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1、防斜打直技术的研究与应用中原石油勘探局钻井三公司二OO二年十一月目 录一、前言1二、井斜形成的原因11.地层因素12.底部钻具弯曲1三、井斜控制技术21、刚性满眼钻具组合防斜技术22、钟摆力纠斜技术33、离心力防斜、纠斜技术34、利用钻具弯曲防斜、纠斜技术35、导向钻井防斜、纠斜技术36、井下专用工作防斜、纠斜技术3四、防斜打直技术在现场的应用41、塔式刚性钻具组合防斜技术的应用42、钟摆钻具组合防斜、纠斜技术的应用43、柔性钟摆纠斜钻具组合的应用44、偏轴接头防斜、纠斜钻具组合的应用55、动力钻具防斜、纠斜技术的应用5五、柴窝堡凹陷井斜情况分析及防斜措施51、井斜情况统计52、钻具结构及防斜
2、效果分析73、达1井二开防斜技术8六、结论9参考文献9一、 前言防斜打直一直是钻井工程施工的一道难题。井斜危害很大，井斜大了，可能造成钻探达不到目的，还会给钻井、完井、采油作业带来安全隐患。特别是大倾角地层，井斜往往是制约钻井速度的主要因素。柴窝堡构造有多套地层倾角均在30以上，在钻进过程中井斜非常严重，井斜控制是柴窝堡地区钻井能否成功的关键之一。本文在总结吐哈、三塘湖盆地及准噶尔柴窝堡凹陷地层及井斜特点的基础上，从理论和实践两方面探讨井斜控制技术，以期在以后的钻井施工中更好地实施井身质量控制。二、 井斜形成的原因钻井实践表明：引起井斜的因素有多种，有地层因素，如地层倾角大，有设备因素如井口安
3、装不正，还有钻具结构因素如底部钻具弯曲。其中影响井斜最基本因素是地层、底部钻具弯曲。1. 地层因素层状结构的沉积地层由于存在地层倾角和地层不均质性而导致井斜。在倾斜的层状地层中钻进时，由于交界面处存在“小变向器”的作用，把钻头推向地层的上倾方向，从而引起井斜；同时，沉积岩层在不同方向的物性和强度是有差异的，一般来说，垂直层面方向岩石的强度低，可钻性高，钻头总要沿着破碎阻力最小的方向前进，当地层倾斜时就必然会导致井斜。2. 底部钻具弯曲FHFBWPFPFW图1 下部钻具“小车”模型根据WB勃莱特雷提出的下部钻具小车模型（如图1），在有一定井斜的井眼内，钻头上的横向偏斜力FH为弯曲引起的偏斜力FB
4、和钟摆力FP的向量之和，同时考虑钻头与岩石的相互作用，则钻头上总的横向偏斜力等于地层造斜力Ff、弯曲偏斜力FB和钟摆力FP三部分的向量和： FT=Ff +FP+FB（1）当FT指向上井壁时，井斜就会增加；当FT指向下井壁时井斜就会降低；当FT=0时，即钻头上的合力指向与井眼轴线重复时井斜就会稳定不变。基于公式（1），减少底部钻具弯曲有以下几条思路：1) 减少FP和FB等增斜因素的影响。通过采用常规的刚性满眼钻具组合，提高底部钻具组合的刚性和抗弯曲能力，减少钻具与井眼的间隙，以最大程度地减少FP和FB。2) 消除FP和FB等增斜因素的影响。采用偏轴、偏心钻具组合使底部钻具产生公转，从而使FP和F
5、B的作用方向随着公转而发生变化，从根本上消除钻具弯曲造成的井斜。3) 将FP、FB和Ff等增斜因素转化为降斜因素。利用特殊的柔性钻具组合来改变钻具弯曲状态，从而将FP、FB、Ff等的作用方向转化为降斜方向，这样既能消除底部钻具造成的影响。三、 井斜控制技术目前，国内外防斜打直技术归纳起来主要有：刚性满眼钻具组合防斜技术、钟摆力纠斜技术、离心力防斜纠斜技术，利用钻具弯曲防斜纠斜技术、导向钻井防斜纠斜技术及井下专用工具防斜纠斜技术等。1、 刚性满眼钻具组合防斜技术通过提高底部钻具组合的刚性，减少钻具与井眼的间隙，来提高钻具的抗弯曲能力，最大程度地减小FB和FP。该方法能有效地减小底部钻具弯曲引起的
6、井斜，但没有纠斜能力，因此只适用于地层造斜趋势不很强的地层。其主要工具有扶正器、方钻铤、椭圆钻铤等。2、 钟摆力纠斜技术该技术一般与刚性满眼钻具配合使用进行井斜控制。其原理是利用钟摆力FP，使钻头产生与井斜方向相反的侧向切削作用，从而纠斜。该技术只能采用牺牲钻压以减少垂直切削速度的方法，以提高纠斜能力，但大大影响钻井效率。3、 离心力防斜、纠斜技术将专用井下偏心、偏轴工具按一定位置接到底部钻具组合中，使底部钻具在井内旋转过程中，产生一个旋转离心力，使钻柱除了自转外，还有一个周向公转，其结果使FB和FP的作用方向随钻具公转而同步变化，从而可从根本上消除钻具弯曲造成的井斜。该技术进行防斜钻进时，可
7、能较高钻压钻进，有利于提高钻井效率，其防斜、纠斜效果也较好，但无法控制地层增斜因素，因此，仍不能从根本上解决高陡构造、大倾角地层的井斜控制问题。4、 利用钻具弯曲防斜、纠斜技术该技术改变了传统的控制钻具弯曲偏斜力FB和钟摆力FP的防斜的概念，而是将钻头倾角和侧向力转化为降斜因素加以利用，共同对抗地层造斜力Ff 。其方法是：采用柔性钻具结构改变底部钻具弯曲状态，使钻头侧向力和钻头倾角的方向由指向井眼上侧，转变为指向井眼下侧。目前常用的几种现场应用效果较好的钻具组合有：柔性钟摆钻具组合、双柔性钻具组合及柔性接头等。5、 导向钻井防斜、纠斜技术该技术是利用动力钻具导向钻进进行井斜控制。其防斜机理是靠
8、弯外壳井下马达的偏轴作用，使底部钻具在井内旋转过程中产生一个旋转离心力，用于防斜。另外，井下马达配合PDC钻头进行导向钻进时，转速高、钻速高、钻压低，也有利于防斜；其纠斜是靠弯外壳井下马达滑动钻进实现的，因此，纠斜力强，可广泛应用于各级别地层造斜趋势情况下的防斜、纠斜。6、 井下专用工作防斜、纠斜技术除上述防斜技术以外，国内外还开发了一些防斜、纠斜井下专用工具，如：国内的水力防斜工具和压不弯钻铤装置、贝克-休斯公司的VDS、SDD直井钻井系统等。 四、 防斜打直技术在现场的应用中原油田钻井三公司在西部各油区主要以以刚性满眼钻具和钟摆钻具防斜。在吐哈盆地的巴喀、三塘湖马朗、条湖等高陡构造上也试验
9、过偏心接头、柔性钟摆、动力钻具导向钻进等防斜技术1、 塔式刚性钻具组合防斜技术的应用在西部油区，311mm以上尺寸(含311mm)井眼均采用由较大尺寸钻铤组成的塔式刚性钻具组合：Bit+228mmDC9m+203mmDC18m+178mmDC27m吐哈盆地、三塘湖盆地实钻情况表明，利用这钻具组合配以合理的钻井参数能够满足可钻性好、倾角较小的表层钻井时的防斜要求，井深800m（表层套管下深）以内一般能保证井斜不超过1.50，钻井速度也比较快。2、 钟摆钻具组合防斜、纠斜技术的应用在西部油区，直径小于311mm的井眼钻进时基本上采用钟摆钻具结构：Bit+178（或158）mmDC18m+螺旋扶正器
10、+178（或158）mmDC9m+螺旋扶正器+178（或158）mmDC理论上讲，这种钻具组合防斜效果较差，但配合适当的钻压（地层交界面处吊打）、勤测斜、送钻均匀等技术措施仍可满足防斜要求，在吐哈盆地的温米、葡北、鄯善等构造上运用效果比较理想。采用这种钻具组合主要出于这样的考虑：当同一口井的地层倾角变化较大时，在倾角较小地层可采用正常钻压钻进，在地层倾角较大时或井斜角较大时可减压吊打纠斜。在吐哈盆地丘陵、神泉等构造上取得了较为明显的效果。3、 柔性钟摆纠斜钻具组合的应用吐哈盆地巴喀地区地层倾角大，造斜力强，采用常规钻具组合井斜增加较快，采取柔性钟摆钻具组合纠斜效果明显，巴44井钻至1005m时
11、井斜增至3.8，采取柔性钟摆钻具组合钻至2023m时井斜降至2；巴49井采用该种钻具组合钻进390m后井斜从4降到0.5，取得较为满意的效果。表1 吐哈盆地巴喀构造使用柔性钟摆钻具统计表井号井段(m)柔性钟摆钻具结构井斜变化情况巴441005-2023215.9mmBit+178mmDC18m+215mm扶正器+127mm加重钻杆9m+215mm扶正器+178mmDC81m+159mmDC81m从3.80降至2.00巴491335-1725215.9mmBit+178mmDC18m+215mm扶正器+127mm加重钻杆9m+215mm扶正器+178mmDC77m+159mmDC79m从4.00
12、降至0.504、 偏轴接头防斜、纠斜钻具组合的应用三塘湖盆地马朗构造地层倾角达30，钻进中极易发生井斜，有多口井井斜严重超标。我公司承钻的马12井钻至井深550m时井斜达到4，采用在近钻头处加一只偏心距为8mm的偏心接头钻至1375m时，井斜降至1.70，效果非常明显。5、 动力钻具防斜、纠斜技术的应用三塘湖条湖构造也是一个高陡构造，该构造实测地层最大倾角达80，也是防斜的一个重点区块。我公司承钻的条5井钻至井深1900m时井斜增至8.75，井底水平位移达到121m，从井深1979.36m采用1.25度单弯螺杆+转盘钻进至2076.89m，井斜降为2.80，效果非常好。 五、 柴窝堡凹陷井斜情
13、况分析及防斜措施1、 井斜情况统计取芯资料表明，柴窝堡地区多套地层倾角在35以上，最高达60，柴参1井上仓房沟群地层倾角为40，柴参2井1350m处地层倾角高达60。从实钻井斜情况可以看出：该地区钻进过程中极易发生井斜，完成的几口井都不同程度地存在井斜，有的甚至很严重，最大的达到6（见表2-表4）。表2 柴参1井井斜统计表井深(m)井斜()井深(m)井斜()井深(m)井斜()井深(m)井斜()井深(m)井斜()井深(m)井斜()50.25450.251070.251480.672080.672881.003900.005150.165900.087400.169400.7510401.8312
14、142.5813153.2514903.5015605.5017154.7518905.6720305.0021256.3322504.0023752.0026752.0027752.5028251.7528702.4229502.8330302.7530702.6731102.33表3 柴参2井井斜情况井深(m)井斜()井深(m)井斜()井深(m)井斜()井深(m)井斜()井深(m)井斜()井深(m)井斜()50.67600.751500.583000.923900.926001.166602.837201.507802.509002.839654.5010853.0012653.33141
15、04.0015003.6716503.0017102.2518801.8320901.6722101.0023001.1624000.9225400.9226602.3326751.0027752.1628552.5029452.6729752.6730053.00表4 柴参3井井斜情况井深(m)井斜()方位()井深(m)井斜()方位()井深(m)井斜()方位()井深(m)井斜()方位()1510.30172.313512.31182.323500.8015634472.573532510.1013413513.6618724500.4015235473.313493510.0642.4145
16、04.8018625500.608336472.593394510.4135.215504.2017426501.002537472.373295510.26109.116504.2016827501.4033838472.613126510.61130.817502.4116428501.2032739472.663007511.62155.618502.0017429502.8033840473.612918511.8014819501.2016930503.4033941473.322939511.8416320501.5016031503.1035642473.9920110511.6
17、0172.421501.6015932502.2035443473.3930611511.80197.322501.5016533472.23944973.053232、 钻具结构及防斜效果分析柴参1井钻具结构（见表5）表5 柴参1井钻具结构及钻井参数开钻次序实际钻具结构钻井液密度（g/cm3）钻压（KN）转速（rpm）最大井斜（0）1444.5mm钻头+241mm钻铤45.30m+203mm钻铤53.98m+178mm钻铤54.76m+127mm钻杆+133mm方钻杆。1.081.2620606012311.2mm钻头+2个311.2mm扶正器十203mm短钻铤1.89m+311.2mm扶正
18、器+241mm钻铤45.30m+203mm钻铤63.21m+178mm钻铤54.76m+l27mm钻杆+133mm方钻杆。1.181.2511817745706（1840m）3215.9mm钻头+178mm钻铤82.27m+159mm钻铤82.22m+146mm钻铤54.88m+l27mm钻杆+133mm方钻杆1.151.5054149.2mm钻头+120mm钻铤135.73m+89mm钻杆+127mm钻杆+133mm方钻杆1.191.202.5参1井防斜效果分析柴参1井使用的钻具组合除二开采用了满眼钻具外，其它都是使用常规塔式钻具组合。由于井壁坍塌，井径扩大严重，二开的满眼钻具也未起到防斜作
19、用。从井斜数据可以看到，最大井斜为6左右，常规钻具组合可以满足井斜控制要求，只是钻压较低，311mm以上井眼一般小于12吨，钻速低。柴2井 钻具结构（见表6）防斜效果分析柴2井使用的钻具组合的实际效果基本与柴参1井类似，上部井段由于使用了大钻铤防斜效果要好于柴参1井。柴3井钻具结构（见表7） 防斜效果分析柴参3井使用的钻具组合除二开采用了满眼钻具外，其它都是使用常规塔式钻具组合。由于井壁坍塌，井径扩大严重，二开的满眼钻具也未起到有效作用，由于掉块严重，后期也甩掉了扶正器。从井斜数据可以看到，最大井斜为4.8，常规钻具组合可以满足井斜控制要求，只是钻压较低，311.2mm以上井眼一般小于16吨，
20、钻速低。表6 柴参2钻具结构及钻井参数开钻次序实际钻具结构钻井液密度（g/cm3）钻压（KN）转速（rpm）最大井斜（0）1444.5mm钻头+279.4mm钻铤2根十241.3mm钻铤5根+203.2mm钻铤5根+177.8mm钻铤2根+127mm钻杆。1.051.18201006012311.2mm钻头+311.2mm扶正器+203.2mm短节+311.2mm扶正器+241.3mm钻铤2根+311.2mm扶正器+241.3mm钻铤3根+215.9mm钻铤6根+177.8mm钻铤3根+127mm钻杆。1400m以后：311.2mm钻头+279.4mm钻铤2根+241.3mm钻铤1根+311.
21、2mm扶正器+241.3mm钻铤3根+203.2mm钻铤6根+177.8mm钻铤3根+127mm钻杆。1.161.41201801400m10012050704.5（1325m）3215.9mm钻头+177.8mm钻铤26.72m+158.8mm钻铤108.98m+127mm加重钻杆55.02m+127mm钻杆1.4080120602.5表7 柴3井钻具结构及钻井参数开钻次序实际钻具结构钻井液密度（g/cm3）钻压（KN）转速（rpm）最大井斜（0）1444.5mm钻头+279.4mm钻铤2根+242.7mm钻铤3根+203.2mm钻铤3根+177.8mm钻铤2根+127mm钻杆926.26m
22、后444.5mm钻头+279.4mm钻铤3根+242.7mm钻铤3根+203.2mm钻铤3根+177.8mm钻铤2根+127mm钻杆1.071.37100120604.82317.5mm钻头+229.2mm钻铤3根+317.5mm扶正器+229.2mm钻铤1根+203.2mm钻铤3根+177.8mm钻铤3根+127mm钻杆因扭矩大、掉块严重，后期去掉扶正器317.5mm钻头+229.2mm钻铤3根+203.2mm钻铤3根+177.8mm钻铤3根+127mm钻杆1.251.508016060-704.23215.9mm钻头+158.8mm钻铤21根+127mm加重钻杆20根+127mm钻杆1.4
23、01.48160180603.313、 达1井二开防斜技术达1井1700m以前采用塔式刚性钻具并配合合理的钻井参数及技术措施达到了较好的防斜效果，该井段最大井斜只有2.6，设计要求的5要低得多。根据上述分析并结合该地区易塌的地层特点，防斜必须服从井下安全需要，因此，达1井二开后的防斜原则为: 二开以常规塔式钻具组合为主：311mm钻头+229mm钻铤3根+203mm钻铤6根+177.8mm钻铤9根 增斜趋势严重时采用偏心钻具或柔性钟摆钻具组合防斜、纠斜。 井斜即将超过井身质量要求时采用动力钻具纠斜。六、 结论1、 合理选择钻具结构和钻井参数是目前有效且经济的防斜手段。2、 采用偏重钻铤、偏轴接
24、头、偏心接头等进行防斜打直基本上能解决小地层倾角的井斜问题，并且能够保证一定的机械钻速。3、 用柔性钟摆或其它钟摆钻具进行小钻压吊打能够纠斜，但它是以牺牲钻井效率为代价的。4、 动力钻具导向钻进技术是一种能够从根本上解决大倾角地层井斜问题的技术手段，该技术是否可行的主要问题是经济性。另外，对于地层造斜趋势很强的大倾角地层，用动力钻具导向钻进时，应考虑使用1.01.25单弯，以便在进行纠斜滑动钻进时，其纠斜能力能够克服地层造斜趋势，产生纠斜作用。5、 可采取优选井位的方法来解放钻压，提高机械钻速。在仔细分析研究区块的地层资料，即提供精确的地层倾角及倾向时，可总结出地层自然造斜规律。参考文献 高德利.井眼轨迹控制.东营:石油大学出版社，1994。 白家祉、苏义脑.井眼控制理论与实践.北京:石油工业出版社，1990. 钻井手册(甲方).北京:石油工业出版社，1990。 达1井钻井工程设计.中石化西部勘探指挥部，2002。 达1井一开技术总结.中原油田钻井三公司技术科，2002。
