定向井鉆井中鉆具組合技術探討

隗凱

摘要：高陡構造上部地層傾角一般在50°以上，最高達85°，鉆井中易塌、易漏、易斜，鉆壓是平緩地層的30 %～50 %，由于鉆壓受到限制，嚴重影響了鉆井速度的提高。鐘擺鉆具帶偏軸鉆具組合在相同井斜控制的情況下，鉆壓可提高30 %～50 %，該組合應用在定向井取得了較好的經濟技術效益，平均機械鉆速提高1倍以上。

關鍵詞：定向井；高陡構造；鐘擺鉆具；鉆具組合；推廣應用

高陡構造井上部地層傾角一般在50°～80°之間，巖性為泥巖、頁巖及粉砂巖，鉆進中極易井斜，采用鐘擺鉆具鉆壓控制在120～140kN的情況下井斜仍然嚴重超標，為此有必要將偏軸鉆具組合防斜技術與鐘擺鉆具相結合進行研究應用。鐘擺鉆具帶偏軸鉆具組合在大傾角地層鉆進，具有較強的防斜能力，鉆壓較鐘擺鉆具組合提高30%～50%，機械鉆速明顯提高。該鉆具組合較單純的鐘擺鉆具組合具有更好的防斜、糾斜效果，在大傾角易斜地層推廣應用該技術可較大地解放鉆壓，具有較大的推廣應用價值。

1 偏軸鉆具組合防斜原理

偏軸接頭接在鉆柱上，使偏軸接頭上下鉆具不在同一條軸線上，鉆具在轉動過程中產生離心力效應，“重邊”從井眼上側轉向下側時下落，產生有利于降斜的沖擊力效應。

1.1 側向離心力效應

鉆柱旋轉中，側向離心力大小由下式確定：

式中FC為側向離心力，N；m為集中質量，kg；e為質量偏心距，m；n為轉速，轉/s。

由式（1）可知，側向離心力效應的大小與偏軸接頭以下的鉆鋌尺寸、偏軸距、轉速有關。

1.2 沖擊效應

鐘擺鉆具帶偏軸鉆具組合的“重邊”下落帶動鉆頭對井眼下側產生沖擊力，該力將克服地層的造斜趨勢。鉆頭對上下井壁都有脈動沖擊力，但對下側井壁的側向沖擊力的平均值高于對上側的沖擊力。

2 鐘擺鉆具帶偏軸鉆具組合防斜技術

鐘擺鉆具帶偏軸鉆具組合結合了鐘擺鉆具和偏軸鉆具組合的優勢，一方面是利用了鐘擺鉆具帶偏軸鉆具組合的公轉使鉆頭產生側向離心力效應；另一方面加穩定器可以獲得較大的鐘擺力 （見圖2）。

2.1 鉆壓。偏軸鉆具組合鉆壓在 100～150 kN范圍內鉆頭的平均側向力變化不大，效果較好。經試驗研究表明，鐘擺鉆具帶偏軸鉆具組合鉆壓在180～200kN范圍內鉆頭的平均側向力變化不大。

2.2 偏軸接頭的安放高度

偏軸接頭的安放高度對偏軸鉆具組合的性能影響很大，位置低于6 m 時鉆柱震動很大，轉動不平穩。位置過高，鉆頭對下井壁的側向力大幅降低，分析認為安放高度宜在9～14m內。

2.3 穩定器的安放高度計算

具組合穩定器的合理安放高度將直接影響防斜、降斜效果，穩定器合理安放位置可由式（2）計算：

2.4 轉速。轉速對偏軸鉆具組合防斜效果影響顯著，在條件允許的情況下，盡量提高轉速。轉速的提高不僅有利于形成穩定的公轉狀態，而鉆頭對下井壁的沖擊效應隨轉速增加增大。

2.5 偏軸距。根據地層造斜力、井斜控制目標合理選擇，311.2mm井眼偏軸距一般在25～32mm。

3 現場應用

3.1 鉆具結構及鉆井參數

1）鉆具結構。高陡構造上部地層主要井眼段為311.2mm井眼，鉆具組合為：311.2mm鉆頭+228.6～254mm鉆鋌8～10m+偏軸接頭+228.6mm鉆鋌18m左右+311.2mm穩定器+鉆柱。2）鉆壓。根據地層傾角、井斜控制要求、偏軸距大小確定合理的鉆壓，可依據以下原則確定鉆壓：①根據單穩定器鐘擺鉆具組合定量控制井斜計算鉆壓，并在此基礎上鉆壓增加30%～50%；②根據測斜情況及時調整鉆壓；③加壓后在偏軸接頭處不形成切點。3）轉速。偏軸鉆具組合產生的離心力效應與鉆柱轉速的平方成正比，在設備能力、鉆柱強度滿足的情況下，轉速提高到80～100r/min以上。

3.2 偏軸鉆具組合安全鉆進技術措施。鉆具組合由于側向離心力效應，加大鉆柱先期疲勞損壞，采用該組合鉆進應采取以下技術措施：①偏軸接頭上下鉆鋌應使用新鉆鋌或質量較好、等級較高的鉆鋌；②在偏軸鉆具組合上鉆鋌與鉆桿間加3～5柱加重鉆桿或在鉆柱中加入減震工具，起減震、過渡作用，減小鉆具先期疲勞損壞；③定期檢查、倒換偏軸接頭附近鉆鋌。

3.3 現場試驗效果。高陡構造上部地層傾角均在60°以上，平均鉆井速度低于1m/h，偏軸鉆具組合防斜技術在高陡構造帶進行試驗研究，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%，平均機械鉆速較鄰井同井段提高102.83%。

參考文獻：

[1]空氣錘鉆具防斜機理研究[J].鄭德帥，高德利.石油鉆探技術. 2016（02）

[2]單彎螺桿鉆具組合防斜打快技術研究[J].姜興福.長江大學學報（自然科學版）.2015（10）