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)直井鉆進系統(tǒng)[13]

 

  VertiTrak閉環(huán)直井鉆進系統(tǒng)是貝克休斯IN-TEQ公司推出的一種先進的垂直鉆井工具,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,因為在這些地區(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、高性能馬達等組成。其導(dǎo)向裝置主要靠3個可伸縮的導(dǎo)向翼肋工作,每個導(dǎo)向翼肋可傳遞高達30 kN的推力。Verti Trak的動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,從而提高了馬達的可靠性,延長了下井使用時間。Verti Trak的MWD控制模塊可提供精確的井斜角測量結(jié)果(011b),并能與地面進行雙向通訊。渦輪驅(qū)動的發(fā)電機和液壓泵可向每個導(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)電機電壓輸出等。

 

  應(yīng)用實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)定向馬達組合鉆進,定向糾斜前井斜角卻高達4100b,局部全角變化率高達815b/30m。

 

  Power V旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向自動垂直鉆井系統(tǒng)斯倫貝謝公司研制的Power V是一套全自動化旋轉(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)實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)鉆進時對井斜角的連續(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(識別)系統(tǒng)(CU)和機械糾斜裝置(BU)兩大部分組成,兩者之間還配有一個加長短節(jié)。電子控制系統(tǒng)是Power V的指揮中樞,內(nèi)裝鉆井液驅(qū)動的發(fā)電機、陀螺和各種傳感器,不受鉆鋌的制約。機械糾斜裝置是一個純機械執(zhí)行機構(gòu),下接鉆頭,上接電子控制系統(tǒng),主要由一個鉆井液導(dǎo)流閥和3個伸縮塊(或叫推力塊)組成。

 

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

 

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

 

  機械式自動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械式自動垂直鉆井工具。其原理是適時感應(yīng)井斜的重力信號,由重力驅(qū)動機構(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)動側(cè)向推靠機構(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)向推靠機構(gòu)不工作,實現(xiàn)在鉆進過程中井斜的自動感應(yīng)和修正。機械式自動垂直鉆井工具具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠等特點,能在實現(xiàn)主動、適時防斜的同時,有效解放鉆壓,提高鉆速和井眼質(zhì)量,降低施工風(fēng)險。

 

  2007年在四川盆地川東北的雷北1井進行了機械式自動垂直鉆井工具現(xiàn)場試驗,試驗井段(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砂巖,質(zhì)地堅硬,巖石可鉆性差,易井斜。試驗時鉆壓加至18~200 kN,井斜角控制在215b~310b,與可比井段(須家河組3段)相比機械鉆速提高了97134%。起鉆觀察,機械式自動垂直鉆井工具的外觀、推靠巴掌及密封等部件均正常。試驗結(jié)果表明:機械式自動垂直鉆井工具的工作原理正確,結(jié)構(gòu)可靠,經(jīng)電子單點測斜驗證,井斜角控制精度在310b以內(nèi)。