預(yù)彎曲鐘擺鉆具防斜打快技術(shù)在柯坪高陡構(gòu)造地層的應(yīng)用

田 輝，仇恒彬，董廣華

（1.中國(guó)石油大學(xué)<華東>，山東青島 266580；2.中石化勝利石油工程有限公司技術(shù)發(fā)展處，山東東營(yíng) 257000；3.中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營(yíng) 257000）

KN1井是部署在塔里木盆地西北緣呈北東走向的多排斷裂構(gòu)造帶的南天山構(gòu)造域內(nèi)大型斷隆——柯坪斷隆的一口預(yù)探井。柯坪斷隆帶位于阿合奇凸起中部，以發(fā)育東西—北東東向疊瓦逆沖推覆構(gòu)造為特征，區(qū)段內(nèi)發(fā)育了多排與山脈走向近于平行的沖斷推覆體，構(gòu)造樣式主要包括疊瓦斷沖構(gòu)造和褶皺構(gòu)造。古生界地層發(fā)育齊全，缺失中生界地層。自上而下將鉆遇的地層為古生界志留系、奧陶系、寒武系，元古界震旦系。缺失新生界古近系、新近系、第四系和中生界白堊系、侏羅系、三疊系。

在鉆井過(guò)程中存在高陡地層傾角大（地層傾角50°～70°）易井斜、地層古老含硅質(zhì)鉆速慢等技術(shù)難題。為了有效解決該井存在的這些技術(shù)難題：應(yīng)用VDS垂直導(dǎo)向工具和預(yù)彎曲鐘擺鉆具組合鉆進(jìn)高陡地層，防斜打直效果明顯。順利地完成了高陡地層高效鉆進(jìn)的施工，為柯坪斷隆構(gòu)造寒武系鹽下含油氣勘探提供了技術(shù)支撐。

高陡構(gòu)造地層的防斜打直一直是優(yōu)快鉆井技術(shù)的難題之一。目前國(guó)內(nèi)外的防斜打直鉆井技術(shù)可以分為兩大類：主動(dòng)防斜打直技術(shù)和被動(dòng)防斜打直技術(shù)。主動(dòng)防斜打直技術(shù)例如貝克休斯的Verti-Trak 系統(tǒng)、斯倫貝謝的PowerV 垂直鉆井系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)有非常好的應(yīng)用效果，但是其技術(shù)服務(wù)費(fèi)用較高，限制了使用范圍。被動(dòng)防斜打直技術(shù)又分為靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)防斜兩種。靜力學(xué)防斜組合是通過(guò)減少鉆具變形以靜力學(xué)分析實(shí)現(xiàn)防斜目的，在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用最為廣泛，理論研究也較為成熟，例如滿眼鉆具組合和鐘擺鉆具組合。動(dòng)力學(xué)防斜打直技術(shù)突破了對(duì)底部鉆具組合的變形限制，反過(guò)來(lái)利用其動(dòng)力學(xué)行為來(lái)實(shí)現(xiàn)防斜。狄勤豐等[1-3]、高德利重點(diǎn)開(kāi)展的預(yù)彎曲鉆具防斜打直技術(shù)及其受力動(dòng)力學(xué)分析，對(duì)于高陡易斜地層應(yīng)用效果顯著[4]。預(yù)彎曲鉆具防斜打直技術(shù)利用預(yù)彎曲結(jié)構(gòu)引導(dǎo)鉆具組合的變形，從而產(chǎn)生較大的動(dòng)態(tài)降斜力，在現(xiàn)場(chǎng)已經(jīng)有了很好的應(yīng)用[5-10]。

在KN1 井的鉆井過(guò)程中，使用了主動(dòng)防斜打直技術(shù)和被動(dòng)防斜打直技術(shù)，即斯倫貝謝的VDS垂直鉆井工具和預(yù)彎曲鐘擺鉆具組合，均取得了很好的應(yīng)用效果。不過(guò)在2400m 之后隨著地層變硬，由于斯倫貝謝的PowerV 垂直鉆井工具在鉆進(jìn)時(shí)只有地面的頂驅(qū)系統(tǒng)提供動(dòng)力，機(jī)械鉆速相較與預(yù)彎曲鐘擺鉆具組合慢。通過(guò)使用預(yù)彎曲鐘擺鉆具組合，達(dá)到了防斜打直、優(yōu)快鉆進(jìn)的目的，順利地完成了高陡地層高效鉆進(jìn)的施工，為柯坪斷隆構(gòu)造寒武系鹽下含油氣勘探提供了技術(shù)支撐。

1 概況

KN1井位于新疆維吾爾自治區(qū)阿克蘇地區(qū)柯坪縣境內(nèi)，位于塔里木盆地西北緣柯坪斷隆阿合奇凸起構(gòu)造，設(shè)計(jì)井深5600m，完鉆層位為震旦系。該井設(shè)計(jì)為五開(kāi)制井眼，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)圖1。

井身質(zhì)量要滿足地質(zhì)設(shè)計(jì)對(duì)井身質(zhì)量的要求，具體數(shù)據(jù)按照表1執(zhí)行。

表1 井身質(zhì)量要求

難點(diǎn)分析：（1）古生界地層機(jī)械鉆速低。上部地層古老，巖石抗壓強(qiáng)度高，較為致密、可鉆性差，且志留系、奧陶系印干組發(fā)育大段泥巖、頁(yè)巖，易水化膨脹，實(shí)鉆過(guò)程中憋、跳鉆嚴(yán)重易發(fā)生復(fù)雜情況。

（2）淺、深部地層易井斜。該井上部地層2000m之前傾角大（50°～70°），下部相對(duì)平緩，志留系、奧陶系深部地層存在易井斜的情況，如圖2三維南北向深度偏移剖面所示。

本井二開(kāi)設(shè)計(jì)井段為300～3001m，井眼尺寸?444.5mm。存在井眼尺寸大、地層硬、機(jī)械鉆速慢、地層易斜、可使用的防斜打直工具少等難點(diǎn)。通過(guò)優(yōu)化施工方案，為了達(dá)到設(shè)計(jì)井身質(zhì)量的要求和提速提效的目的，計(jì)劃應(yīng)用垂直鉆井工具進(jìn)行防斜打直鉆進(jìn)。

在實(shí)際施工過(guò)程中，在315～1846m井段使用了斯倫貝謝的垂直鉆井工具，防斜打直效果很好。在2054～2469m 井段使用了國(guó)產(chǎn)的垂直鉆井工具，雖然在使用過(guò)程中出現(xiàn)了一些問(wèn)題，但也能夠達(dá)到防斜打直的效果。但是隨著井深增加，地層越來(lái)越硬，機(jī)械轉(zhuǎn)速變慢。垂直鉆井工具雖然能夠達(dá)到防斜打直的效果，但是受限于本身工具設(shè)計(jì)原理，無(wú)法達(dá)到提速提效的目的。為了能夠?qū)崿F(xiàn)防斜打直和提速提效的目的，在井深2830m之后應(yīng)用了預(yù)彎曲鐘擺鉆具組合。

預(yù)彎曲防斜打直鉆井技術(shù)主要利用預(yù)彎曲動(dòng)力學(xué)防斜打直鉆具組合在井眼中的渦動(dòng)特征，在鉆頭上形成一個(gè)遠(yuǎn)大于鐘擺降斜力的防斜力，從而使井眼保持垂直。預(yù)彎曲動(dòng)力學(xué)防斜打直鉆具組合是一種帶預(yù)彎曲結(jié)構(gòu)的特種鉆具組合，鉆進(jìn)時(shí)，其在井眼內(nèi)形成特定的渦動(dòng)軌跡，引起鉆具組合以較大的不平衡幾率向下井壁方向振動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)向下井壁的沖擊力。

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，為了能夠使一套鉆具結(jié)構(gòu)達(dá)到防斜打快又同時(shí)能夠糾斜的目的，一般通過(guò)鉆具結(jié)構(gòu)中加入彎螺桿來(lái)實(shí)現(xiàn)，既能在防斜打快中獲得較高的轉(zhuǎn)速提高機(jī)械鉆速，又能在出現(xiàn)井斜增大時(shí)進(jìn)行糾斜作業(yè)。現(xiàn)場(chǎng)常用的鉆具結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖3。

2 應(yīng)用情況

該井自二開(kāi)開(kāi)鉆開(kāi)始下入斯倫貝謝的PowerV垂直鉆井工具，鉆具組合為：?444.5mm 鉆頭+POWER-V+?441mm扶正器+?228.8mm浮閥+?232mm鉆鋌+731*NC610+?430mm 扶正器+?228.6mmDC×3 根 +NC611*NC560+?203.2mmDC×12 根 +NC561×520+?139.7mmHWDP×9 根+521*DS550+?139.7mmDP。PowerV 垂直鉆井工具的防斜打直非常好，井斜角控制在1°以內(nèi)。期間由于發(fā)生井漏，堵漏成功后采用常規(guī)鉆具進(jìn)行試鉆進(jìn)，導(dǎo)致井斜角增加到1°以上。然后通過(guò)下入PowerV垂直鉆井工具，很快就能夠把井斜角降到1°以內(nèi)，防斜打直的效果非常好。鉆進(jìn)至1846m 后鉆時(shí)慢，同時(shí)發(fā)生井漏，起出PowerV垂直鉆井工具進(jìn)行堵漏作業(yè)。由于上部地層相對(duì)較軟，平均機(jī)械鉆速較高，達(dá)到1.89m/h，最高達(dá)到3.23m/h。

堵漏成功后，采用常規(guī)鉆具鉆進(jìn)至2054m，鉆穿此段漏層后更換為國(guó)產(chǎn)垂鉆工具進(jìn)行防斜打直鉆進(jìn)。鉆具組合為：?444.5mm鉆頭+垂鉆工具+731*NC610+?441mm扶正器+浮閥+?228.6mmNMDC×1根+MWD懸掛短節(jié)+?228.6mmDC×2根+NC611*NC560+?203.2mmDC×12根+NC561*520+?139.7mmHWDP×9根+521×DS550+?139.7mmDP。該垂鉆工具在使用過(guò)程中，降斜效果稍差。在井段2054～2321m 的井段內(nèi)，井斜角一直在1.8°～2.3°之間變化。雖然井斜角沒(méi)有降到1°以內(nèi)，但也能夠控制井斜角不超過(guò)2.5°。后來(lái)繼續(xù)鉆進(jìn)至井深2350m，井斜角降到1.5°，然后一直鉆進(jìn)至2469m，井斜角一直控制在1°左右鉆進(jìn)，也達(dá)到了防斜打直的效果。因?yàn)樵俅伟l(fā)生井漏，起鉆進(jìn)行堵漏施工。該國(guó)產(chǎn)垂直鉆井工具整體防斜打直的效果還可以，能夠控制井斜角在1°～2°之間。由于進(jìn)入志留系，地層變硬，鉆時(shí)變慢，平均機(jī)械鉆速為1.16m/h。

為了能夠在下部古老地層中同時(shí)達(dá)到防斜打直和提速提效鉆進(jìn)的目的，在本次堵漏成功后，自井深2830m 使用預(yù)彎曲鐘擺鉆具組合.具體鉆具組合為：?444.5mm 鉆頭+?286mm螺桿（0.75°）+731*NC770+NC771*NC610+?228.6mm浮閥+NC611*730+?228.6mmNMDC×1+?228.6mm無(wú)磁懸掛短節(jié)×1+731*NC610+?436mm扶正器+?228.6mmDC×2+NC611*NC560+?203.2mmDC×7根+NC561*520+?139.7mmHWDP × 9 根+521*DS550+?139.7mmDP。預(yù)彎曲鐘擺鉆具組合下鉆到底后先控制在80～100kN 之間鉆進(jìn)，鉆時(shí)在30～50min/m（見(jiàn)圖5），井斜角變化降斜趨勢(shì)較小，降斜率為0.2°/30m。后加壓到12～15t，鉆時(shí)在20min/m 左右，井斜角降斜趨勢(shì)增大，降斜率達(dá)到0.7°/30m。鉆進(jìn)至3064m 時(shí)，井斜角降到最小0.6°，后面一直鉆進(jìn)至3360m，控制井斜角在1°左右（見(jiàn)圖4）。預(yù)彎曲鐘擺鉆具組合在這個(gè)井段，平均機(jī)械鉆速比國(guó)產(chǎn)垂直鉆井工具提速效果達(dá)到59%（見(jiàn)表2），提速效果非常明顯，達(dá)到了高陡構(gòu)造地層防斜打直和提速提效的目的。

表2 不同鉆進(jìn)工藝的防斜打直效果表

3 總結(jié)

（1）通過(guò)在KN1 井應(yīng)用斯倫貝謝的PowerV 垂直鉆井工具，再次印證了該工具在高陡構(gòu)造地層中防斜打直的良好效果非常好。

（2）國(guó)產(chǎn)垂直鉆井工具通過(guò)最近十幾年的研究和應(yīng)用，在高陡地層中的防斜打直效果也是有效果的，不過(guò)還是需要繼續(xù)改進(jìn)其工具的穩(wěn)定性和高效性，為后續(xù)的大規(guī)模應(yīng)用打好基礎(chǔ)。

（3）在進(jìn)入中下部的硬地層后，預(yù)彎曲鐘擺鉆具組合不但能夠滿足防斜打直的要求，同時(shí)提速提效的效果明顯，能夠達(dá)到了高陡構(gòu)造地層防斜打直和提速提效的目的，為柯坪斷隆構(gòu)造油氣勘探提供了有利的技術(shù)支撐。

4 建議

建議在柯坪斷隆推覆體構(gòu)造地層鉆進(jìn)時(shí)，建議上部地層使用預(yù)彎曲鐘擺防斜打直技術(shù)或垂直鉆井技術(shù)，下部硬地層使用預(yù)彎曲鐘擺防斜打直技術(shù)，能夠達(dá)到了高陡構(gòu)造地層防斜打直和提速提效的目的。