高陡构造防斜打快技术
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发布时间：2022-04-22 05:34
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时间：2023-07-17 09:15
常规防斜纠斜组合主要有满眼钻具组合和钟摆钻具组合两类。满眼钻具主要应用在稳斜打快工艺中，钟摆钻具主要应用在“轻压吊打”，牺牲机械钻速，提高井眼质量。下面重点介绍偏轴组合防斜打快技术、动力钻具+转盘复合钻井技术、垂直钻井系统。
3.3.3.1 偏轴组合防斜打快技术
常规防斜纠斜技术是以牺牲机械钻速来换取直井的井身质量。偏轴组合防斜技术是在组合中安装有偏轴接头，在大钻压作用下，偏轴接头处产生一弯矩作用，从而使组合产生弯曲变形，结构如图3-116所示。变形后的偏轴组合在井眼内作稳定的弓形回旋运动、钻头均匀切削井壁四周，由于钻头倾角在一周回旋中作用抵消，因而消除了钟摆钻具中因钻头倾角造成的增斜作用，实现稳斜；同时，由于钻柱的变形造成的上切点距井底较远，形成较强的降斜力，可以在高陡构造下克服较大的地层力而达到纠斜目的。转盘带动钻柱使偏轴组合产生公转（即弓形回旋），一方面因其陀螺效应，具有稳斜作用而不易增加井斜；另一方面是井壁带平的增斜效果，因而比钟摆钻具更强化了降斜功能；再者，由于钻柱变形使上切点值高于常规钟摆钻具从而又产生降斜分量，从而在一定程度上可抵消一部分地层造斜力。偏轴组合防斜具有“重压快钻、以稳为主、稳中有降”的特性，可实现防斜打快的统一。
图3-116 偏轴钻具组合
该组合可加大钻压和使用高转速，且在一定钻压范围内钻压越高，转速越快，降斜效果越好。实践证明，该组合具有结构简单，使用方便，可减少井下事故等优点。
中国南方海相地层，地层倾角一般都在30°～80°以上，岩石硬度级别高，研磨性极强，井身质量难以控制，影响了钻井速度的进一步提高。乌龙1井是中国石化在云南楚雄盆地北部次坳陷盐丰凹陷乌龙口背斜高部位部署的第一口重点区域探井，该井在施工中，为确保良好的井身质量，在二开Φ311.15mm井眼2525～2593.07m井段采用了偏轴防斜钻具组合，钻具组合：Φ311.15mm钻头+偏轴接头+Φ228.6mm双向减震器+Φ228.6mm钻铤18.17m+Φ311mm扶正器+Φ228.6mm钻铤54.21m+Φ203.2mm钻铤53.28m+Φ197mm随钻上击器+Φ177.8mm钻铤27.12m+Φ127mm加重钻杆72.93m+Φ127mm钻杆。钻井参数：钻压40～220kN，转速60～75r/min，排量44L/s。从表3-5看出，机械钻速与钟摆钻具相比提高了47%，具有一定的防斜效果。
表3-5 偏轴钻具与钟摆钻具使用效果对比
3.3.3.2 动力钻具+转盘钻复合驱钻井技术
动力钻具+转盘复合钻井技术用来防斜打快的特点是小钻压防斜和高转速打快。随着技术的进步，动力钻具防斜有了长足发展，其中动力钻具+钟摆钻具+转盘复合钻井、动力钻具+单弯或双弯壳体或稳定器钻具组合应用最为成熟，二者的配合使用在高陡构造防斜效果很好。
在钻头上方的适当高度位置加装一个稳定器，这样在施加较大钻压时，不会造成切点下移而导致钟摆力下降；相反，因稳定器下部具有足够长的钻铤长度，从而保证有较大的钟摆力。
稳定器的最优安装位置可由钻具组合优化设计程序计算确定，也可由井底钻具组合分析程序计算和对比不同方案优选确定。对图3-116有稳定器的钟摆钻具组合，其钻头侧向力为：
中国海相油气勘探理论技术与实践
若采用柔性钻具，可使下稳定器处内弯矩M1的绝对值减小（M1＜0），从而得到较大的降斜力。
在乌龙1井施工中，采用以下钻具组合，在二开井段使用了动力钻具+钟摆钻具+转盘复合钻具组合。钻具组合：Φ311.15mmPDC+Φ216直螺杆+Φ228.6mm钻铤×2根+Φ310mm扶正器+Φ203.2mm钻铤×14根+Φ203.2mm随钻震击器+Φ203.2mm钻铤×2根+Φ127mm加重钻杆×15根+Φ127mm钻杆。钻井参数：钻压40～120kN，转速152～169r/min。从表3-6可以看出，具有较好的降斜效果，机械钻速有了大幅度提高，比常规钟摆钻具组合提高了44.6%。
表3-6 动力钻具+钟摆钻具与常规钟摆钻具效果对比
3.3.3.3 垂直导向钻井技术
垂直钻井系统是一种主动防斜技术，既能防斜打直，又能释放钻压提高机械钻速，特别适用于自然造斜力特强的地层（地层倾角大于40°）。例如PowerV就是一种成熟的垂直钻井系统，它的自动防斜系统使钻井参数得到释放，可达到防斜和高速钻进的双重目的。PowerV适用于包括膏泥岩和盐层的各种岩性地层。
PowerV主要有2个组成部分，即上端的电子控制部分（简称CU），下端的机械动力部分（简称BU），如图3-117所示。在两者中间还可有1个辅助部分（加长短节，简称ES）。
电子控制部分CU是PowerV的指挥中枢，内部有钻井液驱动的发电机，还有陀螺、钻柱转速传感器、流量变化传感器、震动传感器、温度传感器以及电池控制的时钟等。它可以独立于外面的钻铤而旋转或者静止不转。
图3-117 PowerV整体结构
开泵后，发电机发电，陀螺测量到井底的井斜角和方位角，然后按照地面工程师的要求把其内部的电子控制部分固定在某一个方位上，从而实现无论钻柱如何旋转，CU内部的控制轴始终对准在需要的方位上，这个方位加上一个校对值后就是地面工程师所需要的高边工具面角的反方向。如果需要调整控制轴的方位角，可由地面工程师向PowerV发送命令。
机械动力部分中，BU是一个纯机械执行装置，下接钻头，上接电子控制部分，主要由1个钻井液导流阀和3个Pad（伸缩块或叫推力块）组成，伸缩块的伸缩动力由钻井液提供，并由控制阀分配。伸缩块的伸出由钻井液导流阀控制。钻井液导流阀为一盘阀，由上、下两部分组成。
上盘阀由控制轴带动，阀上有高压阀孔，与高压钻井液相通。高压阀孔做成弧形长孔形状，目的是使高压钻井液作用在翼肋上的力具有一定的作用时间，以保证侧向控制力的作用效果。PowerV系统的高压阀孔的圆心角为200°。下盘与导向机构轴体相固联，上面有3个直径相同的圆孔，圆孔下的通道通向伸缩块的活塞室。3个圆孔间的相位相差120°，PowerV系统的导流阀或控制阀见图3-118。导流阀结构此导流阀与电子控制部分的控制轴相连，其方向由控制轴的方位而定。有2%～5%的钻井液首先经过这个导流阀分流，然后转到该方向上的某个伸缩块A，伸缩块A就伸出，推挤井壁，井壁对钻头产生一个反作用力，这就是所谓的钻头侧向力，从而把钻头推向地面工程师所需要的方位。该伸缩块A转过这个位置后，钻井液的液压作用就转向下一个转到这里来的伸缩块B，从而伸缩块B伸出。而伸缩块A则会在井壁的挤压下缩回去，周而复始，由此实现旋转导向功能。伸缩块在那个方位伸出、伸出次数的几率（百分比）都是由地面工程师通过电子控制部分决定的。对井壁推力的大小是由钻头压降决定的，可以由地面人员通过调节排量而进行控制。
图3-118 PowerV控制阀
垂直钻井系统在秋南1井中得到应用，秋南1井构造位于塔里木盆地库车坳陷东秋里塔格构造带西端，构造上北邻天山，邻井东秋5井浅表地层倾角大于60°，东秋8井从地面露头看地层倾角在60°～80°之间。秋南1井井位处于山丘“背斜凸起”部位，属典型高陡地层。为提高钻井速度，在该井使用了垂直钻井系统，使用情况见表3-7。
秋南1井使用垂直钻井工具平均机械钻速3.49m/h，机械钻速比东秋8井提高4倍。井身质量优质，钻井速度大幅度提高，实现了防斜打快的目的。
表3-7 垂直钻井系统在秋南1井使用效果表
