国产垂直钻井系统在克深区块开发中的应用

2019-05-24郭志奇辛勇韩丹朱年涛

重庆科技学院学报（自然科学版） 2019年2期

郭志奇辛勇韩丹朱年涛

(中国石油集团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)

库车山前克深区块是中石油塔里木油田增储上产主力区块，地质条件复杂，高陡构造地层广泛分布，地层倾角大，自然造斜能力强，直井防斜打直与优快钻进的矛盾突出。高陡构造防斜打快技术一直是油气勘探开发研究的热点[1]。对于克深区块超过6 500 m的超深井，如果上部井段井斜超标，会导致机械钻速慢、井身质量差、频繁起下钻磨损套管等后果，极不利于安全钻井。垂直钻井系统是被广泛证明行之有效的防斜打快利器。为了进一步满足塔里木油田公司“提速、降本、增效”的要求，在该区块开发中引入了中石油西部钻探有限公司自主研发的国产垂直钻井系统，以保证上部井段井眼垂直，实现井身质量控制与低成本优快钻进目标。

1 垂直钻井系统结构及工作原理

西部钻探有限公司研发的XZ-CZ系列垂直钻井系统是机电液一体化钻井工具的典型代表[2]，其主要结构包括电源系统、测控系统和液压执行系统等子系统(见图1)。

根据系统控制原理(见图2)，应用该垂直钻井系统钻进时，泥浆发电系统为测控系统和液压执行系统提供电能。当测控系统检测到井斜已达设定的阈值时，即向液压执行系统发出指令，使该子系统中翼板在液压作用下将沿系统径向伸向井眼高边，作用于井壁，对系统施加反向作用力，从而在钻头处产生降斜侧向力，使钻头沿着纠斜方向钻进，以此产生降斜效果。

图1 XZ-CZ垂直钻井系统结构

如图3所示，XZ-CZ垂直钻井系统执行系统中的3个柱塞成120°夹角均匀分布[3]，通过不同数量柱塞伸缩产生的压力匹配使系统纠斜方向始终与井眼高边保持一致；而当井斜角低于阈值时，翼板收缩，钻头降斜侧向力消失。如此反复，在井下形成自动闭环控制系统，促使井眼轨迹始终趋于垂直方向，保证井斜在规定值内[4]。表1所示为Φ445 mm、Φ333 mm垂直钻井系统参数。

2 现场应用情况

XZ-CZ系列垂直钻井系统应用于克深区块6口井，分别是克深13井、克深8-10井、克深11井、克深508井、克深907井和克深131井。

Φ445 mm系统的累计进尺为17 823 m，累计纯钻时间为871.3 h，系统累计入井次数为40次。其钻具组合为“Φ445 mm钻头+XZ-CZ445垂直钻井仪器+Φ228.6 mm无磁钻铤+Φ444 mm稳定器+Φ228.6 mm钻铤×3根+Φ203.2 mm钻铤×8根+Φ203.2 mm随钻震击器+Φ203.2 mm钻铤×3根+Φ139.7加重钻杆×9根+Φ139.7 mm钻杆”。

图2 XZ-CZ垂直钻井系统控制原理

图3 XZ-CZ垂直钻井系统执行系统结构示意图

井眼尺寸/mm工具外径/mm工具内径/mm最大工作外径/mm最大侧向力/kN445/333*442/330*75/72*476/357*20.1抗拉强度/kN抗温/℃抗压/MPa工具总长/m控制精度/(°)4 000/2 100*12510550.1

*分子为Φ445 mm系统的参数，分母为Φ333 mm系统的参数。

Φ333 mm系统仅应用于其中的1口井(克深907井)，累计进尺为2 069 m，累计纯钻时间为734.6 h，系统累计入井次数为7次。其钻具组合为“Φ333 mm钻头+XZ-CZ333垂直钻井仪器+Φ333 mm扶正器+Φ228.6 mm螺旋钻铤×3根+Φ203.2 mm螺旋钻铤×14根+Φ203.2 mm随钻震击器+挠性短节+Φ203.2 mm螺旋钻铤×3根 +Φ139.7 mm加重钻杆×14根+Φ139.7 mm钻杆”。

该垂直钻井系统应用于克深区块期间，各项性能稳定，信号传输正常，测斜纠斜能力得到进一步验证。其应用情况如表2所示。

3 应用效果分析

Φ445 mm垂直钻井系统应用于克深区块6口井，平均机械钻速为4.67 m/h，控制井段最大井斜为1°。Φ333 mm垂直钻井系统仅应用于克深区块克深907井，平均机械钻速为2.82 m/h，控制井段最大井斜为0.9°。

同区块、同井深条件下克深901井应用的是国外同类型系统 —— Power-V系统，将其应用效果与XZ-CZ垂直钻井系统应用效果进行了对比。相比之下，应用XZ-CZ垂直钻井系统时，Φ445 mm井段机械钻速提高12.3%，Φ333 mm井段机械钻速提高44.6%，井斜控制效果与应用Power-V的效果相当。这表明国产垂直钻井系统综合性能已达到国外同类型产品水平。