VTK垂直钻井技术在海拉尔油田的应用

杨丽晶

（中国石油大庆油田有限责任公司采油工程研究院，黑龙江大庆 163453）

VTK垂直钻井技术在海拉尔油田的应用

杨丽晶

（中国石油大庆油田有限责任公司采油工程研究院，黑龙江大庆 163453）

海拉尔油田地层倾角大、地下断层多、自然造斜能力强，采用轻压吊打或弯螺杆纠斜方法，不能解决井斜等问题。为此，引进了贝克休斯的VTK垂直钻井系统，同时优选了与其相适应的钻头、钻具组合及钻井液体系。该技术现场应用15口井表明，在易斜地层，可以有效控制井斜、解放钻压，全面提高机械钻速。

海拉尔油田；垂直钻井系统；地层倾角；井斜控制；机械钻速

海拉尔油田属复杂断块油田，岩性复杂多变，储层横向变化大。上部地层水敏性强，成岩性差；中部大磨拐河组地层倾角为20°～25°，南屯组含砾岩层，地层倾角为38°～45°，有些地层高达50°～60°，地层自然造斜能力强；下部以凝灰质火山岩为主，裂缝发育，断层多。在该地区钻井施工中极易发生井斜、卡钻、磨损和井漏等事故［1］，防斜打快的矛盾十分突出，严重制约了钻井速度的提高。根据统计，海拉尔地区已钻46口井中，单井纠斜次数达每井2.5次，平均每1次纠斜损失2天。为了有效地控制了井斜，保持井眼垂直，解决井斜与钻压的矛盾［2-4］，引进了贝克休斯的VertiTrak垂直钻井系统，同时优选了与其适应的钻头、钻具组合及钻井液体系。

1 VTK垂直钻井系统

VTK垂直钻井系统将Auto Trak闭环旋转导向系统、高性能X-T REME马达和可靠的 MWD三种技术集于一体，它可钻出较为笔直的井眼［5］。钻进过程中当井眼偏斜仅有0.1°时，井斜传感器就会检测到（距离钻头10 m），对需要克服的偏斜力，微处理器可进行计算，随后启动液压部件，通过1～2个肋板向井壁施加3 t的作用力以对抗这一趋势，同时MWD传送实时井斜数据到地面系统以方便跟踪和监测。当井眼完全垂直时，3个肋板全部伸出，并对井壁施加相同的力，使钻头居中，保持井眼按垂直方向钻进，这一过程全部自动完成，不需要任何人为干预。该系统消除了意想不到的狗腿度和对矿层的影响，使井眼更规矩，下套管更容易，此外，还有完整的泥浆脉冲发生器，负责传输井眼倾斜和工具状态的相关信息。

2 与VTK匹配的钻头优选

大磨拐河组，存在泥岩夹砂岩、泥质粉砂岩互层、软硬交错、造斜力较大问题，因此，为配合VTK使用，宜选择高转速的PDC钻头。通过对TH1654D、B425、MD9431钻头进行分析，认为B425、MD9431钻头转速较快，但下入深度不够，失效严重。而TH1654D型号的PDC钻头具有侧向切削齿、脖柄短和刀翼受力均匀的特点，在防斜、控斜方面性能突出，该钻头配合VTK使用，取得了较好应用效果。它与B425、MD9431钻头相比，进尺平均增加11.5%，机械钻速提高25.9%。

南屯组、铜钵庙组到布达特群，砾石、裂缝发育，断层多，且泥、砂岩软硬交替，可钻性差、研磨性强，所以应选用牙轮钻头钻进。通过对HJ437G、HA437、HJ517G、HJ537GK、SMD517牙轮钻头对比分析，使用HJ437G型号钻头出现断齿较多，HA437型号钻头磨损严重，而 HJ517G、HJ537GK和SMD517在克服断齿、磨损和适应转速等方面应用效果都较好，特别是超高转速SMD517型号的钻头，配合VTK系统使用，在这些层段取得了较理想的应用效果。优选后的牙轮钻头进尺平均增加11.7%，机械钻速提高了25.8%。

3 钻具组合优化

通过优化钻具组合控制井眼轨迹，减少了井斜、卡钻事故的发生。一开井眼为374.7 mm，井深一般在100～120 m，该层段岩石胶结疏松。优选的钻具组合为塔式钻具组合：φ374.7 mm钻头＋φ177.8 mm钻铤＋φ158.7 mm 钻铤＋φ127.0 mm 钻杆。塔式钻具组合的钻铤柱重心低、稳定性好，能产生较大的钟摆减斜力，在松软井径易扩大地层可有效地控制井斜问题的发生。另外该组合直径大、刚度大，与井眼间隙较小，也具有较好地防斜效果。二开优选的为垂直导向钻具组合：215.9 mm钻头＋180 mm VTK＋165.1 mm钻具止回阀＋214 mm螺扶＋177.8 mm双向震击器＋177.8 mm钻铤＋158.7 mm钻铤＋127 mm钻杆。180 mm VTK垂直导向工具的使用，可控制易斜地层的井斜角，保持井眼垂直；214 mm螺扶配合VTK导向工具使用，可防止托压、形成支点，一旦出现井斜，将产生降斜的钟摆力；当钻具遇卡时，可通过震击器给卡点处向上或向下的强烈震击力，使卡点松动，从而达到迅速解卡的目的。

4 钻井液体系优选

海拉尔油田上部地层粘土矿物含量高；泥岩易膨胀强分散，且造浆严重，易形成泥环；中下部地层蒙脱石含量高、泥岩易吸水膨胀并造成井壁垮塌、严重掉块等事故。因此，要求钻井液具有极强的抑制性、防塌性和降失水性能。通过开展海拉尔油田储层损害机理、储层保护钻井液体系等方面的研究，优选了新型两性复合离子钻井液体系，并配合VTK垂直钻井工具，实现了较好的井身质量控制目的。新型两性复合离子聚合物包被剂FA368和降粘剂XY28，在降低液体粘度的同时，可大大增强体系的抑制能力，使降粘和抑制性达到高度统一，其配方为：（4.0～5.0）%膨润土＋（0.2～0.4）%纯碱＋（0.8～1.0）%NPAN＋（0.2～0.3）%FA368＋（0.2～0.3）%XY28＋（1.2～2.0）%SPNH＋（0.8～1.0）%有机硅腐钾＋（0.04～0.06）%KOH。

该体系用4.0%～6.0%的有机硅腐钾水溶液维护处理，p H值低时，用0.04%～0.06%的KOH水溶液进行调整；粘度高时，用XY28水溶液进行处理。每钻进300 m，加入 NPAN 100～200 kg、SPNH 300～500 kg、有机硅腐钾200～400 kg和FA368 100～200 kg处理剂，以利于防塌、防卡和降失水。在进入目的层50～100 m前，加入沥青质的软性高效封堵滤失剂和足量稍硬性的超细碳酸钙，加强泥饼的致密性，同时严格控制失水不大于4.0 m L，这既稳定了钻井液的性能，降低了滤失量，又减少了固相颗粒侵入地层，并使产层的孔隙度和渗透率最大程度的不受影响。

5 现场应用效果

2009～2011年，VTK在海拉尔油田共应用15口井，主要用于解决大磨拐河组、南屯组等易斜地层。与邻井纠斜后相比，15口井均取得了较好的控斜效果，平均井斜由2.74°降到0.47°，平均机械钻速由4.51 m／h提高到7.68 m／h，与邻井相比平均提高70.29%，大大地提高了机械钻速，缩短了钻井周期，具体情况见表1。

表1 海拉尔油田应用VTK系统情况统计

5.1 利用VTK主动控斜

在以往现场钻进过程中，多数情况是已发现井斜，且要超出设计要求时，利用VTK系统进行纠斜，其最终后果是虽然井斜度很小，但狗腿度依然很大，井身质量差。而现在采取主动控斜方式，从易斜井段开始就应用VTK垂直钻井系统，该系统入井2到3次就可以钻穿整个易斜井段，打出较为笔直的井眼，这样就充分发挥了VTK垂直钻井系统的提速潜能。以乌33-1井和贝3-14井为例说明。

乌33-1井地层倾角较大，伊敏组至铜钵庙组地层倾角范围为15.6°～45.2°。南二段井深为1 807～1 849 m，南一段井深为1 851～2 166 m，铜钵庙组井深为2 176～2 401 m，在井斜角2.0°时，就下入VTK垂直钻井系统进行主动控斜，最终井斜角控制在0.1°，该指标小于设计要求（2 000 m井斜角≤4.5°），与邻井相比机械钻速提高了85.94%。

贝3-14井从大磨拐河组到布达特群地层倾角范围为19°～38°，在南一段井深为794～1 175 m和布达特群井深为1 202～1 320 m，井斜角在1.4°时，就下入VTK垂直钻井系统进行主动控斜，最终井斜控制在0.12°（设计要求1 500 m 井斜≤3.0），并且与邻井相比机械钻速提高了106.74%。

5.2 主动纠斜效果对比分析

从图1上可以看出，主动纠斜的乌33-1井，在1 851～2 166 m井段（层位南一段），与邻井乌38-1井相比，相应井段和层位井斜角大大降低，最小为0.1°。而邻井的乌3 8-1井井斜角较大，最大为5.78°，虽然采取了纠斜措施进行降斜，但损失了时间1.8天。从图2上可看出，主动纠斜的贝3-14井，在1 202～1 320 m井段（层位为布达特群），与邻井贝3-13井相比，井斜角也大大降低，最小为0.12°，而邻井贝3-13井井斜角却较大，最大为5.99°，该井虽然也采取了纠斜措施进行降斜，但损失了时间2.0天。

6 结论与建议

（1）VTK垂直钻井技术在海拉尔油田高陡地层的应用，彻底改变了传统轻压吊打被动防斜或弯螺杆纠斜的钻井方式，保证了井眼垂直，彻底解放了钻压，提高了机械钻速，缩短了钻井周期。

（2）优化后的钻具组合和钻井液体系，能配合VTK垂直导向工具有效地控制井斜，提高井身质量，减少钻具失效、卡钻和井漏等事故的发生。

图1 乌33-1井与乌38-1井实测井斜角对比

图2 贝3-14井与贝3-13井实测井斜角对比

（3）大磨拐河组地层优选使用了PDC钻头，南屯组地层优选使用牙轮钻头，使所选钻头与VTK垂直钻井技术的匹配达到了最佳程度。

（4）VTK使用成本较高，要合理选择应用区块及下入层段，对于能放开钻压且地层倾角不大的地层效果不是很明显，建议同一口井可以分段使用。

［1］ 张辉，张振华.海拉尔油田水平井钻井技术及应用效果［J］.石油地质与工程，2011，25（6）：107-111.

［2］ 刘小刚，陶林，孙长利，等.新型防斜打快钻井技术在渤海油田的应用［J］.石油钻采工艺，2010，33（2）：120-122..

［3］ 徐泓.VTK垂直钻井系统在大湾1井的应用［J］.钻采工艺，2010，33（6）：134-136.

［4］ 丁旭庄，聂翠平.川东北探区垂直钻井技术经济评价［J］.内蒙古石油化工，2008，（16）：23-24.

［5］ 卓云，张杰，王天华，等.VTK垂直钻井技术在川东地区的应用［J］.天然气工业，2011，31（5）：80-83.

Hailaer oilfield has the characteristics of sharply changed stratigraphic dip，many developed faults and strong natural deflecting force.So deflection control is very difficult and the ROP is slowly to use light compression and bit-easing and bent screw，the situation has an effect on ROP and the development.In order to solve the above problems，the introduction of the VTK vertical drilling system of Baker Hughes is found to be a good solution to the contradiction between well deflection and the WOB，which can increase the ROP.At the same time，the suitable bit，drilling string，drilling mud system，decreasing the accident，such as drill tool failures，bit freezing，well collapse and so on have been optimized.Shown by 15 Wells field application，this system can effectively control well deflection，release the WOB and increase the ROP in the inclined strata.

88 Application of VTK vertical drilling technology in Hailaer oilfield

Yang Lijing（Production Engineering Institute of Daqing Oilfield Co.Ltd.，PetroChina，Daqing，Heilongjiang 163453）

Hailaer oilfield；vertical drilling system；dip angle；deflection control；ROP

文献标识码：A

1673-8217（2012）06-0088-03

2012-05-22；改回日期：2012-07-30

杨丽晶，工程师，硕士，1980年生，2007年毕业于东北石油大学工程力学专业，现从事钻井工程设计及科研工作。

刘洪树