南岭科学钻探NLSD-1 孔防斜及纠斜技术

程红文，朱恒银，刘 兵

（1.建设综合勘察研究设计院有限公司，北京 100007；2.安徽省地质矿产勘查局313 地质队，安徽 六安 237010）

0 引言

南岭科学钻探NLSD-1 孔为“深部探测技术与实验研究专项”第五项目“大陆科学钻探选址与钻探试验”子项“大陆科学钻探选址与钻探实验综合研究”的部分，由安徽省地质矿产勘查局313 地质队承担施工任务［1-2］。

NLSD-1 孔选址于江西省赣州市于都县银坑镇，位于银坑矿田内，地理位置见图1。所在赣南地区位于武夷北东向构造带和南岭东西向构造带的交汇位置，构造上属钦杭结合带之华夏板块，横跨武夷、罗霄块体交接带，鹰潭-定南深断裂于两块体间穿过［3-4］。NLSD-1 孔终孔深度2967.83 m，钻孔结构见图2。该孔于1373.71 m 深度钻遇推覆构造（F1），该构造对银坑矿田控岩、控矿具重大意义。F1构造上部为新元古代青白口系火山碎屑岩，下部为上古生界二叠系碎屑岩-碳酸盐岩［5］。0～1373.71 m，钻遇地层主要有库里组的变质沉凝灰岩、变质凝灰质细砂岩、变质凝灰质板岩，具有层理、板理、劈理、节理、裂隙等构造；1373.71～2967.83 m，钻遇地层主要为二叠系的砂岩、泥岩、泥灰岩、灰岩、煤层等，存在软硬互层［6］。且钻孔内多处揭露破碎带、岩浆岩脉。受地层岩石各向异性及软硬互层的影响，钻孔弯曲严重，自然弯曲度最大处达0.5°～0.8°/10 m［1，7］，其典型促斜岩层见图3、图4。

图1 NLSD-1 孔地理位置示意Fig.1 Geographical location of NLSD-1 hole

图2 NLSD-1 孔钻孔结构Fig.2 Structure of NLSD-1 hole

图3 板理构造岩石[7]Fig.3 Foliation rock

图4 软硬互层岩石Fig.4 Soft and hard interbeds

为有效控制钻孔孔斜，使其满足设计要求（累计平均顶角＜2°/100 m，终孔顶角＜30°），该工程采取了多种预防孔斜、钻孔纠斜的施工工艺和技术措施，取得了显著的效果。

1 钻孔防斜技术

1.1 绳索取心钻进方案

由于钻具与孔壁的间隙能够影响钻头的侧向力，当钻具与孔壁间隙减小时，能够减小钻孔弯曲，达到预防孔斜的效果［8］，因此采用绳索取心钻进方案。绳索取心钻具除钻具满眼外，岩心管近钻头端及岩心管顶端均带有扩孔器或扶正器，具有扶正钻具的作用，能够提高钻具同心度，减弱振动作用，具有较好的防斜效果［9］。

1.2 采用合理的钻进规程参数

钻压过大时，易造成孔底钻具弯曲，导致钻具产生偏倒角；转速过高时，钻具产生了较大的离心力，增加了孔壁间隙；钻压、转速过低，钻头停留同一位置时间较长，造成孔径超径。这些因素均容易造成钻孔弯曲。

在破碎的二叠系地层钻进时，冲洗液泵量较大，则会对孔壁进行冲蚀，造成超径，也会使钻孔发生弯曲。

为最大限度地防止钻孔弯曲，须采用合理的钻进规程参数。本工程根据钻孔防斜技术经验，采取的钻进规程参数见表1。

表1 钻进规程参数Table 1 Drilling parameters

1.3 绳索取心式液动锤的应用

1.3.1 绳索取心式液动锤的防斜机理

（1）在钻杆与液动绳索取心钻具的连接部位增加了一组扩孔器，增加了粗径钻具的长度，起到稳定和导正的作用，有利于钻孔防斜。

（2）受到纵向高频冲击力、静荷载及回转力矩的共同作用，碎岩效率提升，可以实现较低钻压下达到同等碎岩效果，低钻压减小了钻具的弯曲，从而达到了防斜的效果。

（3）在液动锤的高频冲击下，岩心能顺利通过卡簧进入岩心管，防止因岩心堵塞而造成岩石重复破碎，同时在冲击作用下可调整金刚石钻头对岩石的单一方向的受力，能够起到较好的防斜效果［10-11］。

1.3.2 绳索取心式液动锤防斜效果

本项目在孔深1210.87～1580 m 采用SYZX96型绳索取心式液动锤进行钻进，SYZX96 型绳索取心式液动锤组合了复合式液动潜孔锤和绳索取心钻具，利用液动锤的容积式冲击原理，将液压能转换为机械动能，由钻具外总成传递至钻头，从而实现冲击回转钻进［12-13］。经使用具有一定的防斜效果，见表2。

表2 绳索取心式液动锤与普通绳索取心钻进效果Table 2 Drilling results

由表2 可知，普通绳索取心钻进时的顶角自然弯曲强度为4.1°/100 m，而采用绳索取心式液动锤钻进时顶角自然弯曲强度只有2.3°/100 m，钻孔自然弯曲度明显减小。虽然不排除地层及工艺技术等其他因素的影响，但综合来看，仍然可以说明：绳索取心式液动锤钻进对钻孔防斜具有较好的效果。

1.4 TSZ 型塔式绳索取心钻具的应用

1.4.1 TSZ 型钻具结构

TSZ 型塔式绳索取心钻具结构见图5。

图5 TSZ 型塔式绳索取心钻具示意[14]Fig.5 Schematic diagram of TSZ tower wireline coring tool

1.4.2 TSZ 型钻具防斜机理

（1）TSZ 型钻具超前段为Ø73 mm 岩心管，后端为Ø89 mm 岩心管，其超前段具有导正效果。

（2）钻具外管总长9.17 m，粗径钻具长度大、刚性好，且外管带有多个金刚石扩孔器，整个钻具具有刚、直、满的特点，钻进时稳定性好［14］。

（3）在破碎地层钻进时，由于钻孔孔径为97 mm而上部钻杆直径为71 mm，超大的环空间隙让使用高稠度冲洗液成为可能。冲洗液的护壁效果好，减少了破碎地层塌孔、掉钻、超径，钻具与孔壁间隙小，粗径钻具在孔底的偏倒角较小，防斜效果好［15］。

1.4.3 TSZ 型钻具使用效果

在孔深1579.44～1764.36 m 段，采用普通Ø97 mm 绳索取心钻进，但由于钻孔孔斜指标超出设计要求、岩心采取率不足，因此进行了水泥封孔。孔深1579.44 m 为人工造斜点，成功侧钻出新孔后，从1606.90 m 开始使用TSZ 型塔式绳索取心钻具钻进。老孔（原封孔段）和新孔段钻孔顶角随深度的变化曲线见图6。

图6 钻孔顶角随深度的变化曲线Fig.6 Curves of inclination vs depth of the new (old)holes

封孔前后的地层基本相同，封孔前采用普通绳索取心钻具钻进，顶角增量约为5.2°/100 m；封孔后采用TSZ 型塔式绳索取心钻具钻进，钻孔顶角增量仅为0.2°/100 m。从而表明TSZ 型塔式绳索取心钻具具有显著的防斜效果。

2 人工造斜技术

在采取上述防斜措施后，钻孔弯曲情况得到明显的改善，但部分孔段钻孔顶角仍然具有超出设计指标的趋势。为合理控制钻孔轨迹曲线，该孔运用人工造斜技术进行了钻孔纠斜和侧钻。

2.1 造斜工具及仪器设备

主要造斜工具及仪器设备有：LHE2000 系列有线随钻测斜仪（见图7），其主要性能参数见表3；液动螺杆钻具，有LF-54、LF65、5LZ73 型3 个型号，配有1°弯接头、1°和1.25°弯外管，5LZ73 型螺杆钻具主要性能参数见表4；BW-300/12B 型往复式泥浆泵。

表3 LHE2000 系列有线随钻测线仪主要性能参数Table 3 Main specifications of LHE2000 series wireline LWD tool

表4 5LZ73 螺杆钻具主要性能参数Table 4 Main specifications of 5LZ73 PDM

图7 LHE2000 系列有线随钻测线仪Fig.7 LHE2000 series wireline LWD tool

2.2 钻孔纠斜、侧钻基本工艺流程

钻孔纠斜及侧钻基本施工工艺流程见图8。

图8 钻孔纠斜及侧钻施工工艺流程Fig.8 Drilling process flow chart of borehole deviation correction and sidetracking

2.3 安装角及反扭角

定向时，钻孔顶角≤6°时采用磁性工具面角，顶角≥6°采用重力高边工具面角。安装角计算则采用公式计算法及象限法，象限法确定安装角见图9。

图9 象限法确定安装角Fig.9 Determination of the installation angle by the quadrant method

定向时，应消除反扭角对安装角的影响［16］。反扭角的大小与螺杆钻具输出扭矩、钻杆柱的尺寸及形状、孔壁与钻杆柱摩擦力等因素有关［17］。

NLSD-1 在0～1680 m 孔段，采用测斜资料反算法及随钻测量直接观察法，总结的反扭角随孔深的变化见表5。

表5 NLSD-1 孔造斜时反扭角大小Table 5 Reverse torsion angles for directional drilling of NLSD-1 hole

2.4 人工造斜施工工艺

完整的造斜工艺流程包括：磨孔、纠斜钻进、扩孔钻进、稳斜钻进、修孔。

2.4.1 磨孔

在下入螺杆钻具之前，首先要下入平底全面钻头磨平孔底，保证孔底无碎块、落石以及陡峭岩心，确保螺杆钻定向准确、钻进平稳，为纠斜钻进做好准备工作。

2.4.2 纠斜钻进

下入造斜钻具，造斜钻具组合为：无磁钻杆、螺杆钻具、纠斜钻头。下入有线随钻仪至螺杆钻上端键槽，进行定向。螺杆钻试钻，然后进行纠斜钻进。

2.4.3 扩孔钻进

由于纠斜钻进孔径比原孔径小一级，因此需要进行扩孔。扩孔钻具为短钻具，钻具上端连接一根Ø50 mm API 钻杆，钻头带导向。

2.4.4 稳斜钻进

造斜段由于具有一定“狗腿”度，若此时下入长钻具钻进，不利于纠斜效果的保持。此时下入短钻具（长约2 m），钻具上端连接一根Ø50 mm API 钻杆，钻进1～2 个回次。

2.4.5 修孔

造斜及扩孔时，孔壁可能存在一定的台阶及键槽。为了修正孔壁，使孔壁更加圆滑，此时下入长钻具进行修孔。

2.5 造斜钻具、钻头、钻孔直径之间的级配设计

硬岩钻进时，螺杆钻具及造斜钻头在孔底应留有一定的空间余地，这样螺杆钻具才能正常带动造斜钻头旋转，见图10。

图10 螺杆钻具、钻头、孔径级配计算示意Fig.10 Calculation for matching-up of PDM,drill bit and hole diameter

钻孔孔径、螺杆钻具直径、钻头直径的关系如下：

式中：θ——螺杆钻弯外管度数，（°）；L——弯外管及以下部分（含造斜钻头）的长度，mm；d1——螺杆钻具外径，mm；d2——造斜钻头直径，mm；D——钻孔孔径，mm。

NLSD-1 孔造斜钻进时孔径为97 mm，使用的螺杆钻具规格为Ø73 mm 及Ø65 mm 两种，弯外管度数为1°和1.25°，弯外管及以下部分（含造斜钻头）的长度取1 m。现根据式（1）计算各规格螺杆钻具在97 mm 孔径中所使用造斜钻头的极限值，计算值和实际使用情况见表6。

表6 NLSD-1 孔造斜钻头直径计算极限值及实际使用规格统计Table 6 Summary of calculated maximum values and actual used sizes of the directional bit diameter at NLSD-1 hole

在选择造斜钻头时，除应考虑造斜钻头的极限直径外，还应考虑螺杆钻具的功率。螺杆钻具直径较小时，计算的造斜钻头直径极限值较大，但螺杆钻具功率较小，此时应选用较小直径的钻头，以增加钻头底面的压强，减小钻头受到的扭矩，从而提高造斜进尺时效。

2.6 钻孔纠斜成果分析

NLSD-1 孔共进行42 次有效纠斜，累计纠斜进尺105.82 m，累计降顶角25.8°，纠斜强度平均值0.315°/m（由于造斜均为降顶角，忽略方位角对造斜强度的影响）。共采用5 种造斜工具进行人工造斜，造斜段代表性数据详见表7。

表7 NLSD-1 孔造斜代表性数据Table 7 NLSD-1 hole deviation data

各造斜钻具的造斜强度见图11，可得出以下结论：

图11 造斜钻具造斜强度Fig.11 Build rates of the directional drilling tools

（1）在弯外管及弯接头度数一样的情况下，一般螺杆钻直径越大，造斜钻具刚度越大，螺杆钻造斜强度越高。

（2）螺杆钻直径相同的情况下，弯外管度数越大，造斜强度越大。

（3）其他条件相同的情况下，双弯螺杆钻具比单弯螺杆钻具造斜强度更高［18-20］。

2.7 钻孔侧钻成果分析

NLSD-1 钻孔轨迹示意图见图12。

图12 NLSD-1 钻孔轨迹示意Fig.12 Schematic diagram of NLSD-1 borehole trajectory

由于钻孔孔斜超标，该孔进行了2 次侧钻纠斜，水泥封孔孔段分别为：949.00～1076.86 m、1589.90～1764.36 m，并分别于949.00 和1589.90 m侧钻出新孔。

第一次侧钻新（老）孔顶角随孔深的变化曲线见图13，第二次侧钻新（老）孔顶角随孔深的变化曲线见图6。

如图13 所示，第一次侧钻时，侧钻前老孔960～1010 m 孔段未进行钻孔纠斜，钻孔顶角增长速度较快。1010～1070 m 孔段钻孔顶角增速相对缓慢，这是由于该孔段进行了两次纠斜，但孔斜已超标；侧钻新孔960～1040 m 孔段，钻孔顶角呈下降状态，这是由于该孔段纠斜次数较多，共纠斜10 次，1040～1070 m 孔段由于未进行纠斜，钻孔顶角又呈现增长趋势。说明当钻遇地层为促斜地层、钻孔自然弯曲严重时，把握造斜点的位置和纠斜的次数对于钻孔轨迹控制至关重要［21-22］。

图13 第一次侧钻前、后顶角随孔深的变化曲线Fig.13 Curves of inclination vs depth before and after the first sidetracking

如图6 所示，第二次侧钻时，侧钻前老孔1600～1760 m 孔段，纠斜次数为1 次，钻孔顶角增长趋势较快；侧钻新孔在使用TSZ 型塔式绳索取心钻进后，顶角呈现缓慢增长趋势，1680～1700 m 孔段纠斜2次，顶角呈下降状态，1700 m 以后顶角继续呈现缓慢增长趋势。说明采用适当的防斜技术工艺，并辅以少量的钻孔纠斜，更有利于钻孔轨迹的控制，能够节省较多的时间、成本［23-24］。

3 结论

南岭科学钻探NLSD-1 孔受岩石各向异性及软硬互层的影响［25］，造成钻孔严重弯曲。为有效控制钻孔轨迹，避免钻孔孔斜超标，应用了多种钻孔防斜技术、定向钻进人工纠斜及侧钻技术，均取得了良好的效果。通过总结及分析研究，得出如下结论：

（1）采用绳索取心钻进工艺、合理的钻进规程参数，能够有效预防孔斜；采用绳索取心式液动锤及TSZ 型塔式绳索取心钻具钻进，对预防孔斜有较好的效果。

（2）人工造斜时，安装角可采用公式计算法及象限法确定，并应消除反扭角；人工造斜主要施工流程包括磨孔、纠斜钻进、扩孔钻进、稳斜钻进及修孔等几个步骤；造斜钻具、钻头、钻孔可采用式（1）进行级配设计；把握造斜点的位置和纠斜的次数对于钻孔轨迹控制至关重要；采用适当的防斜技术工艺，并辅以少量的钻孔纠斜，更有利于钻孔轨迹的控制。