隨著勘探開發領域的不斷拓展與深入,高陡構造、大傾角地層的勘探開發工作量越來越大,井斜問表1  3種不同工作方式旋轉導向工具系統對比工作方式代表系統旋轉導向程度造斜能力/(b)#(30m)-1鉆井安全性位移延伸能力螺旋井眼適應井眼尺寸/mm靜態偏置推靠鉆頭式AutoTrackRCLS外筒不旋轉615中低存在21519~31111動態偏置推靠鉆頭式Power DriveSRD全旋轉815高高存在15214~46316靜態偏置指向鉆頭式Geo-Pilot外筒不旋轉515中中消除21519~31111題在一定程度上成了制約這些區域勘探開發工作的質量、效益乃至成敗的關鍵。為了更好地解決直井防斜問題,國內外一直致力于新型防斜鉆具與技術的研究與開發[10-12]。

 

  Verti Trak閉環直井鉆進系統[13]

 

  VertiTrak閉環直井鉆進系統是貝克休斯IN-TEQ公司推出的一種先進的垂直鉆井工具,可在常規鉆井需要多次糾斜的地區或地質條件下使用,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,很難控制PDC鉆頭的定向特性。

 

  另外,由于該系統不旋轉,適于在井壁穩定性差的井段應用。

 

  Verti Trak的結構Verti Trak主要由導向裝置、MWD傳感器、高性能馬達等組成。其導向裝置主要靠3個可伸縮的導向翼肋工作,每個導向翼肋可傳遞高達30 kN的推力。Verti Trak的動力段采用了納維鉆具(Navi-Drill)技術,從而使其輸出功率、扭矩比常規鉆井馬達高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果(011b),并能與地面進行雙向通訊。渦輪驅動的發電機和液壓泵可向每個導向翼肋提供導向壓力,以便通過連續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據、工具狀態讀數(導向、旋轉)、交流發電機電壓輸出等。

 

  應用實例在加拿大阿爾伯塔省西部的Foothills地區應用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旋轉導向自動垂直鉆井系統斯倫貝謝公司研制的Power V是一套全自動化旋轉導向垂直鉆井系統,利用可靠的旋轉導向技術實現旋轉鉆進時對井斜角的連續控制,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的結構和工作原理[12,14-15]

 

  Power V主要由電子控制(識別)系統(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。電子控制系統是Power V的指揮中樞,內裝鉆井液驅動的發電機、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行機構,下接鉆頭,上接電子控制系統,主要由一個鉆井液導流閥和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,并由導流閥分配,即控制伸縮塊的伸縮。

 

  應用實例Anadarko C5井位于美國德州的Robertson縣,Power V垂直鉆井系統下井前,井斜角已達815b,該系統下井后在122 m的進尺內自動將井斜角降至1b之內,并鉆完剩余的井段。Power V垂直鉆井系統的總進尺439 m,平均機械鉆速1712 m/h(比采用常規鉆井技術的鄰井快611 m/h),總鉆進時間2515 h,節省了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。其原理是適時感應井斜的重力信號,由重力驅動機構,建立鉆柱內外高低壓流體間的通道,利用二者間的壓差,在鉆柱旋轉的情況下,驅動側向推靠機構靠在井壁高邊,井壁的反作用力將鉆頭推向低邊,而在井眼的其他位置,側向推靠機構不工作,實現在鉆進過程中井斜的自動感應和修正。機械式自動垂直鉆井工具具有結構簡單、可靠等特點,能在實現主動、適時防斜的同時,有效解放鉆壓,提高鉆速和井眼質量,降低施工風險。

 

  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。試驗結果表明:機械式自動垂直鉆井工具的工作原理正確,結構可靠,經電子單點測斜驗證,井斜角控制精度在310b以內。