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阿北1井垂直钻井工具应用分析

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阿北 垂直 钻井 工具 应用 分析
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第 40卷第 5期 石油钻探技术 Vol.40No.52012年 9月 PETROLEUM DRILLING TECHNIQUES  Sep.,2012收稿日期 :2012-03-05;改回日期 :2012-08-21。作者简介 :陈涛 (1975—),男 ,湖北仙桃人 ,1999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 :18699006889,magic0923@yahoo.cn。现场交流 doi:10.3969/j.issn.1001-0890.2012.05.027阿北1井垂直钻井工具应用分析陈涛1,蒋西平1,魏强1,冉照辉2,帕提古丽 ·亚尔买买提3(1.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834000;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 017300;3.中国石油新疆油田分公司采油一厂 ,新疆克拉玛依 834000)摘要 :为解决塔里木盆地两北地区二叠系地层底部 —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 VTK垂直钻井系统防斜打快试验 。VTK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 VTK垂直钻井系统钻进深部易斜地层时 ,井斜角控制在 0.14°~2.09°,大部分井段的井斜角小于1.00°;大部分试验井段 (5 331.00~5 532.00和 5 698.8~5 965.15m)机械钻速可达 2.34~1.17m/h,与常规钟摆钻具组合相比 ,机械钻速提高17%~21%。这表明利用VTK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 VTK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 :TE921+.2  文献标识码:A  文章编号:1001-0890(2012)05-0123-04Analysis on Application of Vertical Driling Tools in Wel 1of Abei OilfieldChen Tao1,JiangXiping1,Wei Qiang1,Ran Zhaohui 2,Patiguli·Jarl Maimaiti 3(1.DrillingEngineeringInstitute,Xibu DrillingCompanyLimited,CNPC,Karamay,Xinjiang,834000,China;2.No.1 Development Department ofSulige Gas Field,Xibu DrillingCompanyLimited,CNPC,Wushenqi,Inner Mongolia,017300,China;3.No.1 Oil Production Plant,PetroChina XinjiangOilfield Company,Karamay,Xinjiang,834000,China)Abstract:In the Two North exploration wildcats of the Tarim Basin,serious welhole deviation andfierce conflict between anti-deviation and fast drilingoccurred duringthe drilingfrom the bottom of thePermian to Silurian strata with conventional BHA.To resolve this problem,special VTK(VertiTrak)dril-ingsystem was tested in Wel 1of Abei Oilfield.As a closed loopautomatic vertical drilingsystem,it canautomaticalyactivate the hydraulic parts,counteringdeviation byexertinga certain force against the bore-hole wal through one to two floor plates,and keepingthe wel vertical.The test results showed that,usingthe VTK vertical drilingsystem in the drilingof deepinclination prone strata in Wel 1of Abei Oilfield,the deviation angle of the wel was controled between 0.14°and 2.09°,for the majorityof borehole,lessthan 1.00°;at the same time,the ROP increased upto 2.34-1.17m/h for most of the wel section(5 331.00-5 532.00m,5 698.82-5 965.15m),which was 17%-21%higher than that of conventional pen-dulum dril assembly.This suggested that the VTK vertical drilingsystem could solve the problem men-tioned above,but in order to give ful playto anti-deviation and fast drilingspeed of the VTK vertical dril-ingsystem,bit selection,drilingfluid performance optimization and dealingwith the complex downholeconditions need to be studied further for the system.Keywords:vertical driling;deviation control;penetration rate;Wel 1of Abei Oilfield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 (O1l),采用五开次井身结构 ,完钻井深7 070.98m,钻井周期346.56d。该井四开井石油钻探技术 2012年 9月段 (4 991.72~6 997.00m)依次钻遇二叠系 (P2)、泥盆系 (D)、志留系 (S)及奥陶系桑塔木组 (O3s)地层 ,其面临的主要钻井难题为 :1)二叠系 —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12°~14°,泥盆系地层构造倾角8°~11°,志留系地层构造倾角5°~9°;2)地层岩心反映出泥盆系 —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1.50°迅速增大至3.88°,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3.88°增大至7.82°。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5 300.00m(二叠系底部 )开始采用VTK(VertiTrak)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VTK(VertiTrak)是美国Baker Hughes公司开发的垂直钻井系统 ,属于典型的静止推靠式系统[1-3]。它是综合Autotrak(闭环旋转导向系统 )、高性能X-Treme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(Verti-Trak)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15~30kN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[1-2,4-5]。图 1VTK垂直钻井工具结构示意Fig.1 Structure diagram of VTK vertical drilingsystemVTK系统最大降斜能力可以达到1.5°/30m,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°~0.8°)/30m。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1.50°升至7.82°),因此在注灰回填部分原井眼后 ,扫灰至井深5 300.00m(二叠系地层底部 )开始采用171.5mm 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5 300.00~5 532.00、5.698.82~5 965.15和5 971.76~5 977.35m井段采用VTK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215.9mm钻头+171.5mm VTK垂直钻井工具+158.8mm钻具止回阀+201.4mm螺旋稳定器+158.8mm钻铤+转换接头+127.0mm加重钻杆+127.0mm钻杆 。5 300.00~5 532.00m井段滑动钻进控斜效果较 好 ,井 斜 角 由3.88°降 至0.14°,5 330.00~5 532.00m井段井斜角控制在0.50°以内 ,平均机械钻速为1.21m/h。5 698.82~5 965.15m井段总体控斜效果较好 ,平 均 机 械 钻 速 为1.17m/h,但5 718.40~5 724.00m井段井斜角有所增大 ,由1.72°增大至2.09°,5 904.30~5 965.15m井段掉块较严重 。5 971.76~5 977.35m井段平均机械钻速可达1.20m/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VTK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2.09°,最小井斜角仅0.14°,其中5 330.00~5 532.00m井段井斜角控制在0.50°以内 ,5 800.00~5 900.00m井段井斜角控制在1.00°以内 。阿北1井应用VTK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5 331.00~5 532.00m井 段 平 均 机 械 钻 速 为2.34m/h,5 698.82m~5 965.15m井段平均机械钻速为1.17m/h,与采用钟摆钻具的5 532.00~5 698.82m井段相比 ,平均机械钻速分别提高了21%和17%。·421·第 40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VTK垂 直 钻 井 系 统 的5 718.40~5 724.00m(志留系S2y)井段井斜角增大较 快 ,井 斜 角 由1.72°增 至2.09°;5 971.76~5 977.35m(志留系S1t)井段控制井斜角效果一般(井斜角最高达2.00°),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 ,VTK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 ,VTK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 ,VTK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5 698.82~5 808.00m井段采用VTK垂直钻井系统的平均机械钻速仅1.07m/h,与常规钟摆钻具钻进井段的平均机械钻速 (1.08m/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 (1.63~1.68kg/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PDC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PDC钻头的要求 ,而该井在实钻中PDC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VTK垂直钻井系统控斜降斜效果1)尽量减少VTK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VTK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VTK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1~2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PDC钻头结构以配合垂直钻井工具 。VTK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 —志留系地层 ),可在PDC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PDC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·521·石油钻探技术 2012年 9月作用时 ,钻头能够很快形成降斜率 ;短保径设计 (见图4)可降低保径支撑阻力 ,提高转向和受到动力钻具侧向推动时的敏感性 。图 2保径段侧向切削齿设计Fig.2 Lateral cuttingteeth design of gauge protectingsection图 3短接头设计Fig.3 Design of short connector图 4短保径设计Fig.4 Design of short gauge protection4 结论与建议1)阿北1井井斜角控制难度大的原因为 :二叠系 —志留系地层存在较大地层倾角 ,志留系地层各组间构造角度和倾向变化较大 ;二叠系 —志留系地层存在大量地质激烈构造运动后的破碎带 。2)阿北1井利用VTK垂直钻井系统基本能将井斜角控制在要求之内 ,但有些井段的控制效果由于井径扩大严重和VTK垂直钻井系统工作模式转换频繁不是十分理想 。3)阿北1井应用VTK垂直钻井系统钻进过程中 ,由于滑动钻进时出现托压现象和与之配合的PDC钻头针对性不强 ,与常规钟摆钻具组合相比 ,提速效果不是十分明显 。4)为增强VTK垂直钻井系统在类似地层的井斜控制效果和发挥其提速能力 ,应减少VTK垂直钻井系统工作模式转换频次 ,提高钻井液的防塌性能以减小扩径 ,增强钻井液的润滑性能以减少钻具粘附及避免托压现象 ,采用针对性强的PDC钻头与之配合 。参考文献References[1]薄和秋 ,赵永强 .VertiTrak垂直钻井系统在川科 1井中的应用 [J].石油钻探技术 ,2008,36(2):18-21.Bo Heqiu,Zhao Yongqiang.Application of Verti Trak in Chua-nke 1Wel[J].Petroleum Driling Techniques,2008,36(2):18-21.[2]郑锋辉 ,韩来聚 ,杨利 ,等 .国内外新兴钻井技术发展现状 [J].石油钻探技术 ,2008,36(4):5-11.Zheng Fenghui,Han Laiju,Yang Li,et al.Development of no-vel driling technology[J].Petroleum Driling Techniques,2008,36(4):5-11.[3]蒋祖军 ,肖国益 ,李群生 ,川西深井提高钻井速度配套技术 [J].石油钻探技术 ,2010,38(4):30-34.Jiang Zujun,Xiao Guoyi,Li Qunsheng.Technalogy to increasedeep wel driling speed in western Sichuan[J].PetroleumDriling 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