Φ311自动垂直钻井系统技术探讨

在钻井过程中,有效实现高陡地层的防斜打快是一个普遍存在的技术性难题。传统的防斜纠斜方法,大多以牺牲钻压、降低机械钻速为代价,防纠斜效果不明显,因此具有较多弊端。Φ311垂直钻井系统是克拉玛依钻井工艺研究院历时多年研制成功的井下工具,是机、电、液一体化的井下智能自动垂直钻井系统。该系统已在新疆油田成功应用两井次。试验结果表明,该系统各项指标均达到设计要求,满足了高陡易斜难钻地层防斜打快的技术要求。本文主要对该垂直钻井系统的结构、工作原理、配套技术及现场应用等情况进行论述。     

Φ311垂直钻井系统原理及应用

传统的高陡地层钻井防斜纠斜方法无法经济、高效地解决在大倾角、陡构造、断层、地应力异常等地层的防斜打快问题。通过对垂直钻井系统的结构、工作原理及现场应用等情况分析,认为311垂直钻井系统是一种集机电液一体化的井下智能自动垂直钻井系统。应用结果表明,该系统各项指标均达到设计要求,满足了高陡易斜难钻地层防斜打快的技术要求。     

易斜地层防斜打快钻井理论与技术探讨

在高陡构造等易斜地层进行垂直钻井时，如何实现防斜打快的理想目标，是目前石油工程领域的重大技术难题之一。简要讨论了传统静力学防斜理论和技术的局限性，进而阐明了动力学防斜打快理论的基本概念与技术要点。在此基础上，较详细地讨论了光钻铤大钻压、偏心“刚柔”钻具组合等动力学防斜打快技术理论及其应用情况，同时分析了井下动力钻具复合旋转钻井方式的优越性，并简要介绍了国外自动垂直钻井系统的发展概况。     

VTK垂直钻井技术在川东地区的应用

四川盆地川东高陡构造区内的侏罗系沙溪庙组-下三叠统嘉陵江组地层岩性组合复杂、软硬交替频繁,属于典型的易井斜地层,采用常规的防斜技术虽能防斜,但因钻井参数受限,严重影响了机械钻速的提高。VertiTrak是贝克休斯公司最先进的垂直钻井系统,它是综合了闭环旋转导向系统、高性能X TREME马达、可靠的随钻测试等3种技术而开发出来的一种闭环自动垂直钻井系统（简称VTK垂直钻井技术）。在川东地区试验应用了VTK垂直钻井技术,同时强化钻井参数、优化钻井液防塌及流变性能。结果表明,试验获得了成功：①在已经发生井斜的井段用VTK工具进行正常钻压钻进,较快地实现了井眼轨迹的平稳降斜;②纠斜任务完成后,正常钻压钻进过程中实现了稳斜防斜;③VTK垂直钻井防斜打快效果显著--钻压达25 t,机械钻速提高50%～60%,钻井周期缩短30%以上。该方法为实现川东高陡构造区沙溪庙组-嘉陵江组长段易斜地层的防斜打快探索出了一条新途径。     

φ311mm自动垂直钻井系统在宣页1井的应用

宣页1井的地质构造具有地层倾角大、各向异性、可钻性差及自然造斜能力强等特点,采用多种传统防斜钻具组合钻进,依然无法较好地防止井斜。为此,研制了φ311 mm自动垂直钻井系统。该钻井系统包括稳定平台及防斜纠斜执行机构2部分,可以有效解决高陡构造及大倾角地层的防斜打快问题,能够完全释放钻压,在保证井斜精度的前提下,可大幅度提高机械钻速,缩短钻井周期,降低钻井成本。该系统在宣页1井的应用中总进尺210.88 m,纯钻时间64 h,机械钻速3.29 m/h,与传统钻具相比,钻速提高114%,并收到明显的纠斜效果。     

捷联式自动垂直钻井系统的研制及现场试验

为了有效解决钻井工程中高陡构造及大倾角地层防斜打快的技术难题,自主研发了捷联式自动垂直钻井系统。该系统采用动态推靠方式实现钻进过程中的主动防斜、纠斜,其中捷联式稳定平台是该系统的核心。该系统主要由基于旋转基座的测量短节、井下发电机、无刷力矩电机、旋转变压器和防斜纠斜执行机构等组成。在稳定平台的控制下,力矩电机驱动执行机构中的盘阀对过流的钻井液进行控制,利用活塞驱动翼肋推靠井壁,产生具有纠斜作用的侧向推靠力,以实现防斜、纠斜功能。宁深1井的现场试验证明,捷联式自动垂直钻井系统工作原理正确,结构可靠,能够在主动、适时防斜的同时,有效释放钻压,提高钻速。该系统的研制成功为直井的防斜打快提供了一种新的技术手段,具有广阔的应用前景。      

Φ311mm垂直钻井系统的工作原理及现场应用

Φ311mm垂直钻井系统是克拉玛依钻井工艺研究院历时多年研制成功的井下工具,是机、电、液一体化的井下智能钻井系统。该工具可实现在高陡地层,特别是在山前构造带地层的防斜打快技术。目前,该系统已在新疆油田试验两口井次,并获成功。试验结果表明,该系统各项指标均达到设计要求,满足了闭环控制的设计要求,具有广阔的应用前景。     

POWER-V和PD-XCEED垂直导向钻井技术在渤海油田的应用

渤海油田探井深部井段地层倾角大,而且岩性多变,砂泥岩互层频繁,钻井过程中井斜问题非常严重,且地层容易垮塌。简述了渤海2井、3井的地层特征,评价了以往高陡构造防斜打快技术,介绍了POWER-V及PD-XCEED垂直导向钻井工具的防斜打直机理及其各自的应用方法。通过在渤海油田钻井过程中的应用,对两种垂直导向钻井工具进行了对比,并在技术和效益方面对两者的应用情况做了详细的评价。实践表明,两种垂直导向钻井工具都能有效地解决防斜和加大钻压之间的矛盾,变被动防斜为主动防斜,对高陡构造防斜打快、降低钻井成本等方面具有一定的指导意义。     

塔里木博孜区块超深井自动垂直钻井难点与技术对策

塔里木盆地博孜区块属于典型的山前高陡构造,地层倾角大、自然造斜能力强、防斜打直难,采用常规的防斜打直技术难以保证井斜控制效果。为此,分析了自动垂直钻井技术在博孜区块超深井的应用难点,针对博孜区块上部砾岩地层的井下钻具振动大、防斜打直难等情况,开展了减振优化、超深井信号传输和防斜打直工艺优化等方面的技术研究。BZ1501井一开198～417及565～1 000 m井段应用了自动垂直钻井系统,两趟钻累计工作循环时间281 h,平均机械钻速2.43 m/h,井斜角0.2°,与该井应用常规钟摆钻具组合及BZ18井应用自动垂直钻井系统相比,工作寿命长,机械钻速快,井斜控制效果好。现场应用表明,超深井防斜打直钻井技术在塔里木博孜区块的钻井提速效果较好,可以在该区块推广应用。      

Power V垂直导向钻井技术在普光7井的应用

四川盆地川东普光构造地层倾角大，特别是上部陆相地层，岩性多变，砂岩、泥岩、页岩互层频繁，井斜非常突出。被动防斜技术在川东普光高陡构造钻探过程中受其内在力学性质影响，无法实现防斜打快。而Power V“全自动化”旋转导向垂直钻进工具，在钻进时会自动追踪井斜变化，自动设定和调整工具侧向力，使井眼轨迹快速返回垂直状态。在高陡构造地层钻进中，有效地解决了防斜和加大钻压之间的矛盾，可大幅度地提高钻井速度。以Power V垂直导向钻井系统为代表的主动防斜技术，通过在普光7井的应用，证实了其在保证井身质量的前提下可最大限度地提高机械钻速。     

防斜打快技术在准噶尔盆地南缘地区的应用

准噶尔盆地南缘地区发育山前冲断带,属山前高陡构造.高陡构造在钻井过程中易造成井斜,钻井参数难以强化,影响整体机械钻速,因此开展该地区防斜打快技术的研究与应用具有重要意义.通过对南缘地区防斜打快技术的梳理,总结了该地区早期防斜打快技术使用的钟摆钻具组合和满眼钻具组合的特点及适用性,分析了当前南缘地区主要使用的三种防斜打快技术,即PDC钻头配合螺杆钻具、MWD加微弯螺杆复合钻进技术和PowerV垂钻系统.对南缘地区当前采取的三种防斜打快技术现场应用效果进行了分析研究,认为当前采用的防斜打快技术现场应用效果明显优于早期技术;当前三种防斜打快技术以PowerV垂钻系统防斜打快效果最好,其次为复合钻井技术,但是PowerV费用昂贵,技术受限;多种复合钻井技术研究和国产垂钻系统的试用推广是准噶尔盆地南缘地区防斜打快技术的发展方向.     

偏重偏心防斜钻具的研究与应用

大庆油田海拉尔、延吉、汤原等新探区地层倾角大,井外控制困难,严重影响了钻井速度并增加了钻井成本、研制的偏重偏心防斜钻具,经理论分析和现场试验证明,该钻具在井下旋转过程中所产生的离心力使其偏重段重边的稳定器始终贴向井壁,使钻具产生公转特性,有效地克服钻头自转引起的井斜,其离心力与转速平方成正比,转速越高产生的离心降斜力越大。该钻具能防斜、稳斜和降斜,其结构简单,安装方便,能较好地解决钻定向丛式井直井段的防碰技术难题。该钻具还适应地层倾角大的软到中硬地层,其偏心距的确定、优化组合钻具结构以及合理地选择钻压和转速,对防斜钻井及提高钻速均具有十分重要的作用。在12口井的现场试验中,井斜角均控制在1°以内,满足了钻定向丛式井造斜点井斜角小于1°的要求。     

FG型防斜工具的设计研究

钟摆钻具、满眼钻具、偏心钻具等防斜钻具组合在特定的条件下起到了一定的防斜作用,但其防斜效果受钻井操作参数的影响较大,有时不得不降低钻进速度以求得到较小的井斜率。为了解决上述问题,设计了FG新型复合式高效防斜工具。FG型防斜工具的显著特点是其防斜效果受钻压、转速等钻井参数影响较小,钻头侧向力大小基本不随钻压改变,在旋转过程中钻头侧向力方向可以不断变化。FG型防斜工具可以在正常钻压及转速条件下钻进,并将井斜控制在较小的范围之内。理论研究和算例分析表明,FG型防斜工具具有良好的防斜效果。     

PowerV垂直钻井技术在克拉2气田的应用

随着塔里木油田在山前构造区域勘探开发力度的不断增大,防斜打快技术成为制约塔里木地区山前构造勘探开发钻井进程的关键技术。位于新疆库车凹陷山前构造的克拉2气田是西气东输工程的主力气源地,目前进入了大规模开发阶段。简述了克拉2气田的地层特征,评价了山前高陡构造防斜打快技术,介绍了PowerV垂直钻井新技术工作原理及其应用方法,列举了其在西气东输克拉2气田2口直井开发井?406.4mm井眼段的应用情况,并在技术和效益方面对应用情况作了评价,认为PowerV垂直钻井技术可完全解放钻压,变被动防斜为主动防斜,对将来山前高陡构造防斜打快、缩短钻井周期、降低钻井成本具有一定的借鉴意义。     

大钻压防斜技术在乌—夏断裂带新实践

大钻压动力防斜技术增加钻压引起钻柱屈曲,保特钻柱涡动,有井斜时使钻柱产生周期性变化的轴向附加力,无井斜时轴向附加力消失,克服了传统防斜技术中吊打的缺点,提高了钻井速度,达到了解放钻压的目的。大钻压动力防斜技术先后在新疆油田乌-夏断裂带乌-35、乌-36、乌-37井进行了实践取得了较好的降斜、防斜打直效果并对几口实验井进行了效果对比分析。     

柔性接头研制与应用

柔性接头是最新研制的一种钻井井下工具。文中介绍了柔性接头的结构、技术规范和性能特点，建立了以其组合的新型防斜钻具组合力学分析模型，分析了工具于井下的受力状态。在大庆油田易斜区快速防斜钻井现场试验表明，柔性接头的结构简单，钻压和扭矩传递机构设计合理，高压动密封性能良好。以其组合的新型防斜钻具组合，在大倾角硬地层深探井和调整井钻井区块使用，防斜效果明显，机械钻速高。柔性接头的研制成功为易斜区快速防斜钻井提供了一种新的钻具组合类型。该柔性接头已申报国家实用新型专利。     

垂直钻井系统在吐哈盆地山前高陡构造的应用

针对吐哈山前高陡构造的井斜规律,通过优化垂直钻井系统应用井段,在高陡构造带柯19-11井等4口井分别试验应用了国产SVD和斯伦贝谢POWER-V两种垂直钻井系统.通过现场应用证实了垂直钻井系统可有效控制井身质量,同时可大幅度地提高钻井速度；在高陡构造地层钻进中,可以有效地解决防斜和强化钻井参数打快之间的矛盾.     

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川东高陡构造上部地层倾角较大 (最高达 85°) ,其大倾角地层铅垂厚度一般在 15 0 0～ 2 5 0 0m ,岩性以泥页岩为主 ,该段钻井井斜控制难度大、钻井速度低。针对这一钻井难点 ,开展了钟摆钻具、偏轴接头、钟摆钻具带偏轴接头等防斜钻具结构的研究试验和对比 ,钟摆钻具带偏轴接头钻具结构在井斜控制相当的条件下钻压较其它防斜钻具结构有较大提高。通过在天东 85等井试验钟摆钻具带偏轴接头钻具结构取得了显著的经济技术效益。     

KQC系列空气锤在油田气体钻井中的应用

在油田气体钻井中使用KQC系列空气锤,解决了泥浆钻井在中硬以上地层中钻速慢、易井斜的难题。钻机通过钻杆对井底空气锤施加钻压和转矩,空压机产生的高压气体驱动空气锤钻头对井底岩石进行冲击,形成快速的旋冲式破岩钻进。这种破岩方式要求的钻压和转矩较低,有效地降低了井斜,减少井下事故的发生。现场试验表明,使用KQC系列空气锤钻井,平均机械钻速比泥浆钻井提高5倍以上,同时具备防斜和纠斜的能力。介绍了KQC系列空气锤的结构特点、工作原理、技术参数、台架试验与现场试验情况及空气锤钻进中应注意的问题。     

普光3井防斜打直技术

普光3井上部地层属于高陡构造，地层倾角大，极易发生井斜，地层可钻性差，憋跳钻严重，防斜打直是上部地层施工的难点。该井在施工过程中应用了钟摆钻具组合、大尺寸钻铤组成的塔式钻具组合和螺杆钻具组合。应用效果表明，钟摆钻具组合在表层钻进时，防斜打直要求钻压很小，因此制约了钻井速度；大尺寸钻铤塔式钻具组合防斜效果较好，匹配合适的钻井参数并优选钻头，则能有效提高钻井速度；螺杆扭方位钻具组合是一种较积极的防斜打直措施，有必要进一步探索。