油田钻井井斜控制技术

陈兴忠大庆钻探集团钻井三公司

油田钻井井斜控制技术

陈兴忠
大庆钻探集团钻井三公司

摘要:科技水平的不断提高，使人们对油田勘探开发技术有了更深入研究，钻井防斜、纠斜技术因其在开发过程中的重要地位而日益受到重视。由于在开发后期会出现边缘井、调整井等，井身质量也面临着更高要求。类似于斜直井、小井眼钻井等新型技术概念也在实践中得到广泛运用，在从理论角度加深相关研究的同时，也将理论研究成果在实践过程中得到进一步验证与完善。

关键词：钻井井斜控制

1、井斜的原因

1.1各向异性地层理论

从不同角度来看，沉积岩层的强度与物性均存在较大差异。一般情况下，垂直层面的沉积岩石具有更低强度，开采难度相对较小，故而在对此类地层加以钻探时，需注意确保钻头始终保持沿最小阻力方向的前进趋势。若在开采过程中地层出现倾斜，则必然会导致井斜现象的出现。

1.2地层可钻性理论

考虑到不同硬度条件下，地层的钻速也表现出较大差距。在井底钻压分布较为均匀的前提条件下，若处于软地层则容易出现向上倾斜现象，而在硬地层的开采中向下倾斜现象则较为普遍。

1.3小型“造斜器”理论

当处于倾斜层状地层的钻井状态时，由于层面交界部位的岩石硬度较低，无法满足钻压面上的长期作业需求，导致在垂直层面上出现岩层破碎；若在井眼下倾侧存在处于完好状态的小体积台肩，此时钻头会受到来自该台肩的横向作用力，导致井斜出现。

1.4钻铤力矩理论

若开采地层的硬度分布不均，整体呈现为软硬地层交错分布状态时，此时井底的钻压分布并不具有均匀性特征。相较于软地层，硬地层所承受的钻压更大，导致在进入硬地层时钻头存在力矩，进而引起钻头所受到的侧向力发生变化，导致井斜情况发生变化。

1.5钻柱在钻压作用下的弹性弯曲理论

当下部钻具由于钻压作用而发生弯曲，会引起钻头倾斜，进而导致钻进方向与预期井眼轴线无法保持一致。此外，当钻柱弯曲引起了钻压作用方向的变化，使其不再沿轴线方向发挥作用，这一角度变化将引发导致井斜的另一作用力。在此条件下，下部钻具组合的钻铤刚性以及钻压，与钻铤尺寸等，共同决定了钻柱是否发生弯曲以及弯曲程度，也间接决定了井斜程度。

综上所述，在不考虑井口安装质量低这一点的前提下，导致井斜的原因主要包括两方面：第一，钻柱由于受到多种因素影响而导致发生弹性弯曲；第二，地层所表现出的客观倾角变化以及地质因素所决定的非均质性。从本质上来讲，出现井斜的原因即为：多种因素的共同作用使钻头受到来自侧向的切削力，这一受力的大小计算，可通过将偏斜力、来自地层的造斜力以及钻柱所产生的钟摆力等进行向量计算的方式得出。计算公式如下：

FT=Ff+Fp+FB①

式中：Ff一一地层造斜力，kn

Ff=1/2h.sin2(θ—2).w=k.w②

Fp一钻柱钟摆力，kn

Fp=1/2Lqsina③

FB一弯曲偏斜力，kn

FB=w.sinθB④

h一地层各向异性指数

θ一地层倾角

a—井斜角

w—钻压kn

k—=地层的综合造斜系数，可通过地质计算得出

L—钻柱与台肩切点以下部分的钻铤长度(m)，可通过测量得出

q—单位长度钻铤的重量(kn/m)，可通过简单测量与计算得出

θB一钻头偏斜角

2、防斜纠斜的钻具组合及工具

2.1井斜控制的实质

从图中可以直观地看出，钻柱在钻压作用下产生弯曲，钻头偏离井眼轴线，其偏移角θB与钻压的大小有关，钻压在垂直井眼轴线上有一分量FB，即为钻压的弯曲偏斜力。由式④可知，钻压越大，钻头偏斜角越大，其偏斜力越高，井眼越易增斜。另外，由于井斜角的影响，下部钻柱切点以下钻具的重量在垂直井眼轴线上存在一分力，其值由式③计算，即为人们常说的钟摆力。

2.2钟摆钻具组合

由式③可知，增加钻具钟摆力的渠道，一是增加下部钻具的重量，即采用加重钻铤；二是使切点高度上移。光钻铤钟摆钻具，最下面的1柱—2柱钻铤应尽量采用可安全使用的大外径厚壁钻铤，不仅可以增加钟摆力，并可减小钻铤的挠度，这种组合习惯上也称为塔式钻具组合。带稳定器的钟摆组合，主要是为了使钻具切点上移，稳定器以下钻具不与井壁接触，可以获得最大的钟摆抗斜力，这种钻具组合主要一点是如何确定稳定器安放高度，与其有关的因素有井眼尺寸、钻铤尺寸、稳定器外径、井斜角、钻压及钻井液密度。为了增加下部钻具组合的刚性，在第—个稳定器以上9m处，可再加一只稳定器，对钟摆钻具没有影响。

2.3满眼钻具组合

钟摆钻具组合为了保证其防斜效果，钻压往往很低，影响了钻进速度，而满眼钻具组合克服了上述缺点。钻头上加一个稳定器，然后每隔9m(9m以内更好)再加上多个稳定器，配合大刚度钻铤，可以克服地层施加给钻头的横向力，促使钻头中心与井底保持垂直，减小钻柱弯曲引起偏斜力。这种钻具组合的应用虽有大钻压钻速快的优点，但井眼一旦偏斜，降斜的可能性很小。

2.4偏心钻铤防斜

偏心钻铤的工作原理是，在常规钻铤的某一侧进行孔眼钻探，使两侧形成轻重不一的情况，此时若钻具发生旋转，则会产生指向更重侧的离心力，且该离心力的大小与钻具转速成正比。此类钻具每钻入一圈，会使钟摆力与离心力出现一次重合现象，导致其对下侧井壁产生纠斜力，缩小井斜。

2.5柔性防斜钻具组合

该组合的防斜原理为：在两个稳定器间加设较大柔性的加重钻杆，进而使下稳定器的内弯矩得到更好改进，改进后的内弯矩较传统组合形式而言有更优性能，进而对钻头的侧向力大小产生一定程度影响；这将直接导致其在加压钻进或吊打状态下，都能得到足够的钟摆力。

井斜角并非决定井身整体质量的唯一因素，即使井斜角很大，但只要在目的层能够通过钻探进入到目标靶区，便可达到地质要求。因此，无论采用何种技术，或是对基础原理加以运用，都应在达到井身质量预期目标的前提下，使机械的转速得以提升，如此便可以视为达到最终的改进目的。

现阶段应用较为广泛的防斜纠斜钻具大多存在不同程度的局限性，无法满足实际生产需求，只有通过不断的实践、改善，再实践、再改善，才能研制出更多的防斜纠斜方法。

参考文献：

[1]刘希圣等，《钻井工艺原理》（中册），石油工业出版社，1988年8月

[2]韩志勇，《定向井设计与计算》，石油工业出版社，1989年12月