赵建红
胜利石油工程公司黄河钻井总公司技术装备中心
[摘要]永938井是胜利石油管理局在济阳坳陷东营凹陷北部陡坡带永北鼻状构造带高部沙四段部署的一口探井，在前期施工中，由于古冲沟高陡构造及大倾角地层发育，防斜打直问题突出。为此，在该井试验应用了钻井院自主研发的Φ215.9mm自动垂直钻井系统，并成功降低了井斜，提高了机械钻速。本文简要介绍了自动垂直钻井系统防斜打快的机理及现场试验情况，试验结果表明，使用该工具可以完全释放钻压，提高机械钻速，保证井斜精度，缩短钻井周期，从而达到降低钻井成本的目的。
[关键词] Φ215.9mm自动垂直钻井系统 防斜打直 永938 提高机械钻速
永938井位于济阳坳陷东营凹陷北部陡坡带永北鼻状构造较高部位，沙四段砂砾岩体发育，由于该井区位于永93古冲沟内，沟谷发育规模较大，导致本井沙四段及以下地层地层倾角较大（15°-30°），直井防斜难度大。钻井初期我们使用18米扶正器配合双偏心接头进行上部井眼防斜，取得了不错的效果。但进入沙四段砂砾岩体地层后，由于地层倾角较大，轻压吊打配合常规防斜打直钻具组合防斜效果较差，已经不能满足防斜要求。使用螺杆钻具组合，将大幅度降低机械钻速，增加钻井周期。为了更好的控制井斜，提高机械钻速。我们试验了胜利钻井院产215.9mm井眼自动垂直钻井系统。
自动垂直钻井系统胜利油田钻井院自主开发的适用于直深井自动防斜系统。该系统一般带有井下闭环控制系统，可实现井下主动防斜、纠斜，以保持井壁垂直，有效提高机械钻速，降低钻井成本。
1Φ215.9mm自动垂直钻井系统简介
Φ215.9mm自动垂直钻井系统主要包括稳定平台及防斜、纠斜执行机构两部分，其中稳定平台是自动垂直钻井系统的核心，其系统原理如图1所示。
1—稳定平台； 2—防斜纠斜执行机构； 3—叶轮； 4—电源短节；
5—测控短节； 6—伺服短节； 7—盘阀； 8—翼肋； 9—钻头；
图1 自动垂直钻井系统原理示意图
稳定平台包括电源短节、测控短节和伺服短节。电源短节为一发电装置和／或一个或多个蓄电池组，伺服短节包括一个旋转变压器和一个电动机。防斜纠斜执行机构主要由盘阀组件和推靠组件组成。盘阀系统由设计有1个过流孔的上盘阀和设计有3个过流孔的下盘阀组成，通过上盘阀对下盘符相对位置的改变，实现对过流钻井液的有效分配。推靠组件主要是由执行机构本体、带喷嘴的活塞及推靠井壁的翼肋组成，根据过流钻井液的流量及压力，对井壁施加不同的推靠力。如图2所示。
图2防斜执行机构结构图
Φ215.9mm自动垂直钻井系统的工作过程是：钻井液推动叶轮旋转，带动发电机工作，为测控短节和力矩电机提供所需的电能。测控短节实时检测各种传感器信号并进行处理，向力矩电机发送控制指令。力矩电机根据测控短节的控制，改变输出，对上盘阀进行精确控制，对过流钻井液的进行分配，通过钻铤内钻井液与环空钻井液的压力差，推动活塞推靠井壁，从而使钻头处获得反向作用力，以实现有效的防斜、纠斜功能。其实物图如图3所示：
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图3 215.9mm井眼自动垂直钻井系统实物图
Φ215.9mm自动垂直钻井系统的主要技术指标：
（1） 井斜控制精度：<0.5°
（2） 适用转速:：60～200r/min
（3） 工作压力损耗：<3MPa
（4） 连续工作寿命：>80h
（5） 工作温度：<125 ℃
（6） 钻井液密度：1.0～2.0g/cm3
（7） 钻头压降：>3MPa
（8） 最大耐压:：120MPa
2永938井现场应用
2．1概况
永938井位于济阳坳陷东营凹陷北部陡坡带永北鼻状构造较高部位，是胜利石油管理局在该地区部署的一口重点探井，目的层位为沙三段和沙四段，完钻垂深为4100m 。钻探目的主要是掌握目的层段的岩性、岩相发育情况及变化规律；获取目的层段有关评价沙砾岩的各项地质参数及孔隙流体分析数据资料。
2．2存在的困难
该井施工为了克服地层倾角偏大，提高机械钻速，控制井斜，采用多种钻具组合。具体情况如表1所示。
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永938井于2011年04月01日使用常规钻具组合钻进至井深2987.92m时，使用漂浮测斜仪测得该处井斜6.20°，地质预告提示2750m至井底地层倾角在15°-30°，采用常规防斜降斜钻具结构已经不能满足井身质量设计要求，在2994-3139m尝试使用动力钻具组合进行井斜修正，由于动力钻具滑动钻进时对钻压要求较高，虽然井斜控制效果较好，但机械钻速受到了很大的限制。
从表1可以看出，采用了多种防斜降斜钻具组合，但结果不是井斜角控制不好，就是机械钻速较低，大大影响了施工进度，增加了钻井成本。
2．3垂钻工具应用情况
2011年4月1日上午Φ215.9mm自动垂直钻井系统工具入井，仪器入井井深为3145m。钻具组合为：Φ215.9mmHJT517牙轮钻头+Φ177.8mm垂钻仪器+（411×410回压凡尔）+ Φ177.8mmMWD短节＋（521×410）＋Φ165mm钻铤×15根+Φ127mm钻杆。施工过程中，采用随钻测斜仪（MWD）跟踪测量，以检测自动垂直系统是否正常工作。
2．4应用结果分析
2.4.1 机械钻速
应用自动垂直钻井系统，钻压得以完全释放，对比没有使用垂钻工具的上一趟钻，井段3140.96～3259.24m，机械钻速有了明显的提高，钻井周期大幅度降低，具体见表2所示。
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从表2可以看出，使用工具后的井段3140.96～3259.24m，进尺：118.28m，纯钻进时间60.5h，平均机械钻速为1.96m/h，相比上一趟钻使用动力钻具机械钻速，提高11.36％。
2.4.2 井斜控制情况
将MWD和投测多点数据作图如图4所示，横坐标为井斜数据，纵坐标为井深数据，可以做出井斜随井深增加的变化趋势。
在图4中，从多点数据来看，垂钻工具从3140.96m下入，于3259.24m取出，井斜从测深3128.24m处的5.30°下降到测深3217.93m处的1.50°，然后略有增加到3259.24的2.60°。应用井段井斜明显下降，在井深3230.65m时，仪器累计下井使用时间为80小时，至3259.24m井斜有所增加与仪器已到使用寿命，密封元件损坏失效有关。
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图4井斜随井深的变化曲线
3结论及认识
（1）自动垂直钻井工具可以有效解决高陡构造及大倾角地层的防斜打快问题。它能够完全释放钻压，在保证井斜精度的前提下，大幅提高钻井机械钻速，缩短钻井周期，降低钻井成本。
（2）永938井自动垂钻工具从3140.96m下入，于3259.24m取出，共进尺118.28m，垂钻工具井下工作时间为96h，累计纯钻时间为60.5h，机械钻速为1.96m/h，相比使用传统动力钻具的上一趟钻，机械钻速提高11.36%。井斜从测深3140.96m处的5.30°下降到测深3259.24m处的2.6°，其中最小井斜为3211.43m处的1.20°，全试验井段井斜呈明显下降趋势。
（3）该工具设计寿命为80个小时，使用寿命偏短，建议以后加强耐高温寿命长的密封元件，提高仪器井内的使用寿命。
（4）建议系统接钻头端改进为动力钻具短接，提高机械钻速。
（4）可对胜利油田其他区块、其他井别防斜打直进行现场应用，对自动垂直钻井系统的现场适用性进行验证，为其现场推广应用奠定基础。