的交替钻 进方式 ， 并在后期钻进中， 尽量 多采用复合钻进 ， 少 采用滑动钻进 ， 从而在基本控制井斜情况下 ， 尽量避 免出现托压现象。同时 ， 应提高钻井液的润滑性， 改 善其流变性 ， 减少粘附机会 ， 避免出现托压现象。在 钻进过程中加强对钻具托压现象的判 断 即地层无 明显变化 ， 钻头不在使用后期 ， 发现钻时变慢 ， 可初 步判断为托压 ， 当确认托压后 可采取上下活动钻 具、 加大排量或转换为复合钻进模式等措施 ， 消除托 压 以提高机械钻速。 2 优化 P D C钻头结构 以配合垂直钻井工具。 VT K垂直钻井系统通过井下机 电液一体化 ， 驱动柱 塞沿井眼高边伸 出， 使钻头产生一个垂直于井 眼低 边 的侧 向力 ， 在钻头 向前钻进的同时也切削井 眼的 下井壁。因此对于可钻性差、 研磨性强、 地层倾角大 的地层 二叠系地层底部一志留系地层 ， 可在 P DC 钻头保径段设计侧 向切削齿 见 图 2 ， 以确保钻头 在具有动态侧向力 的情况 下， 对井 眼的低边同样具 有攻击能力 。同时 ， 可选择短接头设计 及短保径设 计的 P DC钻头与 VTK垂直钻井 系统配合降斜 短 接头设计 见图 3 可缩短钻头工作面以及钻头下体 距离垂直钻井系统推靠部分的距离 ， 有利于推靠起