[科普中国]-井眼轨迹控制

发展历史

上世纪20年代末期，人们发现了钻井过程中井眼弯曲问题并认识到要钻绝对直的井是不可能的，并逐渐认识到了井斜的危害。上世纪40年代末至50年代初期，防斜成为钻井技术领域所关注的问题。

后来，利用井斜钻成了定向井、水平井和丛式井解决了许多油田开发中的难题并取得了良好的经济效益。从防斜打直、造斜、增斜、稳斜到降斜，井眼轨道控制研究取得了一系列重要成果。1

井斜原因人们很久以前就试图找出井斜的原因。他们发现，当所用的钻具组合柔性大、钻压高，或者初始井斜角较大时，井眼轨迹就很有可能偏离直线。如果钻柱相对柔性较大或受到过高的压缩载荷作用时，就很难钻成一口直井。但是，即使钻具组合和钻井条件不发生改变，人们仍然发现井眼有偏斜的趋势。这种井斜现象主要归咎于所钻地层的特性。当钻遇层状岩层（如页岩一砂岩层）时，这种现象比钻遇均质石灰岩或块状砂岩时更为明显。对于地层倾角高、硬度大、扭曲厉害的地层，自然造斜效应就更大。后来人们又发现不同类型的钻头钻出的井眼也有不同的倾斜程度。

钻井实践表明，造成井斜的原因是多方面的，如地质条件、钻具结构、钻井技术措施以及设备安装质量等，但归纳起来，主要有两个方面：

第一是钻柱力学方面的原因，即下部钻具受压发生弯曲变形使钻头偏斜和在钻头上产生侧向力使井眼轨道发生弯曲。

第二是钻头与岩石的相互作用方面的原因，即由于所钻地层的倾斜、各向异性和非均质性使井眼轨道发生弯曲。

井斜控制井斜过大会使井深发生误差，使所取得的地质资料失真，使井底远离设计井位，错过油气层，而造成勘探工作的失误。井斜过大会使井眼偏离原设计井位，打乱油田开发布井方案。在钻井过程中，斜井内钻柱靠下井壁旋转，产生严重摩擦；在井斜突变井段，钻柱易弯曲，从而易使钻柱磨损和折断；在斜井内更有可能发生井壁坍塌和键槽卡钻事故。如井斜过大，还会造成下套管困难和下入的套管不居中，直接影响固井质量，造成固井串槽、管外冒油气。井斜过大会直接影响采油井的井下分层开采和注水，下封隔器困难，封隔器密封不好等；过斜的采油井会造成油管和抽油杆的磨损和折断，甚至造成严重井下事故。因此，控制井斜，对勘探、开发以至钻井本身都意义重大。

井斜控制，就是要在提高井身质量、保证准确钻达目标的前提下，提高钻进速度、降低钻井成本。从根本上说，井斜控制就是要控制造斜率和方位变化率，以期得到合格的井斜角、方位角和井底位移。直井对井身质量的要求常包括如下三个方面：井斜角不能超过允许值；井斜变化率（即狗腿严重度或井眼曲率）不能超过允许值；井底水平位移不能超过允许值。由于地区情况不同，对直井井身质量的规定也有不同的要求。一般来讲，井钻得越深，对狗腿度的要求就越严格，否则，就会形成键槽或使钻杆遭受疲劳破坏。对3000m到4000m的井深来讲，如能保持狗腿严重度小于1.5°/30m，就不致于发生问题。对超深井，在距井口较近的层位由于钻杆拉力大，地层较松软，起下钻次数多，对狗腿度的要求应严格，反之，就可稍大些。对上述关于直井井身质量要求的三个方面，一些文献认为，钻直井对井斜角可不必作过分严格的限制。我同石油行业在关于“钻井井身质量标准（试行）”中，采用以井眼曲率和井底最大水平位移两项指标作为衡量直井井身质量的标准。但对定向井，尤其是丛式井组的直井段，对井斜角则有严格的限制（一般要求直井段终点处井斜角在0.5°以内）。1

控制方法直井井斜控制方法**（1）理论基础**

带稳定器的旋转钻井斜控制技术是最常用的井斜控制技术，该项技术的核心在于通过稳定器位置的安放来达到所需的井斜控制效果。下部钻具组合影响井斜的关键力学性能指标是：钻头侧向力和钻头转角。

求解多稳定器钻具组合的力学性能有多种方法，如有限元法、微分方程法、能量法等。国内目前普遍采用纵横弯曲连续梁法。纵横弯曲连续梁法将—个带有多稳定器的井底钻具组合看成是受有轴向载荷的连续梁，利用梁柱的弹性稳定理论可推导出受轴向力影响的三弯矩方程组，并据此来分析井底钻具组合的力学性能。

使用纵横弯曲法时，首先把井底钻具组合从支座（各稳定器和上切点）处断开，得到若干受纵横弯曲载荷的简支梁柱，再用弹性稳定理论求出每跨简支梁柱的端部转角。利用连续梁柱在支座处转角相等的连续条件和上切点处的边界条件，即可得到一系列以支座内弯矩和最上—跨长度为未知数的代数方程组；解此代数方程组，即可完全确定该弹性体系的受力与变形。1

（2）钟摆钻具工作原理

①光钻铤钟摆钻具

光钻铤钟摆钻具是最简单的钟摆钻具，这种钻具组合的钻头侧向力计算公式：

对此式可作进一步分析：

1．钟摆力恒为降斜力，钟摆力与切点以下的钻具长度和单位长度浮重成正比，且随井斜角的增大而增大。因此，当井斜愈严重时，钟摆力愈大，纠斜作用愈强；

2．钻压一方面产生增斜力，同时也减少钟摆力。这是因为系正值，它使井斜角增大；另据分析，当PB增加时，切点位置下移，L1变小，导致钟摆力下降。所以，为了纠斜，应避免使用大钻压而采取吊打方式，这样可得到较大的钟摆力和降斜效果，这对于需要较高钻压的牙轮钻头将会降低钻井速度。使用需钻压较小的PDC钻头往往能取得更好的效果；

3．光钻铤钟摆钻具不适于防斜，这是因为当α较小时，其钟摆力数值很小。当地层造斜力较强时，可使井斜角继续增加，同时钟摆力也随之增加。当钻头侧向力的增斜分量与降斜分量（钟摆力）相等时，井斜角将不再增加而达到平衡；

4．采用大直径钻铤可使w1增大，使e1减小，因此可使钟摆力增大，使造斜分量减小。

综上所述，光钻铤钟摆钻具适于纠斜而不适于防斜。可采用大直径钻铤并减小钻压或采用吊打方式进行纠斜。但是因吊打时机械钻速太小，耗费工时，将导致钻井成本提高，不符合“钻直、钻快”的要求。

②带有稳定器的钟摆钻具

为了克服光钻铤钟摆钻具的缺点，可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，且有较小的el值，从而保证有较大的钟摆力。

稳定器的最优安装位置可由井底钻具组合分析程序计算和对比不同方案选优确定（以具有最大钻头降斜力的方案为优）。在钻井现场，一般在稳定器下方配装2根钻铤。

稳定器到钻头间的距离不宜过大，否则，在钻压和钻铤自重的作用下，该跨钻铤会和井壁产生新的接触点或接触段，从而使降斜力减小。

除了单稳定器钟摆钻具组合外，还有双稳定器钟摆钻具组合，如果在两个稳定器间选用相对小尺寸的钻铤，即构成双稳定器柔性钟摆钻具组合。采用这种钻具组合，可得到较大的钻头降斜力。

对有稳定器的钟摆钻具组合，其钻头侧向力即：

采用柔性钻具，可使下稳定器处内弯矩Ml的绝对值减小（Ml