捷联式自动垂直钻井系统现场试验研究

白立业，赵洪山，刘新华

（胜利石油管理局 钻井工艺研究院，山东 东营257017）①

自动垂直钻井系统用于我国南方海相、西部新区高陡构造及复杂地层，在防斜、提高机械钻速方面具有显著的技术优势［1－3］。目前，Baker Hughes公司的VertiTrak工具以及Schlumberger公司的Power V工具在国内这些地区的现场应用中效果良好。由于国外的自动垂直钻井工具只租不卖，依靠租用国外设备，成本昂贵且不易维护［4－7］。为了打破国外的技术垄断，有效降低钻井成本，研制出了具有自主知识产权的捷联式自动垂直钻井工具。经过现场试验、改进和完善，在贵州省普定县的安顺1井二开311.2mm井眼试验中取得了阶段性成功，该工具的稳定性、可靠性以及寿命等得到了进一步验证。

1 安顺1井工程概况

安顺1井是中石化勘探南方分公司在贵州省普定县部署的一口风险探井，设计井深5 600m，钻遇地层自上而下依次为三叠系的关岭组、夜郎组；二叠系长兴组、龙潭组、茅口组；石炭系黄龙组、摆佐组、大塘组；泥盆系独山组、舒家坪组。井深＜3 000m时，要求井底位移≤80m。

为了提高机械钻速，安全快速钻穿上部地层，该井二开802.00～2 100.25m井段实施了气体钻井，机械钻速得到提高，但是井斜从0.87°／795.42m 增大至了5.72°／2 033.77m。改用钻井液钻进至井深2 436m时，实测井底斜角为6.25°。为了实现快速纠斜并保证机械钻速，使用自主研制的捷联式自动垂直钻井工具。根据地质设计，该段地层为二叠系茅口组，地层岩性以灰色厚层块状夹中厚层生物碎屑灰岩、白云岩为主，局部含有燧石结核，可钻性较差，大钻压下钻进容易发生井斜，跳钻严重。

2 捷联式自动垂直钻井工具介绍

2.1 结构及工作原理

捷联式自动垂直钻井工具由捷联式稳定平台和防斜纠斜执行机构2大部分组成，如图1所示。捷联式稳定平台为工具的核心部件，由电源短节、测控短节和伺服短节3部分组成。防斜纠斜执行机构主要由盘阀组件和推靠组件组成［8－9］。

图1 捷联式自动垂直钻井工具结构

其工作过程为钻井液推动叶轮旋转，从而带动发电机工作，为测控短节和力矩电动机提供所需的电能；测控短节实时检测各种传感器信号并进行处理，向力矩电动机发送控制指令；力矩电动机接收测控短节的指令，实现对过流钻井液进行分配，通过钻铤内钻井液与环空钻井液的压力差，推动活塞推靠井壁，从而使钻头处获得反向作用力，进而实现有效防斜、纠斜。

2.2 技术参数（如表1）

表1 捷联式自动垂直钻井工具技术参数

3 现场试验

2012－01－11—23，在安顺1井开展了2套捷联式自动垂直钻井工具的现场试验。钻具组合为：311.2mm HJT537GK钻头×0.30m＋300mm垂直钻井工具（三翼肋）×7.25m＋731×730回压阀×0.49m＋229mm短钻铤（含机械测斜仪器）×2.60m＋229mm钻铤1根×8.61m＋308 mm扶正器×1.06m＋731×630转换接头×0.48 m＋203mm无磁钻铤1根×8.61m＋203mm钻铤8根×71.51m＋631×630屈性长轴×3.06m＋203mm随钻震击器×7.26m＋630×410转换接头×0.45m＋178mm钻铤6根×54.31m＋411×410旁通阀×0.49m＋127mm钻杆。

第1套工具试验井段2 436.00～2 518.37m，工作时间102h，进尺82.37m，平均机械钻速1.02m／h，井斜由6.25°／2 436m降到了2.22°／2 518m，降斜率约6°／100m；第2套工具试验井段2 518.37～2 610.79m，工作时间112h，进尺92.42m，纯钻井时间90h，平均机械钻速1.03m／h，井斜由2.22°／2 518m降到了0.25°／2 610m，降斜率约4°／100m。

试验期间，钻井液密度1.19～1.20g／cm3，排量45～50L／s，转盘转速45～60r／min，泵压16～20MPa。初始时施加钻压200～220kN，有跳钻现象发生，随后调整钻压180～200kN钻进。工具出井检测，表观正常，巴掌活动灵活，磨损均匀；拆检发现各部分基本完好，没有出现进泥浆部件损坏现象，工具工作时间达112h，寿命较以前大幅提高，2套工具均因钻头寿命到期、钻时慢起钻。试验结果表明：捷联式自动垂直钻井工具工作正常，结构可靠，能够满足现场的使用要求。

图2为利用多点测量井斜数据绘制出的安顺1井二开井斜随井深的变化曲线。由图2可以看出：在垂钻试验井段，井斜呈明显的下降趋势，并且降斜趋势均匀。

表2对捷联式自动垂直钻井工具试验前后几趟钻的施工情况进行了对比，可以看出：使用垂钻工具2趟钻的平均单趟钻进尺87.4m，平均机械钻速1.02m／h；与试验之后第1趟钻相比，在地层、钻头型号及纯钻时间等条件均一致情况下，机械钻速提高了25.9%，钻头进尺提高了18.3%。试验结果表明：使用自主研制的垂钻工具不仅收到了明显的纠斜效果，同时由于释放了钻压，使得钻头进尺与机械钻速大幅提高，钻井周期得到了有效缩短。

图2 安顺1井二开井斜角随井深的变化曲线

表2 捷联式自动垂钻工具试验前后效果对比

4 结论

1） 自主研制的捷联式自动垂直钻井工具具有明显的防斜、纠斜效果，能够完全释放钻压。在保证井斜控制的前提下大幅提高机械钻速，缩短钻井周期，有效解决了高陡构造及大倾角地层的防斜打快问题。

2） 在安顺1井的现场试验中，该工具纠斜效果达到6°／100m，纠斜趋势均匀。工具工作时间达到112h，拆检后无部件损坏，寿命较以前大幅提高，能够满足现场的使用要求。

3） 建议进一步加强311.2mm井眼用捷联式自动垂直钻井工具的现场试验工作，并研制适合不同井眼尺寸的垂直钻井工具。通过试验、改进与完善，提高工具的寿命、耐高温等性能，缩短与国外垂直钻井技术的差距。

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