防斜打直关键技术的应用与研究应用.doc

防斜打直技术研究与应用

中原石油勘探局钻井三公司
二OO二年十一月

目 录
一、 前言 1
二、 井斜形成因素 1
1. 地层因素 1
2. 底部钻具弯曲 1
三、 井斜控制技术 2
1、 刚性满眼钻具组合防斜技术 2
2、 钟摆力纠斜技术 3
3、 离心力防斜、纠斜技术 3
4、 运用钻具弯曲防斜、纠斜技术 3
5、 导向钻井防斜、纠斜技术 3
6、 井下专用工作防斜、纠斜技术 3
四、 防斜打直技术在现场应用 4
1、 塔式刚性钻具组合防斜技术应用 4
2、 钟摆钻具组合防斜、纠斜技术应用 4
3、 柔性钟摆纠斜钻具组合应用 4
4、 偏轴接头防斜、纠斜钻具组合应用 5
5、 动力钻具防斜、纠斜技术应用 5
五、 柴窝堡凹陷井斜状况分析及防斜办法 5
1、 井斜状况记录 5
2、 钻具构造及防斜效果分析 7
3、 达1井二开防斜技术 8
六、 结论 9
[参照文献] 9

一、 前言
防斜打直始终是钻井工程施工一道难题。井斜危害很大，井斜大了，也许导致钻探达不到目，还会给钻井、完井、采油作业带来安全隐患。特别是大倾角地层，井斜往往是制约钻井速度重要因素。
柴窝堡构造有多套地层倾角均在30°以上，在钻进过程中井斜非常严重，井斜控制是柴窝堡地区钻井能否成功核心之一。本文在总结吐哈、三塘湖盆地及准噶尔柴窝堡凹陷地层及井斜特点基本上，从理论和实践两方面探讨井斜控制技术，以期在后来钻井施工中更好地实行井身质量控制。
二、 井斜形成因素
钻井实践表白：引起井斜因素有各种，有地层因素，如地层倾角大，有设备因素如井口安装不正，尚有钻具构造因素如底部钻具弯曲。其中影响井斜最基本因素是地层、底部钻具弯曲。
1. 地层因素
层状构造沉积地层由于存在地层倾角和地层不均质性而导致井斜。
在倾斜层状地层中钻进时，由于交界面处存在“小变向器”作用，把钻头推向地层上倾方向，从而引起井斜；同步，沉积岩层在不同方向物性和强度是有差别，普通来说，垂直层面方向岩石强度低，可钻性高，钻头总要沿着破碎阻力最小方向迈进，本地层倾斜时就必然会导致井斜。
2. 底部钻具弯曲

FH

FB

W

P

FP
FW

图1 下部钻具“小车”模型
依照W·B勃莱特雷提出下部钻具小车模型（如图1），在有一定井斜井眼内，钻头上横向偏斜力FH为弯曲引起偏斜力FB和钟摆力FP向量之和，同步考虑钻头与岩石互相作用，则钻头上总横向偏斜力等于地层造斜力Ff、弯曲偏斜力FB和钟摆力FP三某些向量和：
→ → → →
FT=Ff +FP+FB………………（1）
当FT指向上井壁时，井斜就会增长；当FT指向下井壁时井斜就会减少；当FT=0时，即钻头上合力指向与井眼轴线重复时井斜就会稳定不变。
基于公式（1），减少底部钻具弯曲有如下几条思路：
1) 减少FP和FB等增斜因素影响。通过采用常规刚性满眼钻具组合，提高底部钻具组合刚性和抗弯曲能力，减少钻具与井眼间隙，以最大限度地减少FP和FB。
2) 消除FP和FB等增斜因素影响。采用偏轴、偏心钻具组合使底部钻具产生公转，从而使FP和FB作用方向随着公转而发生变化，从主线上消除钻具弯曲导致井斜。
3) 将FP、FB和Ff等增斜因素转化为降斜因素。运用特殊柔性钻具组合来变化钻具弯曲状态，从而将FP、FB、Ff等作用方向转化为降斜方向，这样既能消除底部钻具导致影响。
三、 井斜控制技术
当前，国内外防斜打直技术归纳起来重要有：刚性满眼钻具组合防斜技术、钟摆力纠斜技术、离心力防斜纠斜技术，运用钻具弯曲防斜纠斜技术、导向钻井防斜纠斜技术及井下专用工具防斜纠斜技术等。
1、 刚性满眼钻具组合防斜技术
通过提高底部钻具组合刚性，减少钻具与井眼间隙，来提高钻具抗弯曲能力，最大限度地减小FB和FP。该办法能有效地减小底部钻具弯曲引起井斜，但没有纠斜能力，因而只合用于地层造斜趋势不很强地层。其重要工具备扶正器、方钻铤、椭圆钻铤等。
2、 钟摆力纠斜技术
该技术普通与刚性满眼钻具配合使用进行井斜控制。其原理是运用钟摆力FP，使钻头产生与井斜方向相反侧向切削作用，从而纠斜。该技术只能采用牺牲钻压以减少垂直切削速度办法，以提高纠斜能力，但大大影响钻井效率。
3、 离心力防斜、纠斜技术
将专用井下偏心、偏轴工具按一定位置接究竟部钻具组合中，使底部钻具在井内旋转过程中，产生一种旋转离心力，使钻柱除了自转外，尚有一种周向公转，其成果使FB和FP作用方向随钻具公转而同步变化，从而可从主线上消除钻具弯曲导致井斜。该技术进行防斜钻进时，也许较高钻压钻进，有助于提高钻井效率，其防斜、纠斜效果也较好，但无法控制地层增斜因素，因而，仍不能从主线上解决高陡构造、大倾角地层井斜控制问题。
4、 运用钻具弯曲防斜、纠斜技术
该技术变化了老式控制钻具弯曲偏斜力FB和钟摆力FP防斜概念，而是将钻头倾角和侧向力转化为降斜因素加以运用，共同对抗地层造斜力Ff 。其办法是：采用柔性钻具构造变化底部钻具弯曲状态，使钻头侧向力和钻头倾角方向由指向井眼上侧，转变为指向井眼下侧。当前惯用几种现场应用效果较好钻具组合有：柔性钟摆钻具组合、双柔性钻具组合及柔性接头等。
5、 导向钻井防斜、纠斜技术
该技术是运用动力钻具导向钻进进行井斜控制。其防斜机理是靠弯外壳井下马达偏轴作用，使底部钻具在井内旋转过程中产生一种旋转离心力，用于防斜。此外，井下马达配合PDC钻头进行导向钻进时，转速高、钻速高、钻压低，也有助于防斜；其纠斜是靠弯外壳井下马达滑动钻进实现，因而，纠斜力强，可广泛应用于各级别地层造斜趋势状况下防斜、纠斜。
6、 井下专用工作防斜、纠斜技术
除上述防斜技术以外，国内外还开发了某些防斜、纠斜井下专用工具，如：国内水力防斜工具和压不弯钻铤装置、贝克-休斯公司VDS、SDD直井钻井系统等。
四、 防斜打直技术在现场应用
中原油田钻井三公司在西部各油区重要以以刚性满眼钻具和钟摆钻具防斜。在吐哈盆地巴喀、三塘湖马朗、条湖等高陡构造上也实验过偏心接头、柔性钟摆、动力钻具导向钻进等防斜技术
1、 塔式刚性钻具组合防斜技术应用
在西部油区，Φ311mm以上尺寸(含311mm)井眼均采用由较大尺寸钻铤构成塔式刚性钻具组合：
Bit+Φ228mmDC×9m+Φ203mmDC×18m+Φ178mmDC×27m
吐哈盆地、三塘湖盆地实钻状况表白，运用这钻具组合配以合理钻井参数可以满足可钻性好、倾角较小表层钻井时防斜规定，井深800m（表层套管下深）以内普通能保证井斜不超过1.50°，钻井速度也比较快。
2、 钟摆钻具组合防斜、纠斜技术应用
在西部油区，直径不大于311mm井眼钻进时基本上采用钟摆钻具构造：
Bit+Φ178（或158）mmDC×18m+螺旋扶正器+Φ178（或158）mmDC×9m+螺旋扶正器+Φ178（或158）mmDC
理论上讲，这种钻具组合防斜效果较差，但配合恰当钻压（地层交界面处吊打）、勤测斜、送钻均匀等技术办法仍可满足防斜规定，在吐哈盆地温米、葡北、鄯善等构造上运用效果比较抱负。
采用这种钻具组合重要出于这样考虑：当同一口井地层倾角变化较大时，在倾角较小地层可采用正常钻压钻进，在地层倾角较大时或井斜角较大时可减压吊打纠斜。在吐哈盆地丘陵、神泉等构造上获得了较为明显效果。
3、 柔性钟摆纠斜钻具组合应用
吐哈盆地巴喀地区地层倾角大，造斜力强，采用常规钻具组合井斜增长较快，采用柔性钟摆钻具组合纠斜效果明显，巴44井钻至1005m时井斜增至3.8°，采用柔性钟摆钻具组合钻至2023m时井斜降至2°；巴49井采用该种钻具组合钻进390m后井斜从4°降到0.5°，获得较为满意效果。
表1 吐哈盆地巴喀构造使用柔性钟摆钻具登记表
井号
井段(m)
柔性钟摆钻具构造
井斜变化状况
巴44
1005-2023
Φ215.9mmBit+Φ178mmDC×18m+Φ215mm扶正器+Φ127mm加重钻杆×9m+Φ215mm扶正器+Φ178mmDC×81m+Φ159mmDC×81m
从3.80°降至°2.00
巴49
1335-1725
Φ215.9mmBit+Φ178mmDC×18m+Φ215mm扶正器+Φ127mm加重钻杆×9m+Φ215mm扶正器+Φ178mmDC×77m+Φ159mmDC×79m
从4.00°降至0.50°
4、 偏轴接头防斜、纠斜钻具组合应用
三塘湖盆地马朗构造地层倾角达30°，钻进中极易发生井斜，有多口井井斜严重超标。我公司承钻马12井钻至井深550m时井斜达到4°，采用在近钻头处加一只偏心距为8mm偏心接头钻至1375m时，井斜降至1.70°，效果非常明显。
5、 动力钻具防斜、纠斜技术应用
三塘湖条湖构造也是一种高陡构造，该构造实测地层最大倾角达80°，也是防斜一种重点区块。我公司承钻条5井钻至井深1900m时井斜增至8.75°，井底水平位移达到121m，从井深1979.36m采用1.25度单弯螺杆+转盘钻进至2076.89m，井斜降为2.80°，效果非常好。
五、 柴窝堡凹陷井斜状况分析及防斜办法
1、 井斜状况记录
取芯资料表白，柴窝堡地区多套地层倾角在35°以上，最高达60°，柴参1井上仓房沟群地层倾角为40°，柴参2井1350m处地层倾角高达60°。从实钻井斜状况可以看出：该地区钻进过程中极易发生井斜，完毕几口井都不同限度地存在井斜，有甚至很严重，最大达到6°（见表2-表4）。

表2 柴参1井井斜登记表
井深
(m)
井斜
(°)
井深
(m)
井斜
(°)
井深
(m)
井斜
(°)
井深
(m)
井斜
(°)
井深
(m)
井斜
(°)
井深
(m)
井斜
(°)
5
0.25
45
0.25
107
0.25
148
0.67
208
0.67
288
1.00
390
0.00
515
0.16
590
0.08
740
0.16
940
0.75
1040
1.83
1214
2.58
1315
3.25
1490
3.50
1560
5.50
1715
4.75
1890
5.67
2030
5.00
2125
6.33
2250
4.00
2375
2.00
2675
2.00
2775
2.50
2825
1.75
2870
2.42
2950
2.83
3030
2.75
3070
2.67
3110
2.33

表3 柴参2井井斜状况
井深
(m)
井斜
(°)
井深
(m)
井斜
(°)
井深
(m)
井斜
(°)
井深
(m)
井斜
(°)
井深
(m)
井斜
(°)
井深
(m)
井斜
(°)
5
0.67
60
0.75
150
0.58
300
0.92
390
0.92
600
1.16
660
2.83
720
1.50
780
2.50
900
2.83
965
4.50
1085
3.00
1265
3.33
1410
4.00
1500
3.67
1650
3.00
1710
2.25
1880
1.83
2090
1.67
2210
1.00
2300
1.16
2400
0.92
2540
0.92
2660
2.33
2675
1.00
2775
2.16
2855
2.50
2945
2.67
2975
2.67
3005
3.00

表4 柴参3井井斜状况
井深
(m)
井斜
(°)
方位
(°)
井深
(m)
井斜
(°)
方位
(°)
井深
(m)
井斜
(°)
方位
(°)
井深
(m)
井斜
(°)
方位
(°)
151
0.30
172.3
1351
2.31
182.3
2350
0.80
156
3447
2.57
353
251
0.10
134
1351
3.66
187
2450
0.40
152
3547
3.31
349
351
0.06
42.4
1450
4.80
186
2550
0.60
83
3647
2.59
339
451
0.41
35.2
1550
4.20
174
2650
1.00
25
3747
2.37
329
551
0.26
109.1
1650
4.20
168
2750
1.40
338
3847
2.61
312
651
0.61
130.8
1750
2.41
164
2850
1.20
327
3947
2.66
300
751
1.62
155.6
1850
2.00
174
2950
2.80
338
4047
3.61
291
851
1.80
148
1950
1.20
169
3050
3.40
339
4147
3.32
293
951
1.84
163
2050
1.50
160
3150
3.10
356
4247
3.99
201
1051
1.60
172.4
2150
1.60
159
3250
2.20
354
4347
3.39
306
1151
1.80
197.3
2250
1.50
165
3347
2.23
9
4497
3.05
323
2、 钻具构造及防斜效果分析
⑴　柴参1井
①　钻具构造（见表5）
表5 柴参1井钻具构造及钻井参数
开钻顺序
实际钻具构造
钻井液密度（g/cm3）
钻压
（KN）
转速（rpm）
最大井斜（0）
1
φ444.5mm钻头+φ241mm钻铤×45.30m+φ203mm钻铤×53.98m+φ178mm钻铤×54.76m+φ127mm钻杆+φ133mm方钻杆。
1.08～
1.26
20～
60
60
1
2
φ311.2mm钻头+2个φ311.2mm扶正器十φ203mm短钻铤×1.89m+φ311.2mm扶正器+φ241mm钻铤×45.30m+φ203mm钻铤×63.21m+φ178mm钻铤×54.76m+φl27mm钻杆+φ133mm方钻杆。
1.18～
1.25
118～
177
45～
70
6
（1840m）
3
φ215.9mm钻头+φ178mm钻铤×82.27m+φ159mm钻铤×82.22m+φ146mm钻铤×54.88m+φl27mm钻杆+φ133mm方钻杆
1.15～
1.50

5
4
φ149.2mm钻头+φ120mm钻铤×135.73m+φ89mm钻杆+φ127mm钻杆+133mm方钻杆
1.19～
1.20

2.5
②　参1井防斜效果分析
柴参1井使用钻具组合除二开采用了满眼钻具外，其他都是使用常规塔式钻具组合。由于井壁坍塌，井径扩大严重，二开满眼钻具也未起到防斜作用。从井斜数据可以看到，最大井斜为6°左右，常规钻具组合可以满足井斜控制规定，只是钻压较低，φ311mm以上井眼普通不大于12吨，钻速低。
⑵　柴2井
① 钻具构造（见表6）
②　防斜效果分析
柴2井使用钻具组合实际效果基本与柴参1井类似，上部井段由于使用了大钻铤防斜效果要好于柴参1井。
⑶　柴3井
①　钻具构造（见表7）
② 防斜效果分析
柴参3井使用钻具组合除二开采用了满眼钻具外，其他都是使用常规塔式钻具组合。由于井壁坍塌，井径扩大严重，二开满眼钻具也未起到有效作用，由于掉块严重，后期也甩掉了扶正器。从井斜数据可以看到，最大井斜为4.8°，常规钻具组合可以满足井斜控制规定，只是钻压较低，φ311.2mm以上井眼普通不大于16吨，钻速低。
表6 柴参2钻具构造及钻井参数
开钻顺序
实际钻具构造
钻井液密度（g/cm3）
钻压
（KN）
转速（rpm）
最大井斜（0）
1
φ444.5mm钻头+φ279.4mm钻铤×2根十φ241.3mm钻铤×5根+φ203.2mm钻铤×5根+φ177.8mm钻铤×2根+φ127mm钻杆。
1.05～
1.18
20～
100
60
1
2
φ311.2mm钻头+φ311.2mm扶正器+φ203.2mm短节+φ311.2mm扶正器+φ241.3mm钻铤×2根+φ311.2mm扶正器+φ241.3mm钻铤×3根+φ215.9mm钻铤×6根+φ177.8mm钻铤×3根+φ127mm钻杆。
1400m后来：
φ311.2mm钻头+φ279.4mm钻铤×2根+φ241.3mm钻铤×1根+φ311.2mm扶正器+φ241.3mm钻铤×3根+φ203.2mm钻铤×6根+φ177.8mm钻铤×3根+φ127mm钻杆。
1.16～
1.4
120～
180

≥1400m
100～
120
50～
70
4.5
（1325m）
3
φ215.9mm钻头+φ177.8mm钻铤×26.72m+φ158.8mm钻铤×108.98m+φ127mm加重钻杆×55.02m+φ127mm钻杆
1.40
80～
120
60
2.5
表7 柴3井钻具构造及钻井参数
开钻顺序
实际钻具构造
钻井液密度（g/cm3）
钻压
（KN）
转速（rpm）
最大井斜（0）
1
φ444.5mm钻头+φ279.4mm钻铤×2根+φ242.7mm钻铤×3根+φ203.2mm钻铤×3根+φ177.8mm钻铤×2根+φ127mm钻杆
926.26m后
φ444.5mm钻头+φ279.4mm钻铤×3根+φ242.7mm钻铤×3根+φ203.2mm钻铤×3根+φ177.8mm钻铤×2根+φ127mm钻杆
1.07
～
1.37
100
～
120
60
4.8
2
φ317.5mm钻头+φ229.2mm钻铤×3根+φ317.5mm扶正器+φ229.2mm钻铤×1根+φ203.2mm钻铤×3根+φ177.8mm钻铤×3根+φ127mm钻杆
因扭矩大、掉块严重，后期去掉扶正器
φ317.5mm钻头+φ229.2mm钻铤×3根+φ203.2mm钻铤×3根+φ177.8mm钻铤×3根+φ127mm钻杆
1.25
～
1.50
80
～
160
60-
70
4.2
3
φ215.9mm钻头+φ158.8mm钻铤×21根+φ127mm加重钻杆×20根+φ127mm钻杆
1.40～
1.48
160～
180
60
3.31
3、 达1井二开防斜技术
达1井1700m此前采用塔式刚性钻具并配合合理钻井参数及技术办法达到了较好防斜效果，该井段最大井斜只有2.6°，设计规定5°要低得多。
依照上述分析并结合该地区易塌地层特点，防斜必要服从井下安全需要，因而，达1井二开后防斜原则为:
⑴ 二开以常规塔式钻具组合为主：φ311mm钻头+φ229mm钻铤×3根+φ203mm钻铤×6根+φ177.8mm钻铤×9根
⑵ 增斜趋势严重时采用偏心钻具或柔性钟摆钻具组合防斜、纠斜。
⑶ 井斜即将超过井身质量规定期采用动力钻具纠斜。
六、 结论
1、 合理选取钻具构造和钻井参数是当前有效且经济防斜手段。
2、 采用偏重钻铤、偏轴接头、偏心接头等进行防斜打直基本上能解决小地层倾角井斜问题，并且可以保证一定机械钻速。
3、 用柔性钟摆或其他钟摆钻具进行小钻压吊打可以纠斜，但它是以牺牲钻井效率为代价。
4、 动力钻具导向钻进技术是一种可以从主线上解决大倾角地层井斜问题技术手段，该技术与否可行重要问题是经济性。此外，对于地层造斜趋势很强大倾角地层，用动力钻具导向钻进时，应考虑使用1.0°~1.25°单弯，以便在进行纠斜滑动钻进时，其纠斜能力可以克服地层造斜趋势，产生纠斜作用。
5、 可采用优选井位办法来解放钻压，提高机械钻速。在仔细分析研究区块地层资料，即提供精准地层倾角及倾向时，可总结出地层自然造斜规律。

[参照文献]
⑴ 高德利.井眼轨迹控制.东营:石油大学出版社，1994。
⑵ 白家祉、苏义脑.井眼控制理论与实践.北京:石油工业出版社，1990.
⑶ 钻井手册(甲方).北京:石油工业出版社，1990。
⑷ 达1井钻井工程设计.中石化西部勘探指挥部，。
⑸ 达1井一开技术总结.中原油田钻井三公司技术科，。