预弯曲钟摆钻具防斜打快技术在柯坪高陡构造地层的应用

田 辉，仇恒彬，董广华

（1.中国石油大学<华东>，山东青岛 266580；2.中石化胜利石油工程有限公司技术发展处，山东东营 257000；3.中石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院，山东东营 257000）

KN1井是部署在塔里木盆地西北缘呈北东走向的多排断裂构造带的南天山构造域内大型断隆——柯坪断隆的一口预探井。柯坪断隆带位于阿合奇凸起中部，以发育东西—北东东向叠瓦逆冲推覆构造为特征，区段内发育了多排与山脉走向近于平行的冲断推覆体，构造样式主要包括叠瓦断冲构造和褶皱构造。古生界地层发育齐全，缺失中生界地层。自上而下将钻遇的地层为古生界志留系、奥陶系、寒武系，元古界震旦系。缺失新生界古近系、新近系、第四系和中生界白垩系、侏罗系、三叠系。

在钻井过程中存在高陡地层倾角大（地层倾角50°～70°）易井斜、地层古老含硅质钻速慢等技术难题。为了有效解决该井存在的这些技术难题：应用VDS垂直导向工具和预弯曲钟摆钻具组合钻进高陡地层，防斜打直效果明显。顺利地完成了高陡地层高效钻进的施工，为柯坪断隆构造寒武系盐下含油气勘探提供了技术支撑。

高陡构造地层的防斜打直一直是优快钻井技术的难题之一。目前国内外的防斜打直钻井技术可以分为两大类：主动防斜打直技术和被动防斜打直技术。主动防斜打直技术例如贝克休斯的Verti-Trak 系统、斯伦贝谢的PowerV 垂直钻井系统在现场有非常好的应用效果，但是其技术服务费用较高，限制了使用范围。被动防斜打直技术又分为静力学和动力学防斜两种。静力学防斜组合是通过减少钻具变形以静力学分析实现防斜目的，在现场应用最为广泛，理论研究也较为成熟，例如满眼钻具组合和钟摆钻具组合。动力学防斜打直技术突破了对底部钻具组合的变形限制，反过来利用其动力学行为来实现防斜。狄勤丰等[1-3]、高德利重点开展的预弯曲钻具防斜打直技术及其受力动力学分析，对于高陡易斜地层应用效果显著[4]。预弯曲钻具防斜打直技术利用预弯曲结构引导钻具组合的变形，从而产生较大的动态降斜力，在现场已经有了很好的应用[5-10]。

在KN1 井的钻井过程中，使用了主动防斜打直技术和被动防斜打直技术，即斯伦贝谢的VDS垂直钻井工具和预弯曲钟摆钻具组合，均取得了很好的应用效果。不过在2400m 之后随着地层变硬，由于斯伦贝谢的PowerV 垂直钻井工具在钻进时只有地面的顶驱系统提供动力，机械钻速相较与预弯曲钟摆钻具组合慢。通过使用预弯曲钟摆钻具组合，达到了防斜打直、优快钻进的目的，顺利地完成了高陡地层高效钻进的施工，为柯坪断隆构造寒武系盐下含油气勘探提供了技术支撑。

1 概况

KN1井位于新疆维吾尔自治区阿克苏地区柯坪县境内，位于塔里木盆地西北缘柯坪断隆阿合奇凸起构造，设计井深5600m，完钻层位为震旦系。该井设计为五开制井眼，具体数据见图1。

井身质量要满足地质设计对井身质量的要求，具体数据按照表1执行。

表1 井身质量要求

难点分析：（1）古生界地层机械钻速低。上部地层古老，岩石抗压强度高，较为致密、可钻性差，且志留系、奥陶系印干组发育大段泥岩、页岩，易水化膨胀，实钻过程中憋、跳钻严重易发生复杂情况。

（2）浅、深部地层易井斜。该井上部地层2000m之前倾角大（50°～70°），下部相对平缓，志留系、奥陶系深部地层存在易井斜的情况，如图2三维南北向深度偏移剖面所示。

本井二开设计井段为300～3001m，井眼尺寸∅444.5mm。存在井眼尺寸大、地层硬、机械钻速慢、地层易斜、可使用的防斜打直工具少等难点。通过优化施工方案，为了达到设计井身质量的要求和提速提效的目的，计划应用垂直钻井工具进行防斜打直钻进。

在实际施工过程中，在315～1846m井段使用了斯伦贝谢的垂直钻井工具，防斜打直效果很好。在2054～2469m 井段使用了国产的垂直钻井工具，虽然在使用过程中出现了一些问题，但也能够达到防斜打直的效果。但是随着井深增加，地层越来越硬，机械转速变慢。垂直钻井工具虽然能够达到防斜打直的效果，但是受限于本身工具设计原理，无法达到提速提效的目的。为了能够实现防斜打直和提速提效的目的，在井深2830m之后应用了预弯曲钟摆钻具组合。

预弯曲防斜打直钻井技术主要利用预弯曲动力学防斜打直钻具组合在井眼中的涡动特征，在钻头上形成一个远大于钟摆降斜力的防斜力，从而使井眼保持垂直。预弯曲动力学防斜打直钻具组合是一种带预弯曲结构的特种钻具组合，钻进时，其在井眼内形成特定的涡动轨迹，引起钻具组合以较大的不平衡几率向下井壁方向振动，从而实现向下井壁的冲击力。

现场应用中，为了能够使一套钻具结构达到防斜打快又同时能够纠斜的目的，一般通过钻具结构中加入弯螺杆来实现，既能在防斜打快中获得较高的转速提高机械钻速，又能在出现井斜增大时进行纠斜作业。现场常用的钻具结构示意图见图3。

2 应用情况

该井自二开开钻开始下入斯伦贝谢的PowerV垂直钻井工具，钻具组合为：∅444.5mm 钻头+POWER-V+∅441mm扶正器+∅228.8mm浮阀+∅232mm钻铤+731*NC610+∅430mm 扶正器+∅228.6mmDC×3 根 +NC611*NC560+∅203.2mmDC×12 根 +NC561×520+∅139.7mmHWDP×9 根+521*DS550+∅139.7mmDP。PowerV 垂直钻井工具的防斜打直非常好，井斜角控制在1°以内。期间由于发生井漏，堵漏成功后采用常规钻具进行试钻进，导致井斜角增加到1°以上。然后通过下入PowerV垂直钻井工具，很快就能够把井斜角降到1°以内，防斜打直的效果非常好。钻进至1846m 后钻时慢，同时发生井漏，起出PowerV垂直钻井工具进行堵漏作业。由于上部地层相对较软，平均机械钻速较高，达到1.89m/h，最高达到3.23m/h。

堵漏成功后，采用常规钻具钻进至2054m，钻穿此段漏层后更换为国产垂钻工具进行防斜打直钻进。钻具组合为：∅444.5mm钻头+垂钻工具+731*NC610+∅441mm扶正器+浮阀+∅228.6mmNMDC×1根+MWD悬挂短节+∅228.6mmDC×2根+NC611*NC560+∅203.2mmDC×12根+NC561*520+∅139.7mmHWDP×9根+521×DS550+∅139.7mmDP。该垂钻工具在使用过程中，降斜效果稍差。在井段2054～2321m 的井段内，井斜角一直在1.8°～2.3°之间变化。虽然井斜角没有降到1°以内，但也能够控制井斜角不超过2.5°。后来继续钻进至井深2350m，井斜角降到1.5°，然后一直钻进至2469m，井斜角一直控制在1°左右钻进，也达到了防斜打直的效果。因为再次发生井漏，起钻进行堵漏施工。该国产垂直钻井工具整体防斜打直的效果还可以，能够控制井斜角在1°～2°之间。由于进入志留系，地层变硬，钻时变慢，平均机械钻速为1.16m/h。

为了能够在下部古老地层中同时达到防斜打直和提速提效钻进的目的，在本次堵漏成功后，自井深2830m 使用预弯曲钟摆钻具组合.具体钻具组合为：∅444.5mm 钻头+∅286mm螺杆（0.75°）+731*NC770+NC771*NC610+∅228.6mm浮阀+NC611*730+∅228.6mmNMDC×1+∅228.6mm无磁悬挂短节×1+731*NC610+∅436mm扶正器+∅228.6mmDC×2+NC611*NC560+∅203.2mmDC×7根+NC561*520+∅139.7mmHWDP × 9 根+521*DS550+∅139.7mmDP。预弯曲钟摆钻具组合下钻到底后先控制在80～100kN 之间钻进，钻时在30～50min/m（见图5），井斜角变化降斜趋势较小，降斜率为0.2°/30m。后加压到12～15t，钻时在20min/m 左右，井斜角降斜趋势增大，降斜率达到0.7°/30m。钻进至3064m 时，井斜角降到最小0.6°，后面一直钻进至3360m，控制井斜角在1°左右（见图4）。预弯曲钟摆钻具组合在这个井段，平均机械钻速比国产垂直钻井工具提速效果达到59%（见表2），提速效果非常明显，达到了高陡构造地层防斜打直和提速提效的目的。

表2 不同钻进工艺的防斜打直效果表

3 总结

（1）通过在KN1 井应用斯伦贝谢的PowerV 垂直钻井工具，再次印证了该工具在高陡构造地层中防斜打直的良好效果非常好。

（2）国产垂直钻井工具通过最近十几年的研究和应用，在高陡地层中的防斜打直效果也是有效果的，不过还是需要继续改进其工具的稳定性和高效性，为后续的大规模应用打好基础。

（3）在进入中下部的硬地层后，预弯曲钟摆钻具组合不但能够满足防斜打直的要求，同时提速提效的效果明显，能够达到了高陡构造地层防斜打直和提速提效的目的，为柯坪断隆构造油气勘探提供了有利的技术支撑。

4 建议

建议在柯坪断隆推覆体构造地层钻进时，建议上部地层使用预弯曲钟摆防斜打直技术或垂直钻井技术，下部硬地层使用预弯曲钟摆防斜打直技术，能够达到了高陡构造地层防斜打直和提速提效的目的。