易斜地層鉆井防斜打快關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用探究

姜建華　姜成

摘 要：隨著旋轉(zhuǎn)鉆井產(chǎn)生和發(fā)展，直井防斜這一技術(shù)問題應(yīng)運(yùn)而生。如何能快速安全地鉆出直井而不使井斜角過大一直現(xiàn)場(chǎng)工作者研究和探索的重要課題。幾十年來，人們?cè)谶@一領(lǐng)域的努力取得了很大進(jìn)展，直井防斜技術(shù)水平不斷提高。但就目前的情況來看，井斜問題尚未在根本上得到解決。引起井斜的原因有客觀和主觀之分。地質(zhì)因素，如地層傾角，對(duì)井斜的影響是客觀的，不以人的意志為轉(zhuǎn)移的，這是人們無法操縱和控制的。而主觀的影響因素，包括鉆具結(jié)構(gòu)及鉆壓、轉(zhuǎn)速等，對(duì)井斜的影響在一定程度上可以為我們所控制。

關(guān)鍵詞：高陡構(gòu)造；復(fù)雜地層；防斜技術(shù)；施工應(yīng)用

在高陡構(gòu)造等復(fù)雜地層垂直鉆井工程中，由于地層自然造斜效應(yīng)的影響，井斜問題十分嚴(yán)重，成為長(zhǎng)期以來制約高陡構(gòu)造等易斜地層油氣資源勘探開發(fā)進(jìn)程的一大技術(shù)瓶頸，也是自旋轉(zhuǎn)鉆井應(yīng)用于石油工業(yè)以來的百年技術(shù)難題之一。從國(guó)內(nèi)外的防斜打直技術(shù)現(xiàn)狀來看，施加鉆壓（鉆頭破巖機(jī)械能量）的大小仍受到傳統(tǒng)靜力學(xué)防斜理論的嚴(yán)重制約，在鉆遇易斜地層時(shí)通常是以犧牲鉆壓甚至“輕壓吊打”來確保井斜控制質(zhì)量，從而使快速鉆進(jìn)與防斜打直的矛盾更加突出，甚至面臨嚴(yán)峻的技術(shù)經(jīng)濟(jì)挑戰(zhàn)。

1旋轉(zhuǎn)鉆井方式優(yōu)選與防斜打快

在國(guó)內(nèi)外油氣勘探開發(fā)工程中，人們目前廣泛采用的鉆井方式仍然是旋轉(zhuǎn)鉆井，它迄今已有百年發(fā)展歷程。旋轉(zhuǎn)鉆井又分為轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)鉆井、井下動(dòng)力鉆井及二者兼?zhèn)涞膹?fù)合旋轉(zhuǎn)鉆井等不同的旋轉(zhuǎn)鉆井方式。若是轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)鉆井，則整個(gè)鉆柱處于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，同時(shí)帶動(dòng)鉆頭旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)；若是井下動(dòng)力鉆井，則井下動(dòng)力鉆具的轉(zhuǎn)子帶動(dòng)鉆頭旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，轉(zhuǎn)盤及整個(gè)鉆柱可以不旋轉(zhuǎn)；若是復(fù)合旋轉(zhuǎn)鉆井，則在使用井下動(dòng)力鉆具的同時(shí)又開動(dòng)轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)。研究和實(shí)踐證明，每一種旋轉(zhuǎn)鉆井方式都具有各自不同的鉆井特性和優(yōu)缺點(diǎn)。其中，“復(fù)合旋轉(zhuǎn)鉆井方式”在一定程度上兼?zhèn)滢D(zhuǎn)盤鉆和井下動(dòng)力鉆的優(yōu)點(diǎn)，既可連續(xù)控制井眼軌跡和減少起下鉆次數(shù)，同時(shí)還能提高機(jī)械鉆速，是一種比較高效的可控鉆井方式。在20世紀(jì)八十年代，隨著定向井和水平井鉆井技術(shù)的發(fā)展，導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，具有彎外殼或偏心穩(wěn)定器的井下動(dòng)力馬達(dá)（稱之為“導(dǎo)向馬達(dá)”）替代了直桿動(dòng)力馬達(dá)和彎接頭。根據(jù)“鐘擺”原理和動(dòng)力學(xué)防斜打快理論，利用井下動(dòng)力鉆具（螺桿鉆具、渦輪鉆具、減速渦輪鉆具、螺桿渦輪鉆具等）的高轉(zhuǎn)速特性，加上長(zhǎng)壽命、高轉(zhuǎn)速的PDC鉆頭，輔之以轉(zhuǎn)盤（或頂驅(qū)）復(fù)合鉆進(jìn)，既可以防斜，又可以提高機(jī)械鉆速，是目前山前高陡構(gòu)造等易斜地層防斜打快的優(yōu)選技術(shù)之一，已在我國(guó)復(fù)雜深井鉆井工程中獲得成功應(yīng)用。特別是井底小位移垂直鉆井，對(duì)井斜控制提出更高的要求，可采用井下彎外殼動(dòng)力鉆具組合進(jìn)行復(fù)合旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，并與PDC鉆頭配合使用，采取低鉆壓、高轉(zhuǎn)速操作參數(shù)，既可有效地防止井斜及滿足井底小位移控制目標(biāo)，又能夠提高機(jī)械鉆速。

2 國(guó)外自動(dòng)垂直鉆井系統(tǒng)

從現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)來看，在進(jìn)入21世紀(jì)后，旋轉(zhuǎn)鉆井仍將是油氣工業(yè)最主要的鉆井方法，并且不斷向著信息化、智能化及自動(dòng)化方向發(fā)展。迄今，國(guó)外幾家石油技術(shù)公司已研發(fā)出各具特色的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)，并不同程度地被商業(yè)化應(yīng)用，其中包括若干自動(dòng)垂直鉆井系統(tǒng)。為適應(yīng)復(fù)雜地質(zhì)條件下深井垂直鉆井防斜打快的市場(chǎng)需求，Schlumberger公司推出了Power Drive系統(tǒng)的低端產(chǎn)品-Power-V系統(tǒng)，Baker Hughes Inteq 公司推出Verti Trak系統(tǒng)，等等。其中，Power V系統(tǒng)在我國(guó)西部復(fù)雜深井鉆井工程中獲得良好應(yīng)用，可以在一定井深和井眼尺寸范圍內(nèi)有效控制井斜變化，并達(dá)到比較理想的機(jī)械速度。然而，這類高技術(shù)目前仍被西方國(guó)家的石油技術(shù)公司所壟斷，只提供高昂的技術(shù)服務(wù)，雖然可以解決復(fù)雜深井上部井段防斜與打快的矛盾，但由于溫度、壓力、泥漿體系、鉆機(jī)能力及使用成本等因素的制約，這類技術(shù)尚不適用于深部井段。

3 垂直鉆井防斜打快的技術(shù)措施

1）詳細(xì)了解研究區(qū)塊的地質(zhì)情況，獲取各個(gè)層位的產(chǎn)狀數(shù)據(jù)。山前高陡構(gòu)造由于受構(gòu)造應(yīng)力的作用，不同地區(qū)地質(zhì)情況會(huì)有所不同，應(yīng)從鄰井傾角測(cè)井資料（有已鉆井的情況）或地震構(gòu)造圖（未鉆井的新區(qū)）上詳細(xì)了解研究區(qū)塊的地質(zhì)構(gòu)造情況，獲取各個(gè)層位詳細(xì)的產(chǎn)狀數(shù)據(jù)。2）評(píng)價(jià)待鉆地層的可鉆性各向異性。搜集研究區(qū)塊的測(cè)井資料（主要是聲波測(cè)井資料、補(bǔ)償密度測(cè)井資料、自然伽瑪測(cè)井資料），如果研究區(qū)塊沒有測(cè)井資料則應(yīng)該從地震資料中提取層速度資料，然后由測(cè)井資料或地震層速度資料評(píng)價(jià)出研究區(qū)塊的地層可鉆性各向異性情況。3）根據(jù)地層可鉆性各向異性評(píng)價(jià)結(jié)果計(jì)算待鉆地層的自然造斜力。由工程設(shè)計(jì)獲取待鉆井的井眼軌跡數(shù)據(jù)（如果設(shè)計(jì)井是直井則令井斜角和方位角均為零），然后結(jié)合地層產(chǎn)狀數(shù)據(jù)、井眼軌跡設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和地層可鉆性各向異性評(píng)價(jià)結(jié)果計(jì)算出地層的自然造斜力。4）根據(jù)地層自然造斜力優(yōu)選底部鉆具組合和鉆壓。首先根據(jù)地層自然造斜力分布情況把全井分成多個(gè)井段，對(duì)不同的井段繪制不同底部鉆具組合的側(cè)向力和地層自然造斜力的疊加圖，從中選出適合該層段鉆進(jìn)的底部鉆具組合。然后繪制不同井況下該底部組合的側(cè)向力和地層造斜力疊加圖，從中選出適合該層段鉆進(jìn)的最優(yōu)鉆壓。5）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，及時(shí)調(diào)整鉆井措施。對(duì)全井段而言，地層自然造斜力并不是一成不變的，因此應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況及時(shí)調(diào)整技術(shù)措施（鉆壓或底部鉆具組合）。同樣，由于地層自然造斜力的不同，適用于鄰井的鉆具組合不一定適用于研究井。因此，鉆前底部鉆具組合的設(shè)計(jì)和優(yōu)選很重要。6）及時(shí)監(jiān)測(cè)井眼軌跡變化，適時(shí)調(diào)整鉆井措施。地層各向異性指數(shù)、地層傾向和走向確定以后，地層自然造斜力的變化主要和井眼幾何有關(guān)，因此，鉆進(jìn)期間應(yīng)及時(shí)測(cè)斜，以了解井眼軌跡狀況，根據(jù)測(cè)斜結(jié)果及時(shí)計(jì)算地層自然造斜力，作為調(diào)整鉆井措施的依據(jù)。7）嚴(yán)格執(zhí)行鉆井技術(shù)措施。鉆井期間應(yīng)嚴(yán)格按設(shè)計(jì)鉆壓進(jìn)行鉆進(jìn)，送鉆應(yīng)力求平穩(wěn)，以利于評(píng)價(jià)鉆具組合使用效果。8）及時(shí)總結(jié)上一井段鉆具組合的使用經(jīng)驗(yàn)，用于指導(dǎo)下部井段的施工。9）山前高陡構(gòu)造等易斜地層具有較強(qiáng)的自然造斜效應(yīng)，因而對(duì)底部鉆具組合應(yīng)的防斜能力提出了更高的要求，欲實(shí)現(xiàn)防斜打快的目標(biāo)，就必須采用先進(jìn)的井下測(cè)量與控制工具等.

對(duì)目前國(guó)內(nèi)外石油鉆井中的直井防斜新技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與應(yīng)用進(jìn)行了對(duì)比分析，認(rèn)為偏重鉆鋌、偏軸組合、偏心接頭等離心力防斜打直技術(shù)基本上能解決小傾角地層鉆井情況下的井斜問題；偏軸組合應(yīng)用在大尺寸井眼的防斜上已有一定效果；動(dòng)力鉆具導(dǎo)向鉆進(jìn)是一種能很好地解決大傾角地層井斜問題的技術(shù)手段，其中閉環(huán)自動(dòng)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)是最有效手段。

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