油田鉆井井斜控制技術(shù)

陳興忠大慶鉆探集團(tuán)鉆井三公司

油田鉆井井斜控制技術(shù)

陳興忠
大慶鉆探集團(tuán)鉆井三公司

摘要:科技水平的不斷提高，使人們對(duì)油田勘探開(kāi)發(fā)技術(shù)有了更深入研究，鉆井防斜、糾斜技術(shù)因其在開(kāi)發(fā)過(guò)程中的重要地位而日益受到重視。由于在開(kāi)發(fā)后期會(huì)出現(xiàn)邊緣井、調(diào)整井等，井身質(zhì)量也面臨著更高要求。類(lèi)似于斜直井、小井眼鉆井等新型技術(shù)概念也在實(shí)踐中得到廣泛運(yùn)用，在從理論角度加深相關(guān)研究的同時(shí)，也將理論研究成果在實(shí)踐過(guò)程中得到進(jìn)一步驗(yàn)證與完善。

關(guān)鍵詞：鉆井井斜控制

1、井斜的原因

1.1各向異性地層理論

從不同角度來(lái)看，沉積巖層的強(qiáng)度與物性均存在較大差異。一般情況下，垂直層面的沉積巖石具有更低強(qiáng)度，開(kāi)采難度相對(duì)較小，故而在對(duì)此類(lèi)地層加以鉆探時(shí)，需注意確保鉆頭始終保持沿最小阻力方向的前進(jìn)趨勢(shì)。若在開(kāi)采過(guò)程中地層出現(xiàn)傾斜，則必然會(huì)導(dǎo)致井斜現(xiàn)象的出現(xiàn)。

1.2地層可鉆性理論

考慮到不同硬度條件下，地層的鉆速也表現(xiàn)出較大差距。在井底鉆壓分布較為均勻的前提條件下，若處于軟地層則容易出現(xiàn)向上傾斜現(xiàn)象，而在硬地層的開(kāi)采中向下傾斜現(xiàn)象則較為普遍。

1.3小型“造斜器”理論

當(dāng)處于傾斜層狀地層的鉆井狀態(tài)時(shí)，由于層面交界部位的巖石硬度較低，無(wú)法滿(mǎn)足鉆壓面上的長(zhǎng)期作業(yè)需求，導(dǎo)致在垂直層面上出現(xiàn)巖層破碎；若在井眼下傾側(cè)存在處于完好狀態(tài)的小體積臺(tái)肩，此時(shí)鉆頭會(huì)受到來(lái)自該臺(tái)肩的橫向作用力，導(dǎo)致井斜出現(xiàn)。

1.4鉆鋌力矩理論

若開(kāi)采地層的硬度分布不均，整體呈現(xiàn)為軟硬地層交錯(cuò)分布狀態(tài)時(shí)，此時(shí)井底的鉆壓分布并不具有均勻性特征。相較于軟地層，硬地層所承受的鉆壓更大，導(dǎo)致在進(jìn)入硬地層時(shí)鉆頭存在力矩，進(jìn)而引起鉆頭所受到的側(cè)向力發(fā)生變化，導(dǎo)致井斜情況發(fā)生變化。

1.5鉆柱在鉆壓作用下的彈性彎曲理論

當(dāng)下部鉆具由于鉆壓作用而發(fā)生彎曲，會(huì)引起鉆頭傾斜，進(jìn)而導(dǎo)致鉆進(jìn)方向與預(yù)期井眼軸線無(wú)法保持一致。此外，當(dāng)鉆柱彎曲引起了鉆壓作用方向的變化，使其不再沿軸線方向發(fā)揮作用，這一角度變化將引發(fā)導(dǎo)致井斜的另一作用力。在此條件下，下部鉆具組合的鉆鋌剛性以及鉆壓，與鉆鋌尺寸等，共同決定了鉆柱是否發(fā)生彎曲以及彎曲程度，也間接決定了井斜程度。

綜上所述，在不考慮井口安裝質(zhì)量低這一點(diǎn)的前提下，導(dǎo)致井斜的原因主要包括兩方面：第一，鉆柱由于受到多種因素影響而導(dǎo)致發(fā)生彈性彎曲；第二，地層所表現(xiàn)出的客觀傾角變化以及地質(zhì)因素所決定的非均質(zhì)性。從本質(zhì)上來(lái)講，出現(xiàn)井斜的原因即為：多種因素的共同作用使鉆頭受到來(lái)自側(cè)向的切削力，這一受力的大小計(jì)算，可通過(guò)將偏斜力、來(lái)自地層的造斜力以及鉆柱所產(chǎn)生的鐘擺力等進(jìn)行向量計(jì)算的方式得出。計(jì)算公式如下：

FT=Ff+Fp+FB①

式中：Ff一一地層造斜力，kn

Ff=1/2h.sin2(θ—2).w=k.w②

Fp一鉆柱鐘擺力，kn

Fp=1/2Lqsina③

FB一彎曲偏斜力，kn

FB=w.sinθB④

h一地層各向異性指數(shù)

θ一地層傾角

a—井斜角

w—鉆壓kn

k—=地層的綜合造斜系數(shù)，可通過(guò)地質(zhì)計(jì)算得出

L—鉆柱與臺(tái)肩切點(diǎn)以下部分的鉆鋌長(zhǎng)度(m)，可通過(guò)測(cè)量得出

q—單位長(zhǎng)度鉆鋌的重量(kn/m)，可通過(guò)簡(jiǎn)單測(cè)量與計(jì)算得出

θB一鉆頭偏斜角

2、防斜糾斜的鉆具組合及工具

2.1井斜控制的實(shí)質(zhì)

從圖中可以直觀地看出，鉆柱在鉆壓作用下產(chǎn)生彎曲，鉆頭偏離井眼軸線，其偏移角θB與鉆壓的大小有關(guān)，鉆壓在垂直井眼軸線上有一分量FB，即為鉆壓的彎曲偏斜力。由式④可知，鉆壓越大，鉆頭偏斜角越大，其偏斜力越高，井眼越易增斜。另外，由于井斜角的影響，下部鉆柱切點(diǎn)以下鉆具的重量在垂直井眼軸線上存在一分力，其值由式③計(jì)算，即為人們常說(shuō)的鐘擺力。

2.2鐘擺鉆具組合

由式③可知，增加鉆具鐘擺力的渠道，一是增加下部鉆具的重量，即采用加重鉆鋌；二是使切點(diǎn)高度上移。光鉆鋌鐘擺鉆具，最下面的1柱—2柱鉆鋌應(yīng)盡量采用可安全使用的大外徑厚壁鉆鋌，不僅可以增加鐘擺力，并可減小鉆鋌的撓度，這種組合習(xí)慣上也稱(chēng)為塔式鉆具組合。帶穩(wěn)定器的鐘擺組合，主要是為了使鉆具切點(diǎn)上移，穩(wěn)定器以下鉆具不與井壁接觸，可以獲得最大的鐘擺抗斜力，這種鉆具組合主要一點(diǎn)是如何確定穩(wěn)定器安放高度，與其有關(guān)的因素有井眼尺寸、鉆鋌尺寸、穩(wěn)定器外徑、井斜角、鉆壓及鉆井液密度。為了增加下部鉆具組合的剛性，在第—個(gè)穩(wěn)定器以上9m處，可再加一只穩(wěn)定器，對(duì)鐘擺鉆具沒(méi)有影響。

2.3滿(mǎn)眼鉆具組合

鐘擺鉆具組合為了保證其防斜效果，鉆壓往往很低，影響了鉆進(jìn)速度，而滿(mǎn)眼鉆具組合克服了上述缺點(diǎn)。鉆頭上加一個(gè)穩(wěn)定器，然后每隔9m(9m以?xún)?nèi)更好)再加上多個(gè)穩(wěn)定器，配合大剛度鉆鋌，可以克服地層施加給鉆頭的橫向力，促使鉆頭中心與井底保持垂直，減小鉆柱彎曲引起偏斜力。這種鉆具組合的應(yīng)用雖有大鉆壓鉆速快的優(yōu)點(diǎn)，但井眼一旦偏斜，降斜的可能性很小。

2.4偏心鉆鋌防斜

偏心鉆鋌的工作原理是，在常規(guī)鉆鋌的某一側(cè)進(jìn)行孔眼鉆探，使兩側(cè)形成輕重不一的情況，此時(shí)若鉆具發(fā)生旋轉(zhuǎn)，則會(huì)產(chǎn)生指向更重側(cè)的離心力，且該離心力的大小與鉆具轉(zhuǎn)速成正比。此類(lèi)鉆具每鉆入一圈，會(huì)使鐘擺力與離心力出現(xiàn)一次重合現(xiàn)象，導(dǎo)致其對(duì)下側(cè)井壁產(chǎn)生糾斜力，縮小井斜。

2.5柔性防斜鉆具組合

該組合的防斜原理為：在兩個(gè)穩(wěn)定器間加設(shè)較大柔性的加重鉆桿，進(jìn)而使下穩(wěn)定器的內(nèi)彎矩得到更好改進(jìn)，改進(jìn)后的內(nèi)彎矩較傳統(tǒng)組合形式而言有更優(yōu)性能，進(jìn)而對(duì)鉆頭的側(cè)向力大小產(chǎn)生一定程度影響；這將直接導(dǎo)致其在加壓鉆進(jìn)或吊打狀態(tài)下，都能得到足夠的鐘擺力。

井斜角并非決定井身整體質(zhì)量的唯一因素，即使井斜角很大，但只要在目的層能夠通過(guò)鉆探進(jìn)入到目標(biāo)靶區(qū)，便可達(dá)到地質(zhì)要求。因此，無(wú)論采用何種技術(shù)，或是對(duì)基礎(chǔ)原理加以運(yùn)用，都應(yīng)在達(dá)到井身質(zhì)量預(yù)期目標(biāo)的前提下，使機(jī)械的轉(zhuǎn)速得以提升，如此便可以視為達(dá)到最終的改進(jìn)目的。

現(xiàn)階段應(yīng)用較為廣泛的防斜糾斜鉆具大多存在不同程度的局限性，無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)際生產(chǎn)需求，只有通過(guò)不斷的實(shí)踐、改善，再實(shí)踐、再改善，才能研制出更多的防斜糾斜方法。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉希圣等，《鉆井工藝原理》（中冊(cè)），石油工業(yè)出版社，1988年8月

[2]韓志勇，《定向井設(shè)計(jì)與計(jì)算》，石油工業(yè)出版社，1989年12月