恩施中深層地?zé)峋@探防斜打直技術(shù)探討

胡勝華， 鄭興華， 洪 毅

(湖北省地質(zhì)局 第七地質(zhì)大隊(duì)，湖北 宜昌 443100)

井斜具有多方面的危害，在鉆井施工方面會(huì)惡化鉆柱工作條件，造成井壁坍塌、卡鉆、固井下套管困難、注水泥竄槽，進(jìn)行糾斜側(cè)鉆則增加施工成本；在地質(zhì)勘探方面造成地質(zhì)資料失真，打亂井位布孔設(shè)計(jì)；在后期開發(fā)方面影響抽水的水溫水量等，因此在鉆井過(guò)程中防斜打直十分關(guān)鍵。本文通過(guò)分析井斜產(chǎn)生的原因，總結(jié)常用的防斜打直技術(shù)方法，并以恩熱1井鉆探施工工程為例，檢驗(yàn)防斜打直技術(shù)實(shí)際應(yīng)用效果，研究成果對(duì)恩施及其他地區(qū)的地?zé)豳Y源鉆探開發(fā)工作具有一定的指導(dǎo)意義。

1 井斜原因

在鉆井過(guò)程中，井斜往往造成井斜角和井斜方位在空間上形成“狗腿”，鉆桿和鉆鋌在“狗腿”井段鉆進(jìn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的交變應(yīng)力(包括拉應(yīng)力和彎曲應(yīng)力)，當(dāng)交變應(yīng)力達(dá)到一定程度時(shí)會(huì)嚴(yán)重?fù)p壞鉆具[1]，引發(fā)起下鉆困難、卡鉆等復(fù)雜井下事故，致使工程達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。影響井斜的因素很多，但主要?dú)w納為地質(zhì)因素和鉆具因素。

1.1 地質(zhì)因素

造成井斜的地質(zhì)因素主要為地層可鉆性的不均勻和地層傾斜。巖石在不同的方向上具有的不同強(qiáng)度和硬度，從而導(dǎo)致地層的可鉆性不均勻。當(dāng)鉆頭鉆入傾斜地層交界面時(shí)，由于鉆頭不同側(cè)接觸的巖石硬度有差異便會(huì)出現(xiàn)井斜。如圖1所示，在同一鉆壓下軟地層的可鉆性相對(duì)高于硬地層，當(dāng)鉆頭在A側(cè)接觸到軟巖石而在B側(cè)接觸到硬巖石時(shí)，鉆頭在A側(cè)切入的深度更深、鉆速更快，于是鉆頭兩側(cè)產(chǎn)生了不平衡，井眼軸線必然會(huì)發(fā)生偏離，從而導(dǎo)致井斜[2]。

圖1 鉆頭切削巖石示意圖Fig.1 Schematic diagram of rock cutting by drill bit

1.2 鉆具因素

造成井斜的鉆具因素主要包括鉆具彎曲和鉆頭結(jié)構(gòu)引起的各向異性。在鉆頭鉆進(jìn)時(shí)，依靠下方部分鉆柱重量給鉆頭施加壓力。在直井中，當(dāng)鉆壓較小時(shí)下部鉆柱保持直線穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)鉆壓增至某臨界值時(shí)，下部鉆柱發(fā)生失穩(wěn)彎曲并與井壁產(chǎn)生切點(diǎn)，鉆頭及相鄰鏈接部分鉆柱的中心線偏離井眼軸線，對(duì)井底造成不對(duì)稱的切削，從而使井眼發(fā)生傾斜(圖2)。另外，在鉆井過(guò)程中，理論上鉆頭主要沿著井眼軸線的方向行進(jìn)，但在實(shí)際過(guò)程中鉆頭或多或少具有一定的側(cè)切能力，從而對(duì)井眼軌跡的行進(jìn)方向產(chǎn)生一定的影響[3]。

圖2 鉆頭不對(duì)稱切削和側(cè)向切削導(dǎo)致井斜Fig.2 Well deviation caused by asymmetric cutting and lateral cutting of bit

2 防斜打直技術(shù)方法

目前主要有兩類防斜打直技術(shù)方法，一種是利用鉆柱動(dòng)力學(xué)特征的防斜打直技術(shù)，包括滿眼鉆具組合、偏軸鉆具組合、鐘擺鉆具組合、塔式鉆具組合等；另一種是反饋式井斜控制技術(shù)，包括導(dǎo)向鉆具防斜技術(shù)、自動(dòng)垂直鉆井系統(tǒng)[4]。

2.1 鉆柱動(dòng)力學(xué)井斜控制技術(shù)

(1) 滿眼鉆具組合。滿眼鉆具的基本原理是增大下部鉆具組合的尺寸和剛度，通過(guò)“填滿井眼”來(lái)防止鉆柱彎曲和傾斜[5]。該組合主要依靠大外徑的鉆鋌和扶正器，鉆具尺寸接近井眼直井，可以使井壁間隙小、鉆具剛性強(qiáng)、受壓后彎曲變形小。這種鉆具組合的鉆頭側(cè)向力一般較小，而且基本不受鉆壓影響，在較大鉆壓作用下可實(shí)現(xiàn)快速垂直鉆進(jìn)。

(2) 偏軸鉆具組合。偏軸鉆具主要是將普通的鉆桿接頭換成偏軸接頭。偏軸接頭和一般接頭相比，可以讓接頭上下鉆具的受力軸線不在一條直線上，從而增大鉆具在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中的“離心效應(yīng)”。鉆具在鉆進(jìn)過(guò)程中“重邊”就可以均勻的對(duì)井壁進(jìn)行作用，從而將之前造斜段的井壁慢慢糾斜過(guò)來(lái)。

(3) 鐘擺鉆具組合。鐘擺鉆具是一種傳統(tǒng)的糾斜技術(shù)，其主要包括單穩(wěn)定器鐘擺鉆具組合、雙穩(wěn)定器滿眼鐘擺鉆具組合和塔式鐘擺鉆具組合等。在下部鉆柱的適當(dāng)位置安裝一個(gè)扶正器，當(dāng)發(fā)生井斜時(shí)，該扶正器支撐在井壁上形成支點(diǎn)，使下部鉆柱懸空。該扶正器以下的鉆柱就如同一個(gè)鐘擺，產(chǎn)生一個(gè)鐘擺力，使鉆頭在鐘擺力的作用下切削下井壁，從而使新鉆的井眼不斷降斜[6]。

(4) 塔式鉆具組合。塔式鉆具是指將不同等級(jí)、不同規(guī)格的鉆鋌和鉆桿合理地連接起來(lái)，不僅能夠滿足井下鉆具的強(qiáng)度要求，還具有一定的防斜作用[7]。隨著鉆進(jìn)深度的增加，塔式鉆具的防斜作用便會(huì)變得十分有限，要想很好地控制井斜，一般需要和其他鉆具組合進(jìn)行結(jié)合來(lái)共同起到防斜作用。

2.2 反饋式井斜控制技術(shù)

(1) 導(dǎo)向鉆具防斜技術(shù)。導(dǎo)向鉆具防斜技術(shù)采用MWD(Measurement While Drilling)隨鉆測(cè)量設(shè)備+單彎或雙彎螺桿+穩(wěn)定器的井下動(dòng)力鉆具組合，優(yōu)點(diǎn)是可適用于高陡地形，穩(wěn)斜時(shí)可使用復(fù)合鉆進(jìn)方式，能夠充分釋放鉆壓；缺點(diǎn)是糾斜時(shí)只能進(jìn)行滑動(dòng)鉆進(jìn)，“狗腿度”較大，井眼軌跡不光滑。這種鉆具組合一般用于糾斜施工，穩(wěn)斜效果較差。

(2) 自動(dòng)垂直鉆井系統(tǒng)。在高陡構(gòu)造、斷層、鹽層等地層施工時(shí)，國(guó)外一般采用自動(dòng)垂直鉆井系統(tǒng)，這種工具已被證明在各種惡劣地層條件下都可以適用[8]。但目前該項(xiàng)技術(shù)在中國(guó)應(yīng)用得還不夠成熟、廣泛且使用成本較大，因此對(duì)于井深不是很大、井身質(zhì)量要求不是很高的鉆井，一般不推薦使用該方法。

3 防斜打直技術(shù)在恩熱1井鉆井中的應(yīng)用

恩熱1井位于恩施州城區(qū)，是恩施地區(qū)第一口大口徑中深層地?zé)崽讲山Y(jié)合井。受恩施大斷裂影響，井位處巖體較破碎，井壁穩(wěn)定性較差，易出現(xiàn)坍塌掉塊。由于斷裂帶地層傾角較大，導(dǎo)致鉆井過(guò)程中極易發(fā)生井斜，因此在鉆進(jìn)過(guò)程中需嚴(yán)格控制井斜角的變化，定期測(cè)量井斜角并采用合適的防斜技術(shù)進(jìn)行井斜的預(yù)防。

3.1 施工程序及鉆具組合

恩熱1井地質(zhì)構(gòu)造特點(diǎn)及各開次深度如表1所示。

表1 恩熱1井地質(zhì)構(gòu)造及開次設(shè)計(jì)Table 1 Geological structure and start-up design of Well Enre-1

3.1.1一開防斜技術(shù)應(yīng)用

該井一開上部巖層為棕紅色細(xì)砂巖夾石英砂巖、深灰色礫巖，地層可鉆性較強(qiáng)，鉆進(jìn)速度較快，容易出現(xiàn)井斜問題。一開的井身質(zhì)量很大程度上決定了整口井的井身質(zhì)量，故從一開開始就做好井斜預(yù)防。安裝井架時(shí)保證整個(gè)井架底座處于水平，確保天車、水龍頭、井口位于一條直線上；其次在鉆進(jìn)過(guò)程中不使用彎曲變形的鉆桿，及時(shí)更換牙齒和牙輪損壞、變形的鉆頭。

一開采用塔式鉆具組合進(jìn)行防斜。一開鉆具組合：Φ444.5 mm鉆頭+變絲接手+Φ203 mm鉆鋌×3+變絲接手+Φ178 mm鉆鋌×3+變絲接手+Φ159 mm鉆鋌×1+變絲接手+Φ89 mm鉆桿。

3.1.2二開防斜技術(shù)應(yīng)用

該井二開鉆進(jìn)的重點(diǎn)除了井斜外還包括鉆井液性能控制，要防止井壁失穩(wěn)出現(xiàn)坍塌、掉塊等問題，以免引發(fā)卡鉆、埋鉆事故。二開開始鉆進(jìn)時(shí)為穩(wěn)斜保直，繼續(xù)加大各級(jí)鉆鋌的配重。為進(jìn)一步保證井身質(zhì)量并準(zhǔn)確了解井眼軌跡走向，定期對(duì)井身井斜進(jìn)行測(cè)量。從測(cè)井結(jié)果(表2)可知，在井深450 m時(shí)井斜角為3.24°，已超出規(guī)范要求(1 000 m井深井斜不超過(guò)3°)，此時(shí)采用鐘擺鉆具組合及時(shí)對(duì)井身進(jìn)行糾斜，上提鉆具安裝扶正器，同時(shí)增加鉆鋌配重。

表2 二開井斜測(cè)量結(jié)果表Table 2 Table of inclination measurement results for second opening well

提鉆調(diào)整后的二開井內(nèi)鉆具組合如圖3所示。二開鉆具組合：Φ311.1 mm鉆頭+變絲接手+Φ203 mm鉆鋌×6+變絲接手+Φ178 mm鉆鋌×6+變絲接手+Φ159 mm鉆鋌×4+扶正器×1+變絲接手+Φ89 mm鉆桿。

鉆具組合調(diào)整之后的井斜測(cè)量結(jié)果如表3所示，可以看出在井深550 m左右井斜度達(dá)到最大值4.01°，但隨著井深加大井斜度不斷降低，說(shuō)明調(diào)整后的鉆具組合取得了有效的降斜效果。

3.1.3三開防斜技術(shù)應(yīng)用

三開鉆進(jìn)的重點(diǎn)是穩(wěn)斜打直。隨著鉆進(jìn)深度的加深和地層的不穩(wěn)定性，依靠現(xiàn)有鉆具組合很難繼續(xù)穩(wěn)斜打直，故選用滿眼鉆具組合并增加兩個(gè)扶正器來(lái)達(dá)到防斜的目的。

圖3 二開井內(nèi)鉆具防斜組合示意圖Fig.3 Indication diagram of anti-inclination combination in the second well

表3 調(diào)整鉆具后二開井斜測(cè)量結(jié)果表Table 3 Measurement results of the second open shaft after adjusting the drilling rig

三開鉆具組合如圖4所示。三開鉆具組合：Φ215.9 mm三牙輪鉆頭+變絲接手+Φ203 mm鉆鋌×4+扶正器×1+變絲接手+Φ178 mm鉆鋌×8+扶正器×1+變絲接手+Φ159 mm鉆鋌×6+扶正器×1+變絲接手+Φ89 mm鉆桿。

圖4 三開鉆具組合示意圖Fig.4 Schematic diagram of the three-open drill tool assembly

三開鉆進(jìn)過(guò)程中實(shí)時(shí)測(cè)量的井斜結(jié)果如表4所示，三開段井斜度最大為2.13°，表明選用滿眼鉆具組合取得很好的防斜效果。

表4 三開井斜測(cè)量結(jié)果表Table 4 Table of deviation measurement results of three-open wells

3.1.4四開防斜技術(shù)應(yīng)用

四開井段主要為沉沙段，且為裸孔段，需做到“穩(wěn)中求進(jìn)”，不盲目追求鉆進(jìn)進(jìn)尺；需及時(shí)調(diào)整鉆進(jìn)參數(shù)，保持井斜度在規(guī)范要求范圍內(nèi)，同時(shí)避免井壁垮塌、卡鉆等事故發(fā)生。

四開鉆具組合：Φ152.4 mm PDC鉆頭+變絲接手+Φ121 mm鉆鋌×10+扶正器×1+變絲接手+Φ89 mm鉆桿。

3.2 最終成井結(jié)果

恩熱1井在二開段井斜過(guò)大，通過(guò)選用鐘擺鉆具組合及時(shí)進(jìn)行糾斜；三開段選用滿眼鉆具組合使井斜始終控制在規(guī)范要求內(nèi)。整體來(lái)看，綜合使用不同鉆具組合取得了很好的防斜效果。

4 結(jié)論

(1) 鉆柱動(dòng)力學(xué)井斜控制技術(shù)和反饋式井斜控制技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況選用合適的防斜技術(shù)。

(2) 恩熱1井綜合使用塔式鉆具組合、鐘擺鉆具組合及滿眼鉆具組合，取得了很好的防斜效果，對(duì)恩施及其他地區(qū)地?zé)豳Y源鉆探開發(fā)工作具有一定的指導(dǎo)意義。