滑动推靠式垂直钻井系统结构性能优化及应用

陶松龄，陈世春，徐明磊，黄 峰，汝大军，郭云鹏，马 哲，魏庆振

(1.渤海钻探工程公司 工程技术研究院，河北 任丘 062552；2.渤海钻探工程公司 工程技术处，天津 300457)

为解决高陡构造、断层与盐层等复杂易斜地质条件下的深井防斜打快难题，自动垂直钻井技术得到了快速发展。滑动推靠式垂直钻井系统，在纠斜过程中，近钻头处的推靠翼伸出，推靠井壁使钻头产生侧向切削力，具有侧向力大、降斜率高等优点[1-6]。此外，纠斜执行机构外部不随钻具一起旋转，井下振动小，推靠翼的磨损程度较低，纠斜效果好，在砾岩地层应用的效果更佳。因此，滑动推靠式垂直钻井系统得到了广泛的应用[7-10]。滑动推靠式垂直钻井系统主要分为脉冲传输及井下闭环系统2部分。根据脉冲传输机理，主要分为负脉冲、正脉冲及连续波传输3种。正脉冲信号发生器信号稳定，结构简单，是目前普遍使用的一种传输方式[11-12]。泥浆正脉冲发生器在塔里木油田进行了大量应用，但在大排量下的抗冲蚀性能差，在高密度钻井液、深井环境下存在信号衰减问题[13]；另外，滑动式垂直钻井系统，纠斜执行机构不随钻具旋转，在复杂地层及工况下，钻进过程中不可避免存在一定的托压。针对这些不足，对脉冲器阀座及主阀总成进行了结构优化，提高耐冲蚀性，增加控制阀的起始力和优选行程，解决信号衰减问题。根据施工井地质特性，采取了推靠翼尺寸规格及推靠力优选等措施，应用取得了良好的效果。

1 滑动推靠式垂直钻井系统脉冲器简介

1.1 泥浆正脉冲发生器结构

泥浆正脉冲发生器主要由控制阀总成及主阀总成组成，如图1所示。其中，控制阀总成包括线圈、外壳、阀芯、阀座总成等；主阀总成主要包括主阀扶正器、导杆、蘑菇头、护套及滤网总成等。

图1 泥浆正脉冲发生器结构示意

1.2 泥浆正脉冲发生器工作原理

滑动推靠式垂直钻井系统中的微控制器MCU，将井下各类传感器测得的数据按照既定的算法规则进行编码，产生一定时序的脉冲信号。该脉冲信号通过脉冲驱动电路控制脉冲器的控制阀阀芯上下动作，从而和阀座喷嘴之间的过流孔形成了开关状态。当过流孔关闭时，主阀蘑菇头的内部压力升高，迫使蘑菇头向上运动。蘑菇头上端位置的改变，导致其与外围的限流环钻井液流道变化，从而在钻柱内产生压力脉冲。压力脉冲被地面压力传感器感知到，然后通过接收器和计算机软件解码，将井下测得的数据实时显示出来。

1.3 脉冲器存在的不足

1) 遇大排量、含砂比高等井，脉冲器内部零件冲蚀严重，容易导致阀座喷嘴脱落、主阀导杆断裂等问题，影响了脉冲信号的传输，进而降低了系统的工作寿命。

在KS5-5井，采用垂直钻系统，钻井液的排量65 L/s，工作循环时间130 h后因信号消失而起钻。返修发现阀座总成喷嘴脱落。如图2所示，从脉冲器阀座总成应用前后对比可以看出，阀座在工作一段时间以后，内孔明显冲大，喷嘴槽冲蚀严重，导致喷嘴无法胶接在阀座上而脱落。因此，控制阀阀芯上顶后，无法封闭内部流道，导致信号传输失效。

图2 阀座总成应用前后对比

DB1401井,其中的一趟钻，钻井液排量62～65 L/s,工作循环105 h后，信号幅值突然减小，后信号微弱，无法解码而起钻。返修发现主阀导杆断裂，如图3所示。导杆断裂之后，一方面，信号可能直接消失，或信号幅值急剧下降，无法解码；另一方面，由于上部无限位，直接撞在上部硬质合金环上，很容易进一步引起蘑菇头碎裂，信号彻底消失。

图3 主阀导杆断裂情况

2) 高密度、高黏度钻井液，深井条件下，脉冲器性能不稳定。在BZ15井三开钻井过程中，钻井液密度2.18 g/cm3、黏度71 s，井深4 374 m，出现浅层测试信号正常，下钻到底无信号，起出至浅层信号又恢复的状况。

2 脉冲器结构优化设计

2.1 阀座总成结构优化

阀座总成主要由阀座和喷嘴组成。喷嘴通过过盈或高强度粘接胶固定在阀座上。通过对多井次阀座总成应用情况分析发现，阀座在长时间工作后，内孔冲蚀增大，而喷嘴材料采用硬质合金不易冲蚀，故阀座内孔与喷嘴内孔之间逐渐形成了1个台阶。原有的结构导致喷嘴没有支撑，完全依靠过盈或高强度粘接，形成较大的台阶后，胶接强度不足以抗衡流体对喷嘴的冲击力时，就会导致喷嘴下移或脱落。

鉴于此，对阀座总成结构进行了优化，如图4所示，采用加长型悬挂式喷嘴结构，将喷嘴悬挂在阀座内部的小台阶上，在喷嘴的下端同时抹上高强度的粘接胶。该结构一方面防止了阀座总成喷嘴脱落，另一方面也减少了阀座的冲蚀，使阀座能重复使用。

2.2 主阀总成结构优化

脉冲器主阀总成的不足，主要表现在主阀导杆在长时间工作后由于冲蚀而断裂，如图5所示。通过对主阀导杆应用过后的解剖发现，由于冲蚀，喷嘴下方导杆内孔均有不同程度的“大肚子”。由于内部结构及尺寸限制，该处壁厚是整个主阀导杆的薄弱环节。

a 优化前

b 优化后

图5 主阀导杆内部冲蚀

由于蘑菇头以2～3 min-1的频率沿主阀导杆做上、下往复运动，冲蚀到一定程度后，加剧了主阀导杆的断裂。

鉴于此，对主阀导杆及其喷嘴进行了结构优化。在内部尺寸限制，无法采用增加壁厚的情况下，采用加长型导杆喷嘴，将易冲蚀部位转移到壁厚更厚的部位，如图6所示。

a 优化前

b 优化后

导杆喷嘴加长之后，图5中所示“大肚子”部位得到保护，主要冲蚀部位向左转移，从而达到提高主阀总成工作寿命的目的。

3 系统性能改进

3.1 脉冲器控制阀总成性能改进

在深井、高密度钻井液条件下，信号传输性能不稳定的主要原因有2个方面。

1) 钻井液性能造成的信号衰减。钻井液中的固相会堵塞脉冲器内部通道，使主阀蘑菇头或控制阀阀芯行程不足；钻井液气泡的存在对钻井液的压缩性有很大影响，含气量大时会有较大的脉冲幅度衰减，甚至会造成地面监测不到信号[14]。另外，钻井液的黏度越高、密度越大，信号衰减幅度就越大，特别是在深井中监测困难。

2) 信号干扰。当钻井泵的吸入液流波动、钻井液中的气泡在上升过程中膨胀破裂，会形成一定的杂波，从而导致信号与杂波难于分离。

针对上述情况，一方面，提高钻井液性能，避免钻井液固相堵塞、减少气泡含量，从而减少外界引起的信号衰减和干扰；另一方面，优选脉冲器自身性能，从控制阀力学性能、行程上进行改进。针对高密度、高黏度钻井液，改进控制阀力学性能，提高其克服流体冲击上顶的速度和幅度，从而提高脉冲器的抗干扰能力。优化控制阀行程，太小会增大其克服流体冲击上升的难度，也会加快冲蚀的速度；太大会影响控制阀上行的速度，从而减小脉冲信号的强度。

3.2 系统部件工作参数优选

滑动推靠式垂直钻井系统，采用滑动式钻进方式，下部纠斜执行机构在钻进过程中不与钻柱一起旋转(或以极小的速率旋转)，而是相对稳定在某一固定的方位上并提供推靠力。该结构相比动态式(调制式)减轻了井下震动，能够使钻头钻出较为光滑的井眼，并且减轻钻具对套管的磨损，推靠翼的磨损程度低[15-16]，纠斜效果好。然而，在特殊复杂地层或工况，例如，泥页岩的吸水膨胀、盐膏层的蠕动、地质构造应力及断层引起的缩颈，砂岩泥饼、钻头保径磨损等，容易造成托压、挂卡。

针对这些情况，根据临井调研及当前地层地质特性，可优选系统推靠力及推靠翼尺寸规格，控制钻井参数、短起钻并修复井壁等措施，从而缓解滑动推靠式垂直钻井系统在复杂地层或工况下托压、挂卡等。

4 BZ11井现场应用

4.1 BZ11井概况

BZ11井是位于库车坳陷克拉苏构造带拜城断裂构造带南部的1口预探井，二开444.5 mm(17英寸)井眼，设计井段230～3 352 m。根据地质设计，钻遇地层西域、库车、康村及吉迪克组，康村组及以上地层岩性为中厚至厚层状杂色小砾岩、细砾岩、砂砾岩，局部夹薄至中厚层状含泥砾岩、粉砂质泥岩，进入吉迪克组之后，上部地层以泥砂岩为主，下部为不等厚砂质泥岩、灰质泥岩。

4.2 施工难点

1) 根据地质设计，二开230～350 m井段和530～1 700 m 井段，钻遇砾石层(地层倾角 18°左右)，长段砾石岩层的研磨性强，导致钻井过程中高频震动、跳钻，容易造成垂直钻井系统的机械部件疲劳，对电子零配件的抗振性能要求高。另外，高频的震动及较大的地层倾角对系统纠斜也是挑战。

2) 为了便于携岩，二开施工排量大(65～70 L/s)，对系统脉冲器零部件的抗冲蚀性能要求高。

3) 下部地层泥浆密度逐步增大，将面临深井高密度钻井液环境下的信号上传问题。

4) 350～530 m 井段准成岩段砾岩，为欠压实、压实过渡段地层，根据临井资料，地层坍塌风险大，容易卡钻。二开下部地层转为泥岩夹层、不等厚互层较多，钻进过程中易发生拖压、挂卡等复杂情况。

4.3 施工技术措施

1) 考虑到砾岩震动情况，在电路板及壳体之间增设减震柱，提升电路减震效果，同时根据测量的井下震动值合理调整优选钻进参数。钻具组合中要保证扶正器的尺寸，最多比钻头尺寸少2～3 mm，且扶正器的位置尽可能得靠近垂直钻井工具，以兼顾稳定井下钻具和纠斜效果。

2) 针对大排量钻进，泥浆对零部件的冲蚀情况，采用优化之后的脉冲器，提高其抗冲蚀性能。

3) 深井高密度钻井液下信号发出的关键是控制阀，首先要优选出起始力大的控制阀，保证能正常发出信号；其次控制阀动作响应时间要尽可能的短，行程要大且要满行程，确保脉冲信号幅值高，信号强。

4) 上部砾岩地层优选大尺寸推靠翼，以保证工具在井下有个较为稳定的工作环境，利于准确测量和提高纠斜效果。下部地层选择较小尺寸推靠翼及推靠力，减少在复杂地层及工况下拖压及挂卡情况。

4.4 现场施工概况

垂直钻井系统二开服务井段230～2 473 m。总进尺2 243 m,累计纯钻时间459 h，平均钻速4.9 m/h，出井井斜0.6°，满足井深2 000 m井斜≤1.5°的设计要求。

1) 钻具组合。444.5 mm(17英寸)牙轮钻头+垂直钻井系统+730*NC61 +228.6 mm(9英寸)浮阀+228.6 mm(9英寸)LDC×1根+ø443 mm扶正器+228.6 mm(9英寸)LDC×2根+NC61公*NC56母+203.2 mm(8英寸)LDC×12根+NC56公*520+149.2 mm(5英寸)DP。

2) 施工参数。钻压140～180 kN，转速80～90 r/min，转矩3～11 kN·m，排量65～70 L/s。

3) 详细施工情况如表1所示。

表1 BZ11井施工参数

4.5 应用效果分析

1) 优化后脉冲器性能稳定。该井第2趟钻井时间347.5 h，在排量70 L/s工况下，工作循环时间258.5 h，单根工具累计进尺1 356 m，工具出井依旧有信号，创造该垂直钻井系统在砾岩地层单根进尺记录。结合后期BZ1201井及BZ1501井应用情况(如表2)，其中，BZ1201井创该系统单根入井时间、工作循环时间在塔里木应用2项记录。应用结果表明，脉冲器的结构优化取得了较好的效果。

表2 单根工具应用情况

2) 垂直钻井系统部件工作参数优选取得了较好的效果，尚有一些不足。使用了5套系统，其中4套系统钻井过程中基本无拖压、挂卡，整体上系统工作参数优选取得了较好的效果。但第3套系统面对复杂地层，拖压较为严重。通过分析，主要有2个原因：①该井段实钻显示为吉迪克组上部地层，岩性相比上部地层存在较大的变化，主要为含泥砂岩，渗透性好，在井壁容易形成较厚的泥饼，同时砂质泥岩、灰质泥岩夹层较多，井壁存在一定的吸水膨胀；②选用的推靠翼尺寸相比上根系统偏大，综合两者影响造成了第3套系统拖压、挂卡偏多。

3) 钻井液密度达到1.6 g/cm3，深度超过2 400 m，信号一直强劲有力，没有出现因信号衰减，使地面设备无法解码，或是信号发不出来的情况。

4) 机械钻速快，达到了释放钻压，防斜打快的目的。总进尺2 243 m,平均机械钻速4.9 m/h。相比临井使用常规钟摆钻具、MWD+螺杆及西方公司动态推靠垂直钻井系统，在岩性相近的情况下，机械钻速有较大的提高，如表3。

5 结论

1) 优化后的滑动推靠式垂直钻井系统，在BZ11井二开应用成功，单套系统入井时间347.5 h，在排量70 L/s左右工况下，循环时间258.5 h，单根工具累计进尺1 356 m，出井后工具依旧有信号，表明脉冲器阀座及主阀总成的结构优化取得了较好的效果。

2) 在山前高陡地质构造，应用滑动推靠式垂直钻井系统，能够达到释放钻压，防斜打快的目的。BZ11井二开服务井段230～2 473 m，平均机械钻速4.9 m/h，出井井斜0.6°，相比常规钟摆及螺杆钻具具有显著的优势。

3) 采用滑动推靠式垂直钻井系统，在BZ11井、BZ1201井等砾岩地层应用，系统入井时间多次突破300 h，表明滑动式垂直钻井系统能够减少震动造成的系统损伤，在砾岩层段应用具有显著的优势。

4) 优化滑动推靠式垂直钻井系统的推靠翼规格及推靠力，能够极大地缓解复杂地层及工况下的托压、挂卡情况。但是，仍需提前对地层岩性、泥浆性能做出准确评估，进一步细化措施。

表3 几种垂直钻井工具的机械钻速对比