超深井小井眼井斜控制技術分析

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督中心，新疆 巴州 841600

1 井斜產生的原因

在鉆井施工過程中，井斜難以避免，其是一個多因素共同疊加的結果，主要受地層和工程兩方面因素影響。一是地層因素。在地層漫長的沉積過程中，因沉積環境及時間不同，形成不一樣的構造形態。在鉆井過程中，鉆頭一般沿容易前進的方向鉆進，受地層傾角、地層各向異性等影響，鉆頭會沿著地層可鉆性較好的一方傾斜，造成井斜。二是工程因素。在鉆井過程中，引起井斜的工程因素較多，如鉆具組合選取不當、鉆具柔性強、施工參數不當等。但本質原因是鉆柱在井內發生彎曲，與井壁相接觸形成支點，產生彈性力矩，迫使鉆頭傾斜產生側向力，使鉆頭偏離井口鉛垂線不對稱切削地層。

2 超深井井斜控制現狀及原理

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、全自動化旋轉導向垂直鉆井工具降斜（以下簡稱垂鉆工具）三種，其井斜控制原理一致，但在實際應用中存在一定差別[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構中帶有度數的彎角與井眼低邊方向接觸形成支點，使鉆頭“翹起”與上井壁接觸產生支撐反力，即鉆頭側向力。通過隨鉆儀器監測并調整井下螺桿彎曲方向，在鉆頭傾角和側向力作用下，側向切削井壁產生降斜趨勢[2]。

2.2 鐘擺鉆具組合降斜

鐘擺鉆具組合是利用鐘擺力，使鉆頭對井眼低邊方向產生側向力，迫使鉆頭沿井口鉛垂方向鉆進，以達到降斜的目的[3]。鐘擺鉆具組合需通過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無彎曲，以充分發揮鐘擺作用，實現自然降斜。為了保證充足的側向力，需要使扶正器尺寸盡量與井眼尺寸相近，以充分發揮扶正器沿井眼反方向推動鉆頭的力。

2.3 垂鉆工具降斜

垂鉆工具是在鉆進過程中通過工具內部自帶的電子控制單元實時測量井底高邊方向，發出實時指令控制機械單元，使機械導向部分的推靠塊產生主動側向力推靠井壁高邊方向，令鉆頭返回鉛垂線方向切削，從而達到降斜的目的。

3 順北某井的井斜控制技術應用情況

順北某井是位于順托果勒低隆構造上的一口預探井，桑塔木組埋藏深度在7300m以上。該井五開在7647m進行套管開窗作業，側鉆成功后進行吊直，設計自井深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+無磁鉆鋌+101.6mm加重鉆桿×30根+鉆桿。施工過程中控制鉆壓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+無磁鉆鋌+120.65mm鉆鋌×18根+101.6mm加重鉆桿×9根+鉆桿。施工過程中控制鉆壓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斜和降斜效果，井斜呈增大趨勢，增長率為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：當鉆壓超過20kN，泵壓持續升高，出現反復蹩泵現象，頻繁活動鉆具，工具面不穩定，難以連續糾斜鉆進，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：連續定向8m，工具面穩定，平均機械鉆速為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：糾斜期間機械鉆速1.82m/h，相比彎螺桿定向機械鉆速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，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。

（3）在井段8170～8250m使用垂鉆工具降斜鉆進，鉆具組合為PDC+垂鉆+161mm扶正器+浮閥+無磁鉆鋌+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應用效果評價

4.1 鐘擺鉆具組合控制效果評價

使用鐘擺鉆具組合，在165.1mm井眼施工，因為所使用的鉆鋌尺寸小，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，產生增斜作用。當控制鉆壓10kN左右，可保證穩斜狀態，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價

使用的130mm小螺桿設計輸出扭矩為1.9kN/m，在實際施工過程中，其輸出扭矩不足以克服定向鉆進時PDC鉆頭剪切地層產生的反扭矩，從而頻繁造成螺桿滯動、蹩泵，導致工具面不穩，降斜效果差。使用牙輪鉆頭定向時存在不匹配現象。一是使用牙輪鉆頭定向鉆進時，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時吃入能力較差，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，未達到正常壓差1.5MPa，螺桿未有效發揮作用，以上兩點共同造成定向過程中機械鉆速較慢，降斜效率低。

4.3 垂鉆工具控制效果評價

在7909～8140m使用垂鉆工具降斜，使用過程中自7934～8012m，降斜趨勢由0.94°/10m降低至0.19°/10m，至8022m呈穩斜趨勢，至8040m井斜增長0.19°。根據起出垂鉆工具情況分析，在使用過程中，受高溫或密封件自身質量影響，偏置機構推靠塊密封失效，導致后期逐漸失去降斜效果。在8084～8133.73m使用垂鉆工具，穩斜至8089m后開始降斜，降斜趨勢由0.11°/10m上升至0.23°/10m，再上升至0.34°/10m，降斜趨勢逐漸增大，整體相比第一趟垂鉆降斜趨勢偏低，與第一趟垂鉆施工對比，鉆遇巖性一致，鉆具組合和施工參數相同，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，分析認為隨垂鉆使用時間增加，工具降斜能力逐漸下降直至失去降斜能力。

4.4 綜合分析

通過分析施工過程，認為在8100m上下地層傾角發生變化，井段7750～8100m地層存在較大傾角，導致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，認為其降斜能力受地層傾角影響較大。

5 結論

在超深井小井眼施工過程中，由于深部地層傾角對井斜影響較大，需加強工程與地質配合，根據不同井下情況，選取適當的鉆具組合對井斜進行有效控制。

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

（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，由于螺桿扭矩相對較小，當地層傾角較大逆地層傾角趨勢鉆進時，易出現蹩泵現象，導致工具面不穩，無法連續定向施工，若使用牙輪鉆頭，可以使工具面穩定，但鉆頭與地層配伍性不好，無法較好發揮螺桿作用，定向時效低。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，能夠在克服地層傾角鉆進的同時解放鉆壓，大幅提高機械鉆速，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，宜使用垂鉆工具控制井斜。