四川盆地双鱼石区块深井钻井井斜规律研究

米光勇，袁和义，王 强，缪 遥，董广建

1.中国石油西南油气田公司开发事业部，四川 成都 610051；2.中国石油西南油气田公司川西北气矿，四川 江油 621709；3.中国石油川庆钻探工程有限公司川西钻探公司，四川 成都 610051；4.油气藏地质及开发工程国家重点实验室·西南石油大学，四川 成都610500

引言

随着油气勘探开发的深入，深层、超深层油气资源高效开发已成必然趋势，尤其是四川盆地双鱼石区块超深层油气资源勘探开发工作取得重大突破，已成为中国勘探开发重点地区，但是开发过程超深井钻井井斜问题严重影响井眼质量、制约钻井速度和钻井周期[1-3]。快速建立高质量井筒又是油气高效开发的重要环节，而超深井井眼轨迹控制问题比较突出。关键难题之一是在各向异性地层中井斜发生的力学特性问题需要进一步探讨[4-5]。针对该问题前人开展了相关研究。

深部地层井眼井斜的研究重点在钻柱力学和地层造斜方面，研究目标主要是解决防斜打直打快的难题，核心问题是钻井过程钻头侧向力对井斜的影响。其中，Lubinski[6]最早应用连续梁理论系统研究了直井钻柱力学问题，对钻柱力学的后续研究产生重大影响。Lubinski 等深入研究了地层各向异性对钻井井斜的定量化影响，并且提出扶正器控制井斜的方法[7]。随着钻柱力学的快速发展，出现了多种钻柱力学问题研究方法以解决钻柱产生井斜的机理。Walker 等根据最小势能原理对钻柱力学问题进行求解[8]；Millheim 重点研究了有限元法在钻柱力学中应用[9]。Johansick 采用微元分析法建立了三维井眼全井段钻柱力学模型[10]。苏义脑等应用纵横弯曲连续梁法提出了偏轴、柔性钻具、反钟摆等多种防斜打直技术等[11]。高德利等通过加权余量法研究了BHA 涡动等动力学特性，也提出了防斜打直技术的配套理论[12]。随着计算机技术的发展，多位学者应用有限元法建立了井底钻柱的受力分析模型，并根据钻头受力特点详细讨论了井斜规律[13-16]。随着定向井技术的快速发展完善，现场利用滑动导向钻具组合+MWD 连续导向技术进行井眼轨迹控制作业[17]。在井斜规律研究过程中，另一个层面的问题地层自然造斜力对于井斜的影响。目前，部分学者建立了地层自然造斜力模型[18-23]，探索地层自然造斜规律和井斜控制措施。

学者们对井斜机理及直井防斜打直做了部分相关工作，但是，四川盆地双鱼石区块超深井钻井井斜问题依然突出，并且对于双鱼石深部地层发生井斜的机理认识不清，目前缺乏针对该区块的各向异性地层井斜规律和控制的系统分析和讨论。本文通过考虑钻头与地层互作用、地层倾角、井斜角、地层各向异性指数、地层自然造斜力、钻头侧向力，综合建立钻头造斜力模型，通过实钻资料验证模型的正确性。重点讨论不同影响因素下该区块井斜变化规律，为深部地层井斜控制提供重要指导。

1 钻头综合侧向力模型建立

经过大量的工程实践证明纵横弯曲连续梁法可以比较准确快速分析钻头侧向力，核心思想底部钻具组合假设成纵横弯曲连续梁，根据三弯矩方程建立一组代数方程，最终求解钻头侧向力[12]。建模过程中，假设BHA 是小弹性变形，钻压为常量，井壁为刚体，钻头破岩过程中，考虑地层自然造斜力。经过假设建立的模型受力和变形示意图如图1 所示。根据边界条件和力学平衡条件推导出底部钻具组合的三弯矩方程组[11]。

图1 BHA 二维受力与变形示意图Fig.1 Schematic diagram of two-dimensional force and deformation of BHA

取底部钻具组合中最下面一跨为研究对象，可求得出钻头处的侧向力

同样的钻头与不一样的地层接触会产生不同的相互作用力，所以地层造斜力对于钻头井眼轨迹的控制有重要影响。地层自然造斜力建模流程如下文所示。

如图2 所示，假设R为钻压和钻头侧向力的合力。

图2 地层自然造斜力示意图Fig.2 Analysis diagram of formation natural deflection force

由于地层具有倾角和各向异性，钻头处还受有地层施予的地层造斜力，这里暂不考虑钻头的附加转角。把合力R沿地层层面和法向分解为FH和FV，把合位移D沿层面和法向分解成DH和DV，并设这两个方向的钻速分别为VH和VV。

对处于破碎阶段的各向异性倾斜地层，在单位时间内，有

式（4）中，0

在本分析时，Fr<0 为降斜力；Fr>0 为增斜力；Fr=0 为钻头将沿着层面法向钻进。最后将地层造斜力和钻头侧向力矢量合成。钻头综合造斜力为钻头处的造斜力和地层造斜力的矢量和，钻头综合侧向力为

根据式（7）对双鱼石深部地层井斜规律进行分析和讨论。

2 双鱼石区块井斜分布特征分析

综合对比了双鱼石区块典型井直井段井斜情况（图3）。结果显示，该区块在500，2 500，4 500 和6 000 m 附近易发生井斜。针对每口井的井斜情况统计显示，井斜最大可达到11°，多数井的井斜角在0～6°，控制较好的井斜在3°以内（图4）。但井斜和钻具组合降斜能力及地层造斜能力密切相关，根据图5、图6 和图7 展示的3 口单井井斜分布统计可知，易发生井斜的层位为蓬莱镇组、沙溪庙组、须家河组、雷口坡组、嘉陵江组等。

图3 四川盆地双鱼石区块井斜分布统计Fig.3 Distribution statistics of well deviations in Shuangyushi Block,Sichuan Basin

图4 四川盆地双鱼石区块井斜分布统计（代表性单井）Fig.4 Statistics of well deviation distribution in Shuangyushi Block,Sichuan Basin（representative single-well）

图5 四川盆地双鱼石区块S1 井井斜分布统计（分层位统计）Fig.5 Distribution statistics of Well S1 inclination in Shuangyushi Block,Sichuan Basin（stratified position statistics）

图6 四川盆地双鱼石区块S2 井井斜分布统计（分层位统计）Fig.6 Distribution statistics of Well S2 inclination in Shuangyushi Block,Sichuan Basin（stratified position statistics）

图7 四川盆地双鱼石区块S3 井井斜分布统计（分层位统计）Fig.7 Distribution statistics of Well S3 inclination in Shuangyushi Block,Sichuan Basin（stratified position statistics）

反演双鱼石区块空气钻层段的各向异性指数约0.276，泥浆钻井层段的各向异性指数0.033，直井段最大井斜角11.5°，地层倾角0～16.0°，平均约14.0°。重点分析4 500 m 井深附近的井斜，该处平均钻压100 kN，以某钟摆钻具组合为例，空气钻井基本钻具组合为：φ456.0 mm 空气锤+φ254.0 mm 钻铤×2+φ442.0 mm 扶正器+φ228.6 mm钻铤×2+φ203.2 mm 钻铤×1+φ139.7 mm 斜坡加重钻铤×6+φ139.7 mm 斜坡钻杆。常规泥浆钻井基本组合参数为：φ241.3 mm 钻头+φ197.0 mm 螺杆× 1+φ171.4 mm 钻铤×1+φ240.0 mm 扶正器+φ171.4 mm 钻铤×1+φ165.1 mm 钻铤×12。

3 双鱼石区块井斜机理分析

3.1 地层自然造斜能力分析

地层倾角较小情况下，井斜角-地层自然造斜力-地层倾角耦合关系计算结果如图8 所示（钻压100 kN，地层各向异性指数0.033）。

图8 井斜角-地层自然造斜力-地层倾角耦合关系Fig.8 Coupling relationship between well inclination angle–formation natural deflection force and formation dip angle

根据图8 可知，随着井斜角的增加，地层自然造斜力呈线性减小趋势。从计算结果可以看出，井斜角与地层倾角相等时，地层自然造斜力为零，若不考虑钻头侧向力，钻头会沿着地层倾角方向钻进。

井斜角-地层自然造斜力-地层倾角耦合关系如图9 所示（钻压100 kN），随着地层各向异性指数（0.03～0.30）的增加，地层自然造斜力表现出强非线性规律，随着地层各向异性指数增加，地层自然造斜力呈非线性增加趋势，并且增加的幅度较小。地层自然造斜力为120～7 000 N。

图9 地层各向异性指数-自然造斜力-倾角耦合关系Fig.9 Coupling relationship of formation anisotropy index-formation natural deflection force–formation dip

从计算结果可以看出，地层自然造斜力对于地层各向异性指数非常敏感，小幅度的地层各向异性指数增加都会导致地层自然造斜力大幅度增加，钻井液密度降低会直接增大地层各向异性指数。

地层自然造斜力-地层倾角-井斜角耦合关系如图10 所示（钻压100 kN，各向异性指数为0.033）。随着地层倾角的增加，地层自然造斜力线性增加；当井斜角大于地层倾角时，地层自然造斜力表现出增斜，且增斜能力越来越大。地层自然造斜力为0～705 N，总体而言，上倾角越大，地层越容易发生井斜。

图10 地层自然造斜力-地层倾角-井斜角耦合关系Fig.10 Coupling relationship of formation natural deflection force-formation dip angle–well inclination angle

钻压-地层倾角-地层自然造斜力耦合关系见图11（地层各向异性指数取0.033，井斜角为0）。随着钻压的增加，地层自然造斜力表现出线性增加规律，且增加的幅度越来越大。地层自然造斜力为60～1 490 N，地层自然造斜力对于钻压比较敏感，且地层倾角越大，随着钻压的增加，地层自然造斜力增加幅度越大。

图11 钻压-地层倾角-地层自然造斜力耦合关系Fig.11 Coupling relationship between WOB-formation dip-formation natural deflection force

3.2 钻头综合侧向力响应分析

图12 所示为地层自然造斜力和钻头侧向力曲线。由图12 可知，随着钻井液介质的改变，地层自然造斜力差异巨大，空气介质中地层自然造斜力表现的变化幅度更大，主要是由于空气介质改变了井底应力情况，导致地层各向异性指数增大。随着井斜井斜角的增加，钻头的侧向力增大，两种钻井液介质中，钻头侧向力差异不大。

图12 地层自然造斜力和钻头侧向力对比Fig.12 Comparison of natural formation force and bit lateral force

由钻头综合侧向力随地层倾角的关系（图13）可知，随着地层倾角的增加，钻头综合侧向力逐渐减小，当地层倾角为6.5°时，空气中钻头综合侧向力为0，达到稳斜状态，而钻井液中钻头综合侧向力为0的地层倾角大于空气钻井。说明其他条件保持不变的情况下，每种钻具组合和钻井参数对应了一种地层倾角可以保持稳斜状态。该结果对于地层井斜控制和应用具有参考意义。

图13 钻头综合侧向力与地层倾角关系图Fig.13 The relationship between the comprehensive lateral force of the bit and the formation dip

由钻头综合侧向力与地层倾角关系图（图14）可知，随着井斜角的增大，钻头综合侧向力减小，即井斜增加趋势随着井斜角的增减逐渐降低，在空气钻井中井斜角11.0°前，钻头综合侧向力为增斜力，泥浆钻井中井斜角4.5°前钻头综合侧向力为增斜力，两种钻井介质的井斜平衡点在11.0°和4.5°附近，同时，提高扶正器距离钻头，钻头纠斜能力提高。双鱼石区块实际钻井井斜分布规律为空气钻井过程最大井斜角11.0°，其他地层钻井液钻井平均井斜在4.5°左右，本文模型分析结果与双鱼石区块实际钻井井斜分布规律保持一致，说明该分析模型的正确性。

图14 钻头综合侧向力与井斜角关系图Fig.14 The relationship between the comprehensive lateral force coupling of the bit and well inclination angle

4 井斜控制措施

针对双鱼石区块深层钻井井斜机理，设计了适合于易斜地层的防斜及纠斜下部钻具组合，充分释放钻压，提高机械钻速。比如，针对双鱼石区块蓬莱镇组，地层倾角为6.00°～8.00°，未优化之前的钻具组合和钻井参数为φ456.0 mm 空气锤+φ254.0 mm 钻铤×2+φ442.0 mm 扶正器+φ228.6 mm钻铤×2+φ203.2 mm 钻铤×1+φ139.7 mm 斜坡加重钻铤×6+φ139.7 mm 斜坡钻杆，钻压10～30 kN，转速25～30 r/min，排量42 L/s，斜角4.6°，钻速为5 m/h。通过本文理论分析可知，只需要通过调节扶正器的位置和优化钻井参数，即可控制井斜，扶正器位置从原来距离钻头20 m的位置提高到了距离钻头29 m的位置，增大了钻头的钟摆力，井斜角由4.60°降低至1.14°。优化后的钻具组合和钻井参数为φ456.0 mm 空气锤+φ254.0 mm 钻铤×2+φ228.6 mm 钻铤×1+φ441.0 mm 扶正器+φ228.6 mm钻铤×2 +φ203.2 mm 钻铤×2+φ139.7 mm 斜坡加重×6+φ139.7 mm 斜坡钻杆，钻压15～20 kN，转速40～45 r/min，排量42 L/s。井斜角降至1.14°，钻速为7 m/h，钻速同比提高了40%。

针对深层雷口坡组和嘉陵江组井斜情况，地层倾角为8.00°～10.00°，邻井井斜达11.00°，采用本文钻头综合侧向力分析可知，常规钻具通过调整钻井参数和钻具组合最多可将井斜控制到5.00°，无法降至1.50°以下，常规钻具组合为φ241.3 mm 钻头+φ197.0 mm 螺杆×1+φ171.4 mm 钻铤×1+φ240.0 mm扶正器+φ171.4 mm 钻铤×1+φ165.1 mm 钻铤×12。最终采用垂直钻井技术，增大钻头综合侧向力，将同层位井斜角5.00°快速降低到0.50°，同时机械钻速达到2.36 m/h，同比提高了85%。垂直钻井组合和钻井参数φ241.3 mm PDC 钻头+Power–V+197.0 mm 直螺杆+172 mm 无磁钻铤+168.0 mm 钻铤×6+随钻震击器+127.0 mm 加重钻杆×2。钻压130～150 kN，排量34 L/s，泵压29～33 MPa，转速40 r/min。

在双鱼石区块深层钻井过程中，井斜问题突出，在钻井成本可控范围内，建议选择垂直钻井技术作为理想的井斜控制方案，在双鱼石钻井区块采用垂直钻井技术产生的提速和井斜控制效益优势较大。在不考虑垂直钻井技术的前提下，通过调整钻具组合和钻进参数适当增加钻具的降斜力，以提高井身质量，小钻压吊打，防止井斜。

5 结论

（1）双鱼石区块深层钻井过程中，蓬莱镇组、沙溪庙组、须家河组、雷口坡组、嘉陵江组等层位发生严重井斜，大大影响了井身质量和钻井速度。

（2）针对双鱼石区块，考虑钻头与地层互作用、地层倾角、井斜角、地层各向异性指数、地层自然造斜力、钻头侧向力，综合建立了钻头综合侧向力模型，通过实钻资料验证了模型的正确性。根据不同影响因素探讨了井斜变化规律。地层各向异性指数、地层倾角、井斜角、钻压等因素对地层自然造斜力均有影响，尤其是地层各向异性指数、地层倾角对地层自然造斜力影响最大，其次是井斜角和钻压。

（3）空气钻井比钻井液钻井条件下地层自然造斜力大，主因是空气介质改变了井底应力状态和各向异性指数。随着地层倾角的增加，地层自然造斜力增加。随着地层各向异性指数的增加，地层自然造斜能力增大导致井斜角增大，随着井斜角增大，钻头综合侧向力减小，纠斜能力减弱。

（4）在钻井成本可控范围内，建议选择垂直钻井技术作为理想的井斜控制方案。在不考虑垂直钻井技术的前提下，通过调整钻具组合和钻井参数可以适当增加钻头的纠斜能力，提高井身质量，同时，小钻压吊打，防止井斜。研究结果可为超深层井斜规律的研究和高效控制提供重要的参考和指导。

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