易斜地层钻井防斜打快关键技术及应用探究

姜建华　姜成

摘 要：随着旋转钻井产生和发展，直井防斜这一技术问题应运而生。如何能快速安全地钻出直井而不使井斜角过大一直现场工作者研究和探索的重要课题。几十年来，人们在这一领域的努力取得了很大进展，直井防斜技术水平不断提高。但就目前的情况来看，井斜问题尚未在根本上得到解决。引起井斜的原因有客观和主观之分。地质因素，如地层倾角，对井斜的影响是客观的，不以人的意志为转移的，这是人们无法操纵和控制的。而主观的影响因素，包括钻具结构及钻压、转速等，对井斜的影响在一定程度上可以为我们所控制。

关键词：高陡构造；复杂地层；防斜技术；施工应用

在高陡构造等复杂地层垂直钻井工程中，由于地层自然造斜效应的影响，井斜问题十分严重，成为长期以来制约高陡构造等易斜地层油气资源勘探开发进程的一大技术瓶颈，也是自旋转钻井应用于石油工业以来的百年技术难题之一。从国内外的防斜打直技术现状来看，施加钻压（钻头破岩机械能量）的大小仍受到传统静力学防斜理论的严重制约，在钻遇易斜地层时通常是以牺牲钻压甚至“轻压吊打”来确保井斜控制质量，从而使快速钻进与防斜打直的矛盾更加突出，甚至面临严峻的技术经济挑战。

1旋转钻井方式优选与防斜打快

在国内外油气勘探开发工程中，人们目前广泛采用的钻井方式仍然是旋转钻井，它迄今已有百年发展历程。旋转钻井又分为转盘旋转钻井、井下动力钻井及二者兼备的复合旋转钻井等不同的旋转钻井方式。若是转盘旋转钻井，则整个钻柱处于旋转运动状态，同时带动钻头旋转钻进；若是井下动力钻井，则井下动力钻具的转子带动钻头旋转钻进，转盘及整个钻柱可以不旋转；若是复合旋转钻井，则在使用井下动力钻具的同时又开动转盘旋转钻进。研究和实践证明，每一种旋转钻井方式都具有各自不同的钻井特性和优缺点。其中，“复合旋转钻井方式”在一定程度上兼备转盘钻和井下动力钻的优点，既可连续控制井眼轨迹和减少起下钻次数，同时还能提高机械钻速，是一种比较高效的可控鉆井方式。在20世纪八十年代，随着定向井和水平井钻井技术的发展，导向钻井系统应运而生，具有弯外壳或偏心稳定器的井下动力马达（称之为“导向马达”）替代了直杆动力马达和弯接头。根据“钟摆”原理和动力学防斜打快理论，利用井下动力钻具（螺杆钻具、涡轮钻具、减速涡轮钻具、螺杆涡轮钻具等）的高转速特性，加上长寿命、高转速的PDC钻头，辅之以转盘（或顶驱）复合钻进，既可以防斜，又可以提高机械钻速，是目前山前高陡构造等易斜地层防斜打快的优选技术之一，已在我国复杂深井钻井工程中获得成功应用。特别是井底小位移垂直钻井，对井斜控制提出更高的要求，可采用井下弯外壳动力钻具组合进行复合旋转钻进，并与PDC钻头配合使用，采取低钻压、高转速操作参数，既可有效地防止井斜及满足井底小位移控制目标，又能够提高机械钻速。

2 国外自动垂直钻井系统

从现状和发展趋势来看，在进入21世纪后，旋转钻井仍将是油气工业最主要的钻井方法，并且不断向着信息化、智能化及自动化方向发展。迄今，国外几家石油技术公司已研发出各具特色的旋转导向钻井系统，并不同程度地被商业化应用，其中包括若干自动垂直钻井系统。为适应复杂地质条件下深井垂直钻井防斜打快的市场需求，Schlumberger公司推出了Power Drive系统的低端产品-Power-V系统，Baker Hughes Inteq 公司推出Verti Trak系统，等等。其中，Power V系统在我国西部复杂深井钻井工程中获得良好应用，可以在一定井深和井眼尺寸范围内有效控制井斜变化，并达到比较理想的机械速度。然而，这类高技术目前仍被西方国家的石油技术公司所垄断，只提供高昂的技术服务，虽然可以解决复杂深井上部井段防斜与打快的矛盾，但由于温度、压力、泥浆体系、钻机能力及使用成本等因素的制约，这类技术尚不适用于深部井段。

3 垂直钻井防斜打快的技术措施

1）详细了解研究区块的地质情况，获取各个层位的产状数据。山前高陡构造由于受构造应力的作用，不同地区地质情况会有所不同，应从邻井倾角测井资料（有已钻井的情况）或地震构造图（未钻井的新区）上详细了解研究区块的地质构造情况，获取各个层位详细的产状数据。2）评价待钻地层的可钻性各向异性。搜集研究区块的测井资料（主要是声波测井资料、补偿密度测井资料、自然伽玛测井资料），如果研究区块没有测井资料则应该从地震资料中提取层速度资料，然后由测井资料或地震层速度资料评价出研究区块的地层可钻性各向异性情况。3）根据地层可钻性各向异性评价结果计算待钻地层的自然造斜力。由工程设计获取待钻井的井眼轨迹数据（如果设计井是直井则令井斜角和方位角均为零），然后结合地层产状数据、井眼轨迹设计数据和地层可钻性各向异性评价结果计算出地层的自然造斜力。4）根据地层自然造斜力优选底部钻具组合和钻压。首先根据地层自然造斜力分布情况把全井分成多个井段，对不同的井段绘制不同底部钻具组合的侧向力和地层自然造斜力的叠加图，从中选出适合该层段钻进的底部钻具组合。然后绘制不同井况下该底部组合的侧向力和地层造斜力叠加图，从中选出适合该层段钻进的最优钻压。5）根据现场实际，及时调整钻井措施。对全井段而言，地层自然造斜力并不是一成不变的，因此应根据实际情况及时调整技术措施（钻压或底部钻具组合）。同样，由于地层自然造斜力的不同，适用于邻井的钻具组合不一定适用于研究井。因此，钻前底部钻具组合的设计和优选很重要。6）及时监测井眼轨迹变化，适时调整钻井措施。地层各向异性指数、地层倾向和走向确定以后，地层自然造斜力的变化主要和井眼几何有关，因此，钻进期间应及时测斜，以了解井眼轨迹状况，根据测斜结果及时计算地层自然造斜力，作为调整钻井措施的依据。7）严格执行钻井技术措施。钻井期间应严格按设计钻压进行钻进，送钻应力求平稳，以利于评价钻具组合使用效果。8）及时总结上一井段钻具组合的使用经验，用于指导下部井段的施工。9）山前高陡构造等易斜地层具有较强的自然造斜效应，因而对底部钻具组合应的防斜能力提出了更高的要求，欲实现防斜打快的目标，就必须采用先进的井下测量与控制工具等.

对目前国内外石油钻井中的直井防斜新技术的现场试验与应用进行了对比分析，认为偏重钻铤、偏轴组合、偏心接头等离心力防斜打直技术基本上能解决小倾角地层钻井情况下的井斜问题；偏轴组合应用在大尺寸井眼的防斜上已有一定效果；动力钻具导向钻进是一种能很好地解决大倾角地层井斜问题的技术手段，其中闭环自动导向钻井系统是最有效手段。

参考文献：

[1]直井防斜技术及防斜钻具综述[J]. 梁武东，陈鑫，王迪，刘小静.内蒙古石油化工. 2016（18）

[2]直井防斜技术现场应用对比分析[J]. 袁庆胜.江汉石油学院学报. 2014（03）

[3]井斜控制理论及防斜钻井技术综述[J]. 赵新瑞，姜敬华，奚艳红，张绍先.钻采工艺. 2010（01）