防斜打直技術在川東地區(qū)高傾角地層的應用

陳濤 劉德平

（中國石油川慶鉆探工程公司川東鉆探公司，重慶 400021）

防斜打直技術在川東地區(qū)高傾角地層的應用

陳濤 劉德平

（中國石油川慶鉆探工程公司川東鉆探公司，重慶 400021）

川東地區(qū)地質情況復雜、地層變化大，高陡構造普遍傾角比較大，上部地層易斜一直以來是該地區(qū)提速的難點，常規(guī)塔式鉆具、鐘擺鉆具、滿眼鉆具等被動防斜工具常常以犧牲鉆壓為代價來控制井斜，其防斜、糾斜能力遠遠不能滿足復雜井、定向井及高傾角井的提速需要。針對這一難點，應用了氣體鉆井防斜技術、鐘擺鉆具帶液力推進器組合鉆井技術、偏軸鉆具組合防斜鉆井技術、VTK垂直鉆井技術、三棱鉆鋌帶滾輪劃眼器防斜技術、彎螺桿帶MWD防斜打直技術等特色防斜技術，提速效果明顯。

川東 高傾角 防斜 鉆具組合

0 引言

隨著石油鉆探的技術不斷發(fā)展，石油鉆探的要求越來越高、難度越來越大，大斜度井、水平井日益增多，提高鉆井速度已經(jīng)成為提高經(jīng)濟效益的主要方法之一。川東地區(qū)地質情況復雜、高陡構造多、鉆井中特別是上部地層鉆進井斜控制難度大，有些構造的地層傾角大（最大達85°），泥頁巖、砂巖互層，易井斜，且井斜規(guī)律性差，井斜控制難度大。

目前井斜的控制主要靠塔式鉆具、鐘擺鉆具、滿眼鉆具等被動防斜工具，其降斜能力還不能完全滿足高陡構造上井的防斜打快要求。而且目前使用氣體鉆井方式較多，常規(guī)的防斜理論、工具難以滿足氣體鉆井防斜需要。

為解決這一難題，在川東地區(qū)易斜地區(qū)及高陡構造上使用了氣體鉆井防斜技術、鐘擺鉆具帶液力推進器組合鉆井技術、偏軸鉆具組合防斜鉆井技術、VTK垂直鉆井技術、三棱鉆鋌帶滾輪劃眼器防斜技術、彎螺桿帶MWD防斜打直技術等特色防斜技術，提速效果明顯，有效地解決了高陡構造上的防斜打快問題。

1 氣體鉆井防斜技術

氣體鉆井時井底巖石主要受水平應力作用，與常規(guī)鉆井液相比地層各向異性顯著增大，因此，鉆壓稍大即導致井斜急增，常規(guī)的防斜理論難以滿足氣體鉆井防斜需要［1］。為了提高氣體鉆井防斜打快效果，應用空氣錘可以在較低鉆壓條件下獲得理想的機械鉆速，可以有效地控制井斜。

1.1 空氣錘防斜機理

空氣錘鉆進方法是指用聯(lián)接在鉆頭上的空氣錘對鉆具施加壓力并同時回轉，予鉆頭以高頻沖擊能量，進行井底沖擊回轉鉆井。

氣體鉆井采用空氣錘具有較好的防斜效果。空氣錘鉆進鉆壓20～30 kN，是311 mm牙輪鉆頭鉆壓的十分之一，轉速為30～40 r/min，每分鐘沖擊1 200～1 500次，不僅能獲得理想的機械鉆速，還能夠達到防斜打快、減少鉆具及套管磨損之目的。

1.2 鐘擺鉆具帶空氣錘組合防斜機理

鐘擺鉆具帶空氣錘組合，由于鉆壓較低，可以提高穩(wěn)定器的安放高度，可以有效獲得更大的鐘擺力，該組合具有較好的防斜效果。

1.3 鉆具組合

311.2 mm鉆頭（空氣錘）＋強制式回壓閥2只＋228.6 mm減振器＋228.6 mm鉆鋌×3根＋203.2 mm螺旋鉆鋌×6根＋177.8 mm螺旋鉆鋌×6根＋139.7 mm鉆桿

1.4 現(xiàn)場應用

LG1井采用空氣鉆頭塔式鉆具組合，井斜迅速增加，最大井斜為8.93°，全段平均井斜為7.13°。在氣體鉆井中采用空氣錘鉆井，空氣錘鉆進鉆壓20～30 kN、轉速35 r/min，空氣錘鉆進全段井斜低于2.57°，井斜得到了有效控制（圖1）。

圖1 LG1井井斜曲線圖

2 鐘擺鉆具帶液力推進器組合鉆井技術

液力推進器以鉆井液為動力，借助鉆頭噴嘴壓降產(chǎn)生的壓降作用在其活塞上產(chǎn)生推力，使推力直接作用于鉆頭，彌補有效鉆壓不足，保證鉆頭平穩(wěn)鉆進，提高機械鉆速。

2.1 鐘擺鉆具帶液力推進器組合防斜機理

液力推進器的液體反作用力與鉆壓相等，但是鉆鋌承受的反作用力小于鉆壓，其余載荷作用于井口，減小鉆鋌彎曲，有利于防斜打直。

2.2 鉆井參數(shù)設計

液力推進器產(chǎn)生的推力即為液力推進器是利用鉆井液流過以下鉆具（如馬達、鉆頭等）的壓降作用在其活塞上產(chǎn)生推力［2］。根據(jù)鉆壓確定推力值（設計推力值應超過實際鉆壓的1.2倍以上），根據(jù)推力值、鉆井液密度、鉆進排量等參數(shù)通過以下兩個基本公式進行設計，在噴嘴組合、鉆具結構一定的情況下，液力推進器產(chǎn)生的推力與鉆進排量有關，排量越大推力越大，排量與推力、壓差的關系見公式（1）和（2）。

式中，Δp為鉆頭壓差，MPa；S為液力推進器活塞面積，cm3；P為產(chǎn)生的推力，kN；ρ為鉆井液密度，g/cm3；Q為鉆井液排量，L/s；C為噴嘴流量系數(shù)，一般取0.98；de為噴嘴當量直徑，cm。

根據(jù)設計推力（一般按220～250 kN推力設計）計算壓差Δp；根據(jù)鉆井所需要的較低排量設計噴嘴當量直徑；當噴嘴選定后，根據(jù)排量、密度計算對應壓差Δp；根據(jù)不同的Δp值計算相應的推力值。

2.3 現(xiàn)場應用

2.3.1 鉆具組合

311.2 mm鉆頭＋228.6 mm液力推進器＋228.6 mm鉆鋌×3根＋310 mm穩(wěn)定器＋228.6 mm鉆鋌×3根＋203.2 mm鉆鋌×6根＋177.8 mm鉆鋌×6根＋127 mm鉆桿

2.3.2 效果評價

在川東地區(qū)的GX4、TD80、WQ003-X2、CJ1等井上部地層傾角為50～80°，上部侏羅系地層段長1 600～2 000 m，巖性為泥巖、頁巖及粉砂巖，采用鐘擺鉆具組合，鉆壓在120～140 kN的情況下井斜仍然難以控制。應用鐘擺鉆具帶液力推進器組合，鉆壓得到較大解放，一般在200～220 kN，最大井斜5°左右，鉆井速度提高30%～50%。

3 偏軸鉆具組合防斜鉆井技術

偏軸接頭接在鉆具上以后，使偏軸接頭上下鉆具不在同一條軸線上，使鉆具在轉動中產(chǎn)生離心力效應［3］。偏軸接頭上下鉆具不在同一條軸線上，在轉動過程中偏軸組合中“重邊”從井眼上側轉到下側時，“重邊”下落，產(chǎn)生有利于降斜的沖擊力效應。

3.1 鐘擺鉆具帶偏軸鉆具組合防斜原理

鐘擺鉆具帶偏軸鉆具組合結合了鐘擺鉆具、偏軸鉆具組合的優(yōu)勢，一方面是充分利用了鐘擺鉆具帶偏軸鉆具組合的公轉，鉆頭產(chǎn)生側向離心力效應；另一方面加穩(wěn)定器可以獲得較大的鐘擺力。

3.2 鉆具組合

311.2 mm鉆頭＋228.6 mm鉆鋌×1根＋偏軸接頭＋228.6 mm鉆鋌×2根＋308 mm穩(wěn)定器＋228.6 mm鉆鋌×3根＋203.2 mm鉆鋌×6根＋177.8 mm鉆鋌×6根＋127 mm鉆桿

3.3 現(xiàn)場應用

川東地區(qū)沙坪場高陡構造井上部地層傾角一般在50～80°，上部侏羅系地層段長1 800～2 200 m。在TD86、TD91等井上部地層進行了偏軸鉆具組合防斜技術試驗研究，較好地解決了井眼軌跡控制和提高鉆井速度的矛盾，該鉆具組合鉆壓較鐘擺鉆具提高了30%～50%，試驗井段進尺4 786 m，平均機械鉆速為1.94 m/h，提高近1倍。

4 VTK垂直鉆井技術

VertiTrak系統(tǒng)是貝克休斯旗下的一個模塊化的鉆井系統(tǒng)，它是綜合了閉環(huán)旋轉導向系統(tǒng)（AUTO?TRAK）、高性能X-TREME馬達、可靠的隨鉆測試（MWD）等3種技術而開發(fā)出來的一種閉環(huán)自動垂直鉆井系統(tǒng)，可以鉆出像槍管一樣筆直的井眼［4］。

4.1 VTK垂直鉆井技術原理

鉆進時當MWD重力傳感器檢測到有井斜趨勢時，即可啟動液壓部件，通過1～2個肋板向井壁施加30 kN作用力以對抗這一趨勢，同時MWD傳輸實時井斜數(shù)據(jù)到地面系統(tǒng)以方便跟蹤和監(jiān)測。

4.2 鉆具組合

311.2 mm PDC鉆頭＋241.3 mm VTK工具＋浮閥＋濾網(wǎng)＋308 mm扶正器＋228.6 mm減震器×3.97 m＋228.6 mm鉆鋌×3根＋203.2 mm鉆鋌×6根＋177.8 mm鉆鋌×6根＋127 mm鉆桿

4.3 現(xiàn)場應用

在川東地區(qū)的TD004-X3、BD006-H1、TD017-H8、TD017-H7、YA006-X5、YA006-X6、MY1等井現(xiàn)場應用7井次，試驗井段井斜控制在1°以內，實現(xiàn)了全壓鉆進，累計節(jié)約鉆井周期200余天。

5 三棱鉆鋌帶滾輪劃眼器防斜技術

三棱鉆鋌是在規(guī)徑圓材上，均布地銑出3個面，3面的內切圓直徑與鉆鋌的標準系列匹配，形成外形具有3個直棱的鉆鋌。外棱鑲崁有硬質合金齒，增大它的耐磨性，延長它的使用壽命。其特點是在滿足環(huán)空過流面積以及防止掛砂的條件下，所獲得的剛度為最大。

5.1 防斜機理

三棱鉆鋌的特點在于將傳統(tǒng)滿眼鉆具組合中的點支撐變?yōu)榫€支撐，同時增大底部鉆具抗彎剛度，在較高的鉆壓下保持鉆頭穩(wěn)定、不偏移，使其沿軸向鉆進，從而實現(xiàn)防斜打快。

5.2 鉆具組合

三棱鉆鋌帶滾輪劃眼器典型鉆具組合：鉆頭＋三棱鉆鋌（1根）＋三滾輪劃眼器＋上部鉆具組合（普通鉆鋌＋鉆桿）

5.3 現(xiàn)場應用

在YD001-H2、YD4和BJ001-H5井3口井試驗使用1 008.15 m，平均機械鉆速為3.96 m/h，對比同井段常規(guī)鐘擺鉆具及剛性滿眼鉆具的機械鉆速提高10%以上，井斜控制在設計范圍內。

6 彎螺桿帶MWD防斜打直技術

彎螺桿帶MWD防斜打直技術采用彎螺桿、穩(wěn)定器與MWD儀器的合理組合，形成了能夠及時讀取數(shù)據(jù)并調整井眼軌跡的預防和糾正技術，是基于定向井、水平井基礎上發(fā)展而來的主動式防斜技術［5］。

6.1 彎螺桿帶MWD鉆具組合防斜機理

彎螺桿帶MWD防斜打直是預彎曲動力學防斜打直技術中的一種，主要利用預彎曲動力學防斜打快鉆具組合在井眼中的渦動特征，在鉆頭上形成一個遠大于鐘擺降斜力的防斜力［6］。當此防斜力不能滿足井斜控制要求時，可以采取定向降斜的方式及時調整井眼軌跡。既充分發(fā)揮了PDC鉆頭高效、快速的優(yōu)勢，又實現(xiàn)了預彎曲動力學鉆具的防斜效果，同時還能夠滿足井眼軌跡控制要求。

6.2 鉆具組合

彎螺桿帶MWD典型鉆具組合：PDC鉆頭＋彎螺桿鉆具（帶欠尺寸穩(wěn)定器）＋MWD儀器＋短鉆鋌＋欠尺寸穩(wěn)定器＋鉆鋌＋鉆桿6.3 現(xiàn)場應用

在YA26、DT002-X9、YC1、XY6井等8口井現(xiàn)場應用該技術，井眼軌跡均得到較好的控制，同時大幅度提高了機械鉆速。其中YA26井是云安廠構造的一口預探井，該井上部地層傾角高達68°，地層易斜，而且該井處于多個斷層帶，上部直井段井眼軌跡控制難度極大，在云安26井應用彎螺桿帶MWD防斜打直技術，鉆至井深2 612 m時上部井段最大井斜僅有3°，閉合距30.42 m，達到了設計要求。

7 認識與建議

1）彎螺桿帶MWD防斜打直技術具有防斜和糾斜能力強、經(jīng)濟效益高、技術成熟等優(yōu)點，值得在高傾角地層大面積推廣應用。

2）進一部總結川東易斜地層井斜規(guī)律研究，分層位、井段開展不同鉆具組合防斜提速能力評價，有利于進一步提高該地區(qū)鉆井速度。

［1］鄧虎，伍賢柱，余銳.氣體鉆井井斜的原因及防斜技術［J］.天然氣工業(yè)，2009，29（1）：58-60.

［2］高自力，劉德平，鄭述全，等.鐘擺鉆具帶液力推力器組合提高大傾角地層鉆井速度試驗［J］.天然氣工業(yè)，2006，26（3）：53-55.

［3］劉德平，吳宗國，譚賓.鐘擺鉆具帶偏軸鉆具組合防斜技術試驗研究［J］.天然氣技術與經(jīng)濟，2011，5（3）：26-28.

［4］卓云，張杰，王天華，等.VTK垂直鉆井技術在川東地區(qū)的應用［J］.天然氣工業(yè)，2011，31（5）：80-83.

［5］王東，金勝利.塔深1井超深井段彎螺桿鉆具MWD定向糾斜技術［J］.石油鉆采工藝，2007，29（3）：111-113.

［6］胥思平，狄勤豐，張新旭，等.預彎曲動力學防斜快鉆技術的試驗研究［J］.天然氣工業(yè)，2006，26（3）：59-61.

（編輯：盧櫟羽）

B

2095-1132（2016）06-0024-03

10.3969/j.issn.2095-1132.2016.06.007

修訂回稿日期：2016-11-10

陳濤（1980-），工程師，從事鉆井技術服務工作。E-mail：zj-8@163.com。