超深井小井眼井斜控制技术分析

王 逸，曾 杰，魏志刚，王伟志

中石化西北油田分公司石油工程监督中心，新疆 巴州 841600

1 井斜产生的原因

在钻井施工过程中，井斜难以避免，其是一个多因素共同叠加的结果，主要受地层和工程两方面因素影响。一是地层因素。在地层漫长的沉积过程中，因沉积环境及时间不同，形成不一样的构造形态。在钻井过程中，钻头一般沿容易前进的方向钻进，受地层倾角、地层各向异性等影响，钻头会沿着地层可钻性较好的一方倾斜，造成井斜。二是工程因素。在钻井过程中，引起井斜的工程因素较多，如钻具组合选取不当、钻具柔性强、施工参数不当等。但本质原因是钻柱在井内发生弯曲，与井壁相接触形成支点，产生弹性力矩，迫使钻头倾斜产生侧向力，使钻头偏离井口铅垂线不对称切削地层。

2 超深井井斜控制现状及原理

井斜控制手段多种多样，在顺北油田超深井直井钻井施工过程中，常用井斜控制手段主要有单弯螺杆定向、直螺杆钟摆钻具组合、全自动化旋转导向垂直钻井工具降斜（以下简称垂钻工具）三种，其井斜控制原理一致，但在实际应用中存在一定差别[1]。

2.1 定向钻具组合降斜

定向钻具组合是利用螺杆钻具结构中带有度数的弯角与井眼低边方向接触形成支点，使钻头“翘起”与上井壁接触产生支撑反力，即钻头侧向力。通过随钻仪器监测并调整井下螺杆弯曲方向，在钻头倾角和侧向力作用下，侧向切削井壁产生降斜趋势[2]。

2.2 钟摆钻具组合降斜

钟摆钻具组合是利用钟摆力，使钻头对井眼低边方向产生侧向力，迫使钻头沿井口铅垂方向钻进，以达到降斜的目的[3]。钟摆钻具组合需通过合理的钻压控制及扶正器位置选择，使扶正器与钻头之间钻柱保持自然状态无弯曲，以充分发挥钟摆作用，实现自然降斜。为了保证充足的侧向力，需要使扶正器尺寸尽量与井眼尺寸相近，以充分发挥扶正器沿井眼反方向推动钻头的力。

2.3 垂钻工具降斜

垂钻工具是在钻进过程中通过工具内部自带的电子控制单元实时测量井底高边方向，发出实时指令控制机械单元，使机械导向部分的推靠块产生主动侧向力推靠井壁高边方向，令钻头返回铅垂线方向切削，从而达到降斜的目的。

3 顺北某井的井斜控制技术应用情况

顺北某井是位于顺托果勒低隆构造上的一口预探井，桑塔木组埋藏深度在7300m以上。该井五开在7647m进行套管开窗作业，侧钻成功后进行吊直，设计自井深7750m之后为直井段，在直井段施工期间分别使用单弯螺杆定向、直螺杆钟摆钻具组合和垂钻工具控制井斜。

3.1 钟摆钻具组合控制井斜

（1）在井段7849～7909m使用158mm扶正器钟摆钻具组合施工，钻具组合为PDC+130mm直螺杆+浮阀+120.6mm钻铤+158mm扶正器+无磁钻铤+101.6mm加重钻杆×30根+钻杆。施工过程中控制钻压40kN，井斜由5.8°上升至7.55°。

（2）在井段8040～8076m使用161mm扶正器钟摆钻具组合施工，钻具组合为PDC+130mm直螺杆+浮阀+120.65mm钻铤+161mm扶正器+无磁钻铤+120.65mm钻铤×18根+101.6mm加重钻杆×9根+钻杆。施工过程中控制钻压30kN，井斜由4°上升至5.5°。

井斜控制情况：使用钟摆钻具组合未能起到稳斜和降斜效果，井斜呈增大趋势，增长率为0.4°/10m。

3.2 弯螺杆定向控制井斜

（1）在井段7773～7849m间断定向钻进9.42m，其中在7846～7849m井斜由5.9°降低至5.8°，钻具组合为PDC+1.25°螺杆+浮阀+无磁钻铤+101.6mm加重钻杆×1根+101.6mm加重钻杆×29根+钻杆。

井斜控制情况：当钻压超过20kN，泵压持续升高，出现反复蹩泵现象，频繁活动钻具，工具面不稳定，难以连续纠斜钻进，施工效果不佳，降斜率仅为0.3°/10m。

（2）在井段8076～8084m使用牙轮+1.5°螺杆定向降斜，钻具组合为牙轮+1.5°螺杆+浮阀+无磁钻铤+120.65mm钻铤×9根+101.6mm加重钻杆×15根+钻杆。

井斜控制情况：连续定向8m，工具面稳定，平均机械钻速为0.44m/h。井斜降低至0.24°。

3.3 垂钻工具控制井斜

（1）在井段7909～8040m使用垂钻工具降斜，钻具组合为PDC+垂钻+161mm扶正器+浮阀+无磁钻铤+120.65mm钻铤×18根+101.6mm加重钻杆×9根+钻杆。

井斜控制情况：纠斜期间机械钻速1.82m/h，相比弯螺杆定向机械钻速0.4m/h有显著提高。井斜由7.55°降低至4°，降斜率为0.27°/10m，降斜率呈逐渐下降趋势，至8012m井斜不再下降。

（2）在井段8084～8133m使用垂钻工具降斜，钻具组合为PDC+垂钻+161mm扶正器+浮阀+无磁钻铤+120.65mm钻铤×18根+101.6mm加重钻杆×9根+钻杆。

井斜控制情况：井斜由5.26°降低至4.4°，降斜率为0.17°/10m，且降斜率有逐渐增大趋势。

（3）在井段8170～8250m使用垂钻工具降斜钻进，钻具组合为PDC+垂钻+161mm扶正器+浮阀+无磁钻铤+120.65mm钻铤×19根+101.6mm加重钻杆×9根+DP。

井斜控制情况：井斜由5.01°降低至2.37°，降斜率为0.33°/10m，且降斜率逐渐下降。

4 超深井井斜控制技术应用效果评价

4.1 钟摆钻具组合控制效果评价

使用钟摆钻具组合，在165.1mm井眼施工，因为所使用的钻铤尺寸小，自重轻，扶正器之下钻具重量偏轻，所以钟摆组合产生的钟摆力较小。小尺寸钻具刚性较弱，钻具易贴井壁形成支点，产生增斜作用。当控制钻压10kN左右，可保证稳斜状态，但钻速0.63m/h较慢，降斜效率不佳。

4.2 弯螺杆定向钻具组合控制效果评价

使用的130mm小螺杆设计输出扭矩为1.9kN/m，在实际施工过程中，其输出扭矩不足以克服定向钻进时PDC钻头剪切地层产生的反扭矩，从而频繁造成螺杆滞动、蹩泵，导致工具面不稳，降斜效果差。使用牙轮钻头定向时存在不匹配现象。一是使用牙轮钻头定向钻进时，因牙轮钻头适用于中硬地层，攻击性较弱，在桑塔木泥岩地层钻进时吃入能力较差，与地层不匹配；二是使用的牙轮钻头与螺杆不匹配，在80kN钻压下，螺杆压差为0.8MPa左右，未达到正常压差1.5MPa，螺杆未有效发挥作用，以上两点共同造成定向过程中机械钻速较慢，降斜效率低。

4.3 垂钻工具控制效果评价

在7909～8140m使用垂钻工具降斜，使用过程中自7934～8012m，降斜趋势由0.94°/10m降低至0.19°/10m，至8022m呈稳斜趋势，至8040m井斜增长0.19°。根据起出垂钻工具情况分析，在使用过程中，受高温或密封件自身质量影响，偏置机构推靠块密封失效，导致后期逐渐失去降斜效果。在8084～8133.73m使用垂钻工具，稳斜至8089m后开始降斜，降斜趋势由0.11°/10m上升至0.23°/10m，再上升至0.34°/10m，降斜趋势逐渐增大，整体相比第一趟垂钻降斜趋势偏低，与第一趟垂钻施工对比，钻遇岩性一致，钻具组合和施工参数相同，分析可能受地层倾角影响降斜效果欠佳。在井段8170～8250m使用垂钻工具降斜，井斜逐步下降，降斜趋势由0.98°/10m降低至0.54°/10m，再降低至0°/10m，降斜效果逐渐降低，分析认为随垂钻使用时间增加，工具降斜能力逐渐下降直至失去降斜能力。

4.4 综合分析

通过分析施工过程，认为在8100m上下地层倾角发生变化，井段7750～8100m地层存在较大倾角，导致8100m之前使用螺杆定向和钟摆组合降斜率低，纠斜效果差。8100m之下地层，使用垂钻工具降斜率增大，其上下工具降斜率具有明显变化，认为其降斜能力受地层倾角影响较大。

5 结论

在超深井小井眼施工过程中，由于深部地层倾角对井斜影响较大，需加强工程与地质配合，根据不同井下情况，选取适当的钻具组合对井斜进行有效控制。

（1）钟摆钻具组合具备钟摆特性，但井斜角对钟摆钻具组合的应用效果影响较大，针对地层倾角较小井，可以起到降斜作用，当深井地层倾角较大时，使用钟摆钻具组合无法有效降斜。

（2）使用弯螺杆定向钻具组合，其降斜率受超深井小尺寸螺杆及钻头影响，由于螺杆扭矩相对较小，当地层倾角较大逆地层倾角趋势钻进时，易出现蹩泵现象，导致工具面不稳，无法连续定向施工，若使用牙轮钻头，可以使工具面稳定，但钻头与地层配伍性不好，无法较好发挥螺杆作用，定向时效低。在地层可钻性较好及地层倾角不大的情况下，可使用螺杆定向钻具组合控制井斜。

（3）使用垂钻工具即垂直钻井系统，能够在克服地层倾角钻进的同时解放钻压，大幅提高机械钻速，有效解决井斜控制与钻井提速的矛盾。在深部地层钻遇倾角较大地层时，宜使用垂钻工具控制井斜。