双弯螺杆纠斜效果分析与应用

靖伟东

(山西省煤炭地质水文勘查研究院，山西 太原 030006)

双弯螺杆纠斜效果分析与应用

靖伟东

(山西省煤炭地质水文勘查研究院，山西 太原 030006)

双弯螺杆是指弯接头加弯壳体螺杆的钻具组合形式。采用双弯螺杆纠斜，可以获得较大的造斜率，解决在特定条件下单弯螺杆纠斜困难的问题。选择合适角度的弯接头，减少双弯螺杆造斜进尺长度，是控制井眼“狗腿”度，保证后期工作(扩孔和下套管)顺利进行的重要因素。以在大口径钻孔中纠斜为例，列举了使用单弯螺杆纠斜遇到的困难，通过双弯螺杆造斜效果的分析，提出了一套采用双弯螺杆进行纠斜的工艺，最终实现了钻孔的纠斜成功。

双弯螺杆；纠斜；轨迹控制；“狗腿”度；扩孔

1 概述

1.1 项目概况

根据“先抽后采”的原则，漳村煤矿在扩建矿区新布置了2个瓦斯抽放孔，建立地面泵站对井下瓦斯进行抽放。在施工中，2个钻孔不同程度出现了井斜，其中瓦斯抽放1号孔的孔斜尤为严重。该孔纠斜过程曲折，先后使用螺杆复合钻进和滑动钻进方法纠斜，均以失败告终。在井场螺杆可选角度较少的情况下，最终选择了“弯外管+弯接头”的双弯螺杆进行纠斜，取得了成功。本孔双弯螺杆纠斜工艺可为同类工程提供借鉴。

1.2 地质概况

漳村煤矿位于长治盆地西北部，属盆地内的低山丘陵地貌，地形复杂，地势高差较大，沟壑发育。构造上位于太行山复背斜之西翼，总体以宽缓褶曲为主，褶曲轴向为北西向或东西向，两翼地层倾角3°～9°，一般3°～5°。

第四系(Q)地层分布广泛，厚度0～150 m，由棕黄色、浅黄色粉土，粉(细)砂层、粉质粘土及粘土组成，含姜石及砂砾层，与下伏二叠系地层呈角度不整合接触。二叠系上石盒子组(P1x)150～300 m，由杂色泥岩或砂质泥岩，细、中、粗粒石英砂岩组成；下石盒子组(P1s)300～370 m，由泥岩、砂质泥岩，长石石英砂岩，中、粗、细粒石英砂岩组成；山西组(P1s)为终孔层位，其中3号煤层为主要可采煤层。

1.3 主要钻探设备、器具

钻机：TSJ-2000型钻机，单绳提升力90 kN，最大扭矩18 kN·m，可以满足大口径扩孔的要求。

泥浆泵：TBW-850/5A型泥浆泵2台，并联后获得的流量可满足螺杆钻具要求。

螺杆钻具：Ø172 mm弯壳体螺杆，可选角度0.75°和1°，可配合Ø216 mm牙轮或PDC钻头。

其他设备：HS18-36型钻塔，LHE-31A型单点测斜仪，LHE-2000型有线随钻测斜仪。

钻具：Ø178 mm无磁钻铤，Ø178 mm钻铤，Ø89 mm钻杆。

1.4 施工设计

漳村煤矿瓦斯抽放1号孔设计孔深370 m，孔径950 mm，全孔下入Ø720 mm×14 mm直缝钢管，全井段固井，水泥标号P.O 42.5。

施工采用逐级扩孔方式，在松散层段，首先采用Ø450 mm牙轮钻头进行钻进，然后采用Ø650、950、1250 mm组合牙轮钻头扩孔至26 m，下入孔口管Ø1050 mm×16 mm螺旋钢管；之后使用Ø245 mm牙轮钻头钻进导向孔，使用满眼钻具和钟摆钻具控制钻孔垂直度，再经Ø450、650、950 mm三级扩孔成孔。

结合井下瓦斯抽放的具体位置，确定孔位，可以大大减少瓦斯抽排管路的铺设距离，降低管路铺设成本[1]。设计钻孔位置位于巷道东3 m处。巷道与钻孔不宜太近，否则钻探施工产生的震动容易震裂或压垮巷道，引起泥浆渗漏进入巷道[2]，造成不必要的麻烦。施工中在接近煤层顶板时，应及时停止向下钻进。

2 钻孔偏斜情况

Ø244 mm导向孔钻进至342 m时，孔底井斜角1.18°，方位20.3°，东位移3.07 m，北位移4.28 m。此时钻孔结构复杂，Ø450 mm口径扩孔至260 m，Ø650 mm口径扩孔至251 m，Ø950 mm口径扩孔至237 m。

钻孔偏斜较大的原因是为缩短工期，提高钻速，施加了大钻压钻进，加之地层倾角和软硬互层等因素，孔斜不断加大。由于甲方对于井斜要求的改变(原要求钻机加快施工，对井斜未有明确要求，后改为应使钻孔偏斜西位移达到1.5～2 m)，必须制定纠斜方案进行纠斜。

3 纠斜难点分析

(1)孔壁复杂。孔径扩大，孔壁不直，钻头容易顺原孔钻进，给纠斜带来困难。钻孔口径不一，钻杆上部活动空间大，下部钻具难以形成稳定支撑，横向力弱，钻头会沿阻力最小的方向钻进，滑向原孔内。

(2)设备制约。TBW-850/5A型泥浆泵排量较小，难以驱动大直径螺杆马达。现有Ø172 mm弯壳体螺杆中最大角度为1°，造斜率低，出新孔困难。

(3)水泥石硬度小。多次封孔，新旧水泥混合，在钻杆碰撞下剥落，使孔壁更加复杂。在水泥石中井眼容易扩大，造斜率低。

(4)轨迹控制难。出新孔的位置，“狗腿”度不能太大，要确保后期扩孔与下套管工作的顺利进行。造斜点与孔底距离近，从水泥面250 m到孔底370 m，中间只有120 m，调整余地小，如何在120 m内既控制“狗腿”度，又准确钻达靶点，是一个难题。

(5)井漏。根据邻井(2井相距约15 m)信息，井深310 m处会出现较大漏失，邻井曾采用在井口投入细煤渣(直径<2 mm)的方法堵漏成功。要控制好泥浆失水量，提前预备堵漏材料。

4 初期纠斜过程

4.1 复合钻进纠斜

制定滑动钻进与复合钻进交替钻进纠斜的方案。使用复合钻进的目的是获得较高钻速，提升井壁的平滑度[3]。测斜采用单点测斜仪，每单根(9 m)测斜一次，但测点位置距离孔底约11 m，即纠斜孔底的井斜数据需要预测。钻具组合：Ø216 mm牙轮钻头+Ø172 mm(0.75°)弯壳体螺杆(带Ø215 mm螺旋稳定器)+定向接头+Ø178 mm无磁钻铤+Ø178 mm钻铤3根+Ø89 mm钻杆。工具面选取270°，全力降方位。根据经验，反扭角一般为5°～10°，在井口调整钻杆位置，使工具面达到280°，可抵消反扭角的影响。

实钻中，水泥面封至246 m，先滑动钻进扫水泥，钻进14 m后，返浆中水泥含量明显减少，出现大量岩屑。继续滑动钻进13 m，采用小钻压出新孔。此时测得孔底井斜0.7°，方位355°，预测井底已经出新孔。实施复合钻进，转盘速度采用低转速，69 r/min，钻压10～20 kN。钻进9 m后，泥浆中出现水泥。改用滑动钻进，钻速增快，上返泥浆中水泥逐渐增多，继续滑动钻进，效果未有改变，测斜数据基本为原孔数据，认定重回Ø244 mm老孔，纠斜失败。

4.2 滑动钻进纠斜

第一次纠斜失败，说明复合钻进不适合本孔，会破坏水泥孔壁导致复杂情况出现，应采用全孔滑动钻进，在井斜角达到设计值时，再考虑常规钻具稳斜钻进。

实钻中，钻具组合不变，水泥面250 m，扫水泥9 m后，开始控制钻速，以2 m/h的速度，缓慢送钻，采用磨孔的方法出新孔。再钻进18 m后，放开钻速，钻速很快，但是返浆基本为水泥，测斜数据基本为老孔数据，纠斜再次失败。

封水泥后，再换用1°弯壳体螺杆，提高造斜率，其余条件不变，纠斜依然以失败告终。

5 技术对策

经过3次纠斜，Ø450和244 mm换径处的台阶已经被破坏，常规纠斜难以成功，而为了后期扩孔的顺利，最佳出新孔的位置还在此台阶(260 m)附近，如果出新孔位置太靠上，那么采用Ø311 mm钻头扩孔时，因水泥较软，在水泥和岩壁相接处，钻头跟进纠斜孔较难，容易顺着原孔壁向下滑，在260 m换径的台阶处获得支撑，最终与纠斜孔分开。为了纠斜顺利进行，制定了如下技术对策。

5.1 调配优质泥浆[4]

严格控制失水量，减少漏失。粘度要适当提高，利于排出岩屑。根据地层资料，井下存在数层泥、页岩夹层，要注意缩径问题。控制含砂量，减少对螺杆马达的磨损。

泥浆配方：8%～10%优质钠土+0.3%～0.5% CMC+0.5%钾盐+0.1%～0.2% NaOH。

泥浆性能：密度1.06～1.10 g/cm3，漏斗粘度25～30 s，失水量10～12 mL/30 min，pH值8～9，泥皮厚度<0.5 mm，含砂率<1%。

在钻进深度接近漏失层(300 m)时，提前加入2%～3%随钻堵漏剂，确保纠斜顺利。实钻中未发生缩径卡钻和井漏等复杂情况。

5.2 提高固井质量

纠斜前，使用各径钻头彻底扫孔，清除老水泥。提高水泥石强度，水泥浆中添加适量早强速凝剂，控制加量在2%左右。根据经验，早强速凝剂加量太多会使水泥石脆性增加。选择合适的水灰比，根据气温[5]，选择水灰比为0.5。准确计算替浆量，改善水泥浆凝结环境。计算替浆量时，尽量使钻杆内的水泥浆面高度与环空水泥浆面保持一致。为保持压力平衡，可在孔口处灌入泥浆，使泥浆处于满井状态，在提出钻杆时，泥浆不会与水泥浆混合。

5.3 双弯螺杆纠斜

在常规纠斜方法失效的情况下，决定使用双弯螺杆纠斜技术。双弯螺杆是指在弯壳体螺杆与定向接头之间加一个弯接头，这样就存在2个弯角，可获得较大的造斜率。使用时要注意准确测量螺杆角差，分别测量弯壳体螺杆与弯接头的角差、弯接头与定向接头的角差，两者之和可作为双弯螺杆角差。弯壳体螺杆与弯接头的角差不宜太大，如果该角差为180°，弯接头会抵消弯壳体螺杆的造斜效果。实际使用中，该角差≯±30°。钻具组合为：Ø216 mm PDC钻头+Ø172 mm(0.75°)弯壳体螺杆(带Ø215 mm螺旋稳定器)+1.25°弯接头+定向接头+Ø178 mm无磁钻铤+Ø89 mm钻杆。新配置有线随钻测斜仪，实时监控井下轨迹参数。

实钻中，水泥面248 m，使用有线随钻测斜仪定向270°。扫水泥，前5 m以2 m/h的速度钻进，然后控制钻速，以1 m/3 h速度磨孔，磨孔18 m后，逐渐加压，增加钻速。钻进至295 m时，去弯头，加钻铤，然后以滑动钻进方式钻进至孔底，经过计算，孔底东位移2.5 m，基本符合要求，但是双弯纠斜处的最大“狗腿”度为9.04°/30 m，扩孔时出现问题。用Ø311 mm牙轮钻头扩孔至270 m，再换Ø216 mm钻头确定扩孔是否沿着纠斜孔方向，结果下钻不畅，通孔后确定重回老孔。多次找纠斜孔，最后确定纠斜孔在261 m处，但是螺杆钻具也无法进入。此次失败原因主要为扩孔时，导向太短(约500 mm)，“狗腿”度偏大。

重新封孔后，再次使用双弯螺杆出新孔。这次换用0.75°弯接头，同时减少双弯钻进距离，以求降低“狗腿”度。实钻中，水泥面249 m，扫水泥6 m，磨孔7 m后，去弯接头，使用滑动钻进方式逐渐加压钻进至孔底。选择合适导向扩孔，最终成功。

5.4 轨迹控制

使用有线随钻测斜仪测斜，加密测点，每5 m测斜一次。在重点部位，每米测斜。测量时，测斜仪入键后测斜一次，然后将测斜仪器提升，每米测斜一次，测斜仪提升5 m后，钻具也要对应提升5 m，确保仪器处于无磁钻铤中，由此可快速得到井眼每米的近似轨迹参数。钻进中要根据已经得到的测斜数据，预测后面的井眼轨迹，通过调整钻进参数控制轨迹。在第二次双弯纠斜中，井斜角达到一定值时，稳斜钻进可以中靶，但考虑到井下“狗腿”度较大，若使用满眼钻具，可能会下钻遇阻，甚至遇到上不去、下不来的情况[6]。不加稳定器转盘钻进，钻压20～30 kN，钻进18 m，测斜时发现井斜角下降0.5°，方位增加20°，无法达到稳斜目的。改为螺杆滑动钻进至孔底，此段造斜率低，方位稳定，实现中靶。

5.5 扩孔优化

双弯纠斜处“狗腿”度大，扩孔时要选择合适导向。导向太短，会重回老孔，导向太长，阻力太大，无法钻进。实钻中选择2 m长导向，在双弯螺杆纠斜处要轻压慢转。在扩孔口径方面，省去原定的Ø245 mm扩孔环节，减少可能出现偏差的步骤，使用Ø311 mm牙轮钻头扩孔，实现一步到位。

6 双弯螺杆纠斜效果分析

双弯螺杆在常规纠斜中很少使用，该钻进方法会在出新孔处形成较大的“狗腿”度。井眼曲率、双弯螺杆的角度、钻压等因素会影响双弯螺杆的造斜力[7]。双弯螺杆中弯壳体螺杆度数的改变对于整体的造斜率影响更大[8]，但限于现场螺杆可选度数少，本孔通过选择合适的弯接头角度，减少双弯纠斜钻进距离，来降低“狗腿”度，控制井斜。2次双弯纠斜附近井段的测斜数据参见表1。

表1 2次双弯纠斜部分数据对比

注：第一次双弯纠斜使用0.75°螺杆+1.25°弯接头，第二次双弯纠斜使用0.75°螺杆+0.75°弯接头。

从表1中的数据可以看出，第一次双弯纠斜井段最大“狗腿”度为9.04°/30 m，第二次双弯纠斜井段最大“狗腿”度为4.65°/30 m，换用小角度的弯接头，达到了降低“狗腿”度的目的，且第二次双弯纠斜井段“狗腿”度变化更为平缓。在270～285 m井段，第一次双弯纠斜此处仍然使用双弯螺杆，但是造斜率很低，原因是此处PDC钻头遇到泥包，钻速慢；第二次双弯纠斜时此段造斜率较高，原因是钻具改为单弯螺杆，底部钻具受力状态发生变化，这说明更换钻具也可能引起“狗腿”度出现较大变化。在305～320 m井段，2次纠斜都使用单弯螺杆，但是造斜率都很低，说明此井段地层造斜力会抵消螺杆产生的造斜力。

7 结论与建议

(1)在大口径施工中，高垂直度的导向孔是实现高效钻进的关键因素。本孔纠斜共用时3个月，严重影响了工程进度。导向孔施工中，常规满眼钻具、钟摆钻具通常难以保证井斜不超标，使用小角度螺杆的复合钻进方法可以实现一趟钻完成导向孔施工，即井斜正常时采用复合钻进，井斜增大时，使用螺杆定向纠斜。目前这种工艺正在逐步推广。

(2)使用双弯螺杆钻具可以解决大直径钻孔侧钻纠斜成功率低的难题，但是不可避免会带来“狗腿”度偏大的问题。本项目是在井场缺少大角度螺杆的情况下，决定使用双弯螺杆进行纠斜的，因双弯螺杆的使用频率较少，可供参考的数据有限，对于双弯螺杆的纠斜效果有待进一步研究。本次使用的双弯螺杆是分体式的，即弯壳体和弯接头是分开的，弯接头的角度加工较为简单，成本低，与弯壳体螺杆组合形式灵活，可操作性更强。

(3)双弯螺杆钻具纠斜中，改变弯接头的度数可以减少“狗腿”度，在本项目中效果较为明显。本孔如果选择0.5°弯壳体螺杆，可以进一步降低造斜率，出新孔处可以更加平滑，有利于后期工作。

(4)本孔证实了使用双弯纠斜之后，采用合适长度的导向可以实现逐级扩孔，但是后期下套管时曾遇阻，磨孔后才顺利下入。双弯纠斜在拐点处很容易形成台阶，虽然普通钻具可以上下通畅，但是直径较大的套管会卡住，扩孔时要注意在拐点处反复磨孔，使孔壁尽量平滑。

[1] 董润平，胡忠义.煤矿瓦斯抽排立眼套管安设及水泥固井工艺探讨[J].探矿工程(岩土钻掘工程),2013,40(2):56-58.

[2] 吕利强.大口径注氮孔施工工艺[J].探矿工程(岩土钻掘工程),2010,37(6):36-38.

[3] 李文明，陈绍云，刘永贵.优快钻井配套技术在希50-54井应用实践[J].探矿工程(岩土钻掘工程),2010,37(6):4-6,12.

[4] 乌效鸣，胡郁乐，贺冰新，等.钻井液与岩土工程浆液[M].湖北武汉：中国地质大学出版社，2002.

[5] MT/T 1076—2008，煤炭地质钻探规程[S].

[6] 吴翔，杨凯华，蒋国盛.定向钻进原理与应用[M].湖北武汉：中国地质大学出版社，2006．

[7] 石晓兵，李黔，施太和，等.双弯螺杆降斜时的钻柱强度分析[J].石油钻采工艺,2001,23(4):7-10.

[8] 苏义脑，陈祖锡，唐雪平，等.5LZ95×7.0同体双弯螺杆钻具研制[J].石油钻采工艺,2000,22(2):7-11.

AnalysisonDouble-bendScrewDrillingandtheApplication/

JINGWei-dong

(Shanxi Coal Geological Prospecting Institute of Hydrology, Taiyuan Shanxi 030006, China)

Double-bend screw refers to the drilling tools combination form of bending joint and bend housing screw. The use of double-bend screw for hole straightening can get larger built-up rate to solve the difficult straightening while using the single-bend screw in some specific conditions. Selecting proper angle of bend joint and shortening deflecting distance of double-bend screw are important factors to control dogleg angle, which can ensure later work of smooth reaming and casing. Take the straightening case in a large diameter drilling, the difficulties encountered in straightening with single-bend screw are listed, by the analysis on the deflecting effect of double-bend screw, a set of straightening technology with double-bend screw is put forward and successful borehole straightening is finally realized.

double-bend screw; hole straightening; trajectory control; dogleg angle; reaming

P634.4

：A

：1672-7428(2017)08-0055-04

2017-03-22；

：2017-06-14

靖伟东，男，汉族，1990年生，从事钻探技术工作，山西省太原市小店区坞城路95号，532000233@qq.com。