VertiTrak垂直钻井工具在川西地区的应用性研究

时间：2024-07-28

杨炳祥李榕江波

（1.中国石化西南油气分公司川西采气厂，四川德阳 618000；2.中国石化西南石油工程有限公司四川钻井分公司，四川德阳 618000；3.中国石化西南油气分公司工程技术研究院，四川德阳 618000）

0 引言

常用的塔式钻具、钟摆钻具、满眼钻具、导向钻具等均属于传统的直井段防斜打快钻井技术，不能满足深井、超深井和复杂结构井直井段垂直钻井的要求，尤其不能满足在高陡构造与大倾角等易斜地层和自然造斜能力强的条件下钻垂直井的要求。垂直钻井系统在20世纪80年代末已开始研究，并先后开发出了不同的工具，即依据可靠的旋转导向技术在旋转钻进时进行连续性的井斜控制，改变了以前严格控制钻井参数的方式，有助于减少套管层次和套管尺寸、提高机械钻速、减少钻柱事故，确保了井眼垂直和最大限度地提高钻速。

国内在现场应用的防斜、纠斜工具主要是Bak⁃er Hughes公司的VertiTrak垂直钻井系统，Schlum⁃berger公司的PowerV自动垂直钻井系统、哈里伯顿公司的V-Pilot垂直钻井系统等国外工具［1-5］。2005年PowerV垂直钻井技术在黑池1井的应用结果显示，平均机械钻速提高147.30%，同时使用Power V垂直钻井技术期间节约成本474 451元［6］。由于川东北地区上部陆相地层岩石可钻性差，地层倾角大，井身质量控制难度大，2007年川东北探区累计使用VertiTrak垂直钻井技术2 958.12 m，累计纯钻时间1 327.67 h，平均机械钻速2.23 m／h，比川东北探区2003-2007年泥浆钻平均机械钻速1.22 m／h提高了82.79%［7］。

川西地区岩石具有软硬交错频繁、地层研磨性强、高温、高压等地层特点，导致井身质量差、机械钻速低、井下复杂情况多，严重影响了钻井速度的提高。垂直钻井工具有自动防斜、纠斜功能，适用于硬地层中大钻压钻进，能有效控制井身质量，提高机械钻速。为了实现川西上部地层防斜打直，寻求提高井身质量和钻速的钻井技术方法，引进的VertiTrak、V-Pilot垂直钻井系统先后在川西复杂深井，如新209井、新场6井、川科1井等井的钻井施工中获得良好应用，在一定井深和井眼尺寸范围内有效地控制了井斜变化，并达到比较理想的机械速度。笔者对比分析了垂直钻井系统在川西的应用情况，并深入研究了垂直钻井工具在川西地区的适用性层位和钻井技术方法。

1 VertiTrak垂直钻井系统

VertiTrak系统是综合了Auto Trak的导向执行机构、高性能的X-TREME马达及MWD实时上传技术的一种闭环垂直钻井系统。MWD控制短节由重力传感器、控制电路、涡轮发电机、脉冲发生器以及液压控制系统组成（图1）。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上传的数据包括井斜、温度、液压力、交流电压以及导向块的工作状况。

图1 VertiTrak系统的主要组成部分图

1）泥浆马达是BakerHughes公司新型高性能大功率的X-TREME系列马达。融合了Navi-Drill技术，输出功率比普通钻井液马达高60%。

2）导向执行机构的推力块相当于常规马达的近钻头稳定器，其伸缩由液压控制系统控制，通过控制阀将液压力传递到相应的推力块。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，可对预期降斜率的大小进行设定，范围在0.8°～1.5°／30 m。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。VertiTrak的优势：① 降低了扭转振动，减低了脱扣掉钻具的风险，降低了扭矩和摩阻，避免憋钻，钻具与套管的磨损最小，减少了总的机械损耗；② 释放钻压，提高机械钻速，缩短钻井周期；③ 降低成本，减少了钻井时间，“瘦”井眼比大井眼降低了破岩量、较低的钻井液费用和环保费用、较低的钻头费用、固井效率提高、可减少套管层数。

2 川西垂直钻井系统应用及效果分析

2.1 川西垂直钻井系统应用情况

2.1.1 新209井和新场6井垂直钻井系统应用情况

川西地区浅层蓬莱镇组600～1 200 m井段可钻性好，夹层多，以常规复合钻进提速易发生井斜。针对这一情况，新209井、新场6井在二开井段钻进中成功使用了贝克休斯VertiTrak（VTK）垂直钻井系统工艺技术，并配合高效钻头，实现了剑门关—遂宁组地层的高效快速钻进。具体应用情况对比分析如表1所示。

其中新209井是川西坳陷新场构造七郎庙高点的一口开发评价井，新场6井是川西坳陷孝泉—丰谷构造罗江构造南翼部署的一口定向预探井。

表1 VTK钻井技术应用效果表

新209井使用迪普DM741钻头在蓬莱镇组钻进效果比较理想，机械钻速较高，在遂宁组中由于有泥岩、粉砂岩夹层并且岩石含钙较高，导致钻头有比较明显的磨损。新场6井使用5刀翼结构DM852PDC钻头，钻头出井时基本无磨损，可继续入井使用，机械钻速比常规钻井方式有明显提高。充分说明垂直钻井系统配合4刀翼PDC钻头深水槽结构设计有利于清洗和冷却钻头，以防止钻头泥包，达到了快速破岩，提高机械钻速的目的，在蓬莱镇地层的钻进更具适应性，效果更好。

2.1.2 川科1井垂直钻井系统应用情况

川科1井位于四川盆地川西坳陷孝泉构造，设计井深8 875 m。一开完钻井深499 m，二开中完井深为3 200 m。在二开井段引入了VertiTrak垂直钻井系统，具体应用情况如表2所示。

川科1井二开钻遇地层为蓬莱镇组至须4段，井眼尺寸∅444.5 mm，裸眼井段大于2 800 m，地质方面，该地层砂泥岩软硬交错，夹层多、跳钻严重，下部泥页岩或砂泥岩易产生掉块，易塌、易卡，千佛崖组、白田坝组地层可能存在漏失，同时大尺寸井眼井斜控制困难，机械钻速难以提高。实际应用情况显示，垂直钻井系统应用井段平均机械钻速达到1.87 m／h。

2.2 川西垂直钻井系统效果分析

新209井、新场6井在蓬莱镇组地层分别应用了VTK钻井技术，从上述分析情况及表3可知，效果非常显著，成功实现了防斜打直的目的。

由表3可知，新209井与新场6井使用VTK垂直钻井系统的井段所得钻井技术指标，在井眼轨迹均得到良好控制的情况下，各项技术指标远远高于设计常规钻井方式的指标。新209井钻井周期缩短率为63.88%，台月效率提高170.69%，机械钻速提高188.13%，纯钻时间缩短率为65.55%；新场6井钻井周期缩短率为47.5%，台月效率提高83.57%，机械钻速提高100.5%，纯钻时间缩短率为51.63%。同时垂直钻井系统在川科1井应用井段平均机械钻速达到1.87 m／h，保证了川科1井二开大尺寸井眼的井身质量，为后续施工井段提供了良好的井眼条件。

表2 VTK钻井技术应用效果表

表3 新209井和新场6井VTK钻井技术指标对比分析表

由此在新209井与新场6井蓬莱镇组地层的钻进过程中，VTK钻井技术的成功引用不仅提高了机械钻速，还顺利将井斜控制在了1°以内，大大提高了井身质量，为后续井段作业提供了有利条件。

3 川西地区垂直钻井工具及井段优选

由于地质构造的不均衡性，川西地区不同构造带蓬莱镇组地层的厚度有所不同，四川盆地川西坳陷马井构造蓬莱镇组地层的厚度约为950～1 020 m，新场构造蓬莱镇组地层的厚度约为700～1 300 m、罗江构造蓬莱镇组地层厚度约为900～1 300 m。川西地区浅层蓬莱镇组地层特点是：岩性主要为泥岩，与粉砂岩含砾岩互层、软硬交错变化大、岩石渗透性强，承压能力低，泥岩水化膨胀易缩径，地压梯度变化幅度大，含多压力层系。该地层可钻性好，但是以常规复合钻进方法提高钻井速度易发生井斜，通常在该井段都会采用塔式钻具组合来控制钻压防止井斜及水平位移过大，但是效果都不是很好，平均井斜都会在2°左右，因此如何防斜打直同时保证井眼质量是影响川西中深井提速提效的关键因素。通过对比分析目前川西地区应用垂直钻井系统施工几口井的基本情况，可以得出，美国贝克休斯公司的 VertiTrak垂直钻井系统在川西蓬莱镇—遂宁组地层的垂直钻井使用过程中机械钻速提高的同时，井斜都能够很好地控制在0.5°以内，各项技术指标都取得了理想的效果。