油田鉆井井斜控制技術

陳興忠大慶鉆探集團鉆井三公司

油田鉆井井斜控制技術

陳興忠
大慶鉆探集團鉆井三公司

摘要:科技水平的不斷提高，使人們對油田勘探開發技術有了更深入研究，鉆井防斜、糾斜技術因其在開發過程中的重要地位而日益受到重視。由于在開發后期會出現邊緣井、調整井等，井身質量也面臨著更高要求。類似于斜直井、小井眼鉆井等新型技術概念也在實踐中得到廣泛運用，在從理論角度加深相關研究的同時，也將理論研究成果在實踐過程中得到進一步驗證與完善。

關鍵詞：鉆井井斜控制

1、井斜的原因

1.1各向異性地層理論

從不同角度來看，沉積巖層的強度與物性均存在較大差異。一般情況下，垂直層面的沉積巖石具有更低強度，開采難度相對較小，故而在對此類地層加以鉆探時，需注意確保鉆頭始終保持沿最小阻力方向的前進趨勢。若在開采過程中地層出現傾斜，則必然會導致井斜現象的出現。

1.2地層可鉆性理論

考慮到不同硬度條件下，地層的鉆速也表現出較大差距。在井底鉆壓分布較為均勻的前提條件下，若處于軟地層則容易出現向上傾斜現象，而在硬地層的開采中向下傾斜現象則較為普遍。

1.3小型“造斜器”理論

當處于傾斜層狀地層的鉆井狀態時，由于層面交界部位的巖石硬度較低，無法滿足鉆壓面上的長期作業需求，導致在垂直層面上出現巖層破碎；若在井眼下傾側存在處于完好狀態的小體積臺肩，此時鉆頭會受到來自該臺肩的橫向作用力，導致井斜出現。

1.4鉆鋌力矩理論

若開采地層的硬度分布不均，整體呈現為軟硬地層交錯分布狀態時，此時井底的鉆壓分布并不具有均勻性特征。相較于軟地層，硬地層所承受的鉆壓更大，導致在進入硬地層時鉆頭存在力矩，進而引起鉆頭所受到的側向力發生變化，導致井斜情況發生變化。

1.5鉆柱在鉆壓作用下的彈性彎曲理論

當下部鉆具由于鉆壓作用而發生彎曲，會引起鉆頭傾斜，進而導致鉆進方向與預期井眼軸線無法保持一致。此外，當鉆柱彎曲引起了鉆壓作用方向的變化，使其不再沿軸線方向發揮作用，這一角度變化將引發導致井斜的另一作用力。在此條件下，下部鉆具組合的鉆鋌剛性以及鉆壓，與鉆鋌尺寸等，共同決定了鉆柱是否發生彎曲以及彎曲程度，也間接決定了井斜程度。

綜上所述，在不考慮井口安裝質量低這一點的前提下，導致井斜的原因主要包括兩方面：第一，鉆柱由于受到多種因素影響而導致發生彈性彎曲；第二，地層所表現出的客觀傾角變化以及地質因素所決定的非均質性。從本質上來講，出現井斜的原因即為：多種因素的共同作用使鉆頭受到來自側向的切削力，這一受力的大小計算，可通過將偏斜力、來自地層的造斜力以及鉆柱所產生的鐘擺力等進行向量計算的方式得出。計算公式如下：

FT=Ff+Fp+FB①

式中：Ff一一地層造斜力，kn

Ff=1/2h.sin2(θ—2).w=k.w②

Fp一鉆柱鐘擺力，kn

Fp=1/2Lqsina③

FB一彎曲偏斜力，kn

FB=w.sinθB④

h一地層各向異性指數

θ一地層傾角

a—井斜角

w—鉆壓kn

k—=地層的綜合造斜系數，可通過地質計算得出

L—鉆柱與臺肩切點以下部分的鉆鋌長度(m)，可通過測量得出

q—單位長度鉆鋌的重量(kn/m)，可通過簡單測量與計算得出

θB一鉆頭偏斜角

2、防斜糾斜的鉆具組合及工具

2.1井斜控制的實質

從圖中可以直觀地看出，鉆柱在鉆壓作用下產生彎曲，鉆頭偏離井眼軸線，其偏移角θB與鉆壓的大小有關，鉆壓在垂直井眼軸線上有一分量FB，即為鉆壓的彎曲偏斜力。由式④可知，鉆壓越大，鉆頭偏斜角越大，其偏斜力越高，井眼越易增斜。另外，由于井斜角的影響，下部鉆柱切點以下鉆具的重量在垂直井眼軸線上存在一分力，其值由式③計算，即為人們常說的鐘擺力。

2.2鐘擺鉆具組合

由式③可知，增加鉆具鐘擺力的渠道，一是增加下部鉆具的重量，即采用加重鉆鋌；二是使切點高度上移。光鉆鋌鐘擺鉆具，最下面的1柱—2柱鉆鋌應盡量采用可安全使用的大外徑厚壁鉆鋌，不僅可以增加鐘擺力，并可減小鉆鋌的撓度，這種組合習慣上也稱為塔式鉆具組合。帶穩定器的鐘擺組合，主要是為了使鉆具切點上移，穩定器以下鉆具不與井壁接觸，可以獲得最大的鐘擺抗斜力，這種鉆具組合主要一點是如何確定穩定器安放高度，與其有關的因素有井眼尺寸、鉆鋌尺寸、穩定器外徑、井斜角、鉆壓及鉆井液密度。為了增加下部鉆具組合的剛性，在第—個穩定器以上9m處，可再加一只穩定器，對鐘擺鉆具沒有影響。

2.3滿眼鉆具組合

鐘擺鉆具組合為了保證其防斜效果，鉆壓往往很低，影響了鉆進速度，而滿眼鉆具組合克服了上述缺點。鉆頭上加一個穩定器，然后每隔9m(9m以內更好)再加上多個穩定器，配合大剛度鉆鋌，可以克服地層施加給鉆頭的橫向力，促使鉆頭中心與井底保持垂直，減小鉆柱彎曲引起偏斜力。這種鉆具組合的應用雖有大鉆壓鉆速快的優點，但井眼一旦偏斜，降斜的可能性很小。

2.4偏心鉆鋌防斜

偏心鉆鋌的工作原理是，在常規鉆鋌的某一側進行孔眼鉆探，使兩側形成輕重不一的情況，此時若鉆具發生旋轉，則會產生指向更重側的離心力，且該離心力的大小與鉆具轉速成正比。此類鉆具每鉆入一圈，會使鐘擺力與離心力出現一次重合現象，導致其對下側井壁產生糾斜力，縮小井斜。

2.5柔性防斜鉆具組合

該組合的防斜原理為：在兩個穩定器間加設較大柔性的加重鉆桿，進而使下穩定器的內彎矩得到更好改進，改進后的內彎矩較傳統組合形式而言有更優性能，進而對鉆頭的側向力大小產生一定程度影響；這將直接導致其在加壓鉆進或吊打狀態下，都能得到足夠的鐘擺力。

井斜角并非決定井身整體質量的唯一因素，即使井斜角很大，但只要在目的層能夠通過鉆探進入到目標靶區，便可達到地質要求。因此，無論采用何種技術，或是對基礎原理加以運用，都應在達到井身質量預期目標的前提下，使機械的轉速得以提升，如此便可以視為達到最終的改進目的。

現階段應用較為廣泛的防斜糾斜鉆具大多存在不同程度的局限性，無法滿足實際生產需求，只有通過不斷的實踐、改善，再實踐、再改善，才能研制出更多的防斜糾斜方法。

參考文獻：

[1]劉希圣等，《鉆井工藝原理》（中冊），石油工業出版社，1988年8月

[2]韓志勇，《定向井設計與計算》，石油工業出版社，1989年12月