塔里木博孜區塊超深井自動垂直鉆井難點與技術對策

滕學清，劉洪濤，李 寧，王天博，汝大軍，董 仁

（1.中國石油塔里木油田分公司油氣工程研究院，新疆庫爾勒841000；2.中國石油集團渤海鉆探工程有限公司工程技術研究院，河北任丘062552；3.中國石油塔里木油田分公司工程技術處，新疆庫爾勒841000）

隨著石油資源勘探開發的不斷拓展和深入，鉆進山前高陡構造、大傾角地層過程中易發生井斜，直接影響井身質量和鉆井速度。鉆井過程中的防斜打直一直是鉆井工程中的主要難題之一[1]，傳統的鐘擺鉆具組合和滿眼鉆具組合技術均采用輕壓吊打方式，鉆速均較為緩慢；隨著導向鉆井技術的快速發展與應用，垂直鉆井技術在傳統的防斜打快理論和技術基礎上也取得了較大進展。偏軸鉆具、柔性鉆井、螺桿鉆具等在現場逐漸進行了一些應用，但這些技術均屬于動力學防斜打直范疇，沒有抗地層造斜力的功能，對于高陡構造和強造斜地層，井斜控制效果難以得到保證[2-5]。自動垂直鉆井系統作為一種有效的防斜打直前沿技術[6-8]，在博孜區塊得到了廣泛應用，但針對礫巖地層鉆具抗振、鹽膏層防卡鉆和深井及應用高密度鉆井液井信號傳輸困難等技術問題，尚有一些不足。為了提高自動垂直鉆井系統的工作穩定性，達到防斜打直的目的，筆者開展了自動垂直鉆井系統組合水力加壓器的應用、電路板減振優化等方面的探索；針對自動垂直鉆井系統鉆進過程中的托壓等問題，提出了根據不同地質特征，采取優化系統推靠翼尺寸及推靠力等技術措施，現場應用后防斜打直效果較好。

1 自動垂直鉆井技術應用難點

博孜區塊位于塔里木盆地庫車坳陷克拉蘇構造帶克深斷裂構造帶，屬于典型的山前高陡構造，地層傾角大，自然造斜能力強[1-2]。該區塊的上部地層巖性多為礫巖，第四系到新近系庫車組、康村組，再到吉迪克組上部均以小礫巖、砂礫巖為主，可鉆性差，蹩跳鉆嚴重；吉迪克組下部主要為泥巖，之后廣泛分布古近系庫姆格列木群膏鹽巖和膏泥巖，地層容易縮徑，提高了鉆井復雜風險。根據該區塊的地質特征，采用自動垂直鉆井技術進行防斜打直主要存在以下技術難點。

1.1 高頻振動引起系統機械損傷

自動垂直鉆井系統鉆進礫巖地層時蹩跳鉆嚴重，振動幅度較大，頻繁的大幅振動容易造成系統內部零配件疲勞、偏磨。博孜區塊一些井前期應用垂直鉆井系統鉆進時，軸向振動最大達到15g（g為重力加速度，下同），周向振動最大達10g，多次出現因內部零配件疲勞斷裂而造成的系統動密封失效等情況，一旦動密封失效，鉆井液進入系統內部，電子電路就容易短路，整個垂直鉆井系統就不再工作；另外，高頻振動也容易造成電動機轉動不暢等問題，垂直鉆井系統由其內部液壓泵提供液壓能推靠井壁，產生糾斜的側向力，而系統的電動機轉動不暢，直接影響液壓泵的泵效，從而也影響系統用于糾斜的側向力。因此，博孜區塊上部地層使用自動垂直鉆井技術時，為了達到防斜打直的目的，首先要提高自動垂直鉆井系統在礫巖地層的機械抗振性能。

1.2 高頻振動引起系統電路失效

自動垂直鉆井系統一般包括井下閉環控制系統、供電及信號上傳系統[2]，2個系統中均有大量的集成電路，高頻振動對電路的抗振性能提出了極大挑戰。從博孜區塊前期的應用情況看，因為強烈振動導致的電路短路、斷路，引起信號上傳、井下測量失效，是造成整個系統失效的一個主要原因?？梢?，電子元器件及其線路的抗振性能是制約使用自動垂直鉆井系統防斜打直的關鍵因素。

1.3 礫巖地層對系統造成機械磨損

鉆進礫巖地層時經常出現推靠翼磨損嚴重、甚至推靠翼落井的情況，特別是動態式垂直鉆井系統的執行機構跟鉆柱一起旋轉，系統工作時振動大，推靠翼磨損嚴重[9]。由于推靠翼磨損和活塞密封遭到破壞，不能產生足夠的壓降，導致井斜失控。相對而言，鉆進礫巖地層時，垂直鉆井系統采用滑動推靠模式具有一定的優勢，其推靠翼能夠牢牢支撐井壁，工作更平穩[9]，防斜打直效果更好。

1.4 深井和應用高密度鉆井液井信號傳輸失效

博孜區塊深井、超深井鉆井過程中，為了解決井眼失穩、鹽膏層阻卡等問題和滿足平衡高壓鹽水層壓力的要求[10]，常采用高密度油基鉆井液，這對信號的發生及傳輸造成較大的困難[11]。如BZ15井，采用密度2.18kg/L 的油基鉆井液，下鉆至井底（井深 4374m）后測試系統無信號，起鉆至淺層進行測試，信號又恢復。信號上傳系統失效直接導致自動垂直鉆井系統不能實時監測井下動態，如井斜、系統導向壓力等。

1.5 出現托壓、掛卡等復雜情況

自動垂直鉆井系統的托壓、掛卡問題主要表現在泥頁巖的吸水膨脹、鹽膏層的蠕動等方面。博孜區塊上部地層多為礫巖，托壓現象不明顯，但在鉆進巖性變化的井段（如軟硬交錯等夾層、不等厚互層或下部泥巖段、鹽膏層）時，容易出現托壓現象，起下鉆也易掛卡。這一方面會影響機械鉆速；另一方面也容易引起井下故障，較大的提拉力、下壓載荷很容易造成系統零配件疲勞與失效。特別是應用滑動式垂直鉆井系統過程中，推靠翼始終牢牢支撐井壁[9]，糾斜效果更好，但相對更容易出現托壓、掛卡等復雜情況。

2 鉆井技術對策

在分析塔里木博孜區塊超深井應用自動垂直鉆井技術防斜打直面臨技術難點的基礎上，提出保證自動垂直鉆進系統防斜打直效果的技術對策。從自動垂直鉆井系統外界減振及自身抗振性能入手，解決鉆進博孜區塊上部礫巖時，鉆具振動大、糾斜難的問題；通過優化脈沖發生器控制閥的性能，克服深井、超深井脈沖信號傳輸的難題；根據不同層位的地質特性，優選糾斜執行機構推靠翼的尺寸及推靠力，從而在確保防斜打直的同時，緩解復雜地層或工況下的托壓、掛卡問題。

2.1 鉆具組合減振優化

鉆進地質條件惡劣的地層（如礫巖地層）時，整個鉆具會隨著鉆頭上下跳動而同步上下振動，從而在鉆具中產生較大的應力波，容易造成自動垂直鉆井系統內部機械及電子零配件損傷失效；另外，頻繁的振動也會導致系統的推靠翼不能有效推靠井壁，無法產生有效的糾斜側向力。鑒于此，進行了自動垂直鉆井系統組合水力加壓器的應用研究，利用水力加壓器的活塞吸收鉆頭產生的上下跳動，將剛性加壓變為液力柔性加壓，最大程度地吸收振動和鉆頭的沖擊，達到減振、釋放鉆壓的目的[12-13]，從而提高自動垂直鉆井系統的整體性能，形成穩定有效的推靠力，達到防斜打直的目的。

2.2 電路減振優化

自動垂直鉆井系統電路板的工作性能是確保防斜打直的關鍵，供電系統、測量系統和信號上傳系統任何一個環節出現故障，均有可能造成整個系統失效。

常規安裝工藝中，電路板直接用螺釘與短節電路板倉緊固，鉆井過程中井下振動極易使電路板上的電子元器件松動，直接影響電路板的正常工作，甚至破壞電路板的結構，造成電路板報廢。為此，對電路板進行了減振優化，采用減振橡膠柱等減振材料與短節電路板倉壁接觸。發生井下振動時，振動首先傳導至減振橡膠柱上，減振橡膠柱發生彈性變形，吸收部分振動能量，從而減輕井下振動對電路板的影響（見圖1）。

圖1 電路板減振優化Fig.1 Damping optimization of circuit board

2.3 超深井信號發生與傳輸措施

自動垂直鉆井技術防斜打直的核心是井斜控制及動態監測，需要信號上傳系統能夠實時監測井下動態。對超深井和使用高密度鉆井液的井而言，脈沖信號的發生與傳輸困難，地面設備有時難以監測，主要表現在3方面：1）相比低密度鉆井液，高密度鉆井液對控制閥閥芯的沖擊力更大，導致閥芯啟動時需要更高的起始力，當控制閥啟動力不能克服鉆井液沖擊力時，信號不能發生（見圖2）；2）隨著井深增加，脈沖信號受鉆井液性能、空氣包的影響，存在不同程度的衰減；3）脈沖信號受外界干擾，如鉆井泵工作狀態不平衡、鉆井液中存在氣泡，也會影響脈沖信號的傳輸[14-16]。鑒于此，一方面可通過優選控制閥磁性材料，提高控制閥的起始力，確保脈沖信號的發生；另一方面，可改變脈沖閥與限流環的組合方式，提高脈沖信號抗衰減、抗干擾的能力。

圖2 正脈沖發生器控制閥的結構Fig.2 Structural diagram of positive pulse generator control valve

2.4 防斜打直工藝優化

山前高陡構造廣泛應用自動垂直鉆井技術，相比于其他傳統防斜技術，其優勢主要在于釋放鉆壓、提高機械鉆速，自身能夠提供糾斜側向力、主動糾斜。然而，滑動式垂直鉆井系統的殼體不隨鉆具一起旋轉，推靠翼牢固支撐井壁，不可避免地會存在一定程度的托壓，雖能達到防斜打直的目的，但會降低機械鉆速，增大井下復雜風險。

針對上述情況，根據不同層位的地質特征和鄰井調研情況，優化了自動垂直鉆井系統推靠翼的尺寸和推靠力。鉆進博孜區塊上部礫巖地層時，鉆具振動大、防斜打直難度大，可適當增大推靠翼的尺寸和推靠力，確保能形成有效的糾斜側向力；鉆進軟泥巖、鹽膏巖等容易縮徑地層時，可適當減小推靠翼與井壁的接觸面積，減小推靠力，從而降低托壓、壓差卡鉆等井下故障的發生概率。另外，優選合適尺寸的穩定器，其尺寸一般比井眼小2～3mm，以確保倒劃眼時推靠翼的安全。

3 現場應用

BZ1501井是位于塔里木盆地庫車坳陷克拉蘇構造帶克深斷裂構造帶博孜區塊的一口評價井，一開井段 0～1000m，設計采用φ444.5mm 鉆頭鉆進，第四系地層傾角大，地層巖性主要為中厚礫巖，可鉆性差。0～198m井段使用常規鐘擺鉆具組合鉆進，井斜角0.6°，鉆井過程中跳鉆嚴重、機械鉆速低。針對以上情況，采用BH-VDT5000垂直鉆井系統組合水力加壓器進行鉆進，對電路板進行了減振優化，增大了推靠翼的尺寸和推靠力，以確保推靠翼支撐井壁，形成有效的側向糾斜力，達到防斜打直的目的。

3.1 施工情況

分別在 BZ1501 井 198～417 和 565～1000m 井段應用了BH-VDT5000垂直鉆井系統組合水力加壓器。第一趟鉆入井井斜角0.6°，鉆進30m后井斜角迅速降為 0.1°，該趟鉆進尺 219m，工作循環時間 96h，后因更換鉆頭起鉆。417～565m井段采用常規鐘擺鉆具鉆進，井斜角增至1.1°，井斜控制效果較差。更換為垂直鉆井系統后，井斜角迅速降為0.2°，至一開中完起鉆，該趟鉆進尺435m，工作循環時間185h，相比常規鐘擺鉆具，整個鉆進過程中蹩跳鉆明顯減輕，系統性能穩定。

3.2 應用效果分析

BZ1501井一開兩趟鉆采用了BH-VDT5000垂直鉆井系統，井斜角均控制在0.2°以內，累計進尺654m，累計工作循環時間 281h，平均機械鉆速 2.43m/h，起鉆前系統工作正常，整個過程中基本無托壓、掛卡情況。與該井采用常規鐘擺鉆具鉆進相比，防斜打直效果明顯。與前期BZ18井應用BH-VDT5000垂直鉆井系統相比，系統壽命更長、工作更穩定。

BZ1501井兩趟鉆的X軸振動基本集中在1.5g～2.5g，而BZ18井有大量的3.0g～4.0g及以上的振動。整體看，在地層巖性相近、鉆進參數差別不大的情況下，BH-VDT5000垂直鉆井系統組合水力加壓器進行施工，在一定程度上減小了振動。

BZ1501井采用自動垂直鉆井系統兩趟鉆完成一開施工，系統出井前工作正常；而BZ18井使用了9趟鉆，其中5次因為系統故障起鉆（見表1）。分析認為，主要是因為振動造成的電路故障，其次為推靠翼的尺寸不合適，造成鉆進托壓，提拉力、下壓載荷過大，導致系統動密封失效。

表1 BH-VDT5000 垂直鉆井系統應用對比Table1 Application Comparison of BH-VDT5000vertical drilling system

4 結論與建議

1）自動垂直鉆井系統與水力加壓器組合，對電路板進行減振優化，提高了自動垂直鉆井系統的抗振性能，緩解了振動對其的影響，從而延長工作壽命，實現了防斜打直。

2）博孜區塊礫巖地層應用滑動式垂直鉆井系統時，糾斜執行機構不隨鉆具轉動，能夠形成更有效的側向糾斜力，防斜打直效果較好。

3）滑動式垂直鉆井系統能夠在保證防斜打直的前提下，根據地層的巖性緩解其鉆進復雜地層及復雜工況下的托壓情況。但對于鹽膏層、軟泥巖等易縮徑地層，需要提前準確預判，其實際應用效果還需進一步驗證。

4）建議繼續開展 “工程地質一體化” 應用探索，拓展滑動式垂直鉆井系統在不同巖性地層的適用性。