伊犁郎卡砂巖型鈾礦水平井鉆具組合優化設計與應用

［摘要］在施工水平井的工程中，主要采用的是穩斜鉆進，以確保斜度的穩定并減少運行軌跡調節的次數，以及降低滑動鉆進的距離。為此，施工時主要采用單彎單穩或雙彎雙穩的鉆具組合。然而，在郎卡礦床勘查區的水平井中，由于砂巖儲存層的強烈非均質性，以及遇到泥巖夾層等問題、需要對運行軌跡進行調整。這使得單彎單穩或雙彎雙穩鉆具組合在軌跡調整時造斜率低，無法迅速達到地質目標。為了解決這個問題，現場施工設計時分析不同鉆具組合的作用，通過優化鉆井設計并配備適當的變徑穩定器，控制其在井下的工作狀態，并改變外徑尺寸，根據現場施工的情況改變鉆具的組合和結構，滿足軌跡控制的需求，實現穩定鉆進，同時保證軌跡調整的速度和靈活性。在P18井中成功地應用了這一方法，水平井段平均機械鉆速11.18 m/h，保障了水平井的高效安全施工。

［關鍵詞］定向鉆進；鉆具組合；優化設計；變徑穩定器；實際應用

在鉆井的時候，一般通過優化鉆具的結合方式來控制井軌跡，地球的重力影響，使得不同鉆具組合在井底承受的壓力不一樣。在所有鉆具里，扶正器和穩定器在保持井軌跡穩定方面起著決定性的作用。調整穩定器和扶正器的位置及數量，就會改變井底承受的壓力的方向和強度，也會對井軌跡造成影響。在常用的鉆具組合中，包括單扶增斜、雙扶穩斜、三扶滿眼穩斜和鐘擺降斜等方式，這些都能配合動力鉆具使用，并且鉆井的效果會有細微的區別。

目前，彎螺桿動力鉆具是國內導向鉆井的主力裝備，并且通過與各種鉆具的搭配使用，能夠有效地控制鉆井路徑，實現快速鉆井的目標。在水平井的建設過程中，水平段的軌跡設計一般選擇矩形靶框進行穩斜設計，以獲取更好的穩斜效果，減少軌跡調整的次數，現場建設通常會選擇“單彎動力螺桿+雙扶正器穩斜”的鉆具搭配方式，這不僅可以進行微妙的軌跡調整，而且復合鉆進的穩斜效果也比較好，整體性能優良。但是，其存在的問題是造斜能力受到了限制，造斜速度較慢，因此在軌跡調整過程中效率較低[1，2]。

基于對郎卡礦床調查地帶鈾礦砂巖儲備特點和施工挑戰的深入分析，探討了穩定器在各種鉆具組合中的功效，其后進一步推動了變徑穩定器的科研與運用，以此為提升水平段的有效軌跡控制、壓低滑動鉆進比例、提升鉆井效率提供了有價值的參考。

1 地質與工程概況

1.1 郎卡礦床新疆伊犁郎卡礦床勘查區P18 井概況

郎卡礦床新疆伊犁郎卡礦床勘查區P18井是部署在中國新疆伊犁哈薩克自治州察布查爾縣的一口試驗U型井。設計井深：1100 m，采用177.8 mm套管+139.7 mm套管（含篩管）完井，目的層垂深724.7～724.2 m，目的層：西山窯組、三工河組。靶點情況：A靶點垂深724.7 m，B靶點垂深724.2 m，AB水平段長200 m，完鉆井深1071.42 m。

P18井位于新疆伊犁郎卡礦床勘察區郎卡礦床，交通便利，距察布查爾縣35 km，距伊寧市50 km，最近的伊昭公路位于勘查區西側約3 km。

1.2 儲層地質情況

主要的鈾礦儲存在新疆伊犁郎卡砂巖型地層內，明確的部分有：三工河組的底部（J1s1）與頂部（J1s2），還有西山窯組的底部（J2x1）與頂部（J2x3）這四個層次的層內砂石體。

對于郎卡類型的砂巖鈾礦探查區，其各水含層的砂體厚度都適中，普遍位于6.0～15.0 m的范圍內。隔水層持續且穩定，只有下部及上部的兩個礦含水層在小型構造的作用下表現出差異，表現為被補充的狀態。除此之外，其它的礦含水層之間并不存在明顯的水力連接。結構巖主要由長石和石英構成，其中解離的礦石和碳酸鹽的含量偏低，穩定的環圍巖對于酸性和堿性表現出很強的阻力。該區域的水含層巖石顆粒構成相當均勻，選礦性并不顯著，松散的結構，孔隙率從25.30%～32.70%，礦含砂體的滲透性相對較好。

1.3 鉆井工程情況

1.3.1造斜和扭方位井段要求

在采掘Φ311.2 mm井段的過程中，直井段的全體井斜需要保持在1°以下；接下來，對于Φ215.9 mm井段，必須將連續三個測點的全角變化率限制在9°/30 m以內。而在水平段井身軌跡方面，必須嚴格遵循設計目標框的方向，以確保連續三個測點的全角變化率不會超過3°/30 m。

1.3.2測斜要求

在鉆探直井段時，每鉆進100 m便要進行一次井斜測量，待直井全部鉆完后，會按10 m的距離點連續測定井斜，為了把握井斜的變動情況。若井身軌跡的井斜超出了設計的規定，應及時進行定向糾正，同時適度調整鉆具的組合以及鉆井的參數。當井眼較為直立，且井身的質量達到設計要求，便能擴大測量井斜的距離，這將有助于提升鉆探的效率。定向井段和水平段根據定向和水平段的導向鉆井情況隨時測量，測量間距不超過30 m。任意一點全角變化率不能超過套管允許彎曲曲率。

1.3.3靶點要求

A：垂深：726.50 m，位移：267.14 m，靶高2 m，靶寬6 m；B：垂深：726.50 m，位移：467.14 m，靶高2 m，靶寬6 m。設計完鉆井深1071.42 m，如遇到靶點垂深與預測變化有出入，根據實際情況調整靶點位移和井眼軌跡。

實際完鉆井深1084 m，垂深726.74 m，視平移480.01 m。

1.3.4鉆遇率要求

本井鉆遇靶層主要為三工河組、西山窯組，水平段儲層鉆遇率不低于90%。

2 水平段軌跡控制難點

儲層的均勻性差，變化范圍在垂直和水平方向都很大，使得精確預測砂石地層的分布和高品質的儲層變得困難。如遇到泥巖夾層，那么井壁不穩定的風險會增加，必須大規模調整井斜以改變垂直深度，以求能快速脫離泥巖區域，重新回到砂巖儲層。

自然儲層的斜度變化性強，導致經常需要調整鉆孔路徑，滑動比例也較大，這極大地降低了水平鉆孔施工的效率。

隨著在水平段鉆井深度的增長，鉆具的摩擦系數與井深度呈現出直接的相關性。在滑動定向鉆井過程中，出現了嚴重的托壓問題，這使得滑動鉆井的速度變慢，定向斜率降低，嚴重妨礙了機械鉆速的提高[3-5]。

3 鉆具組合作用分析與優化

3.1 單彎單穩鉆具組合

單彎單穩鉆具組合是單穩增斜組合的一部分，含有鉆頭、帶有扶正器的單彎螺桿、單流閥、實時測量設備、定向接頭、無磁性的能承受壓力的鉆桿、Φ127的鉆桿、加重型Φ127鉆桿，以及Φ127穩定桿（圖1）。當鉆工具的底部在水平部分進行定向滑行鉆進受壓時，緊挨著鉆頭的穩定器可以起支點作用。螺桿的彎曲部位約在穩定器上方2 m處，使其充當支點，從而有效提高單彎螺桿傾斜效果，達到有效的路徑控制。在水平段的混合鉆進過程中，底部鉆具平放在井孔底部，受力時，穩定器充當支點，實現一定的混合鉆進傾斜。這種鉆具組合有利于路徑的調節控制，不過對水平段的穩穩鉆進并不適宜。

3.2 單彎雙穩鉆具組合

單彎雙穩鉆具組合由鉆頭、單彎螺桿（扶正器）、穩定器、單流閥、隨鉆測量、定向接頭、無磁承壓鉆桿、Φ127鉆桿、Φ127加重鉆桿以及Φ127鉆桿的單彎雙穩鉆具混合，這是一種雙扶穩斜的組合方式。此外，除了螺桿下部的穩定器，其上部也特別配備了一個穩定器，這使得鉆具組合下部的剛性增加，并在水平進尺鉆的過程中，盡管鉆具底部受力，但仍然能夠保持軸向旋轉，從而保持良好的穩定井斜效果。在移動方向鉆的過程中，鉆具底部受力后，由于單彎螺桿兩端穩定器的雙支點作用，使得鉆底偏離軸向更加困難，減弱了單彎螺桿的造斜能力。因此，這種鉆具組合在穩斜方面表現優秀，但在遇到需要大幅度調整軌跡的泥巖層時，無法快速進入儲沙體，這對軌跡調整和控制不利，可能會導致水平段嚴重損耗，甚至可能需要側鉆或填井。

3.3 鉆具組合優化

3.3.1定向井段

所采用的鉆具組裝如下：Ф215.9 mm的鉆頭、Ф172 mm×1.75°的單彎螺旋鉆具、定向連接件、Ф127 mm的非磁壓力承載鉆桿、20根Ф127 mm的增重鉆桿以及Ф127 mm的斜面鉆桿。施行斜度點制造后，決定聯合使用PDC鉆頭和單彎螺旋鉆具來提升斜度構造效率。PDC鉆頭的劈巖性能與螺旋鉆具的穩定刀具面角，有助于速度提升，通過滑動和復合施工方法，能有效減少使用時間。這種辦法也有助于維系井壁品質，生產出良好的井眼環境賦予下環管易于操作，確保了下環管的安全性及固井的質量可靠性[6]。

當鉆孔角度達到50°，采用反裝方式處理鉆具，組裝包括：直徑為215.9 mm的鉆頭、直徑為172 mm且彎曲角度為1.75°的單彎動力鉆、導向接頭、直徑為127 mm的無磁性壓力鉆桿、直徑為127 mm的斜面鉆桿，還有33根直徑為127 mm的加重鉆桿和斜面鉆桿。這樣的組合可以增強鉆具的堅韌度，幫助解決“托壓”問題，并可以有效提高斜度，節約時間。復合鉆井所需參數為：鉆壓在130～170 kN范圍內，由螺桿的60 r/min轉速和轉盤的80 r/min 轉速構成，排量為31L/s。導向鉆井需要的參數設定為：鉆壓在140～190 kN，螺桿的轉速為60 r/min，排量為31L/s。

3.3.2水平井段

設計階段的目標是形成長方體的框架。通常，油藏的沙層走向是穩定的，設計軌跡時，主要考慮的是保持穩定的斜率。但是，在郎卡礦底區的鈣質沙巖油藏，平衡程度較差，油藏內的泥巖薄層也較多。在鉆孔碰到泥巖夾層時，需要調整軌跡的風險非常高。此外，地層的傾角在鉆孔過程中會導致軌跡偏差，因此，需要一種鉆具組合，以便在需要調整軌跡時能進行高效控制，并在復合鉆孔過程中，防止地層自然傾斜，以達到穩定斜率的效果[7]。

以變徑穩定器取代傳統穩定器的策略在鉆具組合中被應用，得益于其具有地表遠程調控外徑大小的特性，井下鉆具組合可按照變徑穩定器外徑的改變而做出相應的調整。它不僅可以在水平鉆進中實現穩斜作用，抑制鉆頭自然傾斜引起的地層改變，從而降低了軌跡調整的頻次，同時也被賦予了靈活調節的能力，成功實現軌跡的高效管理。這樣做有效地克服了在水平段施工中需要提鉆進行鉆具組合改變的普通鉆具的單一性問題。

鉆具部署包含以下設備：一只Ф215.9 mm 的鉆頭，一只Ф165 mm（1.75°）的單扶螺桿鉆具，單流閥，Ф152 mm 的變徑穩定器，一只隨鉆測量設備，Ф127 mm 的無磁壓力鉆管，隨鉆測量設備，無磁短接，2 根Ф127 mm的偏斜增重鉆桿，8根Ф127 mm的偏斜鉆桿，5根Ф127 mm偏斜加重鉆桿，Ф127 mm的偏斜鉆桿，一個下旋轉塞，方形鉆桿，以及一個上旋轉塞（主要為了預防托壓翻轉鉆具組合的）。

4 變徑穩定器結構與工作原理

4.1 基本結構

遙控變徑穩定器主要有提壓鉆柱式、投球式以及排量控制式三種類型。本文介紹一種能利用開關泵產生的瞬時水壓差動操作來實現立即工作狀態變更的遙控變徑穩定器。

變徑穩定器主要是由如變徑結構、變徑執行部件、變徑控制部件、花鍵套控制部件以及密封系統等部分構成。變徑結構主要由變徑殼體、心軸、復位彈簧、小活塞（扶正塊）等組成。穩定器的主體設計了三組能夠徑向展開的小活塞，以螺旋方式布置。小活塞展開時，穩定器主體的外徑將會增大，并且在旋轉過程中，其尺寸將會相對于井壁保持連續。當小活塞沒有展開時，穩定器主體的尺寸將保持不變。

4.2 工作原理

執行變徑操作的機構由中心軸傾斜面和復位彈簧等構成，中心軸傾斜面在內外側壓力差的影響下推動小活塞下行，內外壓力差隨之消除，復位彈簧對中心軸傾斜面施力使其回到原位，隨后小活塞也縮回原處，具體的控制部件結構請參見圖2。

鉆井過程中，變徑穩定器按照設計要求連接在定向鉆具組合中，工作部件通過連通孔實現收放，狀態控制依靠調節鉆井液泵啟停和流量進行。鉆井液泵啟動時，變徑穩定器內部壓強遠大于外部壓強，從未形成壓差，使得上心軸克服復位彈簧阻力向下運動，帶動與之相連的楔塊同步運動，通過連鎖機構推動徑向布設的活塞桿向外延伸。關停鉆井液泵時，穩定器內外壓差處于近平衡狀態，在復位彈簧的推力作用下，心軸帶動楔塊回到初始狀態，相應的活塞收縮。

刻畫變徑行動的方式可大致概述如下：規定正常運行的鉆井液泵壓力為P0，在泵未啟動，處于靜止狀態下，整備活塞完全隱藏在工具本體內，從外部角度看，能夠看到活塞的空缺；一旦啟動泵，因為變徑裝置妨礙了鉆井液的流動，泵的壓力會先上升后降低，當活塞移到與穩定器本體平行位置時，穩定的壓力值恢復為P0；此刻再次啟動鉆井液泵，活塞將會移動至最長行程位置，亦即為工作的最大外徑，此時工作壓力為P1；△P代表穩定器運行壓力的差距，其數值為P1-P0。如此往復，實現穩定器在3種狀態的自由切換，從而達到控制鉆具角度的目的，實現變徑上部鉆具的穩定。在地表可通過觀察泵壓變化來判斷工具所處狀態。

現場施工時可以通過調節變徑穩定器（圖3）的外部直徑來調整下井鉆具組的狀況，以達到變徑的效果。如要穩定傾斜，可以使用開關泵來操控變徑穩定器內部螺旋設置的三組扶正塊向外推出。此時，扶正塊向外推出會導致穩定器的外徑隨之增大，并在旋轉過程中一直保持與井壁尺寸的一致性，構成雙穩定器的穩斜控制效果。如需做軌跡調整，可以讓變徑穩定器借助開關泵收回扶正塊，恢復其原始尺寸，從而將鉆具組合的狀態轉化為單一穩定器，提高鉆具組合的軌跡調整能力。

5 現場應用

5.1 變徑穩定器鉆具組合

經過調研，為使得鉆孔水平段軌跡平順，對三開鉆具組合進行了優化，引進了變徑穩定器。鉆進參數與新鉆具組合進行匹配[8，9]。

防止托壓倒裝的鉆具組合包含如下內容：一個Ф215.9 mm的鉆頭、一個Ф165 mm（1.75°）的單扶螺桿鉆具、一個單流閥、一個Φ152 mm的變徑穩定器、兩個隨鉆測量設備、一個Ф127 mm的無磁承壓鉆桿、一個無磁短節、七根Ф127 mm的斜坡加重鉆桿、八根Ф127 mm的斜坡鉆桿、一個下旋塞、一個上旋塞、一根方鉆桿。

設置的參數明確如下：所需的鉆壓力度在40～70 kN之間，而流量范圍則在20～28 L/s，螺桿的轉動速率需適度提高40 r/min。變徑穩定器工作參數件表1。

5.2 現場應用效果

在P18 井的水平段上采用了變徑穩定器，具體的水平井段為870.00～1084.00 m，總計鉆進的長度為214.00 m。其中，實際鉆井操作所花的時間為34 h，而循環作業的時間為13 h。此過程中，平均的機械鉆速達到了6.29 m/h。該實施策略實現了水平段的單次鉆通。水平井段短，更體現出變徑穩定器對鉆具姿態控制的重要性。當鉆頭在三開水平段鉆進砂質地層不超過20 m后碰到了泥巖夾層，現場即刻修改鉆頭進入的路徑，將井體傾斜角度擴大到接近93°，同時在垂直深度上增加3 m。此刻，切換變徑穩定器的配置，回縮其內部的小活塞，將鉆井設備從雙扶穩定的斜鉆配置調整為單一扶持的配置，降低下方鉆頭組合的剛性，使其在滑動鉆進的過程中更能有效地改變井斜角度，迅速地將井斜角度調整到93.43°，垂直深度也得到快速的提升，鉆頭重新回到了油氣儲層，這充分展示了變徑穩定器在軌跡修正上的強大能力。

在本井水平部分的前200 m內，每百米的砂層結構都會提升1.2～1.5 m，同時，地層傾角變化較大，這導致調整井斜難度增加。在需要在水平區域進行斜度控制鉆探時，通過調整變徑穩定器使小活塞展開，將主體的直徑擴展至192 mm，并與螺紋穩定器一起配置，形成了雙支持斜度控制鉆具組合，這可以增加下方鉆具組合的剛性。在合成鉆探過程中，平均每個井的斜度變化都不會超過0.1°，這有效地降低了由于地質層坡度變化所帶來的斜度增加，減少了調整軌跡的次數，提升了鉆井的效率，使得井軌更為平穩，并節約了鉆探成本，發揮了優秀的斜度控制效果。

6 結論

（1）在實際使用中，變徑穩定器能保障立壓穩定性，具備靈活的變徑切換功能，可以方便而準確地判斷工具的狀況。即便在井下復雜的力學環境下，該工具的安全性也非?？煽俊?/p>

（2）在水平段復合鉆進操作期間，延伸的變徑穩定器活塞組成的穩斜鉆具套件，展現出優秀的穩定偏斜性能。當需要調整路徑時，變徑穩定器活塞會縮回，降低鉆具套件的剛度，增強調整控制力，從而實現對路徑的高效管理。

（3）改變徑穩定器的井下可調節變徑特性，增強了滑行斜率，規避了由于常規雙扶穩斜造斜率不足引發的起鉆問題，從而增強了軌跡操控力度和工作效率，對于水平井的安全快速鉆進起到了決定性影響。

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