垂直钻井技术在塔里木油田的应用.doc

垂直钻井技术在塔里木油田的应用塔里木油田分公司塔里木盆地山前高陡构造地层倾角大多在15-80，防斜与打快的矛盾十分突出，一直以来是制约油田勘探开发的一大瓶颈。到2004年底，塔里木油田在山前构造共钻井64口，上部(3500米以上)大井眼高陡构造地层平均机械钻速只有2.27米/小时，平均周期100余天，大大低于全压钻井速度，是制约勘探进程的第一大技术难题。从93年从东秋5井钻井的钻探开始，针对高陡构造防斜打快技术难题进行了持续不断的技术攻关和试验，逐步摸索出了一些适合塔里木山前地层特点的防斜打快技术，主要有：钟摆防斜技术、偏轴防斜打快技术、短保径PDC钻头防斜技术、定向反扣技术、井下动力钻具配高效钻头防斜提速技术。一、塔里木油田常用防斜打快技术1、满眼防斜、钟摆纠斜技术。一种最常用的防斜技术，在塔里木应用较为广泛，获得过较好的效果，应用的关键是需在相对平缓的地区、地层可钻性好、井眼稳定、井壁规则的井段与PDC钻头配合使用。如：依南4井在311.2mm井眼229-1285m井段(地层倾角75-55)使用PDC钻头，钻压6-12t,进尺1056m，均钻速1.94m/h，控制最大井斜1.9/449m。存在问题：其防斜、纠斜能力有限，难以解放钻压，严重影响机械钻速。2、井下动力钻具配高效钻头防斜提速技术。利用钟摆钻具组合的防斜特点，结合井下动力钻具高转速的特性，加上长寿命、高转速的PDC钻头，辅之以转盘钻进，是目前山前大倾角地层防斜打快的较常用技术，应用该技术既能解决井斜问题，又可以大幅度提高钻速，是降低钻井综合成本的有效的途径之一。井下动力钻具+PDC钻头在塔里木油田复杂深探井中的应用情况井号井眼尺寸(mm)钻井方式井段（m）进尺（m）井斜控制平均钻速(m/h)克拉203311.1244.5mm螺杆+G5351767-287811113.40-4.104.25转盘+G535642-9703464.10-3.803.05克拉203311.1254mm减速涡轮+G535970-13734033.80-504.32转盘+G535642-9703464.10-3.803.05依南5311.1254mm减速涡轮+G545D2054-22712170.90-2.6403.75顶驱+HJ5172035-2054190.60-0.900.79秋参1311.1240mm涡轮+G535D2187-25543672.50-2.803.05转盘+牙轮2023-21771545.80-2.800.57克拉204311.15254mm减速涡轮+G535D1498-197547730-2.53.84转盘+牙轮及G545U1975-22682932.502.17 依南3215.9175mm涡轮+B4311387-15882012.50-2.803.43转盘+B431及HJ5171588-18252372.80-301.71存在问题：在软-中硬地层使用效果明显，针对硬-极硬地层，钻压增加幅度有限,将很难发挥作用，而且在大尺寸井眼（171/2），由于工作扭矩大，现有的井下动力钻具很难满足井下要求。3、定向反扣纠斜技术。该项技术的基本原理是用满眼或钟摆钻具组合按正常钻压钻进，当井斜接近超标时，采用定向反扣的方法将井斜降至1-2，形成降斜趋势后，再用满眼或钟摆钻具组合钻进，如此反复，达到防斜打快的目的，该方法在依深4井1000-2300米井段使用效果良好，与邻井相比可提高机械钻速50%以上。存在问题：该方法需在掌握地层特性的基础上使用，需使用定向服务，使用井段长后，影响井身质量，钻进后期扭矩大，有潜在风险。4、偏轴防斜打快技术。需针对不同的地层特点设计偏轴钻具组合，以及与此相匹配的钻井参数，经过计算，偏轴钻具组合的降斜侧向力很小，因此只能防斜，现场试验也证实了这一点，而且仅对于121/4井眼具有一定的使用空间。存在问题：对钻具的损害大，而且该套钻具组合不加扶正器，对于一些特殊地层的下套管作业存在风险，此外由该套钻具组合钻成的井眼再换其它钻具组合将很难下入。5、预弯曲动力学防斜打快技术。近2年来塔里木油田开展了预弯曲动力学防斜打快技术的研究，在古城2井应用获得初步效果。从井深3115m至3166m，定向降斜钻进，井斜从4.1降至1.35，再采用转盘复合钻进至3380m，井斜增加至3，进尺为264.5m,平均增斜率仅0.62/100m，在如此大倾角的地层中钻进，效果较为理想。经过多年的攻关和现场试验，综合经济技术评价，我们认为以下两项技术更适合塔里木盆地大倾角地层防斜提速：1、大钟摆钻具组合+井下动力钻具+高效PDC钻头2、垂直钻井系统二、PowerV垂直钻井系统简介PowerV是一套“全自动化”旋转导向垂直钻进工具，在钻进时会自动追踪地心引力 (自动感应井斜)，自动设定和调整工具侧向力，使井眼轨迹快速返回垂直状态。这是一个全自动重复的过程，在高陡构造地层钻进中，有效的解决了防斜和加大钻压之间的矛盾，可大幅度的提高钻井速度。PowerV系统的组成：主要有三部分组成控制器（CU）工作原理控制器（CU）是PowerV的大脑，指挥中枢，开泵后，发电机发电，测量系统测量出井底的井斜角和方位角，然后按照地面工程师的要求把其内部的电子控制部分固定在某一个方位上(即高边工具面角)，从而实现无论钻柱如何旋转，控制器内部的控制轴始终对准在需要的方位上。如果需要调整控制轴的方位角，可以由地面工程师给控制器发送命令，方法是：按照一定的时间编排方式，在不同的时间开不同的工作排量，控制器内部的传感器探测到这个排量的变化后，由其内部的程序对其进行核对，如果与预先设定的某个指令吻合，就开始执行这个新的工作指令。偏置系统（BU）：一个纯机械执行装置，下接钻头，上接控制器，主要由三个伸缩块和一个钻井液导流阀组成。伸缩块的伸缩由钻井液导流阀控制。加长短节(ES)：加长短节内部装有一个钻井液滤网，主要目的是为了让进入推力块的钻井液保持清洁。PowerV的降斜指令PowerV设置了81个控制指令，其中有5个指令是180工具面的降斜指令，塔里木油田全部使用了这5个降斜指令，分别为20、40、60、80、100高边“拍击”。指令传送的脉冲信号示意图所谓20高边“拍击”即指钻柱旋转过程中，pad有20的时间伸出拍击高边产生降斜力。PowerV指令的发送是通过泵压的脉冲来实现的，脉冲有一定的高度和宽度要求，即在规定的时间内必须完成排量的转换（泵压的变化），在塔里木油田使用的PowerV的脉冲排量为：低排量750gpm（140冲），高排量970gpm(180冲)，四个脉冲可以完成一个指令的发送，实现不同降斜指令的转换。三、PowerV在塔里木油田的应用情况2004年2月26日，PowerV垂直钻井系统首次在克拉2-3井入井试验。克拉23井使用情况：使用井段：350m-2600m地层倾角：15-30井眼尺寸：16钻具组合：16钻头+POWERV仪器+配合接头(731*NC61)+16扶正器+9无磁钻挺1根+9钻挺2根+配合接头(NC61*NC56)+8钻挺15根+8震击器+8钻挺2根+配合接头(NC56*520)+51/2钻杆钻井参数：钻压10-24吨，转速100-160rpmPowerV下井前井斜4.7，PowerV牙轮钻头钻至920m平均钻速7.5m/hr，井斜1，PowerV设定调到20%井斜开始增加，把设定调回40%井斜降至1之内，1515m2053m井斜开始增加至12，导致井斜控制失败，严重影响了井身质量。组合钻头类型井段（m）工具导向力状况实际使用效果（井斜）BHA1牙轮钻头350380100%4.07-2.4238041920%4.07-4.0741947760%4.07-0.5047793040%0.50BHA2牙轮钻头930106340%0.501063115820%0.24-1.111158120060%1.11-1.1612001251100%1.16-0.88BHA3PDC钻头1251148640%0.71486154440%0.7-1.301544162940%1.30-1.701629171440%1.70-1.501714179940%1.50-3.101799185540%3.10-4.60BHA4PDC钻头1855196340%4.60-7.801963205340%7.80-10.40BHA5、BHA6、BHA7和BHA8主要目的是降斜，基本采用100设置，力求全力降斜，但由于钻头不匹配或钻头事故，使得整个降斜过程失败。PowerV在克拉23井试验情况表PowerV在克拉2-3井使用失效的原因分析：1、现场服务工程师对地层增斜能力和pad降斜能力的匹配关系认识不足，将降斜指令设置在40%以下。2、钻具组合设计不合理，扶正器安放位置不合理。3、没有进行实时井斜监测，及时改变工具pad的降斜指令，没有及时发现PowerV的磨损。4、钻头选型不合理。克拉2-7井的应用情况使用井段：302m-2919m地层倾角：10-25井眼尺寸：16钻具组合：组合1(302m1550m)：16钻头+POWERV仪器+配合接头(731*NC61)+16扶正器+9无磁钻挺1根+9钻挺2根+配合接头(NC61*NC56)+8钻挺15根+8震击器+8钻挺2根+配合接头(NC56*520)+51/2钻杆。钻井参数:排量60-65升/秒，转速90-120rpm，钻压12-16吨。组合2(1550m2203m)：16PDC(G536) 钻头+POWERV 仪器+731*NC61母+16扶正器+NC61公*NC56母+8NMDC(MWD)仪器+8钻铤16根+8振击器+8钻铤2根+NC56公*520母+51/2钻杆。钻井参数:排量58-63升/秒，转速80-100转/分，钻压18-20吨。组合3(2203m2919m)：16(BD536) 钻头+POWERV仪器+731*NC61母+16扶正器+NC61公* NC56母+8NMDC(MWD)仪器+153/4扶正器+631公*NC56母+8钻铤19根+8振击器+8钻铤2根+NC56公*520母+51/2钻杆。钻井参数:排量5356升/秒，转速80100转/分，钻压1418吨。在克拉2-7井的使用过程中，上部井段PowerV系统的导向能力设置一般为60100，有较好的控制效果。而在深部地层，100的设置才能确保防斜和降斜效果。在PowerV系统使用过程中反复调整降斜指令，进一步说明了使用上的误区控制最大井斜4.990/424米（跳钻严重，仪器损坏）424-2919米井斜控制在2.5以内克拉2-7井井眼轨迹剖面图该井段由于钻头选型不合理，仪器故障多，纯钻时效低，共起下17趟钻，钻进65天，PowerV的作用发挥不明显。PowerV克拉2-8井的应用情况使用井段：344m2329m地层倾角：10-25井眼尺寸：16钻具组合：组合1：16PDC钻头+POWERV仪器+731*NC61母+16扶正器+NC61公*NC56母+9DC2根+153/4(或157/8)扶正器+631公* NC56母+8钻铤+8振击器 +8钻铤+NC56公* 520母+51/2钻杆组合2：16钻头配合接头配合接头9减震器9螺旋钻铤(2根)16扶正器9螺旋钻铤(1根)16扶正器9螺旋钻铤(2根)配合接头8螺旋钻铤(9根)配合接头51/2钻杆控制最大井斜1.830PowerV在克拉2-8井应用情况分析系统设置100降斜指令确保降斜钻头选型正确：经过改进后的型号为FS2663GB的PDC钻头，加装了高效的侧削齿和保径齿，有利于PowerV在快速钻进的同时保持有效的侧向力，使井眼保持垂直。克拉28井使用情况表井号综合日费（万/天）段长平均钻钻速(m/h)周期(天)周期节约(天)PowerV费用(万)成本节约(万)克拉2051024421.996000克拉2-31023253.06526.4332(含钻头)-68克拉2-71026172.66339.9625.21-226克拉2-81019857.22454219.54320PowerV在克拉2气田的应用效果对比2004年克拉2地区试验应用井进度对比（与kl205井）注：克拉24井基本未使用PowerVPowerV在八盘1井应用1、PowerV八盘1井16井眼使用情况使用井段：196m-2305m地层倾角：0-2300米40-60钻具组合：16PDC钻头+POWERV仪器+731*NC61母+16扶正器+NC61公*730+9减振器+配合接头(731*NC61)+16扶正器配合接头(NC61*630)+8浮阀+8MWD仪器+配合接头(631*NC61)+9钻挺2根+配合接头(NC61*NC56)+8钻铤12根+8柔性短节+8震击器+8钻挺2根+配合接头(NC56*410)+5加重钻杆15根。该井段使用MWD实施监测，仅用2只钻头，2趟钻，平均钻速4.98米/小时，钻井周期26天。2、PowerV在八盘1井121/4井眼的使用情况使用井段：3337m-3776m地层倾角：预测地层倾角40-60钻具组合：121/4PDC钻头+POWERV仪器+配合接头+121/4扶正器+配合接头+9减振器+配合接头+121/4扶正器配合接头+8浮阀+8MWD仪器+配合接头+9钻挺2根+配合接头+8钻铤12根+8柔性短节+8震击器+8钻挺2根+配合接头(NC56*410)+5加重钻杆6根PowerV系统在八盘1井的应用效果井眼尺寸井段（米）进尺(米)钻压(吨)平均钻速(米/小时)井斜控制备注16196-230521095-144.980.2-0.6PowerV组合121/42324-24381144-82.6512.5动力学防斜打快组合2438-26121746-71.912.5大钟摆组合2612-2680685-70.7936.4定向反扣2680-33376573-51.756.41.27大钟摆+螺杆3337-377643910-142.400-0.74PowerV组合八盘1井0-3776米地层倾角40-60。在16井眼使用PowerV垂直钻井系统，平均钻速4.98米/小时，钻井周期26天。与121/4井眼使用大钟摆+螺杆钻具钻井方式相比，平均钻速提高185%，钻井周期缩短45天，扣除46万美元服务费，节约综合钻井成本140余万人民币。PowerV在八盘1井应用相当成功。经过近一年在4口井的试验，逐步摸索出了PowerV的塔里木山前高陡构造的使用条件。四、PowerV的塔里木山前高陡构造的使用条件9POWERV使用参数参数钻压 36 ton工作扭矩 50,000 ft-lb排量3876 l/s转速 100 220rpm 井下压力124 Mpa井下温度125 泥浆含沙量 0.5 %Hematite 铁矿粉0%HCL 10% 浓度泥浆漏失材料 (LCM)颗粒度中粗以下上扣扭矩80,000 ft-lb63/4POWERV使用参数参数钻压 20 ton工作扭矩 16000 ft-lb排量23 41 l/s转速 60 200rpm 井下压力124 Mpa井下温度125 泥浆含沙量 0.5 %Hematite 铁矿粉0%HCL 10% 浓度泥浆漏失材料 (LCM)颗粒度中粗以下上扣扭矩26,000 ft-lb降斜指令：现场应用结果表明，在塔里木油田山前构造带，只有在100%降斜指令的工况下才能保证井斜控制效果。钻具组合：双稳定器稳斜钻具组合更能使PowerV系统具有很好的井斜控制效果。泥浆体系：PowerV系统可以适用于大部分泥浆体系，但考虑到对工具的冲蚀，对井下信息测量的影响，PowerV系统不能在硅酸盐泥浆和加铁矿粉的泥浆体系中使用。排量和压降：系统要求排量3860l/s的排量要求。钻头压降达到4MPa以上，再加上MWD需要2MPA的压降，因此，需要比常规钻具要多增加6MPA压降。钻井设备：要求循环系统的承压能力高，钻机设备性能要好，尤其是泥浆泵性能要好，配备三台泥浆泵。钻头选型：与地层匹配好，侧向切削能力强，对可能钻遇的砾石层要选用抗研磨性强的钻头。温度：低于150其它：垂直钻井系统必须和性能可靠的MWD一起使用，保证实时监测井斜，同时提供相关的扭转振动信息，监测底部钻具组合的工况，避免钻具组合处于恶劣的振动工况，从而确保PowerV系统的使用效果和安全性，准确判断起钻时机。五、2005年PowerV推广应用情况今年以来，塔里木油田加大了PowerV的推广应用力度，目前已在迪那101、迪那102、迪那2-3、克拉2-10、克拉2-11、克拉2-12、克拉2-13、克拉2-14、阿北1、英深1、西秋2 等11口井应用或正在应用。从应用的效果来看有好有坏，工具失效次数增多，使用寿命缩短，主要原因是Schlumberger公司仅只有4套工具在塔里木油田服务，维修维护跟不上，现场服务工程师水平参差不齐。迪那102井使用情况统计井段井眼尺寸进尺钻进时间平均钻速最大井斜起钻原因606944121/4338.0122:0015.364.97/943井斜增大，工具故障960121/416.112:107.435井斜增大，工具故障1787121/4827.3451:4016.011.76/1783井斜增大，工具故障1808121/421.253:206.385.38/1802井斜增大，工具故障1828121/419.263:006.426.80/1812井斜增大，工具故4348.2934:5010.006.28/1851井斜增大，工具故障22642808121/4543.7178:306.932.48/2265井斜增大，工具故障28512970121/4118.7723:355.041.42/2956井斜增大，工具故障31383587121/4449.5687:255.142.72/3158井斜增大，工具故障35873612121/424.377:253.291.99/3599井斜增大，工具故障37073840121/4133.2738:103.491.65/3827井斜增大，工具故障在迪那102井使用PowerV时间情况时间到井总时间入井时间纯钻时间井口组装测试时间等候时间968:30629:55352:0578:50259:45备注不包括井口组装测试时间包括换钻头时间包括使用钟摆钻具时间迪那102井使用PowerV工具累计进尺：28