超深井小井眼井斜控制技術(shù)分析

王 逸，曾 杰，魏志剛，王偉志

中石化西北油田分公司石油工程監(jiān)督中心，新疆 巴州 841600

1 井斜產(chǎn)生的原因

在鉆井施工過(guò)程中，井斜難以避免，其是一個(gè)多因素共同疊加的結(jié)果，主要受地層和工程兩方面因素影響。一是地層因素。在地層漫長(zhǎng)的沉積過(guò)程中，因沉積環(huán)境及時(shí)間不同，形成不一樣的構(gòu)造形態(tài)。在鉆井過(guò)程中，鉆頭一般沿容易前進(jìn)的方向鉆進(jìn)，受地層傾角、地層各向異性等影響，鉆頭會(huì)沿著地層可鉆性較好的一方傾斜，造成井斜。二是工程因素。在鉆井過(guò)程中，引起井斜的工程因素較多，如鉆具組合選取不當(dāng)、鉆具柔性強(qiáng)、施工參數(shù)不當(dāng)?shù)取５举|(zhì)原因是鉆柱在井內(nèi)發(fā)生彎曲，與井壁相接觸形成支點(diǎn)，產(chǎn)生彈性力矩，迫使鉆頭傾斜產(chǎn)生側(cè)向力，使鉆頭偏離井口鉛垂線不對(duì)稱(chēng)切削地層。

2 超深井井斜控制現(xiàn)狀及原理

井斜控制手段多種多樣，在順北油田超深井直井鉆井施工過(guò)程中，常用井斜控制手段主要有單彎螺桿定向、直螺桿鐘擺鉆具組合、全自動(dòng)化旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向垂直鉆井工具降斜（以下簡(jiǎn)稱(chēng)垂鉆工具）三種，其井斜控制原理一致，但在實(shí)際應(yīng)用中存在一定差別[1]。

2.1 定向鉆具組合降斜

定向鉆具組合是利用螺桿鉆具結(jié)構(gòu)中帶有度數(shù)的彎角與井眼低邊方向接觸形成支點(diǎn)，使鉆頭“翹起”與上井壁接觸產(chǎn)生支撐反力，即鉆頭側(cè)向力。通過(guò)隨鉆儀器監(jiān)測(cè)并調(diào)整井下螺桿彎曲方向，在鉆頭傾角和側(cè)向力作用下，側(cè)向切削井壁產(chǎn)生降斜趨勢(shì)[2]。

2.2 鐘擺鉆具組合降斜

鐘擺鉆具組合是利用鐘擺力，使鉆頭對(duì)井眼低邊方向產(chǎn)生側(cè)向力，迫使鉆頭沿井口鉛垂方向鉆進(jìn)，以達(dá)到降斜的目的[3]。鐘擺鉆具組合需通過(guò)合理的鉆壓控制及扶正器位置選擇，使扶正器與鉆頭之間鉆柱保持自然狀態(tài)無(wú)彎曲，以充分發(fā)揮鐘擺作用，實(shí)現(xiàn)自然降斜。為了保證充足的側(cè)向力，需要使扶正器尺寸盡量與井眼尺寸相近，以充分發(fā)揮扶正器沿井眼反方向推動(dòng)鉆頭的力。

2.3 垂鉆工具降斜

垂鉆工具是在鉆進(jìn)過(guò)程中通過(guò)工具內(nèi)部自帶的電子控制單元實(shí)時(shí)測(cè)量井底高邊方向，發(fā)出實(shí)時(shí)指令控制機(jī)械單元，使機(jī)械導(dǎo)向部分的推靠塊產(chǎn)生主動(dòng)側(cè)向力推靠井壁高邊方向，令鉆頭返回鉛垂線方向切削，從而達(dá)到降斜的目的。

3 順北某井的井斜控制技術(shù)應(yīng)用情況

順北某井是位于順托果勒低隆構(gòu)造上的一口預(yù)探井，桑塔木組埋藏深度在7300m以上。該井五開(kāi)在7647m進(jìn)行套管開(kāi)窗作業(yè)，側(cè)鉆成功后進(jìn)行吊直，設(shè)計(jì)自井深7750m之后為直井段，在直井段施工期間分別使用單彎螺桿定向、直螺桿鐘擺鉆具組合和垂鉆工具控制井斜。

3.1 鐘擺鉆具組合控制井斜

（1）在井段7849～7909m使用158mm扶正器鐘擺鉆具組合施工，鉆具組合為PDC+130mm直螺桿+浮閥+120.6mm鉆鋌+158mm扶正器+無(wú)磁鉆鋌+101.6mm加重鉆桿×30根+鉆桿。施工過(guò)程中控制鉆壓40kN，井斜由5.8°上升至7.55°。

（2）在井段8040～8076m使用161mm扶正器鐘擺鉆具組合施工，鉆具組合為PDC+130mm直螺桿+浮閥+120.65mm鉆鋌+161mm扶正器+無(wú)磁鉆鋌+120.65mm鉆鋌×18根+101.6mm加重鉆桿×9根+鉆桿。施工過(guò)程中控制鉆壓30kN，井斜由4°上升至5.5°。

井斜控制情況：使用鐘擺鉆具組合未能起到穩(wěn)斜和降斜效果，井斜呈增大趨勢(shì)，增長(zhǎng)率為0.4°/10m。

3.2 彎螺桿定向控制井斜

（1）在井段7773～7849m間斷定向鉆進(jìn)9.42m，其中在7846～7849m井斜由5.9°降低至5.8°，鉆具組合為PDC+1.25°螺桿+浮閥+無(wú)磁鉆鋌+101.6mm加重鉆桿×1根+101.6mm加重鉆桿×29根+鉆桿。

井斜控制情況：當(dāng)鉆壓超過(guò)20kN，泵壓持續(xù)升高，出現(xiàn)反復(fù)蹩泵現(xiàn)象，頻繁活動(dòng)鉆具，工具面不穩(wěn)定，難以連續(xù)糾斜鉆進(jìn)，施工效果不佳，降斜率僅為0.3°/10m。

（2）在井段8076～8084m使用牙輪+1.5°螺桿定向降斜，鉆具組合為牙輪+1.5°螺桿+浮閥+無(wú)磁鉆鋌+120.65mm鉆鋌×9根+101.6mm加重鉆桿×15根+鉆桿。

井斜控制情況：連續(xù)定向8m，工具面穩(wěn)定，平均機(jī)械鉆速為0.44m/h。井斜降低至0.24°。

3.3 垂鉆工具控制井斜

（1）在井段7909～8040m使用垂鉆工具降斜，鉆具組合為PDC+垂鉆+161mm扶正器+浮閥+無(wú)磁鉆鋌+120.65mm鉆鋌×18根+101.6mm加重鉆桿×9根+鉆桿。

井斜控制情況：糾斜期間機(jī)械鉆速1.82m/h，相比彎螺桿定向機(jī)械鉆速0.4m/h有顯著提高。井斜由7.55°降低至4°，降斜率為0.27°/10m，降斜率呈逐漸下降趨勢(shì)，至8012m井斜不再下降。

（2）在井段8084～8133m使用垂鉆工具降斜，鉆具組合為PDC+垂鉆+161mm扶正器+浮閥+無(wú)磁鉆鋌+120.65mm鉆鋌×18根+101.6mm加重鉆桿×9根+鉆桿。

井斜控制情況：井斜由5.26°降低至4.4°，降斜率為0.17°/10m，且降斜率有逐漸增大趨勢(shì)。

（3）在井段8170～8250m使用垂鉆工具降斜鉆進(jìn)，鉆具組合為PDC+垂鉆+161mm扶正器+浮閥+無(wú)磁鉆鋌+120.65mm鉆鋌×19根+101.6mm加重鉆桿×9根+DP。

井斜控制情況：井斜由5.01°降低至2.37°，降斜率為0.33°/10m，且降斜率逐漸下降。

4 超深井井斜控制技術(shù)應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

4.1 鐘擺鉆具組合控制效果評(píng)價(jià)

使用鐘擺鉆具組合，在165.1mm井眼施工，因?yàn)樗褂玫你@鋌尺寸小，自重輕，扶正器之下鉆具重量偏輕，所以鐘擺組合產(chǎn)生的鐘擺力較小。小尺寸鉆具剛性較弱，鉆具易貼井壁形成支點(diǎn)，產(chǎn)生增斜作用。當(dāng)控制鉆壓10kN左右，可保證穩(wěn)斜狀態(tài)，但鉆速0.63m/h較慢，降斜效率不佳。

4.2 彎螺桿定向鉆具組合控制效果評(píng)價(jià)

使用的130mm小螺桿設(shè)計(jì)輸出扭矩為1.9kN/m，在實(shí)際施工過(guò)程中，其輸出扭矩不足以克服定向鉆進(jìn)時(shí)PDC鉆頭剪切地層產(chǎn)生的反扭矩，從而頻繁造成螺桿滯動(dòng)、蹩泵，導(dǎo)致工具面不穩(wěn)，降斜效果差。使用牙輪鉆頭定向時(shí)存在不匹配現(xiàn)象。一是使用牙輪鉆頭定向鉆進(jìn)時(shí)，因牙輪鉆頭適用于中硬地層，攻擊性較弱，在桑塔木泥巖地層鉆進(jìn)時(shí)吃入能力較差，與地層不匹配；二是使用的牙輪鉆頭與螺桿不匹配，在80kN鉆壓下，螺桿壓差為0.8MPa左右，未達(dá)到正常壓差1.5MPa，螺桿未有效發(fā)揮作用，以上兩點(diǎn)共同造成定向過(guò)程中機(jī)械鉆速較慢，降斜效率低。

4.3 垂鉆工具控制效果評(píng)價(jià)

在7909～8140m使用垂鉆工具降斜，使用過(guò)程中自7934～8012m，降斜趨勢(shì)由0.94°/10m降低至0.19°/10m，至8022m呈穩(wěn)斜趨勢(shì)，至8040m井斜增長(zhǎng)0.19°。根據(jù)起出垂鉆工具情況分析，在使用過(guò)程中，受高溫或密封件自身質(zhì)量影響，偏置機(jī)構(gòu)推靠塊密封失效，導(dǎo)致后期逐漸失去降斜效果。在8084～8133.73m使用垂鉆工具，穩(wěn)斜至8089m后開(kāi)始降斜，降斜趨勢(shì)由0.11°/10m上升至0.23°/10m，再上升至0.34°/10m，降斜趨勢(shì)逐漸增大，整體相比第一趟垂鉆降斜趨勢(shì)偏低，與第一趟垂鉆施工對(duì)比，鉆遇巖性一致，鉆具組合和施工參數(shù)相同，分析可能受地層傾角影響降斜效果欠佳。在井段8170～8250m使用垂鉆工具降斜，井斜逐步下降，降斜趨勢(shì)由0.98°/10m降低至0.54°/10m，再降低至0°/10m，降斜效果逐漸降低，分析認(rèn)為隨垂鉆使用時(shí)間增加，工具降斜能力逐漸下降直至失去降斜能力。

4.4 綜合分析

通過(guò)分析施工過(guò)程，認(rèn)為在8100m上下地層傾角發(fā)生變化，井段7750～8100m地層存在較大傾角，導(dǎo)致8100m之前使用螺桿定向和鐘擺組合降斜率低，糾斜效果差。8100m之下地層，使用垂鉆工具降斜率增大，其上下工具降斜率具有明顯變化，認(rèn)為其降斜能力受地層傾角影響較大。

5 結(jié)論

在超深井小井眼施工過(guò)程中，由于深部地層傾角對(duì)井斜影響較大，需加強(qiáng)工程與地質(zhì)配合，根據(jù)不同井下情況，選取適當(dāng)?shù)你@具組合對(duì)井斜進(jìn)行有效控制。

（1）鐘擺鉆具組合具備鐘擺特性，但井斜角對(duì)鐘擺鉆具組合的應(yīng)用效果影響較大，針對(duì)地層傾角較小井，可以起到降斜作用，當(dāng)深井地層傾角較大時(shí)，使用鐘擺鉆具組合無(wú)法有效降斜。

（2）使用彎螺桿定向鉆具組合，其降斜率受超深井小尺寸螺桿及鉆頭影響，由于螺桿扭矩相對(duì)較小，當(dāng)?shù)貙觾A角較大逆地層傾角趨勢(shì)鉆進(jìn)時(shí)，易出現(xiàn)蹩泵現(xiàn)象，導(dǎo)致工具面不穩(wěn)，無(wú)法連續(xù)定向施工，若使用牙輪鉆頭，可以使工具面穩(wěn)定，但鉆頭與地層配伍性不好，無(wú)法較好發(fā)揮螺桿作用，定向時(shí)效低。在地層可鉆性較好及地層傾角不大的情況下，可使用螺桿定向鉆具組合控制井斜。

（3）使用垂鉆工具即垂直鉆井系統(tǒng)，能夠在克服地層傾角鉆進(jìn)的同時(shí)解放鉆壓，大幅提高機(jī)械鉆速，有效解決井斜控制與鉆井提速的矛盾。在深部地層鉆遇傾角較大地層時(shí)，宜使用垂鉆工具控制井斜。