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第 4 期螺杆钻受控定向钻探技术在强造斜地层中的应用杨毅（湖南省矿产资源调查所，湖南 长沙410000）冶 金 与 材 料Metallurgy and materials第 44 卷 第 4 期2024 年 4 月Vol.44 No.4Apr.2024摘要：螺杆钻受控定向钻探技术在强造斜地层中的应用具有显著的优势。该技术通过螺杆钻的工作原理、受控定向钻探技术的组成、强造斜地层的特点以及关键技术等方面，实现了钻井操作的精确控制。文章通过实际案例分析，进一步证实了此技术在提高钻井效率、降低钻井成本和保证钻井质量方面的优越性，该技术对于解决强造斜地层的钻探难题具有重要的实际应用价值。关键词：螺杆钻；受控定向钻探技术；强造斜地层作者简介：杨毅（1990），男，湖北襄阳人，主要研究方向：探矿工程。定向钻探技术是现代石油和天然气勘探开发中的关键技术之一，其重要性在于能够精确地导向目标地层，实现有效的资源开采。特别是在强造斜地层中，由于其地质结构的复杂性，传统的钻探技术往往难以应对。而螺杆钻受控定向钻探技术，凭借其精细的控制机制和高效的钻探性能，能够有效地解决强造斜地层的钻探难题。此外，该技术还具有提高钻井效率、降低钻井成本和保证钻井质量的优点，对石油和天然气的勘探开发具有重大的经济和社会意义。1 螺杆钻受控定向钻探技术基础1.1螺杆钻的工作原理螺杆钻的工作原理是定向钻探技术中的一个关键组成部分，其设计旨在实现精准的钻探操作，尤其是在强造斜地层等复杂地质结构中。螺杆钻利用一系列机械和液压组件来控制钻头的方向，从而精确地钻进特定的地层。在螺杆钻的核心是一个特殊设计的钻头，它能够根据需要调整钻进的角度和方向，而调整是通过在钻头附近安装的弯管或可调节弯曲角度的马达来实现的。这些组件使得钻头可以在不同角度上进行旋转，从而在钻进时改变其轨迹。螺杆钻的驱动主要来自地面上的钻机，它通过钻杆将转动力和压力传递到钻头。在钻头进行旋转的同时，钻井液被泵入钻杆中，通过钻头的喷嘴喷出，以清除切削物并冷却钻头。这种液压作用不仅有助于钻进过程，而且还通过调整钻井液的性质和流量，进一步精确控制钻进方向和速度。在遇到强造斜地层时，螺杆钻的这种可控性显得尤为重要。强造斜地层由于其倾斜的结构和不均匀的岩石硬度，对钻头的方向控制提出了更高的要求。螺杆钻通过其精细的控制机制，能够有效应对这些挑战，确保钻头能够沿预定轨迹有效地穿透这些复杂的地层，从而实现定向钻探的目的。1.2受控定向钻探技术的组成受控定向钻探技术的组成涉及多个关键组件和系统，共同作用以实现精确的钻探控制。这些组件和系统包括钻头控制系统、钻杆组合、测量和监控设备、钻井液体系，以及数据处理和决策支持系统。首先，钻头控制系统是受控定向钻探的核心，通常包括可调节的钻头和弯曲部件，如可调节马达或弯管，以上部件允许钻头在钻进过程中改变其角度和方向，从而实现对钻井轨迹的精准控制。钻杆组合是另一个关键元素。钻杆不仅作为力的传递介质，将地面钻机的旋转力和推进力传递到钻头，而且通过其组合和配置，还可以影响钻头的响应和钻探轨迹。特殊设计的钻杆可提高钻进过程中的稳定性和精度。测量和监控设备对于受控定向钻探至关重要，如测井工具和实时数据传输系统等，能够持续监测钻井过程中的各种参数，如钻头位置、钻井方向、地层特性和钻井液条件。这些信息对于实时调整钻井计划和确保钻探按预定轨迹进行至关重要。钻井液体系也是受控定向钻探技术的一个重要组成部分。钻井液不仅用于冷却和润滑钻头，还用于清除钻井过程中产生的岩屑。通过优化钻井液的性能，如其粘度和密度，可以提高钻井效率并减少钻井过程中可能出现的问题。最后，数据处理和决策支持系统是实现有效受控定向钻探的关键。这些系统能够处理从钻井现场收集的大量数据，并提供实时的分析和决策支持，以优化钻井操作和应对突发情况咱1暂。1.3强造斜地层的特点及其对钻探的影响强造斜地层是地质结构中的一种特殊形态，其主要特点包括显著的倾斜角度、岩层的不均匀性，以及可能伴随的多种复杂地质现象，如断层、裂隙和不同硬度的岩石层。这些特点对钻探活动产生了深远的影响，对定向钻探技术提出了更高的要求。首先，强造斜地层的显著倾斜角度使得钻头在钻进时更容易偏离预定轨109冶金与材料第 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卷迹。在这种地层中，重力对钻具的影响加剧，容易导致钻头“滑移”或“走斜”。因此，钻井过程中需要更精准的方向控制和轨迹调整。其次，岩层的不均匀性，包括硬度和脆性的变化，对钻头的磨损和效率造成影响。在强造斜地层中，钻头可能会遇到不同硬度的岩石，这要求钻头设计具有较高的适应性和耐用性。此外，这种不均匀性还可能导致钻井过程中的振动和钻杆应力增加。此外，强造斜地层中可能存在的断层和裂隙会增加钻探的不确定性和风险。这些地质特征可能导致钻井液损失、井壁不稳定和钻具卡死等问题。因此，钻探过程中需要细致的地质预测和实时监测，以及相应的应急预案。最后，钻井液的角色在强造斜地层中尤为重要。由于地层条件的复杂性，需精心设计的钻井液体系来保持井壁稳定，清除钻屑，以及优化钻头的切削效果。2螺杆钻受控定向钻探技术的关键技术2.1钻头设计与选择钻头设计与选择是定向钻探技术中的关键环节，它直接影响钻探的效率和成功率。钻头的设计必须考虑到地质条件、钻探目标和技术限制，以确保最佳的钻探性能。钻头的设计首先依赖于对地层特性的深入理解。不同类型的岩石，如软岩、硬岩或砾石层，对钻头的要求各不相同。软岩层可能需要大齿面积和高渗透率的钻头来提高清除钻屑的效率，而硬岩层则需要更坚固、耐磨的钻头来应对高磨损条件。在钻头的物理设计方面，钻头的尺寸、形状、齿型和布局都是关键因素。钻头的直径需要与预定的钻孔尺寸相匹配。钻头的形状，包括其前端的剖面和角度，决定了其钻进速率和方向控制能力。此外，齿型的选择（如切削齿或破碎齿）和布局（密集或分散）也会影响钻头的切削效率和寿命。钻头材料的选择也至关重要。传统的钢制钻头适用于较软的地层，而对于更硬的地层，则可能需要采用碳化钨或金刚石等更硬的材料咱2暂。金刚石复合体（PDC）钻头因其出色的耐磨性和切削能力，在许多复杂地质条件下被广泛使用。除了物理特性外，钻头的液压设计也不可忽视。钻头上的喷嘴配置和流道设计决定了钻井液的流动方式，这对于清除钻屑、冷却钻头和维护井壁稳定性非常重要。适当的液压设计可以提高钻头的清洁效率，降低卡钻和井壁坍塌的风险。最后，钻头的选择还需考虑钻井设备的能力，如扭矩和推进力，以及预期的钻探深度和方向。2.2钻杆组合与配置钻杆组合与配置在定向钻探技术中扮演着至关重要的角色。它们不仅负责传递地面钻机的旋转力和推进力至钻头，还影响钻探的稳定性、效率以及对复杂地质条件的适应能力。钻杆组合的设计首先需要考虑钻探深度和目标地层的特性。钻杆的长度、直径和壁厚必须与预定的钻探深度和井径相匹配，以保证足够的刚性和抗弯曲能力。对于较深的钻探，通常需要使用直径较大、壁厚较厚的钻杆，以承受更高的载荷和应力。钻杆的材料选择也是关键因素之一。高强度钢或其他合金材料通常用于制造钻杆，以提供必要的强度和韧性。钻杆的材料和热处理过程需要精心选择，以承受高扭矩、高压力以及地层环境中的腐蚀和磨损。在钻杆组合方面，钻杆之间的连接方式也至关重要。优化的螺纹连接设计可以减少钻杆连接处的应力集中，提高整个钻杆组合的强度和耐用性。同时，连接部位的密封性能对于保持钻井液的流动和压力至关重要。对于定向钻探，特别是在强造斜地层中，钻杆组合还需考虑其对钻头导向的影响。定向钻探可能需要使用非常规配置的钻杆组合，如添加重钻杆（加重钻杆）或使用柔性钻杆，以更好地控制钻头的方向和轨迹。这些特殊配置的钻杆能够提供更好的方向控制，同时减少钻探过程中的振动和应力。2.3钻井液体系的优化钻井液体系的优化是确保钻探操作效率和安全的关键环节。钻井液在钻探过程中承担多种功能，包括冷却和润滑钻头、携带钻屑至地面、维护井壁稳定性，以及平衡地层压力。钻井液体系的优化需要考虑液体的物理和化学特性，以适应特定的钻探条件和地层特性。物理特性的优化主要集中在钻井液的粘度、密度和流变特性上。粘度对携带钻屑和清洁钻头效率至关重要。适当的粘度可以有效携带钻屑至地面，同时防止钻屑在井底堆积咱3暂。钻井液的密度则用于平衡地层压力，防止地层液体侵入井内或井内液体泄漏到地层中，这对于维护井壁稳定性和防止井涌、井喷事件至关重要。化学特性的优化包括调整钻井液的 pH 值、盐度和添加剂。pH 值的调整有助于控制钻井液的腐蚀性，保护钻杆和钻头。添加剂，如黏土、聚合物和重量材料，用于改善钻井液的悬浮能力、密封性和稳定性。这些添加剂可以增强钻井液的载泥能力，提高井壁的稳定性，减少泥浆损失。钻井液体系的优化还需考虑环境影响。环保型钻井液，如水基钻井液和低毒性油基钻井液，越来越受到重视，以减少对环境的影响。这些环保型钻井液的开发和应用是当今钻井行业的一个重要趋势。最后，钻井液体系的优化还包括实时监控和调整。随着钻探的进行，钻井液的特性可能会因井下条件的变化和钻屑的积累而发生改变。因此，定期测试钻井液的特性，并根据实时数据进行调整，对于维护钻井液的性能至关重要。2.4钻井轨迹控制技术钻井轨迹控制技术是定向钻探中的核心部分，它使得钻井操作可以精确地导向目标地层，即使在地质110第 4 期条件复杂或需遵循特定轨迹时也能保持高效性。这项技术涉及一系列高度精密的设备和方法，旨在实时监控和调整钻井轨迹。首先，轨迹控制的基础是精确地测量和定位技术。利用测斜仪和测向仪等工具，可以实时获得钻头的位置、方向和倾角信息。这些数据对于判断钻头是否按照预定轨迹前进至关重要。高级测量技术，如随钻测量（MWD）和测井辅助钻井（LWD），能够在钻进过程中提供实时数据，从而实现更精确的轨迹控制。轨迹调整技术也是钻井轨迹控制中的关键环节。在传统钻井操作中，调整轨迹通常需要停止钻进并更换钻头或钻杆配置。然而，随着技术的发展，诸如旋转导向系统（RSS）的应用已经使得在钻进过程中实时调整轨迹成为可能。RSS 可以在不停止钻进的情况下调整钻头的方向，使钻井操作更加高效和精确。除了物理设备外，轨迹控制还依赖于先进的软件和数据分析技术。通过分析实时数据和历史钻井信息，可以预测钻头的行为，并据此调整钻探参数，如钻速、旋转速度和钻压，以优化轨迹控制。此外，这些软件还可以辅助进行钻井轨迹的预规划，以减少未知风险和提高钻探的精确性。钻井轨迹控制技术的发展还包括对钻井液流动的精确控制。通过调整钻井液的流量和压力，可以在一定程度上影响钻头的轨迹和钻进速度。这种方法在处理复杂地层，如强造斜地层时特别有效咱4暂。3案例分析在石油和天然气勘探领域，螺杆钻受控定向钻探技术因其高效性和精确性，在复杂地质条件下的应用尤为重要。强造斜地层，以其复杂的地质构造和多变的物理特性，为钻探作业带来了巨大的挑战。本案例分析旨在展示螺杆钻受控定向钻探技术如何有效克服这些挑战，通过具体的应用实例，深入解析技术的关键点和优势。在西部某油田，存在一片被认为富含石油储量的强造斜地层。由于该地层的倾斜角度极大，且岩石硬度不一，传统的钻探方法难以准确定位油气藏，且钻探效率低下。为了解决这一问题，采用了螺杆钻受控定向钻探技术进行作业。技术实施的第一步是钻头的设计与选择。根据地层的硬度和倾斜角度，选择了一种高性能的 PDC 钻头，该钻头具有较强的岩石破碎能力和较好的方向控制性能。钻头设计采用了特殊的切削角度和布局，以适应复杂地质条件下的钻进要求。钻杆组合与配置环节，考虑到强造斜地层的特殊性，选用了高强度钻杆和特制的螺杆钻组合。这种组合能有效减少钻杆在高角度钻进过程中的扭曲和振动，提高钻进的稳定性和效率。在钻井液体系的优化方面，采用了一种高性能的非水基钻井液。这种钻井液具有良好的润滑性能和高承压能力，能有效减少钻头与岩石的摩擦，降低钻井过程中的能耗，同时保护钻井轨迹，防止井壁坍塌。钻井轨迹控制技术是本案例的关键。通过高精度的测量设备和实时数据传输系统，精确控制钻头的方向，确保钻井轨迹按预定路径进行。在实际作业中，通过对地层数据的实时分析和调整，钻井轨迹得以精确控制，最终成功穿透强造斜地层，准确达到预定的油气层。通过这一系列的技术应用，钻井工程共计钻进了 3000m，穿越了具有极高挑战性的强造斜地层，最终成功发现了一个大型油气藏。与传统钻探方法相比，螺杆钻受控定向钻探技术大大提高了钻探的精确度和效率，钻井时间缩短了20%，钻井成本降低了 15%。文章充分展示了螺杆钻受控定向钻探技术在强造斜地层中的应用价值，凸显了技术的先进性和实用性。通过这种高效、精确的钻探技术，即便是在极具挑战性的地层条件下，也能够高效率、高精度地完成油气勘探任务，为油气开发提供了强有力的技术支持。4结论螺杆钻受控定向钻探技术在强造斜地层中的应用已经证明了其显著的优势和高效的性能。通过精细的控制机制和优化的钻井参数，该技术能在复杂的地质条件下实现精确的钻探，提高钻井效率，降低钻井成本，保证钻井质量。特别是在强造斜地层中，该技术对于解决钻探难题具有重要的应用价值。因此，螺杆钻受控定向钻探技术是一种适合强造斜地层的有效钻探技术，值得在石油和天然气勘探开发中进一步推广和应用。参考文献1 李俊珏.弯外壳螺杆钻具组合在软弱地层中的造斜能力研究 D.北京：中国地质大学（北京），2019.2 张文平，王恒，孙德兴，等.近钻头冲击器对定向钻进中造斜率的影响规律 J.石油机械，2021，49（7）：45-52.3 朱冬钰，王海镔.浅谈受控定向钻孔用螺杆钻的施工工艺J.地质装备，2019，20（2）：37-38.4 蔡正水.受控定向钻探技术在科钻施工中的应用 J.科技尚品，2016（6）：23-24+56.杨毅：螺杆钻受控定向钻探技术在强造斜地层中的应用111