[钻井技术:494]导眼与扩眼组合钻进模式在定向井 轨迹控制中的应用

[来源：石 油 钻 采 工 艺]作者：梁奇敏、刘新云、石李保、陶　冶、李令东、胡　贵（中国石油勘探开发研究院工程技术研究所， 北京　100083）

摘要：

定向井由于受诸多因素影响， 其实钻轨迹有时并不沿着设计轨道钻进， 给钻井施工带来很大挑战。 不考虑地层特性、钻井参数、 井眼轨迹等影响因素， 采用简单实用且可满足工程要求的公式， 计算和分析了单弯单稳螺杆钻具组合的理论几何造斜率。研究了井眼及钻具尺寸对造斜率的影响， 发现相同条件下小井眼比大井眼更易获得高造斜率。由此提出在造斜率要求较高的井段， 可先钻一个小尺寸导眼， 再扩眼到设计尺寸的组合钻进模式。以 X 井为例， 证实了在轨迹控制困难的定向井中，采用该组合模式后， 满足工程要求且降低作业成本， 缩短钻井周期。研究结果为井身结构设计和定向井轨迹控制提供了理论指导和借鉴。

 正文:

采用定向井技术可以使地面和地下条件受到限制的油气资源得到很好的开发， 既能大幅度提高油气产量和降低钻井成本， 又利于保护自然环境， 经济、 社会效益显著。由于独特的优势， 定向井在中国经历了飞速的发展， 现在已经作为一种经济有效且非常成熟的开采手段在我国广泛使用 ［1-5］ 。井眼轨迹控制是定向井最核心的部分， 直接决定着一口定向井的成败， 但由于制约因素多， 有时难以控制井眼轨迹沿着设计轨道钻进， 尤其是井斜方面的控制， 使得轨迹控制问题至今仍未能完全解决。遇到自然增斜严重的地层， 如山前高陡构造， 推覆体等， 更是给井眼轨迹控制带来挑战。科研和现场人员进行了大量的研究 ［6-9］ ， 采用“钟摆钻具” 后单纯调整钻井参数（主要是减小钻压） ， 会严重影响钻进速度， 且降斜效果并不太理想；换大弯度螺杆钻具滑动钻进， 虽然降斜效果好， 但超过 1.5° 的螺杆入井后就不能旋转钻进， 会导致频繁的起下钻；即使采用旋转导向，费用昂贵而且低钻压钻进也会影响机械钻速。面对定向井轨迹控制困难的问题， 通过调整井眼尺寸大小来解决或缓解此问题， 先钻一个小尺寸的导眼来保证轨迹达到要求， 然后再用大尺寸的钻头沿着已钻的小井眼进行扩眼。介绍了“先导眼再扩眼” 模式的理论依据和应用实例， 为今后定向井的井身结构设计和井眼轨迹控制提供了一种新的手段。

1　井眼及钻具尺寸对造斜率的影响

螺杆钻具使用广泛 ［10-13］ ， 配合螺杆钻具使用的最典型的一种钻具组合方式是“单弯双稳” 螺杆钻具组合， 其 BHA 的结构示意图如图 1 所示。

自从 1985 年， H Karisson 等人率先提出了弯壳体导向工具几何造斜率的计算方法——“三点定圆法”［14-15］ 后， 国内外学者进行了大量的研究 ［16-19］。如果钻具为刚性， 不发生弹性形变， 则井径就等于近钻头稳定器直径时几何造斜率（单位是（° ）/30 m）的计算如下 ［20］

式中， L 1 为钻头到下稳定器的长度， m；L 2 为下稳定器到弯曲点的长度， m；L 3 为弯曲点到其上第 1 个切点或上稳定器的距离， m；γ 为螺杆的弯曲度数， °。考虑稳定器欠尺寸的影响， 造斜率 K 的计算公式为 ［21］

式中， D S1 为下稳定器的直径， m；D S2 为上稳定器的直径， m；D b 为井眼直径， m。该方法虽然没有涵盖地层特性、 已钻轨迹、 钻进参数等因素对造斜特性的影响， 但具有计算简单的优点， 突出了钻具组合对造斜效果所起的主导作用， 直观反映了钻具的结构参数对造斜率的贡献。按照现场的作业经验， Ø311.2 mm 的井眼， 所用的螺杆钻具的弯度是 1.25° ， 上式中的 L 1 、 L 2 、 L 3 分别取 0.5 m、 1 m、 7.9 m， 上、 下稳定器的直径分别为298.45 mm 和 308.2 mm， 得到的造斜率是 6.185 （° ）/30 m；Ø215.9 mm 的井眼， 所用螺杆钻具的弯度仍是 1.25 ° ， 公式中的 L 1 、 L 2 、 L 3 分别取 0.5 m、 0.8 m、7.3 m， 上、 下稳定器的直径分别为 203.2 mm 和 213mm， 得到的造斜率是 6.942 （° ）/30 m。由此可以得出， 在其他参数都相同的条件下， 小井眼比大井眼的造斜率更高， 更便于轨迹控制。从某种意义上讲， 可以把上面计算的几何造斜率近似看作是螺杆钻具的最大造斜率 ［19］ ， 即使根据地层的实际情况可能造斜率会比计算值低一些， 但是井眼及钻具尺寸对造斜率的影响规律是不变的。

2　现场应用

X 井是一口预探井。由于地质靶点的正上方是沟壑， 无法摆放井架， 根据地面的条件将井口坐标选在了地势相对较平坦的山顶， 形成了一口小斜度定向井。该井的设计轨道见表 1， 井身结构见表 2。在二开稳斜段旋转钻进时， 采用的钻具组合为：Ø311.2 mmPDC 钻头 +Ø241.3 mm（1.25° ）单弯螺杆 Ø203 mm 无磁钻铤 × 1 根 +MWD+Ø203.2 mm螺 旋 钻 铤 ×3 根 +Ø177.8 mm 螺 旋 钻 铤 ×6 根+Ø177.8 mm 随钻震击器 1 套 +Ø177.8 mm 螺旋钻铤 ×3 根 +Ø127 mm 加重钻杆 ×15 根 +Ø127 mm钻杆（S135） ， 在 30 kN 钻压的条件下， 地层的自然增斜严重（可达 1 （° ）/10m） ， 滑动钻进的降斜率很低1.5 （° ）/30m， 井眼轨迹比设计的轨道上翘， 井斜严重超标， 只能在低钻压下钻进， 导致钻井速度很慢而严重影响了进度。采用导眼 + 扩眼组合钻进模式，先用小尺寸的钻具组合钻进， Ø215.9 mmPDC 钻头+Ø172 mm （1.25º）单弯螺杆 1 根 +Ø213 mm 螺扶 1只 +Ø165mm 单流阀 ×1个 +Ø158.8 mm 无磁钻铤1 根 +Ø165 mmMWD+Ø165 mm 投入式止回阀 ×1个 +Ø158.8 mm 钻铤 6 根 +Ø158.8 mm 随钻震击器1 套 +Ø158.8 mm 钻铤 3 根 +Ø127 mm 加重钻杆 18根 +Ø127 mm （S135） 钻杆。滑动钻进的造斜率是 3.2（º）/30 m（由于受地层倾角影响较理论值低） ， 效果

明显比在 Ø311.2 mm 井眼中好， 钻完二开井段后再扩眼到 Ø311.2 mm， 总体钻进速度没有受到影响， 而且满足了轨迹控制要求。

3　结论

（1） 根据定向井的钻井特点， 轨迹控制困难的情况时有发生， 尤其在山前构造或推覆体等自然造斜严重的地质条件下， 这种问题尤为突出。

（2） 针对带有单稳定器的单弯螺杆钻具组合， 利用简单实用且可以满足工程要求的理论造斜率计算方法， 分析了钻具尺寸对造斜率的影响， 发现尺寸较小的钻具及井眼更利于获得高造斜率。

（3） 在井眼轨迹控制困难时， 可先用小尺寸的钻具控制井眼轨迹， 然后再扩眼到目标尺寸。并以 X井为例， 介绍了导眼 + 扩眼组合钻进模式在定向井井眼轨迹控制中的应用， 为井眼轨迹控制和井身结构设计提供了借鉴和指导经验。

〔编辑　薛改珍〕