VTK垂直钻井技术在川东地区的应用

2011-09-13卓云张杰王天华刘良荣李崇模黄柯陈涛

天然气工业 2011年5期

关键词：沙溪庙肋板井眼

卓云张杰王天华刘良荣李崇模黄柯陈涛

川庆钻探工程有限公司川东钻探公司

VTK垂直钻井技术在川东地区的应用

卓云张杰王天华刘良荣李崇模黄柯陈涛

川庆钻探工程有限公司川东钻探公司

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。

四川盆地东部高陡构造易斜地层垂直钻井防斜打快机械钻速侏罗纪早三叠世

四川盆地川东地区上部侏罗系沙溪庙组—下三叠统嘉陵江组地层处于褶皱强烈、断层发育、地层陡峭的构造复杂带,钻井过程中极易发生井斜,井眼轨迹不稳定。特别是沙溪庙组、自流井组、须家河组、雷口坡组等岩性组合复杂,岩性软硬交替频繁的地层造斜率强、规律性差,井斜和井眼轨迹控制难度很大,属于典型的易斜地层[1-6]。采用常规的防斜技术虽能防斜,但因钻井参数受限,特别是钻压受到较大限制,严重影响了机械钻速的提高。而上述易斜井段长,单井厚度一般在2 500 m左右,占全部井段的1/3～1/2,该井段的钻井速度缓慢,严重制约了川东地区整体钻井提速。

针对川东地区易斜地层的地质特点与钻井难点,在川东地区2口井易斜地层进行了VTK垂直钻井技术进行防斜打快钻井试验,取得了预期的效果。天东004-X3井在沙溪庙组—自流井组钻获进尺1 255.26 m,平均机械钻速为3.56 m/h,为该井常规钻进采用轻压吊打时的3.375倍;板东006-H1井在沙溪庙组—须家河组钻获进尺973.48 m,平均机械钻速3.61 m/h,比板东6井常规钻井提高60%。该技术的成功应用,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、进一步提高川东地区钻井速度,摸索出了一条新途径。

1 VTK垂直钻井技术介绍

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(AU TOTRA K)、高性能X-TREME马达、可靠的随钻测试(MWD)等3种技术而开发出来的一种闭环自动垂直钻井系统,可以钻出像枪管一样笔直的井眼。钻进时当MWD重力传感器(距离钻头10 m)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3 t的作用力以对抗这一趋势,同时MWD传送实时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。这一过程全部自动完成,不需要任何人为干预。

VertiTrak最大降斜能力可以达到1.5°/30 m。通过选择欠尺寸扶正器在钻具组合中的位置及扶正器外径的大小,可以对预期降斜率的大小进行设定,范围介于1.5°/30 m～0.8°/30 m之间。在钻进时通过调整钻压、排量等技术参数也可以对降斜率做适当的微调。

VTK垂直钻井技术主要用于高倾角地层、断层及破碎地层、盐膏层及盐层。该系统具有以下优点:①井眼光滑;②摩阻或扭矩小,减少钻具磨损,降低钻具扭断落井风险;③可以有效降低对套管的磨损;④在高倾角地层应用中,解放钻压、提高钻速,有效缩短钻井工期;⑤能够有效控制井斜,保持井眼垂直。

V TK垂直钻井的典型钻具组合:钻头+V TK工具+单流阀+滤网接头+欠尺寸扶正器+减震器+钻铤+震击器。241.3 mm V TK工具适用于Ø311.2～Ø711.2 mm井眼;工具排量介于33～73 L/s,有2种排量类型以适应不同的应用环境——正常排量(33～58 L/s)与高排量(50～73 L/s);工作模式也有两种——钻进工作模式与划眼工作模式,可以通过控制开泵后2 min内的排量来进行设定。

V TK系统由MWD系统、高性能马达以及肋板等3部分组成。MWD系统由重力传感器、控制电路、涡轮发电机、脉冲发生器以及液压控制系统组成。MWD系统的工作原理:涡轮发电机给整个系统供电,并同时驱动液压泵;MWD通过重力加速度计监测井眼的偏斜。液压控制系统通过控制阀将液压传递到合适的1～2个肋板上,使其在井壁上产生一个3 t的反作用力,从而使井眼回到垂直方向。MWD传输数据:井斜、温度、液压力、交流电压以及肋板的工作状况。泥浆马达采用的是贝克休斯公司最新高性能大功率的X-TREME系列的马达。肋板部分相当于马达上的扶正器。钻进工作模式下有1个或2个肋板在液压的作用下伸出;划眼工作模式下3个肋板全部收回。

2 VTK垂直钻井技术难点分析

1)地层倾角大,井壁不稳定,钻进中容易垮塌,危及井下安全及工具安全。特别是该工具价值几百万元,一旦损坏,经济损失巨大。

2)VTK工具转速高,钻头磨损加剧。VTK工具转速高(130～150 r/min),钻头磨损快,特别是钻进须家河组,地层研磨性强,易掉牙轮,使用时间有待摸索。

3)VTK工具水眼小,制约了对井漏等井下复杂情况的及时处理。V TK工具仅允许用浓度为3%～5%的SDL进行随钻堵漏。一旦发生井漏,特别是大漏,必须起钻下光钻杆进行专程堵漏。

4)滑动钻,钻具不转动,长时间静止,易与井壁泥饼形成黏附,产生“托压”。随着井深增加,裸眼段增长,“托压”现象更易发生。

5)VTK工具依靠肋板实现垂直钻进,滑动钻过程中肋板易损坏。

3 推行VTK垂直钻井技术应采取的对策与措施

1)维护好钻井液性能,强化抑制性,进入珍珠冲组前控制好失水量,保持井眼稳定,保持井底清洁;并根据井下情况及时调整钻井液性能,合理控制钻井液密度。这样做既保证了井下安全,又有利于提速。每次起钻前用稠浆循环举砂,然后视情况,用泵带单根起钻,下钻再处理井壁掉块,以减少复杂处理时间、降低卡钻风险[7-10]。

2)优选高效长寿命钻头,寿命尽可能与V TK工具一次入井使用时间相当,有条件的地方尽可能使用高效PDC钻头;使用牙轮钻头的井尽可能选用适合高转速的钻头,同时根据地层以及钻速的变化,正确判断钻头在井下的使用情况,增加牙轮钻头在井下的有效作业时间。

3)发生井漏后,根据漏速大小,采取相应措施处理。如漏速小(10 m3/h以内),可进行随钻堵漏;如遇大漏,则需要起钻堵漏,不漏后将桥塞物清理干净,才能重新下VTK钻具,恢复钻进。对长段低压易漏井,因井漏频繁且漏速大,不仅需要起钻堵漏,难以连续、有效发挥提速优势,而且还会大大增加中途等待费用,所以不宜使用该技术。

4)强化钻井参数,使VTK快速钻进优势充分发挥。通过该工具解放钻压后,钻井参数的配套与强化,是该技术优势得以充分发挥的保证——充足的泵排量,使螺杆高速运转,并保证井底干净,避免重复破碎,提高机械钻速。同时,钻压跟上,更能发挥其提速优势。保证双泵排量介于50～55 L/s,钻压介于24～25 t,确保各钻井参数达到设计技术要求。适当控制泵压(保持在20 MPa以内),减少修泵时间,提高纯钻时

效[11-13]。

5)滑动钻与复合钻交替进行:初期钻进中,一根单根滑动钻,一根单根复合钻;后期钻进中,尽量多采用复合钻,少采用滑动钻。这样做既控制了井斜,又避免了“托压”。同时,强化钻井液的润滑性和流变性,减少黏附机会,避免“托压”。随着井深逐步增加,建议适当放开井斜控制,进一步减少滑动钻的井段。

6)防止误操作,损坏肋板。在滑动钻与复合钻工作模式转换的过程中,要加强信息沟通,确认肋板完全退回后,才能转动转盘,防止误操作损坏肋板。

4 现场应用情况及效果

4.1 天东004-X3井

4.1.1 基本情况

天东004-X3井设计井深为5 456 m,完钻层位为石炭系,出露地层为沙溪庙组,井口附近地层产状为倾向130°、倾角65°,实钻估计倾角达80°。该井钻至井深4 00 m下Ø339.7 mm套管固井。在Ø444.5 mm井眼中,采用15 t钻压钻进,增斜趋势明显,钻至井深123 m,测深116.57 m,井斜1.4°,降压至12 t,钻至井深241 m,测深235.6 m,井斜2.7°,继续降钻压至10 t,钻进至354 m,测深351.50 m,井斜3°。由于实钻钻压较低,444.5 mm井段钻速仅为1.90 m/h。

4.1.2 钻井液使用

该井钻井液使用情况如表1所示。

表1 天东004-X3井钻井液使用情况表

4.1.3 井斜控制

天东004-X3井地层倾角达81°,在沙溪庙组—自流井组井段使用VTK技术,从井深415.44 m到井深444.61 m,顺利将井斜从2.7°降到0.98°,较快地实现了井眼轨迹的平稳降斜。纠斜任务完成后,正常钻压钻进过程中实现了稳斜防斜。最高钻压达25 t,井斜均在1°以内,实现了全压钻进。

4.1.4 钻井简况

沙溪庙组地层从井深415 m开始使用VTK工具钻进,钻至井深1 672.66 m,进入须家河组30 m后结束VTK垂直钻进。共钻进25 d,钻进进尺为1 255.30 m,纯钻时间为343.50 h,平均机械钻速为3.56 m/h,比常规钻井提高64%;行程钻速50.2 m/ d,比天东030-1井同井段节约52 d,比天东026-2井同井段周期节约23 d。

4.2 板东006-H1井

4.2.1 基本情况

板东006-H1井井口地表出露沙溪庙组,实测地层产状为倾向131°、倾角18°,地层倾角不大,但实钻显示,该井上部沙溪庙组—雷口坡组地层仍然有较强的造斜趋势。该井采用Ø339.7 mm套管下至井深404.47 m。用Ø311.2 mm钻头,钟摆钻具第二次开钻,用18 t钻压钻至井深434.09 m,井斜1.8°,逐步降低钻压至10 t,井斜逐步增大至4.08°(井深733.67 m),采用轻压吊打技术井斜增加明显,控制难度较大。4.2.2 钻井液使用

该井钻井液使用情况如表2所示。

表2 板东006-H1井钻井液使用情况表

4.2.3 井斜控制

板东006-H1井地层倾角为18°,在沙溪庙组—须家河组井段使用VTK技术(井深743.81～801.01 m),顺利将井斜从4.08°降到1°以内,较快地实现井眼轨迹的平稳降斜。纠斜任务完成后,正常钻压钻进过程中实现了稳斜防斜。最高钻压达25 t,井斜均在1°以内,实现了全压钻进。

4.2.4 钻井简况

从自流井组地层从井深743.81 m开始使用V TK工具钻进,钻至井深1 672.66 m进入雷口坡,结束VTK垂直钻进。共钻进18 d,钻进进尺973.48 m,纯钻时间270 h,平均机械钻速为3.61 m/h,比板东6井提高60%;行程钻速为54.08 m/d,比板东6井钻井周期缩短9 d,节约30%。

5 认识与建议

1)分别在川东地区的高陡构造、低倾角构造的沙溪庙组—须家河组地层完成了VTK防斜打快钻井试验,试验取得了成功: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;纠斜任务完成后,正常钻压钻进过程中实现了稳斜防斜;最大钻压达25 t,井斜角完全控制在1°以内,大大解放了钻压。使用VTK技术,提速效果明显。在沙溪庙组—须家河组使用VTK工具后,钻压提高1倍,平均机械钻速提高50%～60%。

2)井队机泵条件基本能满足垂直钻井作业的要求。井队按照甲方要求配备了满足VTK工艺要求的相应工具,主要是减震器、扶正器。在钻具上加减震器,可减少钻具疲劳破坏,同时可改善钻头在井底的工作状况。

3)VTK垂直钻井技术降低了钻具转速,能有效地保护钻具,减少套管磨损。

4)钻井液性能是保持井眼稳定,井底清洁的关键因素。要根据井下情况及时调整钻井液性能,合理控制钻井液密度,维护井壁稳定,保证井下安全,保证工具安全。

5)VTK工具转速高达130～150 r/min,加剧了钻头磨损,特别是须家河组地层,研磨性强,易掉牙轮,其有效使用时间有待进一步摸索。建议优选高效长寿命钻头,寿命尽可能与V TK工具一次入井使用时间相当。

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