鄧 拓，熊文超

（湖南省煤田地質(zhì)局第一勘探隊(duì)，湖南衡陽421800）

湖南省作為一個(gè)無油少氣缺煤少電的能源輸入省份，石油天然氣資源匱乏，至今尚未發(fā)現(xiàn)可供開采的石油和天然氣，目前湖南省能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中，煤炭約占全省一次性能源消費(fèi)總量的75%，清潔的天然氣僅4%，天然氣存在巨大的供需缺口。頁巖氣的勘探開發(fā)成為必然的需要。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目背景

《雪峰古陸周緣頁巖氣地質(zhì)調(diào)查》項(xiàng)目的實(shí)施，旨在查明區(qū)內(nèi)頁巖氣成藏地質(zhì)條件，優(yōu)選頁巖氣有利區(qū)，力爭頁巖氣發(fā)現(xiàn)。針對雪峰周緣存在三大勘查類型，2019年優(yōu)先在雪峰山北緣洞庭湖盆過渡類型太陽山凸起位置處部署實(shí)施湘臨地1井[1]。

1.2 地質(zhì)概況

湘臨地1井地層層序不完整，受多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的控制影響，上古生界地層剝蝕殆盡，僅殘留下古生界地層，白堊系—第四系不同程度覆蓋在中下奧陶系之上。湘臨地1井依次鉆遇第四系、奧陶系（馬刀堉組、盤家咀組）、寒武系（沈家灣組、比條組、車夫組、花橋組、敖溪組、清虛洞組、杷榔組、牛蹄塘組）地層，地層巖性以白云巖、灰?guī)r、泥頁巖為主，白云巖與灰?guī)r頻繁交錯(cuò)，地層傾角10°～20°[2]。

1.3 井身質(zhì)量要求

按SY/T 5088-2017《鉆井井身質(zhì)量控制規(guī)范》執(zhí)行。見表1詳細(xì)要求[3]。

表1 井身質(zhì)量要求

2 井斜發(fā)生的原因

2.1 地質(zhì)條件

地質(zhì)因數(shù)是影響井斜的重要原因，主要有地層傾角、地層的層狀結(jié)構(gòu)、地層的軟硬交錯(cuò)。作為現(xiàn)場技術(shù)人員在施工前應(yīng)詳細(xì)收集附近出露的地層情況及鄰井資料，根據(jù)地層情況做好相應(yīng)的分析及技術(shù)措施準(zhǔn)備。

2.2 鉆具彎曲

井下鉆具彎曲狀態(tài)也是造成井斜的主要原因。在一定的鉆具結(jié)構(gòu)下，當(dāng)鉆壓超過一定的數(shù)值后，下部鉆柱就產(chǎn)生彎曲，鉆頭及其相鄰連接部分鉆柱的中心線就偏離井眼軸線，鉆壓不再沿著原來的井眼軸線施加給鉆頭，從而偏離了角度，因而使井眼發(fā)生偏斜，形成一個(gè)鉆頭傾斜角β，對井底造成不對稱切削，造成井斜，使鉆柱一次彎曲、2次彎曲（見圖1）[4-6]。

圖1 鉆具彎曲情況示意圖

鉆柱彎曲受壓長度已有的定量表達(dá)式如下：

式中：L1——1次彎曲受壓長度；

L2——2次彎曲受壓長度；

J——鉆鋌截面慣性矩；

E——鋼材彈性模量；

QM——鉆鋌的重量。

彎曲的臨界鉆壓用如下表達(dá)式：

式中：L——彎曲受壓長度；

P——臨界鉆壓；

Q——單位質(zhì)量。

據(jù)有關(guān)資料：一次彎曲的切點(diǎn)h1≈1.8～1.33m（切點(diǎn)隨鉆壓加大下移）。二次彎曲點(diǎn)高度h2≈3.4m。

（1）鉆壓小于一次彎曲臨界鉆壓時(shí)，鉆柱不彎曲，鉆頭無傾斜角，井容易鉆直。在一次彎曲和二次彎曲之間時(shí)，鉆頭傾斜角最大，容易把井鉆斜。在二次彎曲臨界值時(shí)，鉆頭的傾斜角相對較小，有利于鉆直井。如鉆壓再增大，鉆頭傾斜角又隨之增大，直到三次彎曲時(shí)，鉆頭傾斜角才會相對減小。因此鉆進(jìn)時(shí)應(yīng)將鉆壓控制在略大于P2或P3的數(shù)值。

（2）當(dāng)鉆頭直徑一定時(shí)，鉆鋌直徑越大，環(huán)形間隙越小，越容易鉆直，因此應(yīng)選用直徑大剛性大的鉆鋌，并盡可能減小下部鉆柱與井眼的間隙。

2.3 鉆具組合及鉆井參數(shù)對井斜的影響

上面分析的都是理想直井的情況，而實(shí)際上由于地層的客觀造斜存在，井眼不可能為垂直，總存在一定的井斜，但斜度的增大或減小保持一定的平衡，主要取決于鉆頭的受力狀況，主要有：

（1）鉆壓。由于鉆具的彎曲（由鉆壓及井斜下鉆具由于自重靠向底邊，鉆具受力情況見圖2）形成鉆頭傾向斜角。根據(jù)力的平行四邊形法則對力進(jìn)行分解，主要為井眼軸線方向的力與軸線垂直方向的力，為增斜力[7-8]。

圖2 鉆具受力情況

（2）鐘擺力Fd。井斜形成后，鉆鋌在切點(diǎn)以下的重量W將在垂直方向上形成一個(gè)類似鐘擺的分力，驅(qū)使鉆頭破碎井眼低側(cè)巖石，使井眼恢復(fù)垂直[9]。

式中：α——井斜角；

Fd——鐘擺力；

W——鉆鋌在切點(diǎn)下的重量。

通過以上公式分析可得出結(jié)論：①直井時(shí)，鐘擺力等于零；②使用鐘擺鉆具，允許在一定的范圍內(nèi)，將鉆壓值提高，從而加快鉆進(jìn)速度，而井斜角減?。虎厶岣咔悬c(diǎn)，增加切點(diǎn)以下的鉆鋌重量。

綜合考慮上述因素，鉆頭上存在的增斜力降斜力都是人為影響井斜變化的主要因素；考慮在同性地層中，井斜主要取決于鉆壓、鉆鋌尺寸、井眼尺寸。由此可見，在不同井眼尺寸下選用合適的鉆具組合，通過控制合理的鉆壓及參數(shù)就能有效控制井斜變化。

3 鉆具組合在湘臨地1井的井斜控制應(yīng)用

為了控制井斜的變化趨勢，根據(jù)井身結(jié)構(gòu)，了解鄰井資料，根據(jù)鉆進(jìn)中參數(shù)的需要，選用相應(yīng)的鉆具組合，達(dá)到控制好井斜的變化，從而高效地完成施工。

3.1 以一開施工過程舉例[9-10]

（1）一開鉆進(jìn)（30～188m）。

鉆具組合：?406.4mmPDC+?228mm鉆鋌×3根+?203mm鉆鋌×3根+?177mm鉆鋌×3根+?157mm鉆鋌×3根+?127mm加重鉆桿×7根+下旋塞+?133mm方鉆桿+上旋塞。

鉆進(jìn)參數(shù)：鉆壓40～60kN；轉(zhuǎn)數(shù)65r/min；排量35L/s；立壓3～9MPa。

鉆井液參數(shù)：密度1.05g/cm3；粘度52s。

一開第一趟鉆采用?406.40mmPDC鉆頭第一次開鉆，由于缺少適配螺旋扶正器，一開采取輕壓吊打鉆進(jìn)至188.00m。起鉆更換鉆具組合，改用雙螺旋扶正器并加大排量。

（2）一開鉆進(jìn)（188～228m）。

鉆具組合：?406.4mmPDC+?228mm鉆鋌×1根+螺扶?403mm+?228mm鉆鋌×2根+?400mm螺扶+?203mm鉆鋌×3根+?177mm鉆鋌×3根+?157mm鉆鋌×3根+?127mm加重鉆桿×7根+?127mm鉆桿×4根+下旋塞+?133mm方鉆桿+上旋塞。

鉆進(jìn)參數(shù)：鉆壓40～60kN；轉(zhuǎn)數(shù)65r/min；排量60L/s；立壓3～9MPa。

鉆井液參數(shù)：密度1.05g/cm3，粘度52s。

一開第二趟鉆采用?406.40mm PDC鉆頭并采用雙扶正器進(jìn)行鉆進(jìn)，但是PDC鉆頭的早期崩片，鉆頭壽命短，起鉆更換鉆頭，改用牙輪鉆頭鉆進(jìn)。

（3）一開鉆進(jìn)（228～321m）。

鉆具組合：?406.4mm牙輪鉆頭+?228mm鉆鋌×1根+螺扶?403mm+?228mm鉆鋌×2根+?400mm螺扶+?203mm鉆鋌×3根+?177mm鉆鋌×3根+?157mm鉆 鋌×3根+?127mm加 重 鉆 桿×7根+?127mm鉆桿×4根+下旋塞+?133mm方鉆桿+上旋塞。

鉆進(jìn)參數(shù)：鉆壓40～60kN；轉(zhuǎn)數(shù)65r/min；排量60L/s；立壓3～9MPa。

鉆井液參數(shù)：密度1.05g/cm3；粘度52s。

采用?406.40mm牙輪鉆頭并采用雙扶正器進(jìn)行鉆進(jìn)，牙輪鉆頭的低扭矩穩(wěn)定性較好，但是機(jī)械鉆速低，后經(jīng)現(xiàn)場討論，改用螺桿+PDC鉆頭進(jìn)行鉆進(jìn)。

（4）一開鉆進(jìn)（321～532m）。

鉆具組合：?406.4mmPDC鉆頭+?244.5mm螺桿+?228mm鉆鋌×1根+螺扶?403mm+?228mm鉆鋌×2根+?400mm螺 扶+?203mm鉆 鋌×3根+?177mm鉆鋌×3根+?157mm鉆鋌×3根+?127mm加重鉆桿×7根+?127mm鉆桿×4根+下旋塞+?133mm方鉆桿+上旋塞。

鉆進(jìn)參數(shù)：鉆壓40～60kN；轉(zhuǎn)數(shù)65r/min；排量60L/s；立壓3～9MPa。

鉆井液參數(shù)：密度1.05g/cm3；粘度52s。

使用螺桿+PDC鉆頭+雙扶正器鉆具組合復(fù)合鉆進(jìn)后效果良好，極大地釋放鉆壓并保證了井斜。主要體現(xiàn)在鉆進(jìn)過程中的平穩(wěn)性、機(jī)械鉆速的提高。

3.2 通過加入扶正器改變鉆具的受力及彎曲從而控制井斜

通過增加兩個(gè)與鉆頭直徑相近的扶正器加上大尺寸鉆鋌組成，加大剛性和填滿井眼，在高鉆壓下盡可能的保持鉆具居中，減小鉆頭傾斜角，從而達(dá)到控制井斜的目的。選用雙扶正器，由于PDC鉆頭的鉆頭所需鉆壓相對較小，在鉆進(jìn)中通過合理的控制鉆壓即可滿足井斜控制的需要，當(dāng)鉆壓小于下部兩根鉆鋌重量時(shí)，該組合相當(dāng)于單扶正器組合，能很好的控斜和糾斜作用；當(dāng)鉆壓大于上扶正器以下的鉆鋌重量時(shí)，該組合類似剛性滿眼組合，具有較好的控斜穩(wěn)定性。但是該組合由于扶正器與鉆頭尺寸接近，在井下發(fā)生阻卡的幾率變大，適合在地層穩(wěn)定性好，無縮徑垮塌的地層使用。通過一開的實(shí)鉆情況，二開、三開均采用此方法控制井斜。

3.3 實(shí)鉆井身質(zhì)量

本井為直井，井別為地質(zhì)調(diào)查井，設(shè)計(jì)井深為2850m，井底水平位移不大于80m；實(shí)際完鉆井深3450m，井底水平位移27.82m，最大井斜位于3175m處的4.7°，具體實(shí)鉆三維軌跡見圖3。

圖3 湘臨地1井實(shí)鉆軌跡圖

4 總結(jié)與建議

鉆井工程是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，任何一項(xiàng)工作都受到其他許多情況和條件的制約和影響，鉆具組合也需要綜合考慮地質(zhì)情況、井身結(jié)構(gòu)、工具特性甚至包括鉆井液情況等。作為一名現(xiàn)場技術(shù)人員必須懂得多方面的知識并加以全面的分析和考慮，才能有效地把握鉆井施工中隨時(shí)可能出現(xiàn)的各種問題，保證鉆井施工的優(yōu)質(zhì)高效。

（1）施工前應(yīng)盡可能地收集可以參考的資料，了解地層的巖性變化情況，確定施工中各井段的控斜的側(cè)重點(diǎn)。

（2）通過對工程資料的分析，確定鉆頭使用的類型，以及相應(yīng)參數(shù)的確定。

（3）施工中還要及時(shí)對井下情況進(jìn)行跟蹤，對各種變化加以分析和判斷，及時(shí)進(jìn)行合理的調(diào)整及改進(jìn)。

（4）針對湘西北地區(qū)的碳酸鹽巖地層，地層較穩(wěn)定，無井下問題，可以大膽使用雙扶正器鉆具組合?？梢詷O大地釋放鉆壓，提高鉆進(jìn)效率并保證井身質(zhì)量。

（5）湘西北地質(zhì)特點(diǎn)多表現(xiàn)為高造斜性，但各個(gè)層位造斜性各異。應(yīng)自上而下針對性分別采取不同措施。針對不同地層傾角，優(yōu)選不同的鉆具組合。

由于現(xiàn)場條件有限，缺乏足夠深入的理論計(jì)算及研究，僅給大家的參考與建議。而井斜的控制也是鉆井工程中一項(xiàng)重要的工作。