螺杆钻具防斜打快技术分析

张伟

【摘要】井斜问题是影响钻井井身质量的关键因素，而目前钻井中对井身轨迹提出了更高的要求，如何控制好井斜大小和井身轨迹的走向以及提高钻井速度是钻井的重要工作。利用常规钻井技术不但很难满足井身质量的要求，而且严重制约了钻井速度的提高。通过理论分析和实践，利用动力钻具配合高效钻头钻井，可以大大地提高机械钻速、缩短钻井周期，尤其是防斜打直方面可以更好地控制井身轨迹。

【关键词】动力钻具 钟摆钻具 井身轨迹 防斜 打快

目前，普遍使用的防斜钻具结构主要有钟摆钻具组合、双稳定器满眼钻具、柔性防斜钻具、偏轴防斜钻具等等。通过力学分析，以上钻具结构都是依靠钻具的钟摆力来达到防斜和纠斜的效果。因此，钟摆钻具是在直井段钻进中广泛使用的，而且在普通的地层里，其防斜效果非常明显，但在一些倾角较大的地层，其防斜能力较差，往往不能提高机械钻速，而且井斜得不到控制。为提高钻具结构的防斜及纠斜效果，并提高机械钻速，根据动力钻具自身的特点，利用动力钻具的高转速带动钻头高速转动。实践证明利用此钻具组合，不用再采取小钻压吊打，不仅很好的控制了井斜也大幅度的提高了机械钻速，缩短了钻井周期，取得了较好的经济效果。

1 钻井现状

1.1 井身轨迹的严格要求

随着大部分油田开发进入中后期，越来越多的采用大斜度定向井、大位移井来加密开发剩余油气藏，这就对井身质量提出了越来越高的要求，靶区半径由原来的50-70m，缩小到了现在的20m，15m，甚至要求在10m半径范围内，而且对井身轨迹提出了更高的要求，限制直井段井眼轨迹的位移，这是为了与老井眼进行防碰，也是为了将来能够有足够的空间布置新井位。

1.2 地质条件的限制

在普通地层，采用钟摆钻具，可以很好地控制井斜，使井身轨迹达到设计要求。但是在深井、大倾角地层及易增斜地层，采用常规钻具钻进，虽然采取小钻压吊打的方式，但往往很难起到控制井斜及轨迹走向的目的，更是严重制约了钻井速度，得不到很好的经济效益。

2 螺杆钻具防斜及纠斜理论分析

其实，利用螺杆钻具实现防斜和纠斜效果本质上与使用钟摆钻具依靠钟摆力实现降斜理论一样，主要区别是在单位进尺内螺杆钻具可以带动钻头高速转动更多次数的横向切削下井壁，以此来提高其纠斜能力。

螺杆钻具的降斜理论，假设所钻井段具有一定井斜，那么在钻头上一定存在侧向力F，而地层除造斜力Fa及偏斜力Fb外，因螺杆上扶正器支撑着井壁，则钻头上还存在着钟摆力Fc的作用。

则 F=Fa+Fb+Fc

根据上式，为了提高钻具的降斜能力，应设法提高侧向切削力F，而地层造斜力无法人为控制，要提高钻具降斜能力只有调整钟摆力Fc和偏斜力Fb，且使其受力方向一致。通过实践，在直井防斜和纠斜过程中，利用螺杆的钟摆力采用小钻压和吊打的措施可以达到理想的效果。

3 螺杆钻具打快理论依据

在钻井施工中，是通过转盘与螺杆钻具复合转动方式进行钻进。即是螺杆转子本身在泥浆泵压的作用下自动旋转，同时转盘旋转带动钻柱以及螺杆本体旋转。此时，钻头实现复合转动模式，即通过螺杆转子的高速转动而旋转，同时又在转盘的转动下旋转。在这两种转动的双重作用下，可以大幅度提高钻头的转速。

假设使用常规钟摆钻具时机械钻速A1（m/min），钻头转速B1（r/min），而使用螺杆钻具时机械钻速A2（m/min），钻头转速B2（r/min），通过实践我们都知道在使用螺杆后钻时和钻头转速均会提高，那取单位进尺1m时使用常规钻具和螺杆钻时切削下井壁的次数：

常规钟摆钻具时的切削次数为：R1=（1/A1）×B1

使用螺杆钻具时的切削次数为：

R2=（1/A2） ×B2

则R2/R1=（B2/A2）×（A1/B1）=（A1/ A2） ×（B2/B1）= γ

γ代表在单位进尺内，使用螺杆钻具钻头切削下井壁的次数是是常规钻具切削下井壁次数的倍数。

根据经验分析知道：A1﹤A2；B2﹥B1，一般常规钻具的钻头转速B1=80r/min，而螺杆的转盘转速一般40r/min，螺杆转子转速取350r/min.

则B2/B1=（350+40）/80=4.88

使用螺杆后机械钻速一般可以提高50%～100%，即A2/A1=1.5～2

则γ=（A1/A2） ×（B2/B1）≈2.5～3.5

根据上式分析，使用螺杆钻具时钻头切削下井壁的次数是使用常规钟摆钻具的2.5～3.5倍。而钟摆钻具的防斜和纠斜能力是通过钻头不断旋转切削下井壁实现的，由此可推论单位进尺下钻头旋转切削下井壁次数的增加也即是钻具防斜纠斜能力的增强。从γ值

可以看出，在使用螺杆钻具后其防斜和纠斜能力至少是常规钻具的2.5～3.5倍，在机械钻速不提高时其纠斜能力达到最强，但在提高其机械钻速后，螺杆钻具的纠斜能力仍可以是普通钟摆钻具的2倍。

4 施工井例

（1）克拉玛依油田某井在实际施工中分别采用了常规钻具和螺杆钻具钻进其数据对比：

（2）例如胜利油田丰深1-斜1井。

在3350～3480m采用常规钟摆钻具钻进，平均钻时0.77m/h，井斜由1.95°增到了3.93°；在3480～3570m，采用螺杆+PDC钻具组合钻进，平均钻时1.68m/h，井斜由3.93°降到了1.40°。

通过以上数据分析，在此地层PDC钻头+螺杆钻具具有良好的纠斜效果，同时可以大幅度提高机械钻速。

5 结论和认识

（1）利用螺杆的高转速，在相同进尺下其切削下井壁的转数是常规钻具的数倍，钻进中通过钻压使钻头靠近下井壁，可以达到很好的防斜效果，尤其在倾斜地层，效果明显。

（2）选择合适的螺杆型号和钻头类型，可以大幅度的提高机械钻速某井爱你更低成本提高经济效益。

（3）面对国内地层的复杂性，螺杆钻具组合依然有其不足之处，还不能保证钻成完美的垂直井眼，与国外开发研制的垂直钻井系统、自动井斜控制的旋转导向闭环系统还有很大差距。我们应根据地层特点和复杂性，研制出针对相应地层的钻井工具和更优的防斜打快工艺。

参考文献

[1] 汪海阁，苏义脑，直井防斜打快理论研究进展[J].石油学报 2004：86-05

[2] 寇海成，张松杰，等.螺杆钻具配合PDC钻头在深直井中的应用[J].石油钻探技术，2001，29（5）：52～53

[3] 赵瑞新，姜敬华，奚艳红，等.井斜控制理论及防斜钻井技术综述[J].钻井工艺，2000，23（1）26～28

[4] 白家祉，苏义脑.井斜控制理论与实践[M].北京；石油工业出版社，1990：120-150