鉆具組合在湘臨地1井井斜控制中的應用

鄧 拓，熊文超

（湖南省煤田地質局第一勘探隊，湖南衡陽421800）

湖南省作為一個無油少氣缺煤少電的能源輸入省份，石油天然氣資源匱乏，至今尚未發現可供開采的石油和天然氣，目前湖南省能源消費結構中，煤炭約占全省一次性能源消費總量的75%，清潔的天然氣僅4%，天然氣存在巨大的供需缺口。頁巖氣的勘探開發成為必然的需要。

1 工程概況

1.1 項目背景

《雪峰古陸周緣頁巖氣地質調查》項目的實施，旨在查明區內頁巖氣成藏地質條件，優選頁巖氣有利區，力爭頁巖氣發現。針對雪峰周緣存在三大勘查類型，2019年優先在雪峰山北緣洞庭湖盆過渡類型太陽山凸起位置處部署實施湘臨地1井[1]。

1.2 地質概況

湘臨地1井地層層序不完整，受多期構造運動的控制影響，上古生界地層剝蝕殆盡，僅殘留下古生界地層，白堊系—第四系不同程度覆蓋在中下奧陶系之上。湘臨地1井依次鉆遇第四系、奧陶系（馬刀堉組、盤家咀組）、寒武系（沈家灣組、比條組、車夫組、花橋組、敖溪組、清虛洞組、杷榔組、牛蹄塘組）地層，地層巖性以白云巖、灰巖、泥頁巖為主，白云巖與灰巖頻繁交錯，地層傾角10°～20°[2]。

1.3 井身質量要求

按SY/T 5088-2017《鉆井井身質量控制規范》執行。見表1詳細要求[3]。

表1 井身質量要求

2 井斜發生的原因

2.1 地質條件

地質因數是影響井斜的重要原因，主要有地層傾角、地層的層狀結構、地層的軟硬交錯。作為現場技術人員在施工前應詳細收集附近出露的地層情況及鄰井資料，根據地層情況做好相應的分析及技術措施準備。

2.2 鉆具彎曲

井下鉆具彎曲狀態也是造成井斜的主要原因。在一定的鉆具結構下，當鉆壓超過一定的數值后，下部鉆柱就產生彎曲，鉆頭及其相鄰連接部分鉆柱的中心線就偏離井眼軸線，鉆壓不再沿著原來的井眼軸線施加給鉆頭，從而偏離了角度，因而使井眼發生偏斜，形成一個鉆頭傾斜角β，對井底造成不對稱切削，造成井斜，使鉆柱一次彎曲、2次彎曲（見圖1）[4-6]。

圖1 鉆具彎曲情況示意圖

鉆柱彎曲受壓長度已有的定量表達式如下：

式中：L1——1次彎曲受壓長度；

L2——2次彎曲受壓長度；

J——鉆鋌截面慣性矩；

E——鋼材彈性模量；

QM——鉆鋌的重量。

彎曲的臨界鉆壓用如下表達式：

式中：L——彎曲受壓長度；

P——臨界鉆壓；

Q——單位質量。

據有關資料：一次彎曲的切點h1≈1.8～1.33m（切點隨鉆壓加大下移）。二次彎曲點高度h2≈3.4m。

（1）鉆壓小于一次彎曲臨界鉆壓時，鉆柱不彎曲，鉆頭無傾斜角，井容易鉆直。在一次彎曲和二次彎曲之間時，鉆頭傾斜角最大，容易把井鉆斜。在二次彎曲臨界值時，鉆頭的傾斜角相對較小，有利于鉆直井。如鉆壓再增大，鉆頭傾斜角又隨之增大，直到三次彎曲時，鉆頭傾斜角才會相對減小。因此鉆進時應將鉆壓控制在略大于P2或P3的數值。

（2）當鉆頭直徑一定時，鉆鋌直徑越大，環形間隙越小，越容易鉆直，因此應選用直徑大剛性大的鉆鋌，并盡可能減小下部鉆柱與井眼的間隙。

2.3 鉆具組合及鉆井參數對井斜的影響

上面分析的都是理想直井的情況，而實際上由于地層的客觀造斜存在，井眼不可能為垂直，總存在一定的井斜，但斜度的增大或減小保持一定的平衡，主要取決于鉆頭的受力狀況，主要有：

（1）鉆壓。由于鉆具的彎曲（由鉆壓及井斜下鉆具由于自重靠向底邊，鉆具受力情況見圖2）形成鉆頭傾向斜角。根據力的平行四邊形法則對力進行分解，主要為井眼軸線方向的力與軸線垂直方向的力，為增斜力[7-8]。

圖2 鉆具受力情況

（2）鐘擺力Fd。井斜形成后，鉆鋌在切點以下的重量W將在垂直方向上形成一個類似鐘擺的分力，驅使鉆頭破碎井眼低側巖石，使井眼恢復垂直[9]。

式中：α——井斜角；

Fd——鐘擺力；

W——鉆鋌在切點下的重量。

通過以上公式分析可得出結論：①直井時，鐘擺力等于零；②使用鐘擺鉆具，允許在一定的范圍內，將鉆壓值提高，從而加快鉆進速度，而井斜角減小；③提高切點，增加切點以下的鉆鋌重量。

綜合考慮上述因素，鉆頭上存在的增斜力降斜力都是人為影響井斜變化的主要因素；考慮在同性地層中，井斜主要取決于鉆壓、鉆鋌尺寸、井眼尺寸。由此可見，在不同井眼尺寸下選用合適的鉆具組合，通過控制合理的鉆壓及參數就能有效控制井斜變化。

3 鉆具組合在湘臨地1井的井斜控制應用

為了控制井斜的變化趨勢，根據井身結構，了解鄰井資料，根據鉆進中參數的需要，選用相應的鉆具組合，達到控制好井斜的變化，從而高效地完成施工。

3.1 以一開施工過程舉例[9-10]

（1）一開鉆進（30～188m）。

鉆具組合：?406.4mmPDC+?228mm鉆鋌×3根+?203mm鉆鋌×3根+?177mm鉆鋌×3根+?157mm鉆鋌×3根+?127mm加重鉆桿×7根+下旋塞+?133mm方鉆桿+上旋塞。

鉆進參數：鉆壓40～60kN；轉數65r/min；排量35L/s；立壓3～9MPa。

鉆井液參數：密度1.05g/cm3；粘度52s。

一開第一趟鉆采用?406.40mmPDC鉆頭第一次開鉆，由于缺少適配螺旋扶正器，一開采取輕壓吊打鉆進至188.00m。起鉆更換鉆具組合，改用雙螺旋扶正器并加大排量。

（2）一開鉆進（188～228m）。

鉆具組合：?406.4mmPDC+?228mm鉆鋌×1根+螺扶?403mm+?228mm鉆鋌×2根+?400mm螺扶+?203mm鉆鋌×3根+?177mm鉆鋌×3根+?157mm鉆鋌×3根+?127mm加重鉆桿×7根+?127mm鉆桿×4根+下旋塞+?133mm方鉆桿+上旋塞。

鉆進參數：鉆壓40～60kN；轉數65r/min；排量60L/s；立壓3～9MPa。

鉆井液參數：密度1.05g/cm3，粘度52s。

一開第二趟鉆采用?406.40mm PDC鉆頭并采用雙扶正器進行鉆進，但是PDC鉆頭的早期崩片，鉆頭壽命短，起鉆更換鉆頭，改用牙輪鉆頭鉆進。

（3）一開鉆進（228～321m）。

鉆具組合：?406.4mm牙輪鉆頭+?228mm鉆鋌×1根+螺扶?403mm+?228mm鉆鋌×2根+?400mm螺扶+?203mm鉆鋌×3根+?177mm鉆鋌×3根+?157mm鉆 鋌×3根+?127mm加 重 鉆 桿×7根+?127mm鉆桿×4根+下旋塞+?133mm方鉆桿+上旋塞。

鉆進參數：鉆壓40～60kN；轉數65r/min；排量60L/s；立壓3～9MPa。

鉆井液參數：密度1.05g/cm3；粘度52s。

采用?406.40mm牙輪鉆頭并采用雙扶正器進行鉆進，牙輪鉆頭的低扭矩穩定性較好，但是機械鉆速低，后經現場討論，改用螺桿+PDC鉆頭進行鉆進。

（4）一開鉆進（321～532m）。

鉆具組合：?406.4mmPDC鉆頭+?244.5mm螺桿+?228mm鉆鋌×1根+螺扶?403mm+?228mm鉆鋌×2根+?400mm螺 扶+?203mm鉆 鋌×3根+?177mm鉆鋌×3根+?157mm鉆鋌×3根+?127mm加重鉆桿×7根+?127mm鉆桿×4根+下旋塞+?133mm方鉆桿+上旋塞。

鉆進參數：鉆壓40～60kN；轉數65r/min；排量60L/s；立壓3～9MPa。

鉆井液參數：密度1.05g/cm3；粘度52s。

使用螺桿+PDC鉆頭+雙扶正器鉆具組合復合鉆進后效果良好，極大地釋放鉆壓并保證了井斜。主要體現在鉆進過程中的平穩性、機械鉆速的提高。

3.2 通過加入扶正器改變鉆具的受力及彎曲從而控制井斜

通過增加兩個與鉆頭直徑相近的扶正器加上大尺寸鉆鋌組成，加大剛性和填滿井眼，在高鉆壓下盡可能的保持鉆具居中，減小鉆頭傾斜角，從而達到控制井斜的目的。選用雙扶正器，由于PDC鉆頭的鉆頭所需鉆壓相對較小，在鉆進中通過合理的控制鉆壓即可滿足井斜控制的需要，當鉆壓小于下部兩根鉆鋌重量時，該組合相當于單扶正器組合，能很好的控斜和糾斜作用；當鉆壓大于上扶正器以下的鉆鋌重量時，該組合類似剛性滿眼組合，具有較好的控斜穩定性。但是該組合由于扶正器與鉆頭尺寸接近，在井下發生阻卡的幾率變大，適合在地層穩定性好，無縮徑垮塌的地層使用。通過一開的實鉆情況，二開、三開均采用此方法控制井斜。

3.3 實鉆井身質量

本井為直井，井別為地質調查井，設計井深為2850m，井底水平位移不大于80m；實際完鉆井深3450m，井底水平位移27.82m，最大井斜位于3175m處的4.7°，具體實鉆三維軌跡見圖3。

圖3 湘臨地1井實鉆軌跡圖

4 總結與建議

鉆井工程是一項系統工程，任何一項工作都受到其他許多情況和條件的制約和影響，鉆具組合也需要綜合考慮地質情況、井身結構、工具特性甚至包括鉆井液情況等。作為一名現場技術人員必須懂得多方面的知識并加以全面的分析和考慮，才能有效地把握鉆井施工中隨時可能出現的各種問題，保證鉆井施工的優質高效。

（1）施工前應盡可能地收集可以參考的資料，了解地層的巖性變化情況，確定施工中各井段的控斜的側重點。

（2）通過對工程資料的分析，確定鉆頭使用的類型，以及相應參數的確定。

（3）施工中還要及時對井下情況進行跟蹤，對各種變化加以分析和判斷，及時進行合理的調整及改進。

（4）針對湘西北地區的碳酸鹽巖地層，地層較穩定，無井下問題，可以大膽使用雙扶正器鉆具組合。可以極大地釋放鉆壓，提高鉆進效率并保證井身質量。

（5）湘西北地質特點多表現為高造斜性，但各個層位造斜性各異。應自上而下針對性分別采取不同措施。針對不同地層傾角，優選不同的鉆具組合。

由于現場條件有限，缺乏足夠深入的理論計算及研究，僅給大家的參考與建議。而井斜的控制也是鉆井工程中一項重要的工作。