恩施中深层地热井钻探防斜打直技术探讨

胡胜华， 郑兴华， 洪 毅

(湖北省地质局 第七地质大队，湖北 宜昌 443100)

井斜具有多方面的危害，在钻井施工方面会恶化钻柱工作条件，造成井壁坍塌、卡钻、固井下套管困难、注水泥窜槽，进行纠斜侧钻则增加施工成本；在地质勘探方面造成地质资料失真，打乱井位布孔设计；在后期开发方面影响抽水的水温水量等，因此在钻井过程中防斜打直十分关键。本文通过分析井斜产生的原因，总结常用的防斜打直技术方法，并以恩热1井钻探施工工程为例，检验防斜打直技术实际应用效果，研究成果对恩施及其他地区的地热资源钻探开发工作具有一定的指导意义。

1 井斜原因

在钻井过程中，井斜往往造成井斜角和井斜方位在空间上形成“狗腿”，钻杆和钻铤在“狗腿”井段钻进时会产生很大的交变应力(包括拉应力和弯曲应力)，当交变应力达到一定程度时会严重损坏钻具[1]，引发起下钻困难、卡钻等复杂井下事故，致使工程达不到设计要求。影响井斜的因素很多，但主要归纳为地质因素和钻具因素。

1.1 地质因素

造成井斜的地质因素主要为地层可钻性的不均匀和地层倾斜。岩石在不同的方向上具有的不同强度和硬度，从而导致地层的可钻性不均匀。当钻头钻入倾斜地层交界面时，由于钻头不同侧接触的岩石硬度有差异便会出现井斜。如图1所示，在同一钻压下软地层的可钻性相对高于硬地层，当钻头在A侧接触到软岩石而在B侧接触到硬岩石时，钻头在A侧切入的深度更深、钻速更快，于是钻头两侧产生了不平衡，井眼轴线必然会发生偏离，从而导致井斜[2]。

图1 钻头切削岩石示意图Fig.1 Schematic diagram of rock cutting by drill bit

1.2 钻具因素

造成井斜的钻具因素主要包括钻具弯曲和钻头结构引起的各向异性。在钻头钻进时，依靠下方部分钻柱重量给钻头施加压力。在直井中，当钻压较小时下部钻柱保持直线稳定状态；当钻压增至某临界值时，下部钻柱发生失稳弯曲并与井壁产生切点，钻头及相邻链接部分钻柱的中心线偏离井眼轴线，对井底造成不对称的切削，从而使井眼发生倾斜(图2)。另外，在钻井过程中，理论上钻头主要沿着井眼轴线的方向行进，但在实际过程中钻头或多或少具有一定的侧切能力，从而对井眼轨迹的行进方向产生一定的影响[3]。

图2 钻头不对称切削和侧向切削导致井斜Fig.2 Well deviation caused by asymmetric cutting and lateral cutting of bit

2 防斜打直技术方法

目前主要有两类防斜打直技术方法，一种是利用钻柱动力学特征的防斜打直技术，包括满眼钻具组合、偏轴钻具组合、钟摆钻具组合、塔式钻具组合等；另一种是反馈式井斜控制技术，包括导向钻具防斜技术、自动垂直钻井系统[4]。

2.1 钻柱动力学井斜控制技术

(1) 满眼钻具组合。满眼钻具的基本原理是增大下部钻具组合的尺寸和刚度，通过“填满井眼”来防止钻柱弯曲和倾斜[5]。该组合主要依靠大外径的钻铤和扶正器，钻具尺寸接近井眼直井，可以使井壁间隙小、钻具刚性强、受压后弯曲变形小。这种钻具组合的钻头侧向力一般较小，而且基本不受钻压影响，在较大钻压作用下可实现快速垂直钻进。

(2) 偏轴钻具组合。偏轴钻具主要是将普通的钻杆接头换成偏轴接头。偏轴接头和一般接头相比，可以让接头上下钻具的受力轴线不在一条直线上，从而增大钻具在转动过程中的“离心效应”。钻具在钻进过程中“重边”就可以均匀的对井壁进行作用，从而将之前造斜段的井壁慢慢纠斜过来。

(3) 钟摆钻具组合。钟摆钻具是一种传统的纠斜技术，其主要包括单稳定器钟摆钻具组合、双稳定器满眼钟摆钻具组合和塔式钟摆钻具组合等。在下部钻柱的适当位置安装一个扶正器，当发生井斜时，该扶正器支撑在井壁上形成支点，使下部钻柱悬空。该扶正器以下的钻柱就如同一个钟摆，产生一个钟摆力，使钻头在钟摆力的作用下切削下井壁，从而使新钻的井眼不断降斜[6]。

(4) 塔式钻具组合。塔式钻具是指将不同等级、不同规格的钻铤和钻杆合理地连接起来，不仅能够满足井下钻具的强度要求，还具有一定的防斜作用[7]。随着钻进深度的增加，塔式钻具的防斜作用便会变得十分有限，要想很好地控制井斜，一般需要和其他钻具组合进行结合来共同起到防斜作用。

2.2 反馈式井斜控制技术

(1) 导向钻具防斜技术。导向钻具防斜技术采用MWD(Measurement While Drilling)随钻测量设备+单弯或双弯螺杆+稳定器的井下动力钻具组合，优点是可适用于高陡地形，稳斜时可使用复合钻进方式，能够充分释放钻压；缺点是纠斜时只能进行滑动钻进，“狗腿度”较大，井眼轨迹不光滑。这种钻具组合一般用于纠斜施工，稳斜效果较差。

(2) 自动垂直钻井系统。在高陡构造、断层、盐层等地层施工时，国外一般采用自动垂直钻井系统，这种工具已被证明在各种恶劣地层条件下都可以适用[8]。但目前该项技术在中国应用得还不够成熟、广泛且使用成本较大，因此对于井深不是很大、井身质量要求不是很高的钻井，一般不推荐使用该方法。

3 防斜打直技术在恩热1井钻井中的应用

恩热1井位于恩施州城区，是恩施地区第一口大口径中深层地热探采结合井。受恩施大断裂影响，井位处岩体较破碎，井壁稳定性较差，易出现坍塌掉块。由于断裂带地层倾角较大，导致钻井过程中极易发生井斜，因此在钻进过程中需严格控制井斜角的变化，定期测量井斜角并采用合适的防斜技术进行井斜的预防。

3.1 施工程序及钻具组合

恩热1井地质构造特点及各开次深度如表1所示。

表1 恩热1井地质构造及开次设计Table 1 Geological structure and start-up design of Well Enre-1

3.1.1一开防斜技术应用

该井一开上部岩层为棕红色细砂岩夹石英砂岩、深灰色砾岩，地层可钻性较强，钻进速度较快，容易出现井斜问题。一开的井身质量很大程度上决定了整口井的井身质量，故从一开开始就做好井斜预防。安装井架时保证整个井架底座处于水平，确保天车、水龙头、井口位于一条直线上；其次在钻进过程中不使用弯曲变形的钻杆，及时更换牙齿和牙轮损坏、变形的钻头。

一开采用塔式钻具组合进行防斜。一开钻具组合：Φ444.5 mm钻头+变丝接手+Φ203 mm钻铤×3+变丝接手+Φ178 mm钻铤×3+变丝接手+Φ159 mm钻铤×1+变丝接手+Φ89 mm钻杆。

3.1.2二开防斜技术应用

该井二开钻进的重点除了井斜外还包括钻井液性能控制，要防止井壁失稳出现坍塌、掉块等问题，以免引发卡钻、埋钻事故。二开开始钻进时为稳斜保直，继续加大各级钻铤的配重。为进一步保证井身质量并准确了解井眼轨迹走向，定期对井身井斜进行测量。从测井结果(表2)可知，在井深450 m时井斜角为3.24°，已超出规范要求(1 000 m井深井斜不超过3°)，此时采用钟摆钻具组合及时对井身进行纠斜，上提钻具安装扶正器，同时增加钻铤配重。

表2 二开井斜测量结果表Table 2 Table of inclination measurement results for second opening well

提钻调整后的二开井内钻具组合如图3所示。二开钻具组合：Φ311.1 mm钻头+变丝接手+Φ203 mm钻铤×6+变丝接手+Φ178 mm钻铤×6+变丝接手+Φ159 mm钻铤×4+扶正器×1+变丝接手+Φ89 mm钻杆。

钻具组合调整之后的井斜测量结果如表3所示，可以看出在井深550 m左右井斜度达到最大值4.01°，但随着井深加大井斜度不断降低，说明调整后的钻具组合取得了有效的降斜效果。

3.1.3三开防斜技术应用

三开钻进的重点是稳斜打直。随着钻进深度的加深和地层的不稳定性，依靠现有钻具组合很难继续稳斜打直，故选用满眼钻具组合并增加两个扶正器来达到防斜的目的。

图3 二开井内钻具防斜组合示意图Fig.3 Indication diagram of anti-inclination combination in the second well

表3 调整钻具后二开井斜测量结果表Table 3 Measurement results of the second open shaft after adjusting the drilling rig

三开钻具组合如图4所示。三开钻具组合：Φ215.9 mm三牙轮钻头+变丝接手+Φ203 mm钻铤×4+扶正器×1+变丝接手+Φ178 mm钻铤×8+扶正器×1+变丝接手+Φ159 mm钻铤×6+扶正器×1+变丝接手+Φ89 mm钻杆。

图4 三开钻具组合示意图Fig.4 Schematic diagram of the three-open drill tool assembly

三开钻进过程中实时测量的井斜结果如表4所示，三开段井斜度最大为2.13°，表明选用满眼钻具组合取得很好的防斜效果。

表4 三开井斜测量结果表Table 4 Table of deviation measurement results of three-open wells

3.1.4四开防斜技术应用

四开井段主要为沉沙段，且为裸孔段，需做到“稳中求进”，不盲目追求钻进进尺；需及时调整钻进参数，保持井斜度在规范要求范围内，同时避免井壁垮塌、卡钻等事故发生。

四开钻具组合：Φ152.4 mm PDC钻头+变丝接手+Φ121 mm钻铤×10+扶正器×1+变丝接手+Φ89 mm钻杆。

3.2 最终成井结果

恩热1井在二开段井斜过大，通过选用钟摆钻具组合及时进行纠斜；三开段选用满眼钻具组合使井斜始终控制在规范要求内。整体来看，综合使用不同钻具组合取得了很好的防斜效果。

4 结论

(1) 钻柱动力学井斜控制技术和反馈式井斜控制技术各有优缺点，应根据实际地质情况选用合适的防斜技术。

(2) 恩热1井综合使用塔式钻具组合、钟摆钻具组合及满眼钻具组合，取得了很好的防斜效果，对恩施及其他地区地热资源钻探开发工作具有一定的指导意义。