鉆井防斜打直關鍵技術與應用探討

舒寧

摘 要： 鉆井過程中影響井斜的因素很多，且井斜給鉆井、完井等作業帶來一系列的危害，并造成巨大損失。防斜打直技術是石油鉆井一項關鍵技術。針對鉆井中多次出現井斜問題，國內使用較多的除鐘擺鉆具和滿眼鉆具防斜技術外，發展了偏軸鉆具防斜技術、螺桿鉆具配合PDC鉆頭防斜技術等，近年來又擴大了VDS、SDD、VertiTrak、PowerV等具有主動防斜能力的自動化井斜閉環控制系統的應用，成功地解決了高陡構造、斷層、鹽層等情況下鉆進時的井眼質量問題。

關鍵詞： 鉆井；防斜打直；鉆具組合；鉆速

前 言

勝利油田地處渤海灣，石油資源豐富，油藏類型復雜多樣，如何實現高效勘探開發，一直是石油工作者不斷探索的課題。其中：石油鉆井施工中的防斜打直問題一直是困擾鉆井施工的難題之一，如果井斜控制不當，不斷達不到預期的開發目的，而且容易造成重大井下事故。地質因素（地層傾角、層狀結構、斷層、軟硬交錯等）和工程技術因素（鉆具結構、鉆進參數等）均會導致井斜，嚴重井斜是制約鉆井速度的關鍵。經過多年研究探索和試驗，已經初步掌握了一整套傳統的防斜打直理論和技術，根據井斜控制原理及控制能力的不同，防斜打直技術分為被動防斜技術及主動防斜技術。國內以鐘擺防斜降斜技術和偏軸防斜技術為主，國外出現了如VDS系統等新型主動性防斜打直技術。本文重點分析了目前防斜打直技術現狀和技術特點，探討了發展趨勢。

1 被動防斜打直技術

包括鐘擺鉆具、剛性滿眼鉆具、偏重（心）鉆具等組合。特點是利用鉆具組合（BHA）自身的受力和變形特性，不借助其它外部因素（如井下測量和控制系統等）防斜，因而也稱為BHA防斜打直技術。在地質構造復雜地區，這種技術應用效果不理想。（1）鐘擺鉆具組合。包括塔式鉆具、普通鐘擺鉆具、柔性鐘擺鉆具等。在眾多防斜、糾斜打直技術中，它可以適合各種地層傾角的地層。鐘擺鉆具主要用于糾斜，其糾斜原理是利用BHA自重產生的“鐘擺力”，使鉆頭處產生與井斜方向相反的側向切削作用。缺點是無法避免鉆頭傾角的增斜因素，同時為提高糾斜效果，只能盡量降低鉆壓，影響了鉆井速度和鉆井效益。（2）剛性滿眼組合。包括滿眼鉆具、方鉆鋌、橢圓鉆鋌等。滿眼打直技術是國內外被動防斜打直技術中使用較多的一項打直技術，其出發點是通過提高底部鉆具組合的剛性、減少鉆具與井眼的間隙，提高底部鉆具組合的抗彎曲能力，來有效減少由于鉆具組合彎曲造成的井斜。這種方法可以使用較大鉆壓， 缺點是只適合地層傾角較小的地層。沒有糾斜能力，井斜后不能用來糾斜。（3）動力學防斜方法。鑒于解放鉆壓和防斜打快目的，提出了偏心防斜打直技術和大鉆壓防斜打直技術，并在某些地區取得了成功。這兩種方法的最大特點是突破了對底部鉆具組合變形的限制，并利用底部鉆具組合的變形和在井眼中的動力學行為來達到平衡地層造斜力的目的。實現了解放鉆壓的目的，使鉆井速度得到了提高。但由于在現場較難對鉆具組合的動力學行為進行仿真研究，在現場推廣中效果受到了影響。（4）偏心鉆鋌鉆具組合。偏重鉆具是在普通鉆鋌的一側鉆一排孔眼，造成一邊輕一邊重，旋轉時產生離心力，鉆具每轉動一周就有一次離心力和鐘擺力的重合，這種合力對井眼井壁產生沖擊削力，從而抑制井斜的產生。（5）FG型防斜工具。鐘擺鉆具、滿眼鉆具、偏心鉆具等防斜鉆具組合在特定的條件下起到了一定的防斜作用，但其防斜效果受鉆井操作參數的影響較大，有時不得不降低鉆進速度以求得到較小的井斜率。為了解決上述問題，勝利等設計了FG新型復合式高效防斜工具。FG型防斜工具能夠在任何鉆壓下正常鉆進，同時具有良好的防斜能力。由于其外筒是不受壓的圓筒，不存在受壓失穩的問題。同時，由于其具有較大的剛度和特殊的結構，所以鉆壓引起的彎曲變形很小，鉆頭旋轉一周的側向力平均值與鉆壓大小基本無關。FG型防斜工具是基于鉆頭公轉防斜原理設計的，而這種公轉運動是靠其自身結構實現的，與離心力無關，能夠以任何轉速正常鉆進。使用FG型防斜工具，可以通過調整鉆壓及彈簧剛度設定鉆柱傳給鉆頭的最大扭矩，避免鉆頭牙齒承受超過其負荷能力的扭矩，可有效地保護鉆頭并延長其工作壽命。

2 主動防斜打直技術

包括垂直鉆井系統（VDS）、直井鉆井系統（SDD），均帶有井下測量儀器和自動控制系統，能夠自動對直井井斜連續測量和控制，代表著目前防斜打直的最高水平。主動防斜打直技術的出發點是通過自動控制或人為遙控控制的專用工具進行井眼軌跡的控制。這些工具或系統有VDS系統，SDD直井鉆井系統，Baker Hughes公司的VertiTrak系統，Schlum.berger公司的PowerV系統等。國內近年來采用“金剛石鉆頭或HJ系列牙輪鉆頭+小度數彎外殼馬達（螺桿、渦輪）+轉盤鉆”技術來防斜打直。這些技術可以較好地解決高陡構造地區的直井打直問題。惟一的不足是工具本身的成本很高，嚴重影響了這種方法的普及和推廣。

3 防斜打直技術的現場應用

現場實踐發現，使用PDC鉆頭小鐘擺鉆具，在出現井斜后往往不糾斜，反而成為強增鉆具結構。因此對于易斜地區盡量采用塔式鉆具結構，小鉆壓鉆進為宜。對于易斜地區，使用PDC鉆頭盡可能不采用鐘擺鉆具結構。（1）柔性大鐘擺鉆具，大鉆壓防斜鉆進。這種柔性鐘擺鉆柱組合，如果施加大鉆壓，穩定器以下與穩定器之間都易形成與井壁接觸的切點，因而適于用大鉆壓打直井段。使用這種鉆具組合，鉆壓要大（2 6 0～3 0 0 k N），轉速要快（最好大于200rpm），鉆頭選用具有外切削能力且保徑能力強的鉆頭。在鉆進中每鉆完一根單根都要提起來劃眼，劃眼只劃下單根，不劃上單根，劃眼一定要控制速度慢劃（特別是在硬地層）。采用自浮式測斜儀勤測斜，發現井斜有增大或超標的趨勢，可以在每個單根最后1m進行吊打，也可以鉆進一段后吊打4～5根單根。（2）剛性大鐘擺鉆具，大鉆壓糾斜鉆進。這種剛性鐘擺鉆具組合，穩定器下的鐘擺段較長，而穩定器之間的鉆鋌由于剛度大，在大鉆壓下切點不易與井壁接觸，故用大鉆壓打降斜段。考慮到PDC鉆頭一般用小鉆壓（60～100kN）吊打，為防斜打直，可采用鐘擺鉆具結構。牙輪鉆頭優選滿眼鉆具，也可使用塔式鉆具或鐘擺鉆具，在減小井眼曲率，保證套管好下的同時，可加大機械參數。（3）偏軸鉆具組合，大鉆壓防斜/糾斜鉆進。偏軸鉆具具有防斜和糾斜功能，在相同條件下可使用較大鉆壓（比普通鐘擺鉆具的鉆壓大），有利于在較大傾角地層實現防斜打快。此外，還使用了PDC鉆頭+螺桿鉆具進行防斜鉆進，也有較好效果，但其限制條件是：有的地層不能用PDC鉆頭；螺桿鉆具使用造價較高且壽命較短。

4 結束語

（1） 目前使用較多的鐘擺防斜降斜技術降低了鉆井速度，以控制鉆具組合變形為機理。（2）國外的先進工具可以實現直井的防斜打快目的，使用成本高。（3）偏軸防斜技術、大鉆壓防斜技術等屬于動力學防斜打快技術范疇，突破了對底部鉆具組合變形的限制，實現了解放鉆壓的目的，使鉆井速度得到了提高。總之，防斜打直是鉆井作業過程中關鍵的一環，控制好井斜才能獲得高質量的井身質量。

參考文獻：

[1] 付勝利，高德利.FG型防斜工具的設計研究.石油學報，2005（3）.