垂直鉆井系統PowerV技術首次在川西高陡構造X01井的應用效果
2017-01-05 08:43:41王俊良王植銳胡建華葉富偉
天然氣工業 2016年12期
王俊良 王植銳 胡建華 葉富偉
1.斯倫貝謝科技服務（成都）有限公司 2. 重慶科技學院石油與天然氣工程學院3. 中石化西南工程有限公司重慶鉆井分公司
垂直鉆井系統PowerV技術首次在川西高陡構造X01井的應用效果
王俊良1王植銳2胡建華3葉富偉3
1.斯倫貝謝科技服務（成都）有限公司 2. 重慶科技學院石油與天然氣工程學院3. 中石化西南工程有限公司重慶鉆井分公司
王俊良等.垂直鉆井系統PowerV技術首次在川西高陡構造X01井的應用效果.天然氣工業，2016, 36(12): 87-91.
PowerV垂直鉆井技術（以下簡稱PowerV）是一項高陡構造直井防斜提速鉆井技術，合理選配鉆頭、控制鉆井液性能指標等成為運用該技術的關鍵。為此，以PowerV的結構、工作原理及鉆具組合要求為指導，分析其在四川盆地西部高陡構造X01井的首次應用試驗情況，該井在?316.5 mm井眼的933～2 757 m井段實鉆，PowerV鉆進井段井斜小于1.2o；與常規組合的鉆井相比較，鉆速提高4倍；與鄰井相同井段的鉆井效果相比，PowerV鉆具組合使用了較高的鉆壓和轉速鉆進，機械鉆速成倍提高。試驗結果表明：①選擇性能較好的進口鉆頭可以節約起下鉆時間；②使用全套固控設備的時間應占循環時間的85%以上，以保證入井鉆井液性能；③要求循環系統具備較高的承壓能力才能夠保證PowerV垂直鉆井系統對壓降的基本需求。結論認為，該技術有利于高陡構造的井身質量控制，大幅度提高了鉆速，具有較好的推廣價值和應用前景。
垂直鉆井系統 高陡構造 井斜 鐘擺組合 鉆壓 鉆速 井身質量 側向力 四川盆地西部 高陡構造
在深井、超深井及復雜工藝井的鉆探中，井眼垂直性十分重要，因為上部井段的井眼質量不好必然會增大鉆下部井段的扭矩、摩阻，以及鉆具、套管的額外磨損，這不僅增加了鉆井周期、綜合成本，而且還有可能導致地質勘探的脫靶、失敗。因此在山前構造或高陡構造等復雜構造帶把井鉆垂直一直是一個世界性的鉆井難題。多年以來，中國石油塔里木油田公司（以下簡稱塔里木油田）針對高陡構造防斜打快技術難題進行了持續不斷的技術攻關，先后試驗了鐘擺鉆具、偏軸接頭防斜打快技術、定向反扣技術、螺桿鉆具配合PDC 鉆頭等多種防斜打快技術,其中應用最普遍的是螺桿鉆具＋PDC鉆頭防斜打快技術。這些技術都屬于輕壓吊打的被動防斜技術，鉆壓沒有得到完全的解放，沒有從真正意義上解決防斜打快的問題，井斜仍得不到有效控制，同時機械鉆速低，鉆井周期長，事故復雜時效高、鉆井效率低，鉆井成本難以控制。防斜打快問題成了當時制約塔里木油田勘探和開發進程的第一大技術難題。鑒于此，塔里木油田在2003年前后引入了PowerV垂直鉆井技術。先后在大北、迪那、陽北等山前井上廣泛應用。山前井平均鉆井周期減少19.78 d，鉆機月速度提高107.64 m，增幅21.32%，走出了高成本、低效益的困境，為避免套管損壞和山前井上部井段鉆井提速開辟了捷徑。PowerV垂直鉆井技術現已成為塔里木油田使用最廣泛、最成熟的一套防斜打直鉆井技術[1-6]。
與塔里木油田相似的川渝地區，相當一部分井屬于地層傾角較大的高陡構造，個別層段的傾角甚至接近90°，井斜難以控制的矛盾異常突出，“輕壓吊打”成了部分直井不得不采用的控制井身質量的傳統辦法。與塔里木油田相似的地質特征，井身質量控制技術完全可以借鑒。因此，在川西高陡構造X01井 ?316.5 mm井段首次使用了PowerV垂直鉆井技術，取得了一些令人驚喜的效果，也有一些需要總結和改進的地方。
雖然PowerV技術已在國內不少油田得到了應用[7-9]，相關報道和文章不少，但是在PowerV原理的認識和使用的適應性等方面存在一定的偏差甚至誤解，為了更好地推廣該項技術，本文從PowerV的結構、工作原理、典型鉆具組合、設備配套等方面予以闡述，以期更好地用好該項技術。
圖1 PowerV結構簡圖
1 垂直鉆井系統（PowerV）工作原理
PowerV是一套“全自動化”旋轉導向垂直鉆進工具，在鉆進時會自動追蹤地心引力（自動感應井斜），自動設定和調整工具側向力大小，使傾斜的井眼快速返回垂直狀態。這是一個全自動重復的過程。
1.1PowerV的結構
PowerV系統主要由兩個部分組成，它們分別是上端的控制短節（電子控制部分，以下簡稱CU）和下端的偏心短節（機械部分，以下簡稱BU），總長約4.2 m，其結構如圖1所示。
CU是PowerV的指揮中樞，它內部有陀螺測斜儀、鉆柱轉速傳感器、流量變化傳感器、震動傳感器、溫度傳感器以及電子控制部件等。CU控制單元在指令作用下可以相對于地面靜止不轉，從而達到軌跡控制的目的。BU是偏心短節，它的作用就是執行電子部件CU的指令，是1個純機械執行裝置。主要由1個鉆井液導流閥和3個由鉆井液推動的推力板組成。這個導流閥與電子控制部分CU的控制軸相連，其方向由控制軸的方位確定。
1.2 PowerV的工作原理
當鉆井液經過BU導流閥分流后，流向轉到該方向上的推力塊A，約4 MPa的液壓力推動推力塊，使推力塊A伸出，推壓井壁，井壁對鉆頭產生1個反作用力，這就是鉆頭側向力，從而把鉆頭推向地面工程師需要的降斜方向。該推力塊A轉過這個位置后，鉆井液的液壓作用就轉向下一個轉到這里來的推力塊B，從而推力塊B伸出，把鉆頭推向期望的降斜方向。而推力塊A液壓通道被堵，失去內部推力的推力塊A在井壁的擠壓下縮回去；推力塊B轉過這個位置后，液壓通道被堵，內部推力卸掉而縮回；下一個輪到推力塊C，推力塊C在內部高壓鉆井液壓力作用下在這個位置伸出，把鉆頭推向期望的降斜方向。周而復始，由此實現全自動旋轉導向降斜鉆進[10-11]。
當PowerV在出車間前已經初始化成全力降斜的模式，即工具面設置到180°，CU按照車間的設置把它內部的電子控制部分固定在高邊工具面角180°的位置（GTF180/100%），從而實現無論鉆柱如何旋轉，井斜如何變化，CU內部的控制軸始終對準在高邊工具面180°的方位上，BU按照CU的指令全自動降斜。從而實現PowerV全自動垂直鉆進。
1.3PowerV鉆具組合
通常情況下，PowerV頂部還會接1根鉆鋌和1個穩定器，構成一個鐘擺組合。其作用不但可以協助PowerV系統降斜，還可以用穩定器修整井壁，使井眼更加光滑、順利起下。PowerV的降斜原理如圖2所示。
1.4 PowerV降斜系統的優勢
PowerV的優點：由于PowerV 鉆具組合中的所有部件都在不停地旋轉，大大降低了卡鉆的機會。而使用傳統螺桿鉆具在滑動降斜鉆進時除鉆頭外，其他鉆具始終貼在下井壁上，容易造成卡鉆。使用PowerV垂直鉆井鉆具組合，把壓差卡鉆的風險降至最低。鉆出的井眼更光滑、不會出現螺旋形井眼；有利于鉆頭和井底工具儀器正常工作，使后期的套管和油管作業更順利；任何工況（增斜、降斜、扭方位、穩斜穩方位等）都是以旋轉形式完成，有利于攜砂，減少短起次數。
圖2 PowerV的降斜原理圖
2 PowerV的現場應用效果
2.1 X01井的地質及工程特點
X01井位于四川盆地西部某高陡構造。X01井第二次開鉆的?316.5 mm井眼侏羅系蓬萊鎮組、遂寧組、上沙溪廟組、下沙溪廟組、千佛崖組、白田壩組可鉆性差，偶爾會出現大段礫石層段，地層傾角大（10°～70°），井易斜。
該井井眼尺寸為?316.5 mm，不是標準的井眼尺寸?311.2 mm，而PowerV的標準尺寸是?311.2 mm，非標尺寸的井眼給防斜打快增加了一定的難度。
2.2鉆具組合
?316.5 mm PDC鉆頭＋PD900_PowerV＋?228.6 mm轉換接頭＋?314 mm扶正器＋?241.3 mm回壓凡爾＋?203.2 mm轉換接頭＋GMWD＋?228.6 mm轉換接頭＋?314 mm扶正器＋?241.3 mm 鉆鋌＋?228.6 mm轉換接頭＋?203.2 mm鉆鋌3柱＋?203.2 mm轉換接頭＋?139.7 mm加重鉆桿6柱＋?139.7 mm鉆桿至井口。
2.3提速效果
PowerV在? 316.5 mm井段鉆進總進尺1 824 m；PowerV井下開泵時間317 h；純鉆時間 248 h；平均機械鉆速7.4 m/h，共計3趟鉆。第4趟鉆為常規鉆具+牙輪鉆頭的鉆井表現（表1）。
在上部地層，PowerV 的實際鉆速比合同要求的鉆速快，但在下部含礫石段，鉆速比合同預期的鉆速稍慢，如圖3所示。即使遇上礫石，與牙輪鉆頭+鐘擺組合的常規鉆具相比，機械鉆速依然要快3倍以上，如圖4所示。
PowerV鉆具組合在2 400～2 757 m的井段中，因礫石含量較高，鉆速變慢。鉆井隊起鉆換成常規的牙輪鉆頭+鐘擺組合鉆進，鉆速只有1 m/h，比使用PowerV鉆具組合慢了4倍（圖4）。
2.4實鉆井斜控制情況
在使用PowerV鉆進期間，MWD實時監測軌跡的變化，井斜測量結果如圖5所示。在高陡構造，控制井斜在要求的范圍內是第一要素，使用PowerV鉆進井段長度1 824 m，井斜角全部小于合同規定的1.5°，滿足合同井斜角小于1.5°要求，達到預期目的。
與該區鄰近的X03井同井段直井的主要鉆井技術指標對比，如表2所示。
從實際鉆井效果可見，傳統的鐘擺鉆具組合降斜使用的鉆壓小（60～120 kN），鉆速受到影響（1.0～6.0 m/h），鉆井周期相應增加；PowerV鉆具組合可以大幅度強化鉆井參數，鉆壓160～230 kN，使用較高的鉆壓（轉速大體相當）鉆進，獲得較高的機械鉆速（機械鉆速4.2～15.0 m/h），真正達到了既徹底解放鉆壓、提高機械鉆速，又保證了井身質量的目的。
表1 PowerV實鉆與常規鉆具鉆進效果表
圖3 PowerV實鉆鉆速與合同規定鉆速對比圖
圖4 PowerV 實鉆鉆速與常規組合鉆速對比圖
圖5 MWD井斜測量圖
表2 PowerV鉆具與鄰井X03井相同井段鉆井效果對比表
3 經驗及建議
3.1鉆頭選擇
PowerV垂直鉆井系統在正常工作參數下，大部分工具可以有150 h以上的循環壽命，在塔里木盆地不少超深井使用時間在300 h以上。根據錄井砂樣分析，該井在井段2 400 m以后，沙溪廟組礫石含量達到20%～30%；高礫石含量導致PDC鉆頭部分牙齒崩齒，進而減慢了鉆速，但是在研磨性地層，出于安全考慮，建議200 h左右就應該起鉆，以避免磨損嚴重（導致井斜控制不利）。因此，鉆頭推薦選用性能與地層匹配較好的進口鉆頭，以利于綜合經濟效益更好。3.2鉆井液及固控設備
鉆井液的含砂量通常應不超過0.5%，最大時不超過1%。入井鉆井液的氣泡濃度以不影響MWD信號傳輸為準。鉆井液添加劑不可使用鐵礦粉和硅酸鹽。如果需要加入果殼類堵漏材料，其粒度應不超過中等顆粒，濃度小于143 g/L。鉆桿內必須使用過濾網。除砂器、除泥器、離心機盡量多開，低密度的井，固控設備的使用時間應占循環時間的85%以上。
3.3鉆井設備
要求循環系統的承壓能力高，鉆機設備性能要好，尤其是泥漿泵性能要好，最好配備3臺泥漿泵。PowerV垂直鉆井系統的壓降應該保持在3.5～5.0 MPa，建議準備合適的鉆頭噴嘴，滿足PowerV系統基本需求；同時鉆機轉盤必須能提供足夠的扭矩，并使用準確、可靠性高的緊扣扭矩表。如能使用頂驅鉆井，則能在既保證井下安全的同時，又能將PowerV的效益發揮到最佳。
4 結論
X01井首次在川西地區使用了PowerV垂直鉆井技術，已鉆井段井身質量良好，鉆速得到了較大幅度的提高。如果在鉆井設備、鉆頭、固控設備等方面予以配套的話，機械鉆速還會有更大的上升空間。采用垂直鉆井技術的最大優勢在于能徹底解放鉆壓、提高鉆速、縮短鉆井周期、保證井身質量、降低套損事故。X01井PowerV垂直鉆井技術的使用表明，PowerV垂直鉆井技術在川西高陡構造的適應性較好，使用效果顯著，綜合經濟效益突出。具有較好的推廣價值和應用前景。
致謝：成文中，得到了唐建勇工程師的大力支持和幫助，在此表示感謝。
[1]王春生, 魏善國, 殷澤新. PowerV垂直鉆井技術在克拉2氣田的應用[J]. 石油鉆采工藝, 2004, 26(6): 4-8.
Wang Chunsheng, Wei Shanguo, Yin Zexin. Application of PowerV technology in the development wells of Kela-2 gasfield[J]. Oil Drilling & Production Technology, 2004, 26(6): 4-8.
[2]王興武. 塔里木超深井深部井斜控制技術[J]. 斷塊油氣田, 2011, 18(1): 100-102.
Wang Xingwu. Hole deviation control technology for deep interval of ultra-deep wells in Tarim Basin[J]. Fault-Block Oil and Gas Field, 2011, 18(1): 100-102.
[3]孫鈺杰, 張磊, 席梅卿. 吐哈盆地臺北凹陷柯柯亞區塊幾種防斜打快方法分析[J]. 長江大學學報: 自然科學版, 2011, 8(9): 57-59.
Sun Yujie, Zhang Lei, Xi Meiqing. Anti deviation and fast analysis of several methods of Kekeya block of Taipei sag in Tuba Basin[J]. Journal of Yangtze University: Natural Science Edition, 2011, 8(9): 57-59.
[4] 劉磊, 劉志坤, 高曉榮. 垂直鉆井系統在塔里木油田應用效果及對比分析[J]. 西安石油大學學報: 自然科學版, 2007, 22(1): 79-81.
Liu Lei, Liu Zhikun, Gao Xiaorong. Application results of two vertical drilling systems in Talimu Oilfield and their comparison[J]. Journal of Xi'an Shiyou University: Natural Science Edition, 2007, 22(1): 79-81.
[5] 張建平, 肖華, 石麗娟, 曾貴蓉. 垂直鉆井系統在吐哈盆地山前高陡構造的應用[J]. 石油天然氣學報, 2011, 33(10): 158-160.
Zhang Jianping, Xiao Hua, Shi Lijuan, Zeng Guirong. Application of vertical drilling system in piedmont high and steep structures of Tuba Basin[J]. Journal of Oil and Gas Technology, 2011, 33(10): 158-160.
[6] 竇亮彬, 李天太, 周波, 張明, 張麗萍. 山前地區深井超深井套管防磨與減磨技術研究[J]. 石油機械, 2015, 43(1): 12-17.
Dou Liangbin, Li Tiantai, Zhou Bo, Zhang Ming, Zhang Liping. Wear prevention and reduction for casing in deep or super-deep wells in the piedmont zones[J]. China Petroleum Machinery, 2015, 43(1): 12-17.
[7] 李杰, 鄭伯華, 翟芳芳. 斯倫貝謝垂直鉆井系統在川東北地區的應用[J]. 天然氣技術, 2010, 4(3): 39-40. Li Jie, Zheng Bohua, Zhai Fangfang. Application of Schlumberger vertical drilling system to Northeastern Sichuan Basin[J]. Natural Gas Technology, 2010, 4(3): 39-40.
[8] 徐超, 夏宏南. Power-V垂直鉆井技術及現場應用研究[J]. 長江大學學報: 自然科學版, 2012, 9(10): 104-106.
Xu Chao, Xia Hongnan. Research on Power-V vertical drilling technology and its application in the field[J]. Journal of Yangtze University: Natural Science Edition, 2012, 9(10): 104-106.
[9] 劉以明, 蔡文軍, 王平, 劉俊海, 劉濤. Power V和機械式隨鉆測斜儀在黑池1井的應用[J]. 石油鉆探技術, 2006, 34(1): 71-73.
Liu Yiming, Cai Wenjun, Wang Ping, Liu Junhai, Liu Tao. Application of power V and mechanical inclinometer in Heichi 1 well[J]. Petroleum Drilling Techniques, 2006, 34(1): 71-73.
[10]王俊良, 吳先忠, 楊金利, 厲元明. 高壓含硫產層水平井旋轉地質導向鉆井技術實踐[J]. 鉆采工藝, 2008, 31(4): 4-8.
Wang Junliang, Wu Xianzhong, Yang Jinli, Li Yuanming. Application of PD X5 in the pay zone with high pressure gradient in Moxi gas field[J]. Drilling & Production Technology, 2008, 31(4): 4-8.
[11]王俊良, 楊繼明, 張新平, 陳斌. 中國南海流花油田套管開窗側鉆大位移井鉆井技術[J]. 鉆采工藝, 2010, 33(3): 7-11.
Wang Junliang, Yang Jiming, Zhang Xinping, Chen Bin. ERD technology by casing sidetrack in Liu Hua Oilfield of South China Sea[J]. Drilling & Production Technology, 2010, 33(3): 7-11.
（修改回稿日期 2016-10-27 編 輯凌 忠）
Application of the PowerV vertical drilling system to Well X01 in high dip structures of the western Sichuan Basin
Wang Junliang1, Wang Zhirui2, Hu Jianhua3, Ye Fuwei3
(1.Schlumberger Technology Service
NATUR. GAS IND. VOLUME 36, ISSUE 12, pp.87-91, 12/25/2016. (ISSN 1000-0976; In Chinese)
The PowerV vertical drilling technology ("PowerV") is a deviation-control ROP enhancement technology for vertical wells in high dip structures. Essentially, it is necessary to select bits rationally and control performance indicators of drilling fluid. In this paper, the first trail application of PowerV to Well X01 in the high dip structure, western Sichuan Basin, was analyzed in terms of its structures, working principles and BHA (bottom hole assembly) requirements. In the 933–2 757 m interval of the ?316.5 mm hole, the deviation of the borehole drilled by PowerV is less than 1.2o and the ROP (rate of penetration) is 4 times higher than that of conventional BHAs. Compared with the drilling results of the same interval in the neighboring well, PowerV doubles the ROP by virtue of higher WOB (weight on bit) and RPM (revolution per minute). Test results show that the trip time can be cut down by adopting the imported bits with better performance; that the operation time of complete solid control equipment should account for over 85% of the circulation period to ensure the satisfactory performance of drilling fluid in the well; and that the pressure resistance of the circulation system should be high enough to meet the basic pressure drop requirement of PowerV. It is concluded that PowerV can be used to control the wellbore quality in high dip structures and increase ROP significantly, thus having great spreading values and application prospects.
Vertical drilling system; High dip structure; Borehole deviation; Pendulum BHA; Weight on bit (WOB); Rate of penetration (ROP); Wellbore quality; Side force; Western Sichuan Basin; High dip structures
10.3787/j.issn.1000-0976.2016.12.012
王俊良，1964年生，高級工程師；1985年畢業于西南石油大學石油工程系；現供職于斯倫貝謝中國公司，主要從事叢式定向井、水平井、大位移井的工程技術服務及技術支持工作；已發表論文30余篇，曾獲得省、局級科技進步成果獎十余項。地址：（610041）四川省成都市高新區新加坡工業園新園大道七號。電話：18190491833；ORCID: 0000-0001-8374-079X。E-mail: 875662263@qq.com
