井斜控制中的誤區(qū)探討

汪光太 王勝啟

中國石油勘探與生產(chǎn)工程監(jiān)督中心 （北京 100083）

井斜控制中的誤區(qū)探討

汪光太 王勝啟

中國石油勘探與生產(chǎn)工程監(jiān)督中心 （北京 100083）

井斜控制是非常重要的日常作業(yè)，在防斜和降斜控制過程中，可以運用不同的技術(shù)手段、采用不同的鉆具組合。探討了如何在通常的防斜、糾斜和降斜實際作業(yè)中，避開在技術(shù)本質(zhì)認識、鉆具組合優(yōu)選、工具與參數(shù)配合等方面誤區(qū)，以期提升控斜效果和鉆井效率。

井斜控制 鉆具組合 大鉆壓降斜 防斜

鉆井過程中，由于地質(zhì)、設(shè)計、鉆壓、操作和安裝等各種因素的影響，往往會發(fā)生井斜。如何采取合適的綜合技術(shù)手段控制井斜角在一定的質(zhì)量安全范圍值之內(nèi)，是一項非常重要的鉆井日常工作。而在通常的防斜、糾斜和降斜實際作業(yè)中，由于程序上、認識上、策略上、工具與參數(shù)配合上的差異和誤區(qū)，會給控斜效果和鉆井效率造成一定的影響，甚至給后續(xù)作業(yè)埋下隱患，這些差異和誤區(qū)主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

1 防斜鉆進中鐘擺鉆具應(yīng)用

鐘擺鉆具組合是一種典型的井斜控制技術(shù),在設(shè)計和施工決策過程中，對于直井段的防斜鉆進，可以看到現(xiàn)場還是習(xí)慣使用大鐘擺鉆具組合 (如Ф311mm井眼，在鉆頭之上和下穩(wěn)定器之間，接配3根鉆鋌)，其實這會嚴重影響鉆井速度和時效。

鐘擺法井斜控制技術(shù)是一種降斜、防斜和糾斜技術(shù)，其原理是利用鉆柱偏離鉛垂線后所產(chǎn)生的回復(fù)鐘擺力，使鉆頭產(chǎn)生與井眼偏斜方向相反的側(cè)向切削作用，從而降斜或糾斜。鐘擺力越大，自然糾斜能力越強，所以在鉆頭上方適當(dāng)位置安裝穩(wěn)定器，確保鉆進加壓時，下穩(wěn)定器以下不會產(chǎn)生井壁接觸點而使鐘擺力下降。在糾斜時，為提高側(cè)向切削相對垂直切削速度的比值，只能采用犧牲鉆壓以減小垂直切削速度的方法，提高糾斜能力，這樣大大影響鉆井效率。

為提高鐘擺鉆具的防斜能力，通常要縮短鉆頭與下穩(wěn)定器間的距離。如冀東油田L(fēng)103-1井采取Ф215mm之上的井眼，下穩(wěn)定器以下接2根鉆鋌，而Ф215mm以下(含Ф215mm)井眼，下穩(wěn)定器以下只接1根鉆鋌的雙穩(wěn)定器組合。

鉆具組合為Ф311mm鉆頭+Ф203mm測斜接頭+Ф203mm無磁鉆鋌×1根+Ф203mm鉆鋌×1根+ Ф310mm穩(wěn)定器+Ф203mm鉆鋌×1根+Ф310mm穩(wěn)定器+Ф203mm鉆鋌×6根+Ф178mm鉆鋌×9根+ Ф127mm鉆桿。

鉆井參數(shù)：鉆壓120～160kN，轉(zhuǎn)速60～70r/min，排量40～50L/s。

鉆進井段：0.00～1 803.00m。

防斜效果：整個直井段最大井斜小于40′。

實鉆經(jīng)驗也表明，常規(guī)大鐘擺鉆具對鉆壓非常敏感，必須采用小鉆壓才能防斜，否則井斜容易逐漸增大。

實際上大鐘擺鉆具糾斜能力大于小鐘擺鉆具的糾斜能力。把握好鐘擺鉆具總的使用原則非常重要。常規(guī)鐘擺鉆具組合只能以輕鉆壓吊打防斜，大鐘擺用小鉆壓，小鐘擺用大鉆壓，兩者在大傾角地層均不能完全解放鉆壓，只能采用高轉(zhuǎn)速打快。

現(xiàn)場實踐表明，優(yōu)先采用小鐘擺、大鉆壓是較理想的鉆進手段，既能保證井身質(zhì)量，鉆速也較快。

2 防斜鉆進中滿眼鉆具組合應(yīng)用

使用滿眼鉆具具有能修整井壁、不易發(fā)生黏卡、可控制較小的井斜變化率、下套管相對容易等優(yōu)勢。但由于滿眼鉆具上要接幾個穩(wěn)定器，而且所接的穩(wěn)定器與井眼間隙非常小，會產(chǎn)生一些負作用。所以在鉆井施工中，最好在下部鉆具組合上部接有震擊器，同時采取調(diào)整好鉆井液流變性能、控制其濾失量、增加潤滑性等配套措施。

在防斜鉆進過程中使用滿眼鉆具組合時，要注意以下一些問題：

（1）因沒有糾斜能力，在已經(jīng)發(fā)生井斜的井段內(nèi)使用不能減小井斜角，只能做到穩(wěn)斜和控制井眼曲率，要做好預(yù)測，及時換鉆具糾斜。

（2）只宜用于井眼曲率不大且井底井斜非常小的情況，確保繼續(xù)保持井底趨勢鉆進不會造成井身質(zhì)量要求超標。

（3）使用滿眼鉆具組合的關(guān)鍵是要保滿，因穩(wěn)定器與井眼之間的間隙對滿眼鉆具組合的性能有非常顯著的影響。在使用中間隙應(yīng)盡可能小，通常新配穩(wěn)定器間隙為0.8～1.6mm。

（4）使用中，應(yīng)注意監(jiān)測穩(wěn)定器尺寸的變化,因穩(wěn)定器的磨損，會使間隙增大。一般當(dāng)間隙超過5mm時，應(yīng)及時更換或修復(fù)穩(wěn)定器。

（5）定點循環(huán)時間不能過長,以免造成井徑擴大,使穩(wěn)定器相對失效。

（6）滿眼鉆具由于穩(wěn)斜能力強、基本上沒有糾斜能力，因此采用小鉆壓吊打沒有實際意義。

（7）防斜滿眼鉆具只能采用靠近鉆頭的兩穩(wěn)定器之間接2～3m長的短鉆鋌或近鉆頭串聯(lián)雙穩(wěn)定器方式。避免采用鉆頭的兩穩(wěn)定器之間接1根鉆鋌的臨界滿眼弱剛性鉆具組合方式。因為通常井徑都不規(guī)則,井徑偏大段,會使中間的第二個穩(wěn)定器失效,變成弱增斜鉆具組合,使鉆具組合性能發(fā)生逆轉(zhuǎn)。

3 防斜鉆進中偏軸組合應(yīng)用

偏軸防斜鉆具組合是指接有偏軸接頭的井底下部鉆具組合，通常由一個偏軸接頭、1～2根鉆鋌與穩(wěn)定器組合而成。偏軸接頭最早由江漢油田于1996年提出，并開始研制和試驗工作，此后陸續(xù)在各油田得到應(yīng)用。

偏軸防斜鉆具之所以起到防斜作用,主要原因在于通過采用偏軸接頭與其他鉆具適當(dāng)組配后,因其移軸效應(yīng)，可以使鉆柱即使受壓后也能產(chǎn)生公轉(zhuǎn)回旋運動,從而在偏軸接頭與鉆頭間形成倒錐擺運動，這樣與導(dǎo)向工具類似，鉆頭的傾角方向在一周的公轉(zhuǎn)中連續(xù)均勻變化，給鉆頭均等切削井壁四周的機會，使鉆頭沿一固定方向傾斜的作用抵消，從而達到防斜的目的。在井下工作運轉(zhuǎn)中的偏軸鉆具組合是一個受動態(tài)軸向力、橫向力、彎矩、扭矩等聯(lián)合作用的自轉(zhuǎn)加公轉(zhuǎn)的復(fù)合旋轉(zhuǎn)運動系統(tǒng)。

偏軸防斜鉆具組合具有防斜能力較強、承壓能力強、機械鉆速高的優(yōu)勢，適合在地層硬、可鉆性差的層位中使用。目前,有些區(qū)塊雖也非常注重采用偏軸防斜鉆具組合,但在現(xiàn)場實際應(yīng)用偏軸接頭過程中，出現(xiàn)了各種各樣的組合形式，有些組合影響了其效能的發(fā)揮，導(dǎo)致應(yīng)用效果不理想，阻礙了偏軸防斜鉆具的普遍使用。偏軸接頭的使用，重點在于偏軸接頭的連接位置和偏軸接頭的偏軸距以及與穩(wěn)定器的組合，問題的關(guān)鍵在于偏軸接頭與穩(wěn)定器的相配連接位置存在誤區(qū)。

要充分使用好偏軸鉆具組合，應(yīng)把握好以下幾個方面：

3.1 偏軸接頭的偏軸距

偏軸鉆具組合要形成公轉(zhuǎn)運動,主要靠偏軸距的存在,偏軸距的大小,在離底長度一定的情況下,是確定公轉(zhuǎn)半徑大小的關(guān)鍵因素。通常Ф215.9mm井眼,偏軸距要大于20mm,而對于Ф311mm井眼,偏軸距至少38mm。

3.2 偏軸接頭連接位置

形成倒錐擺運動，必然不能與鉆頭直接相連，應(yīng)與鉆頭隔開1～2根鉆鋌，直接與穩(wěn)定器連接，使運動趨于均衡，形成偏軸與鐘擺雙功能組合。不同的接法,效果不同。

3.3 鉆鋌連接數(shù)量

理論上偏軸接頭下部所接的鉆鋌越多，偏軸接頭的偏軸距也要增大，但事實上，因偏軸距受制于偏軸接頭外徑大小，偏軸接頭下接1～2根鉆鋌比較合理，即Ф215.9mm井眼,偏軸接頭下接1根鉆鋌, Ф311mm井眼,偏軸接頭下接2根鉆鋌,這樣又可以進一步組成鐘擺組合。

3.4 穩(wěn)定器數(shù)量

下部鉆具組合的公轉(zhuǎn)運動有利于防斜打直,偏軸鉆具組合的結(jié)構(gòu)不同,下部鉆具組合的公轉(zhuǎn)運動規(guī)律亦不同,防斜打直能力與公轉(zhuǎn)穩(wěn)定性也不同。合理使用穩(wěn)定器有利于提高偏軸鉆具的防斜打直能力，為防止穩(wěn)定器發(fā)生橇桿支點效應(yīng)，保證公轉(zhuǎn)運動的穩(wěn)定性，通常采用雙穩(wěn)定器組合，即兩穩(wěn)定器間連接1根鉆鋌。

3.5 施加鉆壓的大小

盡管偏軸鉆具組合不像鐘擺鉆具組合對鉆壓非常敏感，偏軸鉆具組合受壓范圍非常寬，但是，鉆壓太大，會導(dǎo)致井底鉆頭發(fā)生黏滯性運動，使鉆頭公轉(zhuǎn)穩(wěn)定性受到影響，從而會打破鉆頭四周均勻切削的平衡，最終影響防斜效果。

現(xiàn)場實鉆結(jié)果表明，在地層可鉆性差，極易發(fā)生井斜的地區(qū)鉆進時，應(yīng)用效果好的情況往往是尺寸和鉆具組合搭配比較合理的，加之鉆壓控制合理，監(jiān)測及時。通常偏軸防斜鉆具組合施工井段與鐘擺鉆具組合鉆進井段相比，平均機械鉆速有明顯提高。

4 防斜鉆進中導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的應(yīng)用

在自然造斜能力較強、地層傾角較大等特殊地層的防斜鉆進過程中，若要將機械鉆速、質(zhì)量和效益統(tǒng)一起來，在目前技術(shù)條件下，導(dǎo)向防斜鉆井系統(tǒng)(即復(fù)合鉆井防斜糾斜技術(shù))是一個可行而實用的選擇?，F(xiàn)場習(xí)慣采用帶直螺桿的復(fù)合鉆井防斜技術(shù)，而復(fù)合鉆井防斜糾斜技術(shù)是一種采用高效PDC鉆頭或金剛石鉆頭、彎外殼井下動力鉆具、穩(wěn)定器等匹配起來的大滿貫鉆具組合。這種大滿貫鉆具組合將鐘擺鉆具防斜技術(shù)、導(dǎo)向防斜糾斜技術(shù)、復(fù)合鉆井技術(shù)集成在一起，使其適用面更廣、效果更顯著、效率更高，達到鉆直、打快、節(jié)約成本的目的。

彎外殼井下動力鉆具組合也就是導(dǎo)向鉆具。對于復(fù)合鉆井防斜糾斜技術(shù)，其防斜原理與導(dǎo)向鉆具一樣，復(fù)合鉆井的特征是工具面角作連續(xù)周期性變化，這種工具面角的連續(xù)變化是靠轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)，從而給鉆頭均等切削井壁四周的機會，達到防斜的目的。使用彎外殼井下動力鉆具的滑動鉆進技術(shù),可以適時地進行糾斜、對井斜進行控制，避免井斜進一步增加,利用彎外殼井下馬達滑動鉆進實現(xiàn)糾斜，糾斜能力強的特點，可廣泛應(yīng)用于各級別地層發(fā)生偏斜后的糾斜。這種采用低鉆壓、高轉(zhuǎn)速的復(fù)合鉆井防斜糾斜技術(shù),可有效地提高井身質(zhì)量及滿足井底小位移的控制目標，有利于提高機械鉆速，減少起下鉆次數(shù)，取得良好的防斜打快效果。

當(dāng)采用復(fù)合鉆井防斜糾斜鉆具組合時，要選用合適的鉆頭、井下動力鉆具、井下動力鉆具的彎外殼角度、穩(wěn)定器的安放位置等，綜合平衡機械鉆速、井下動力鉆具使用壽命等,以獲得最佳的使用效果。

（1）復(fù)合鉆井防斜糾斜鉆具組合所用鉆頭，通常選用與井下動力鉆具匹配的PDC鉆頭，這樣可以滿足低鉆壓、高轉(zhuǎn)速的復(fù)合鉆井方式，但PDC鉆頭與地層巖性的配伍會受到限制。所以井下動力鉆具、鉆頭和地層之間的合理匹配問題是復(fù)合鉆井能否實現(xiàn)防斜打快目的的關(guān)鍵。要達到提速防斜的目的,主要依賴于對地質(zhì)情況和地層巖性的了解，使所選用的井下動力鉆具和鉆頭組合能夠滿足特定地層條件下的鉆井要求。

（2）目前現(xiàn)場使用最多的井下動力鉆具是螺桿鉆具，螺桿鉆具外徑尺寸要符合防斜要求，而且其排量參數(shù)不得低于鉆井設(shè)計中的參數(shù)標準。

（3）井下動力鉆具的彎外殼角度采用0.75°。

（4）為實現(xiàn)平穩(wěn)運轉(zhuǎn)、使鉆頭均等切削井壁四周，離不開穩(wěn)定器的使用。通常采用雙穩(wěn)定器組合，根據(jù)井下動力鉆具上是否帶有穩(wěn)定器 (最好選用不帶穩(wěn)定器的井下動力鉆具，以利于滑動鉆進糾斜時工具面的穩(wěn)定性)，決定上穩(wěn)定器有不同的接法。

鐘擺式復(fù)合鉆井防斜糾斜鉆具組合方法：

組合1：Ф311mm鉆頭+Ф244mm彎外殼井下馬達(彎角度數(shù)0.75°，馬達上不帶穩(wěn)定器)+Ф203mm鉆鋌×1根 +Ф310mm穩(wěn)定器+Ф203mm鉆鋌×1根+ Ф310mm穩(wěn)定器+Ф203mm鉆鋌+Ф178mm鉆鋌+ Ф127mm鉆桿。

組合2：Ф215.9mm鉆頭+Ф165mm彎外殼井下馬達(彎角度數(shù)0.75°，馬達上不帶穩(wěn)定器)+Ф215mm穩(wěn)定器+Ф159mm鉆鋌×1根+Ф215mm穩(wěn)定器+ Ф159mm鉆鋌+Ф127mm加重鉆桿+Ф127mm鉆桿。

復(fù)合鉆井防斜糾斜鉆具組合可以看成是鐘擺和導(dǎo)向鉆具的組合，復(fù)合鉆井技術(shù)相對鐘擺鉆具而言是一種更好的防斜打快手段，在控制井斜的同時取得比鐘擺鉆具組合更高的機械鉆速。復(fù)合鉆井防斜糾斜打快技術(shù)不僅在直井中可以實現(xiàn)防斜打快目的，而且可以實現(xiàn)定向井軌跡的連續(xù)控制,并且能夠大幅度提高鉆井速度,減少起下鉆次數(shù)。

5 防斜鉆進中垂直鉆井系統(tǒng)的應(yīng)用

不管是常規(guī)的塔式鉆具、鐘擺鉆具、滿眼鉆具防斜組合,還是偏軸鉆具、旋沖鉆具、復(fù)合鉆井防斜糾斜組合等技術(shù)，都屬于被動防斜技術(shù)，使用中有其相應(yīng)的局限性,可以作為淺井和中深井的常規(guī)性防斜糾斜技術(shù)。而20世紀80年代末期逐漸發(fā)展起來的垂直鉆井技術(shù)，屬于主動防斜技術(shù)，完全滿足在高陡構(gòu)造、大傾角地層和逆掩推覆體等易斜地層鉆高質(zhì)量的深井、超深井和復(fù)雜結(jié)構(gòu)井直井段的鉆探要求。

VertiTrak、PowerV都是專門用于垂直鉆井的實時井斜自動控制系統(tǒng)，這2種系統(tǒng)已成功應(yīng)用于國內(nèi)一些特殊區(qū)塊地層，達到了預(yù)期的控斜、提速和增效的目的。但 PowerV比 VertiTrak更具優(yōu)勢，因VertiTrak屬于閉環(huán)非全旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)，PowerV是鉆井液驅(qū)動的全旋轉(zhuǎn)自動控制系統(tǒng)，在深部復(fù)雜地層中鉆進，更具安全和成本優(yōu)勢。

充分用好PowerV系統(tǒng)，要把握好以下幾項重要原則：

（1）下部鉆具組合中應(yīng)配接井斜連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)，不可采用單點之類監(jiān)測井斜。因PowerV系統(tǒng)在井底工作時，與地面沒有信息的交換，地面無法更改工作指令，要監(jiān)測和判斷PowerV系統(tǒng)的實際工作情況以及使用效果，必須在井底下部鉆柱組合中配接MWD儀器，確保PowerV系統(tǒng)的使用效果和安全性，準確判斷起鉆時機。

（2）在使用策略上，將PowerV系統(tǒng)用作降斜工具，以免降斜過快，造成井身質(zhì)量超標，給后續(xù)作業(yè)埋下隱患。

（3）在取得地區(qū)和地層使用經(jīng)驗之前，為減少輔助作業(yè)時間，避免造成井斜失控，現(xiàn)場應(yīng)用PowerV系統(tǒng)時應(yīng)采用滿負荷工作法，即采用180°/100%(工具面角/降斜作用持續(xù)時間百分比)指令工作。

（4）確保PowerV系統(tǒng)的工具面角和降斜作用持續(xù)時間比例指令(180°/XX%)的相對穩(wěn)定。

（5）強化地面工程錄井和MWD監(jiān)測，實時判斷PowerV系統(tǒng)工作狀態(tài)，以防其失效后，增斜過快，使井身質(zhì)量超標。

（6）配套使用機械式隨鉆測斜儀，降低鉆井綜合成本。

6 大鉆壓高效降斜技術(shù)

在進行“S”型定向井降斜段的施工時,因為通常采用大鐘擺鉆具組合，習(xí)慣的方法是采用輕壓吊打的手段,忌用大鉆壓，單純地利用鐘擺力。但隨著井斜角越來越小,鐘擺力也會越來越小,這樣就越來越難降斜了。鉆壓太低,機械鉆速變慢,增加鉆井成本,不經(jīng)濟。

在定向井的降斜段井眼施工中，采用大鉆壓降斜法是可行的[4],不但利用鐘擺力降斜,還應(yīng)充分發(fā)揮橫向偏斜力的作用。當(dāng)井斜和下部鉆柱組合確定時,通常大鐘擺鉆柱在降斜段井眼中呈現(xiàn)自然形態(tài)，由于自重的作用,鉆柱偏向井眼的低邊,鉆進時工藝上要求鉆壓逐漸施加上去,在一定的輕壓吊打鉆壓范圍內(nèi),下部鉆柱組合就保持這種靠低邊狀態(tài),隨著鉆壓的逐漸增大,下部鉆柱組合中與下井壁的接觸點,會在低邊滑動自轉(zhuǎn),再進一步增大鉆壓時,就會在低邊處產(chǎn)生較大的接觸應(yīng)力,鉆柱就不會單是自轉(zhuǎn),而開始有滾動(公轉(zhuǎn))的趨勢,當(dāng)鉆壓加到很大時,由接觸應(yīng)力而產(chǎn)生的滾動摩擦也同步增大,滾動摩擦力可以克服鉆具自重和彎曲力的作用而使鉆具滾動到井眼高邊，即上井壁處，保持這種鉆壓,使鉆具上產(chǎn)生的彎矩能克服由于滾動摩阻力和重力的作用,確保鉆具切點會在井眼高邊某個位置處于一種自轉(zhuǎn)平衡狀態(tài)。這樣只要在已形成降斜趨勢的井眼段采用大鉆壓,加上井眼彎曲效應(yīng),使下部鉆柱組合在大鉆壓作用下更趨于與井眼一起產(chǎn)生同向的背斜彎曲,即實現(xiàn)鉆頭上的橫向偏斜力起降斜作用。

采用大鉆壓高效降斜時，要把握好以下原則，并采用相應(yīng)的配套措施。

（1）只適用于地層傾角較小的地層，否則有可能因鉆頭上的地層增斜力大于鉆壓所產(chǎn)生的橫向偏斜力而達不到降斜的效果。

（2）檢查指重表,使其靈敏、可靠,保證加壓的準確性。

（3）先用較小的鉆壓鉆進30m后測斜,確保已形成降斜段后,再增加鉆壓到大鉆壓。

（4）確保鉆壓的穩(wěn)定性，送鉆必須均勻，采用60～70r/min的轉(zhuǎn)速。

（5）控制鉆井液失水,濾餅不能太厚。

[1]杜勁,尹松,閆偉,等.國內(nèi)外井斜控制技術(shù)的發(fā)展[J].機械工程師，2007(2).

[2]李玉泉,羅鳳芝,田群山,等.偏軸鉆具組合在玉門油田的應(yīng)用[J].吐哈油氣,2007(12).

[3]劉以明,蔡文軍,王平,等.PowerV和機械式隨鉆測斜儀在黒池1井的應(yīng)用[J].石油鉆探技術(shù),2006(1).

[4]汪光太.降斜防斜控制技術(shù)[J].鉆采工藝,1999(6).

Control of wellbore inclination is one important routine operation.Different technological means and various combinations of drilling tools are applied in the controlling process of preventing inclination and declining inclination.The paper mainly discusses the problem on how to avoid the misunderstanding at the aspects of knowing the nature of technology,selecting the combination of drilling tools and matching the tools and parameters in the practical operation of preventing,correcting and declining inclination.It is hopeful to improve the effect of controlling inclination and the drilling efficiency.

control of wellbore inclination;combination of drilling tools;declining the inclination by the WOB;preventing inclination

汪光太（1966-），男，高級工程師，先后從事水平井技術(shù)科研、工程技術(shù)服務(wù)和工程技術(shù)監(jiān)督工作。

尉立崗

2011-05-23