高陡地層鉆井防斜打快與改進對策研究

周巍巍

摘要：隨著開發程度的深入，復雜地層和低品位儲量的動用程度逐年增加，給鉆井施工加大了難度。在高陡構造等復雜地層垂直鉆井工程中，由于地層自然造斜效應的影響，井斜問題十分嚴重，成為長期以來制約高陡構造等易斜地層油氣資源勘探開發進程的一大技術瓶頸，也是自旋轉鉆井應用于石油工業以來的百年技術難題之一。從國內外的防斜打直技術現狀來看，施加鉆壓（鉆頭破巖機械能量）的大小仍受到傳統靜力學防斜理論的嚴重制約，在鉆遇易斜地層時通常是以犧牲鉆壓甚至“輕壓吊打”來確保井斜控制質量，從而使快速鉆進與防斜打直的矛盾更加突出，甚至面臨嚴峻的技術經濟挑戰。

關鍵詞：復雜地層；鉆井；防斜打快；對策

隨著旋轉鉆井產生和發展，直井防斜這一技術問題應運而生。如何能快速安全地鉆出直井而不使井斜角過大一直現場工作者研究和探索的重要課題。幾十年來，人們在這一領域的努力取得了很大進展，直井防斜技術水平不斷提高。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。地質因素，如地層傾角，對井斜的影響是客觀的，不以人的意志為轉移的，這是人們無法操縱和控制的。而主觀的影響因素，包括鉆具結構及鉆壓、轉速等，對井斜的影響在一定程度上可以為我們所控制。

1 旋轉鉆井方式優選與防斜打快

在國內外油氣勘探開發工程中，人們目前廣泛采用的鉆井方式仍然是旋轉鉆井，它迄今已有百年發展歷程。旋轉鉆井又分為轉盤旋轉鉆井、井下動力鉆井及二者兼備的復合旋轉鉆井等不同的旋轉鉆井方式。若是轉盤旋轉鉆井，則整個鉆柱處于旋轉運動狀態，同時帶動鉆頭旋轉鉆進；若是井下動力鉆井，則井下動力鉆具的轉子帶動鉆頭旋轉鉆進，轉盤及整個鉆柱可以不旋轉；若是復合旋轉鉆井，則在使用井下動力鉆具的同時又開動轉盤旋轉鉆進。研究和實踐證明，每一種旋轉鉆井方式都具有各自不同的鉆井特性和優缺點。其中，“復合旋轉鉆井方式”在一定程度上兼備轉盤鉆和井下動力鉆的優點，既可連續控制井眼軌跡和減少起下鉆次數，同時還能提高機械鉆速，是一種比較高效的可控鉆井方式。在20世紀八十年代，隨著定向井和水平井鉆井技術的發展，導向鉆井系統應運而生，具有彎外殼或偏心穩定器的井下動力馬達（稱之為“導向馬達”）替代了直桿動力馬達和彎接頭。根據“鐘擺”原理和動力學防斜打快理論，利用井下動力鉆具（螺桿鉆具、渦輪鉆具、減速渦輪鉆具、螺桿渦輪鉆具等）的高轉速特性，加上長壽命、高轉速的PDC鉆頭，輔之以轉盤（或頂驅）復合鉆進，既可以防斜，又可以提高機械鉆速，是目前山前高陡構造等易斜地層防斜打快的優選技術之一，已在我國復雜深井鉆井工程中獲得成功應用。特別是井底小位移垂直鉆井，對井斜控制提出更高的要求，可采用井下彎外殼動力鉆具組合進行復合旋轉鉆進，并與PDC鉆頭配合使用，采取低鉆壓、高轉速操作參數，既可有效地防止井斜及滿足井底小位移控制目標，又能夠提高機械鉆速。

2 國外自動垂直鉆井系統

從現狀和發展趨勢來看，在進入21世紀后，旋轉鉆井仍將是油氣工業最主要的鉆井方法，并且不斷向著信息化、智能化及自動化方向發展。迄今，國外幾家石油技術公司已研發出各具特色的旋轉導向鉆井系統，并不同程度地被商業化應用，其中包括若干自動垂直鉆井系統。為適應復雜地質條件下深井垂直鉆井防斜打快的市場需求，Schlumberger公司推出了Power Drive系統的低端產品-Power-V系統，Baker Hughes Inteq 公司推出Verti Trak系統，等等。其中，Power V系統在我國西部復雜深井鉆井工程中獲得良好應用，可以在一定井深和井眼尺寸范圍內有效控制井斜變化，并達到比較理想的機械速度。然而，這類高技術目前仍被西方國家的石油技術公司所壟斷，只提供高昂的技術服務，雖然可以解決復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、鉆機能力及使用成本等因素的制約，這類技術尚不適用于深部井段。

3 垂直鉆井防斜打快的技術措施

1）詳細了解研究區塊的地質情況，獲取各個層位的產狀數據。山前高陡構造由于受構造應力的作用，不同地區地質情況會有所不同，應從鄰井傾角測井資料（有已鉆井的情況）或地震構造圖（未鉆井的新區）上詳細了解研究區塊的地質構造情況，獲取各個層位詳細的產狀數據。2）評價待鉆地層的可鉆性各向異性。搜集研究區塊的測井資料（主要是聲波測井資料、補償密度測井資料、自然伽瑪測井資料），如果研究區塊沒有測井資料則應該從地震資料中提取層速度資料，然后由測井資料或地震層速度資料評價出研究區塊的地層可鉆性各向異性情況。3）根據地層可鉆性各向異性評價結果計算待鉆地層的自然造斜力。由工程設計獲取待鉆井的井眼軌跡數據（如果設計井是直井則令井斜角和方位角均為零），然后結合地層產狀數據、井眼軌跡設計數據和地層可鉆性各向異性評價結果計算出地層的自然造斜力。4）根據地層自然造斜力優選底部鉆具組合和鉆壓。首先根據地層自然造斜力分布情況把全井分成多個井段，對不同的井段繪制不同底部鉆具組合的側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的底部鉆具組合。然后繪制不同井況下該底部組合的側向力和地層造斜力疊加圖，從中選出適合該層段鉆進的最優鉆壓。5）根據現場實際，及時調整鉆井措施。對全井段而言，地層自然造斜力并不是一成不變的，因此應根據實際情況及時調整技術措施（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計和優選很重要。6）及時監測井眼軌跡變化，適時調整鉆井措施。地層各向異性指數、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，因此，鉆進期間應及時測斜，以了解井眼軌跡狀況，根據測斜結果及時計算地層自然造斜力，作為調整鉆井措施的依據。7）嚴格執行鉆井技術措施。鉆井期間應嚴格按設計鉆壓進行鉆進，送鉆應力求平穩，以利于評價鉆具組合使用效果。8）及時總結上一井段鉆具組合的使用經驗，用于指導下部井段的施工。9）山前高陡構造等易斜地層具有較強的自然造斜效應，因而對底部鉆具組合應的防斜能力提出了更高的要求，欲實現防斜打快的目標，就必須采用先進的井下測量與控制工具等.

4 結束語

當前，石油工程領域面臨著一重大難題，就是對高陡構造等易斜地層進行垂直鉆井的時候，很難實現防斜打快的理想。本文對易斜地層防斜打快鉆井理論與技術進行了分析與研究，旨在提高易斜地層防斜打快鉆井技術，在對高陡構造等易斜地層進行垂直鉆井的時候，達到防斜快打的理想目標。

參考文獻：

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