隨著勘探開發(fā)領(lǐng)域的不斷拓展與深入,高陡構(gòu)造、大傾角地層的勘探開發(fā)工作量越來越大,井斜問表1  3種不同工作方式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具系統(tǒng)對(duì)比工作方式代表系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向程度造斜能力/(b)#(30m)-1鉆井安全性位移延伸能力螺旋井眼適應(yīng)井眼尺寸/mm靜態(tài)偏置推靠鉆頭式AutoTrackRCLS外筒不旋轉(zhuǎn)615中低存在21519~31111動(dòng)態(tài)偏置推靠鉆頭式Power DriveSRD全旋轉(zhuǎn)815高高存在15214~46316靜態(tài)偏置指向鉆頭式Geo-Pilot外筒不旋轉(zhuǎn)515中中消除21519~31111題在一定程度上成了制約這些區(qū)域勘探開發(fā)工作的質(zhì)量、效益乃至成敗的關(guān)鍵。為了更好地解決直井防斜問題,國(guó)內(nèi)外一直致力于新型防斜鉆具與技術(shù)的研究與開發(fā)[10-12]。

 

  Verti Trak閉環(huán)直井鉆進(jìn)系統(tǒng)[13]

 

  VertiTrak閉環(huán)直井鉆進(jìn)系統(tǒng)是貝克休斯IN-TEQ公司推出的一種先進(jìn)的垂直鉆井工具,可在常規(guī)鉆井需要多次糾斜的地區(qū)或地質(zhì)條件下使用,包括大傾角地層或斷層,以及墨西哥灣或北海的鹽層,因?yàn)樵谶@些地區(qū),很難控制PDC鉆頭的定向特性。

 

  另外,由于該系統(tǒng)不旋轉(zhuǎn),適于在井壁穩(wěn)定性差的井段應(yīng)用。

 

  Verti Trak的結(jié)構(gòu)Verti Trak主要由導(dǎo)向裝置、MWD傳感器、高性能馬達(dá)等組成。其導(dǎo)向裝置主要靠3個(gè)可伸縮的導(dǎo)向翼肋工作,每個(gè)導(dǎo)向翼肋可傳遞高達(dá)30 kN的推力。Verti Trak的動(dòng)力段采用了納維鉆具(Navi-Drill)技術(shù),從而使其輸出功率、扭矩比常規(guī)鉆井馬達(dá)高60%。由于采用了貝克休斯INTEQ公司專有的定子加工工藝使馬達(dá)中的橡膠成分減少了90%,提高了效率,降低了摩擦,減少了變形,從而提高了馬達(dá)的可靠性,延長(zhǎng)了下井使用時(shí)間。Verti Trak的MWD控制模塊可提供精確的井斜角測(cè)量結(jié)果(011b),并能與地面進(jìn)行雙向通訊。渦輪驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)和液壓泵可向每個(gè)導(dǎo)向翼肋提供導(dǎo)向壓力,以便通過連續(xù)的井下糾斜保持井眼垂直。此外,VertiTrak的傳感器還可提供溫度測(cè)量數(shù)據(jù)、工具狀態(tài)讀數(shù)(導(dǎo)向、旋轉(zhuǎn))、交流發(fā)電機(jī)電壓輸出等。

 

  應(yīng)用實(shí)例在加拿大阿爾伯塔省西部的Foothills地區(qū)應(yīng)用Verti Trak鉆了一口井,最大井斜角0160b,全井井斜角平均只有0111b,最大全角變化率僅為1165b/30m,平均0124b/30m。而鄰井使用常規(guī)定向馬達(dá)組合鉆進(jìn),定向糾斜前井斜角卻高達(dá)4100b,局部全角變化率高達(dá)815b/30m。

 

  Power V旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向自動(dòng)垂直鉆井系統(tǒng)斯倫貝謝公司研制的Power V是一套全自動(dòng)化旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向垂直鉆井系統(tǒng),利用可靠的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)對(duì)井斜角的連續(xù)控制,能在確保井眼垂直的前提下最大程度地提高機(jī)械鉆速。

 

  Power V的結(jié)構(gòu)和工作原理[12,14-15]

 

  Power V主要由電子控制(識(shí)別)系統(tǒng)(CU)和機(jī)械糾斜裝置(BU)兩大部分組成,兩者之間還配有一個(gè)加長(zhǎng)短節(jié)。電子控制系統(tǒng)是Power V的指揮中樞,內(nèi)裝鉆井液驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)、陀螺和各種傳感器,不受鉆鋌的制約。機(jī)械糾斜裝置是一個(gè)純機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu),下接鉆頭,上接電子控制系統(tǒng),主要由一個(gè)鉆井液導(dǎo)流閥和3個(gè)伸縮塊(或叫推力塊)組成。

 

  伸縮塊的伸縮動(dòng)力由鉆井液提供,并由導(dǎo)流閥分配,即控制伸縮塊的伸縮。

 

  應(yīng)用實(shí)例Anadarko C5井位于美國(guó)德州的Robertson縣,Power V垂直鉆井系統(tǒng)下井前,井斜角已達(dá)815b,該系統(tǒng)下井后在122 m的進(jìn)尺內(nèi)自動(dòng)將井斜角降至1b之內(nèi),并鉆完剩余的井段。Power V垂直鉆井系統(tǒng)的總進(jìn)尺439 m,平均機(jī)械鉆速1712 m/h(比采用常規(guī)鉆井技術(shù)的鄰井快611 m/h),總鉆進(jìn)時(shí)間2515 h,節(jié)省了2 d的鉆機(jī)時(shí)間。

 

  機(jī)械式自動(dòng)垂直鉆井工具為了有效提高直井鉆井的速度和井眼質(zhì)量,勝利石油管理局研制了機(jī)械式自動(dòng)垂直鉆井工具。其原理是適時(shí)感應(yīng)井斜的重力信號(hào),由重力驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu),建立鉆柱內(nèi)外高低壓流體間的通道,利用二者間的壓差,在鉆柱旋轉(zhuǎn)的情況下,驅(qū)動(dòng)側(cè)向推靠機(jī)構(gòu)靠在井壁高邊,井壁的反作用力將鉆頭推向低邊,而在井眼的其他位置,側(cè)向推靠機(jī)構(gòu)不工作,實(shí)現(xiàn)在鉆進(jìn)過程中井斜的自動(dòng)感應(yīng)和修正。機(jī)械式自動(dòng)垂直鉆井工具具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠等特點(diǎn),能在實(shí)現(xiàn)主動(dòng)、適時(shí)防斜的同時(shí),有效解放鉆壓,提高鉆速和井眼質(zhì)量,降低施工風(fēng)險(xiǎn)。

 

  2007年在四川盆地川東北的雷北1井進(jìn)行了機(jī)械式自動(dòng)垂直鉆井工具現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),試驗(yàn)井段(1 034156~1 137156 m)為須家河組地層,地層傾角30b~50b,巖性為灰黑色泥巖夾灰色細(xì)砂巖,質(zhì)地堅(jiān)硬,巖石可鉆性差,易井斜。試驗(yàn)時(shí)鉆壓加至18~200 kN,井斜角控制在215b~310b,與可比井段(須家河組3段)相比機(jī)械鉆速提高了97134%。起鉆觀察,機(jī)械式自動(dòng)垂直鉆井工具的外觀、推靠巴掌及密封等部件均正常。試驗(yàn)結(jié)果表明:機(jī)械式自動(dòng)垂直鉆井工具的工作原理正確,結(jié)構(gòu)可靠,經(jīng)電子單點(diǎn)測(cè)斜驗(yàn)證,井斜角控制精度在310b以內(nèi)。