VTK垂直鉆井技術在海拉爾油田的應用

楊麗晶

（中國石油大慶油田有限責任公司采油工程研究院，黑龍江大慶 163453）

VTK垂直鉆井技術在海拉爾油田的應用

楊麗晶

（中國石油大慶油田有限責任公司采油工程研究院，黑龍江大慶 163453）

海拉爾油田地層傾角大、地下斷層多、自然造斜能力強，采用輕壓吊打或彎螺桿糾斜方法，不能解決井斜等問題。為此，引進了貝克休斯的VTK垂直鉆井系統，同時優選了與其相適應的鉆頭、鉆具組合及鉆井液體系。該技術現場應用15口井表明，在易斜地層，可以有效控制井斜、解放鉆壓，全面提高機械鉆速。

海拉爾油田；垂直鉆井系統；地層傾角；井斜控制；機械鉆速

海拉爾油田屬復雜斷塊油田，巖性復雜多變，儲層橫向變化大。上部地層水敏性強，成巖性差；中部大磨拐河組地層傾角為20°～25°，南屯組含礫巖層，地層傾角為38°～45°，有些地層高達50°～60°，地層自然造斜能力強；下部以凝灰質火山巖為主，裂縫發育，斷層多。在該地區鉆井施工中極易發生井斜、卡鉆、磨損和井漏等事故［1］，防斜打快的矛盾十分突出，嚴重制約了鉆井速度的提高。根據統計，海拉爾地區已鉆46口井中，單井糾斜次數達每井2.5次，平均每1次糾斜損失2天。為了有效地控制了井斜，保持井眼垂直，解決井斜與鉆壓的矛盾［2-4］，引進了貝克休斯的VertiTrak垂直鉆井系統，同時優選了與其適應的鉆頭、鉆具組合及鉆井液體系。

1 VTK垂直鉆井系統

VTK垂直鉆井系統將Auto Trak閉環旋轉導向系統、高性能X-T REME馬達和可靠的 MWD三種技術集于一體，它可鉆出較為筆直的井眼［5］。鉆進過程中當井眼偏斜僅有0.1°時，井斜傳感器就會檢測到（距離鉆頭10 m），對需要克服的偏斜力，微處理器可進行計算，隨后啟動液壓部件，通過1～2個肋板向井壁施加3 t的作用力以對抗這一趨勢，同時MWD傳送實時井斜數據到地面系統以方便跟蹤和監測。當井眼完全垂直時，3個肋板全部伸出，并對井壁施加相同的力，使鉆頭居中，保持井眼按垂直方向鉆進，這一過程全部自動完成，不需要任何人為干預。該系統消除了意想不到的狗腿度和對礦層的影響，使井眼更規矩，下套管更容易，此外，還有完整的泥漿脈沖發生器，負責傳輸井眼傾斜和工具狀態的相關信息。

2 與VTK匹配的鉆頭優選

大磨拐河組，存在泥巖夾砂巖、泥質粉砂巖互層、軟硬交錯、造斜力較大問題，因此，為配合VTK使用，宜選擇高轉速的PDC鉆頭。通過對TH1654D、B425、MD9431鉆頭進行分析，認為B425、MD9431鉆頭轉速較快，但下入深度不夠，失效嚴重。而TH1654D型號的PDC鉆頭具有側向切削齒、脖柄短和刀翼受力均勻的特點，在防斜、控斜方面性能突出，該鉆頭配合VTK使用，取得了較好應用效果。它與B425、MD9431鉆頭相比，進尺平均增加11.5%，機械鉆速提高25.9%。

南屯組、銅缽廟組到布達特群，礫石、裂縫發育，斷層多，且泥、砂巖軟硬交替，可鉆性差、研磨性強，所以應選用牙輪鉆頭鉆進。通過對HJ437G、HA437、HJ517G、HJ537GK、SMD517牙輪鉆頭對比分析，使用HJ437G型號鉆頭出現斷齒較多，HA437型號鉆頭磨損嚴重，而 HJ517G、HJ537GK和SMD517在克服斷齒、磨損和適應轉速等方面應用效果都較好，特別是超高轉速SMD517型號的鉆頭，配合VTK系統使用，在這些層段取得了較理想的應用效果。優選后的牙輪鉆頭進尺平均增加11.7%，機械鉆速提高了25.8%。

3 鉆具組合優化

通過優化鉆具組合控制井眼軌跡，減少了井斜、卡鉆事故的發生。一開井眼為374.7 mm，井深一般在100～120 m，該層段巖石膠結疏松。優選的鉆具組合為塔式鉆具組合：φ374.7 mm鉆頭＋φ177.8 mm鉆鋌＋φ158.7 mm 鉆鋌＋φ127.0 mm 鉆桿。塔式鉆具組合的鉆鋌柱重心低、穩定性好，能產生較大的鐘擺減斜力，在松軟井徑易擴大地層可有效地控制井斜問題的發生。另外該組合直徑大、剛度大，與井眼間隙較小，也具有較好地防斜效果。二開優選的為垂直導向鉆具組合：215.9 mm鉆頭＋180 mm VTK＋165.1 mm鉆具止回閥＋214 mm螺扶＋177.8 mm雙向震擊器＋177.8 mm鉆鋌＋158.7 mm鉆鋌＋127 mm鉆桿。180 mm VTK垂直導向工具的使用，可控制易斜地層的井斜角，保持井眼垂直；214 mm螺扶配合VTK導向工具使用，可防止托壓、形成支點，一旦出現井斜，將產生降斜的鐘擺力；當鉆具遇卡時，可通過震擊器給卡點處向上或向下的強烈震擊力，使卡點松動，從而達到迅速解卡的目的。

4 鉆井液體系優選

海拉爾油田上部地層粘土礦物含量高；泥巖易膨脹強分散，且造漿嚴重，易形成泥環；中下部地層蒙脫石含量高、泥巖易吸水膨脹并造成井壁垮塌、嚴重掉塊等事故。因此，要求鉆井液具有極強的抑制性、防塌性和降失水性能。通過開展海拉爾油田儲層損害機理、儲層保護鉆井液體系等方面的研究，優選了新型兩性復合離子鉆井液體系，并配合VTK垂直鉆井工具，實現了較好的井身質量控制目的。新型兩性復合離子聚合物包被劑FA368和降粘劑XY28，在降低液體粘度的同時，可大大增強體系的抑制能力，使降粘和抑制性達到高度統一，其配方為：（4.0～5.0）%膨潤土＋（0.2～0.4）%純堿＋（0.8～1.0）%NPAN＋（0.2～0.3）%FA368＋（0.2～0.3）%XY28＋（1.2～2.0）%SPNH＋（0.8～1.0）%有機硅腐鉀＋（0.04～0.06）%KOH。

該體系用4.0%～6.0%的有機硅腐鉀水溶液維護處理，p H值低時，用0.04%～0.06%的KOH水溶液進行調整；粘度高時，用XY28水溶液進行處理。每鉆進300 m，加入 NPAN 100～200 kg、SPNH 300～500 kg、有機硅腐鉀200～400 kg和FA368 100～200 kg處理劑，以利于防塌、防卡和降失水。在進入目的層50～100 m前，加入瀝青質的軟性高效封堵濾失劑和足量稍硬性的超細碳酸鈣，加強泥餅的致密性，同時嚴格控制失水不大于4.0 m L，這既穩定了鉆井液的性能，降低了濾失量，又減少了固相顆粒侵入地層，并使產層的孔隙度和滲透率最大程度的不受影響。

5 現場應用效果

2009～2011年，VTK在海拉爾油田共應用15口井，主要用于解決大磨拐河組、南屯組等易斜地層。與鄰井糾斜后相比，15口井均取得了較好的控斜效果，平均井斜由2.74°降到0.47°，平均機械鉆速由4.51 m／h提高到7.68 m／h，與鄰井相比平均提高70.29%，大大地提高了機械鉆速，縮短了鉆井周期，具體情況見表1。

表1 海拉爾油田應用VTK系統情況統計

5.1 利用VTK主動控斜

在以往現場鉆進過程中，多數情況是已發現井斜，且要超出設計要求時，利用VTK系統進行糾斜，其最終后果是雖然井斜度很小，但狗腿度依然很大，井身質量差。而現在采取主動控斜方式，從易斜井段開始就應用VTK垂直鉆井系統，該系統入井2到3次就可以鉆穿整個易斜井段，打出較為筆直的井眼，這樣就充分發揮了VTK垂直鉆井系統的提速潛能。以烏33-1井和貝3-14井為例說明。

烏33-1井地層傾角較大，伊敏組至銅缽廟組地層傾角范圍為15.6°～45.2°。南二段井深為1 807～1 849 m，南一段井深為1 851～2 166 m，銅缽廟組井深為2 176～2 401 m，在井斜角2.0°時，就下入VTK垂直鉆井系統進行主動控斜，最終井斜角控制在0.1°，該指標小于設計要求（2 000 m井斜角≤4.5°），與鄰井相比機械鉆速提高了85.94%。

貝3-14井從大磨拐河組到布達特群地層傾角范圍為19°～38°，在南一段井深為794～1 175 m和布達特群井深為1 202～1 320 m，井斜角在1.4°時，就下入VTK垂直鉆井系統進行主動控斜，最終井斜控制在0.12°（設計要求1 500 m 井斜≤3.0），并且與鄰井相比機械鉆速提高了106.74%。

5.2 主動糾斜效果對比分析

從圖1上可以看出，主動糾斜的烏33-1井，在1 851～2 166 m井段（層位南一段），與鄰井烏38-1井相比，相應井段和層位井斜角大大降低，最小為0.1°。而鄰井的烏3 8-1井井斜角較大，最大為5.78°，雖然采取了糾斜措施進行降斜，但損失了時間1.8天。從圖2上可看出，主動糾斜的貝3-14井，在1 202～1 320 m井段（層位為布達特群），與鄰井貝3-13井相比，井斜角也大大降低，最小為0.12°，而鄰井貝3-13井井斜角卻較大，最大為5.99°，該井雖然也采取了糾斜措施進行降斜，但損失了時間2.0天。

6 結論與建議

（1）VTK垂直鉆井技術在海拉爾油田高陡地層的應用，徹底改變了傳統輕壓吊打被動防斜或彎螺桿糾斜的鉆井方式，保證了井眼垂直，徹底解放了鉆壓，提高了機械鉆速，縮短了鉆井周期。

（2）優化后的鉆具組合和鉆井液體系，能配合VTK垂直導向工具有效地控制井斜，提高井身質量，減少鉆具失效、卡鉆和井漏等事故的發生。

圖1 烏33-1井與烏38-1井實測井斜角對比

圖2 貝3-14井與貝3-13井實測井斜角對比

（3）大磨拐河組地層優選使用了PDC鉆頭，南屯組地層優選使用牙輪鉆頭，使所選鉆頭與VTK垂直鉆井技術的匹配達到了最佳程度。

（4）VTK使用成本較高，要合理選擇應用區塊及下入層段，對于能放開鉆壓且地層傾角不大的地層效果不是很明顯，建議同一口井可以分段使用。

［1］ 張輝，張振華.海拉爾油田水平井鉆井技術及應用效果［J］.石油地質與工程，2011，25（6）：107-111.

［2］ 劉小剛，陶林，孫長利，等.新型防斜打快鉆井技術在渤海油田的應用［J］.石油鉆采工藝，2010，33（2）：120-122..

［3］ 徐泓.VTK垂直鉆井系統在大灣1井的應用［J］.鉆采工藝，2010，33（6）：134-136.

［4］ 丁旭莊，聶翠平.川東北探區垂直鉆井技術經濟評價［J］.內蒙古石油化工，2008，（16）：23-24.

［5］ 卓云，張杰，王天華，等.VTK垂直鉆井技術在川東地區的應用［J］.天然氣工業，2011，31（5）：80-83.

Hailaer oilfield has the characteristics of sharply changed stratigraphic dip，many developed faults and strong natural deflecting force.So deflection control is very difficult and the ROP is slowly to use light compression and bit-easing and bent screw，the situation has an effect on ROP and the development.In order to solve the above problems，the introduction of the VTK vertical drilling system of Baker Hughes is found to be a good solution to the contradiction between well deflection and the WOB，which can increase the ROP.At the same time，the suitable bit，drilling string，drilling mud system，decreasing the accident，such as drill tool failures，bit freezing，well collapse and so on have been optimized.Shown by 15 Wells field application，this system can effectively control well deflection，release the WOB and increase the ROP in the inclined strata.

88 Application of VTK vertical drilling technology in Hailaer oilfield

Yang Lijing（Production Engineering Institute of Daqing Oilfield Co.Ltd.，PetroChina，Daqing，Heilongjiang 163453）

Hailaer oilfield；vertical drilling system；dip angle；deflection control；ROP

文獻標識碼：A

1673-8217（2012）06-0088-03

2012-05-22；改回日期：2012-07-30

楊麗晶，工程師，碩士，1980年生，2007年畢業于東北石油大學工程力學專業，現從事鉆井工程設計及科研工作。

劉洪樹