第4章4：防斜打快钻井理论和技术

复杂深井防斜打快钻井理论和技术(为研究生讲授)复杂深井钻井技术难题准葛尔盆地山前构造地质特征处于山前构造带，构造地应力巨大。断层切割严重，地应力在纵横向分布复杂。地层倾角大；地层层理发育、断层多、破碎。自然造斜效应大。研究山前高陡构造破碎地层钻井轨迹偏斜规律及井壁岩石破坏机理，寻求防斜打快及安全钻进的有效控制方法，开发一套与这类复杂地层相适应的防斜打快钻井新技术。塔里木高陡构造防斜打快问题塔里木盆地山前高陡构造地层倾角大多在15

-80

，防斜与打快的矛盾十分突出。需要重点研究的关键技术问题研究山前高陡构造破碎地层钻井轨迹偏斜规律及井壁岩石破坏机理寻求防斜打快及安全钻进的有效控制方法开发出一套与这类复杂地层相适应的深井防斜打快钻井新技术技术内容简介动力学防斜打快理论和技术旋转导向钻井技术地层可钻性评价与钻头选型技术水力脉冲空化射流提高深井钻速新型涡轮复合钻井技术地层各向异性评估技术1.动力学防斜打快理论和技术v

CAB0

-bV：钻柱与井壁滑动速率：钻柱的公转角速率：钻柱的自转角速率高德利等编著：《复杂地质条件下深井超深井钻井技术》，石油工业出版社，2004年11月动力学防斜打快理论的基本假设基本假设：钻柱处于“涡动”状态地层自然造斜效应仍然起作用基本组合类型光钻铤钻具组合在螺旋屈曲状态下工作带有“偏轴”或“偏心”或偏重单元的钻具组合带有“弯曲结构”的钻具组合优点：解放钻压，防斜打快。BHA屈曲特性与井斜控制螺旋段螺旋段a)钻头铰支b)钻头固支c)稳定器螺旋段垂直钻井时钻头均匀受力与切削W有井斜时：

BHA贴下井壁时轴向力小；

BHA靠上井壁时轴向力大；受力不均匀，切削不均匀。ABB'CBHA附加动态轴向力的产生机理上切点：靠轴向力平衡重力分量下切点：靠井壁平衡重力分量1.1光钻铤大钻压防斜打快技术利用这种防斜技术，在塔西南共钻五口井，取得很好的防斜效果，实钻数据如下表所示：BHA与井眼静接触力的影响

BHA的不稳定性

钻压控制是关键BHA螺旋屈曲使接触力显著增大井下管柱屈曲实验建立管柱屈曲临界载荷预测模型进行钻柱屈曲行为的实验研究光钻铤组合正弦屈曲预测模型水平井垂直井斜直井rEIw2()3/1255.2EIwcrFaO2p3p6prEIwFcrasin2=cra光钻铤组合螺旋屈曲预测模型水平井斜直井垂直井rEIw22()3/1205.4EIwhelFaO2p3p6phelarEIwFhelasin22=塔西南实钻经验使用光钻铤大钻压防斜打快钻进时，井斜应在2

以内，且需要40米以上这样的领眼井段，钻压控制值可由以下经验公式计算：控制钻压值＝（钻头公称直径

2＋3）吨1.2偏轴钻具组合：一个偏轴接头、钻头和若干根钻铤与稳定器。钻头“柔性”钻铤或加重钻杆“刚性”钻铤普通钻铤螺旋稳定器螺旋稳定器钻头“柔性”钻铤或加重钻杆“刚性”钻铤普通钻铤偏心控制器螺旋稳定器III1.3“刚柔”组合及偏心“刚柔”组合研究根据“动力学防斜打快理论”设计偏心“刚柔”组合，使钻压增加有利于防斜！系列1：偏心“刚柔”组合；系列2：常规“刚柔”组合。偏心“刚柔”组合及其防斜特性

偏心控制器安放位置的影响BHA：16

钻头+9

DC（L1）+偏心控制器+8

DC（L2）+螺旋稳定器+9

DC+5-1/2

DP。钻井液密度1.4,井眼扩大0，钻压120kN，井斜角2

。L2=9mL1=3mL1L2偏心控制器安放位置的影响BHA：12-1/4

头+9

DC（L1）+偏心控制器+8

DC（9m）+螺旋稳定器+9

DC+5-1/2

DP。钻井液密度1.4,井眼扩大0，钻压120kN，井斜角2

。偏心控制器安放位置的影响BHA：12-1/4

头+9

DC（3m）+偏心控制器+8

DC（L2）+螺旋稳定器+9

DC+5-1/2

DP。钻井液密度1.4,井眼扩大0，钻压120kN，井斜角2

。偏心“刚柔”组合的技术关键偏心“刚柔”组合的技术关键包括如下几点：偏心控制器：按“动力学防斜理论”控制BHA的运动状态。偏心“刚柔”组合优化设计计算方法：能够对BHA结构进行优化组合设计计算。地层各向异性定量评估及钻压优化控制计算方法：能够定量评估计算实钻地层的自然造斜效应，并根据垂直钻进“稳斜平衡原理”合理确定钻压值。偏心“刚柔”组合控制下钻头破岩的新机理。

偏心“刚柔”组合防斜打快机理这种组合保持了“刚柔”钻具组合的所有优点，从而实现了静力学意义上的优化；由于偏心控制器迫使这种BHA不再处于自传状态，从而增加了动力学防斜打快效应；由于BHA具有偏心“刚体位移”，从而使钻头各牙齿对井底产生不均匀压力分布，这可能有利于破碎岩石。研制出适于8.5

和16

井眼的偏心控制器偏心控制器的研制现场初步试验与应用情况2004年，在新疆克拉玛依八区断层井区27口井上成功试验与应用了常规“刚柔”组合；在百21井区大倾角石碳系地层成功试验了偏心“刚柔”组合，并正在该井区推广应用50套井下控制工具。使用上述钻具组合，在8-1/2英寸易斜井段的钻压可以加到100-150kN，有效地提高了钻井速度。另外，使用这种钻具组合也取得了理想的纠斜效果。偏心“刚柔”钻具组合实钻数据

钻头型号钻井井段(m)钻压（kN）转速（r/min）进尺(m)纯钻（h）机械钻速（m/h）Φ216HJT517G1178-1330试验试验152592.58Φ216GY517F1330-153180-1065201782.58Φ216GY517F1531-171714065186712.62Φ216GY517F1717-1972140652551192.14Φ216GY517F1972-2311150653391013.36偏心“刚柔”组合的创新性与适用性偏心“刚柔”钻具组合，是一种动力学防斜打快钻具组合，在国内外属于首创，为高陡构造等易斜地层防斜打快钻井提供了一种新技术，将在垂直钻井工程中产生巨大的技术经济效益。偏心“刚柔”组合防斜打快技术，对井眼尺寸、实钻地层及钻头类型均没有特殊限制，因而便于在现场大面积推广使用。采用这种新技术，需要增加的“井下控制工具”成本很少，而增加“防斜打快”的效益很大。同时，在工程应用案例中发现，采用常规“刚柔”和偏心“刚柔”组合，还能明显减少井下钻具事故。钻压优化控制是防斜打快之关键钻压Wb钻压（Wb）的作用：是地层各向异性造斜效应的外因影响底部钻具组合的力学行为影响钻头破岩效率（机械能量）钻压优化控制：就目前的技术水平而言，严重井斜是由地层各向异性引起的。假设：实际钻压为Wb，而由地层各向异性确定的钻压最优值为Wo。如果地层各向异性不确定，则会发生下列不理想：当Wb<Wo时，则降低了钻井速度；当Wb>Wo时，则井斜超标，影响钻井质量。结论

1）基于底部钻具组合涡动的“动力学防斜打快理论”，突破了传统的静力学防斜理论的束缚，较好地协调了易斜地层垂直钻井“防斜”与“打快”的矛盾，为开发各种防斜打快工具和技术提供了一个重要的理论基础。2）光钻铤大钻压钻进技术和偏心“刚柔”钻具组合技术，均为典型的动力学防斜打快技术，通过合理设计与控制使用，可以有效平衡易斜地层的自然造斜效应，在一定程度上达到防斜打快的理想目标。3）国外先进的自动垂钻系统，虽然可以在昂贵的复杂深井和超深井垂直钻井工程中发挥有效作用，但目前的技术水平仍在使用条件上具有一定的局限性，在实际工作中应注意对其进行评估与合理选用。4）针对我国复杂深井和超深井钻井工程中面临的严重井斜和低效率等技术难题，国家应积极组织优势力量，从客观（地层各向异性）和主观（垂钻系统）两个方面进行高技术攻关研究，以期尽快获得具有自主知识产权的先进控制工具、科学计算软件及智能钻井系统等。

井下测量与过程可视化：MWD、LWD、SWD、PWD及近钻头力学测量等可视化：几何、地质及力学可视化等井下智能控制系统：硬件和软件。旋转导向钻井系统：Geo-Pilot系统AutoTrackRCLS系统PowerDriveSRD系统2．旋转导向钻井技术

随钻测量与计算

现代测量工具主要以固态传感器测量地球自然场（重力场、磁力场和旋转场），与其相关的典型独立误差源有：原始传感器误差测量深度误差磁偏角误差磁干扰误差磁化纠正误差钻具组合下垂不同轴误差例如：井眼轨迹不确定性及其可视化1）井下导向马达滑动导向控制系统；2）井下导向马达旋转导向控制系统；3）旋转导向钻井系统。西江ERW导向钻井系统滑动导向控制旋转导向控制Q（AKO导向马达）可变径稳定器井下导向工具设计研究

——地面遥控可调弯接头回转轴线下弯短节轴线回转锥结构设计遥控技术结构强度旋转导向钻井系统稳定器伽玛电阻率钻头旋转导向工具工程参数柔性短节MWD旋转导向钻井系统偏置力偏置力a.推靠式b.指向式技术方案：推靠式(pushthebit)指向式(pointthebit)指向式推靠式推靠式和指向式旋转导向工具钻井轨迹的质量对比

从国外发展情况来看，各大石油公司正致力于指向式旋转导向工具的研究和开发。Halliburton公司已开发出第三代指向式旋转导向钻井系统Geo－Pilot，Schlumberger除拥有推靠式工具PowerDriveSRD系列外，最近又开发出指向式旋转导向工具PowerDriveXceed系统，由此可见，指向式旋转导向工具是未来的发展趋势。旋转导向机构

（Geo-Pilot系统）旋转导向机构

（PowerDriveSRD系统）旋转导向机构

（AutoTrackRCLS系统）3.地层可钻性评价与钻头选型技术软件系统框图标准井钻头测井数据处理模块标准测井数据文件室内岩心实验钻头性能评估模块钻头数据库效益指数分析钻头资料录入效益指数法选型地层抗钻特性评价与钻头选型岩石力学参数模块邻井选型区块选型钻头优选模块效益指数选型岩石力学参数统计标准井岩石力学参数建立标准井区块井邻井岩石力学参数计算钻头选型方法标准井：由研究区块效益指数最大的钻头所对应的地质层位从上到下人为组合而成的一口假想井，该井各个层位所对应的钻头效益指数最大。地层可钻性综合值求取方法钻头性能评估模块钻头资料的录入现场使用钻头数据的录入牙轮钻头：井号，钻头型号，钻头价格(元)，IADC编码，生产厂家，钻头直径(in)，地层代码，钻压(kN)，转速(rpm)，排量(l/s)，泵压(MPa)，钻速(m/h)，进尺(m)，外径磨损，轴承磨损，牙齿磨损；PDC钻头：井号，钻头型号，钻头价格(元)，IADC编码，生产厂家，钻头直径(in)，地层代码，钻压(kN)，转速(rpm)，排量(l/s)，泵压(MPa)，钻速(m/h)，进尺(m)，钻头磨损；生产厂家钻头数据的录入牙轮钻头：IADC编码，适用地层，钻头型号，比钻压（kN/mm），转速（rpm）；PDC钻头：IADC编码，适用地层，钻头型号，钻压（kN），转速（rpm），排量（l/s）；钻头性能评估模块标准井钻头根据效益指数法，建立标准井各层位的使用钻头，即为该区块各口井中相应层位效益指数最大的钻头，使用效果最好的钻头。形成标准井钻头数据文件(*.STB)：地质层位，钻头型号，效益指数，所在井号；标准井：由研究区块效益指数最大的钻头所对应的地质层位从上到下人为组合而成的一口假想井，该井各个层位所对应的钻头效益指数最大。－钻头效益指数，－钻头机械钻速，－钻头总进尺，－钻头费用，测井数据处理模块测井数据处理处理数字化测井得到的测井数据，并构造程序所需的标准测井数据文件（*.LOG）。文件格式为：井深(米)，自然伽玛(API)，声波时差，密度。数据之间用空格分开。岩石力学参数模块岩石力学参数计算利用测井资料对地层岩石力学特性参数（包括：抗剪强度，无围压抗压强度，内摩擦角，硬度，塑性系数，泥质含量，牙轮钻头岩石可钻性，PDC钻头岩石可钻性）进行计算；岩石力学参数统计读入地质层位数据：井号，地质层位(代码),起始井深(米),底界井深(米)；对地层各种岩石力学特性参数进行统计，统计内容为：最大值、最小值、平均值、差值最大值、峰值个数；保存岩石力学参数统计数据(*.RST)。

岩石力学参数模块建立标准井读入标准井钻头数据文件；读入该区块各井的岩石力学参数统计文件(*.RST)；建立标准井，保存标准井的岩石力学参数。(*.STR)

标准井：由研究区块效益指数最大的钻头所对应的地质层位从上到下人为组合而成的一口假想井，该井各个层位所对应的钻头效益指数最大。3.4

钻头选型模块区块选型读入标准井岩石力学参数文件；读入该区块各井的岩石力学参数统计文件(*.RST)，建立区块井。区块井为一口假想井，其各层位的岩石力学参数是该区块各口井相应层位的岩石力学参数的平均值；

对假想的区块井进行钻头选型。

区块井为一口假想井，其各层位的岩石力学参数是该区块各口井相应层位的岩石力学参数的平均值。钻头选型模块邻井选型读入标准井岩石力学参数文件；读入邻井岩石力学参数统计文件(*.RST)；对邻井进行钻头选型。

效益指数法选型读入钻头数据文件；根据效益指数大小，按层位给出该区块所有井钻头使用效果较好的三种型号钻头。钻头选型总流程

收集研究区块所有井钻头使用记录及测井资料；输入该区块所有井钻头使用记录并以文件形式保存；处理各口井测井资料，计算、统计岩石力学参数并保存结果；根据钻头使用记录建立标准井钻头，并保存结果；根据标准井钻头结果和各口井岩石力学参数统计值建立标准井岩石力学参数剖面，并保存结果；根据标准井岩石力学参数剖面和区块岩石力学参数统计值进行区块钻头选型，并保存结果；根据标准井岩石力学参数剖面和单井岩石力学参数统计值进行邻井钻头选型，并保存结果；根据钻头使用记录用效益指数法进行钻头选型，并保存结果。文件扩展名说明

文件名扩展名文件名扩展名牙轮钻头现场使用数据BFRBitFieldRoller生产厂家牙轮钻头数据RBFPDC钻头现场使用数据BFPBitFieldPDC生产厂家PDC钻头数据PBF测井数据log地质层位FMDFormationD标准井岩石力学参数统计值，区块井岩石力学参数统计值前者含有钻头型号，后者无STRStaticRock标准井钻头STBStandardBit岩石力学参数(计算的每米八大参数)txt岩石力学参数统计值RSTRockStatic岩石可钻性数据文件ROBRockBit钻头选型结果文件BRSBitResult水力脉冲空化射流钻井提高钻速机理研究新型井下水力脉冲空化射流短节研制水力与机械参数配合优选研究脉冲空化射流提高深井钻速配套工艺技术研究4.水力脉冲空化射流提高深井钻速技术

5.新型涡轮复合钻井技术影响深井和超深井机械钻速的最根本原因:井底钻头破岩机械能量不足，无论是大直径井眼、小直径井眼，还是高陡构造易斜井段和深部难钻地层，都是这样。井底钻头的破岩机械能量

=单位井底面积钻压×钻头转速

钻压提高，受到井斜限制；提高转速，尚有一定的空间。提高钻头工作转速的途径：第一：可采用顶部驱动装置或增加转盘转速；

(受钻具强度、钻机能力和井深限制，提高幅度有限)第二：可采用井下动力钻具(涡轮钻具和螺杆钻具)复合钻进技术(在深井钻井中被普遍采用)来增加钻头转速。积木式组合涡轮钻具结构示意图

减速涡轮钻具结构示意图涡轮钻具定转子行星减速机构新型涡轮钻具减速器

积木式减速器涡轮钻具，由积木式涡轮节1、中间轴承节2和减速器3三部分组成。其中，积木式涡轮节中含有多级中转速低压降涡轮定转子和多级高转速高扭矩涡轮定转子(根据需要可以增减具有不同特性的涡轮定转子级数)，减速器的减速机构为行星齿轮减速。该减速涡轮钻具的减速比为3.86:1。

1

2

3新型积木式涡轮钻具优点：1.涡轮钻具转速高(100～2000rpm)，适合于高速牙轮钻头、高效PDC钻头和高速金刚石钻头。2.涡轮钻具定转子使用寿命长，可达800～1000h。3.耐高温和高压，适用于高温(250℃)高压井。6.地层各向异性评估技术正交各向异性地层分类地层A:Ir1<Ir2<1(Ddip<Dstr<Dn)地层B:Ir1=Ir2<1(Ddip=Dstr<Dn)（前人提出）地层C:Ir1=Ir2>1(Ddip=Dstr>Dn)（前人提出）地层D:Ir1>Ir2>1(Ddip>Dstr>Dn)地层E:Ir2<Ir1<1(Dstr<Ddip<Dn)地层F:Ir1<1<Ir2(Ddip<Dn<Dstr)地层G:Ir1<Ir2=1(Ddip<Dstr=Dn)地层H:Ir2>Ir1>1(Dstr>Ddip>Dn)地层I:Ir2<1<Ir1(Dstr<Dn<Ddip)地层J:Ir1>Ir2=1(Ddip>Dstr=Dn)地层K:Ir1=1>Ir2(Ddip=Dn>Dstr)地层L:Ir1=1<Ir2(Ddip=Dn<Dstr)地层各向异性对井迹的影响地层各向异性的钻井反演邹德永等（1996年）测量了取自全国6个油田不同地区的200多块岩芯的声波时差和岩石可钻性。这些岩芯的岩性包括泥岩、泥砂岩、粉砂岩、细砂岩、粗砂岩、石灰岩、白云岩、石膏等，基本上代表了石油钻井所钻遇的地层。数据经过处理，得到了岩石可钻性和声波时差之间的关系为：R=0.906由于用于建立该模型的岩样取自不同油田，而且这些岩样的岩性具有广泛的代表性，因此该模型具有一定的普遍性。－－(2.10)利用声波求取岩石可钻性方法地层各向异性的测井评价方法在固定钻深和钻压的实验条件下，横观各向同性地层岩石可钻性各向异性可表示为：岩石可钻性各向异性概念或Tv为垂直于层面的微钻时；Th为平行于层面的微钻时；ΔKd为平行于层面的岩石可钻性级值和垂直于层面的岩石可钻性级值之差。－－(2.11)岩石可钻性各向异性评价模型地层各向异性的测井评价方法用数理统计方法对112组微牙轮钻头岩石可钻性数据（薛亚东,高德利,2001；何世明等,1998；宋玉玲,安明玉,1997；齐林等,1995；周祖辉,尹宏锦,1986；田效山,1989）进行回归分析，得到垂直于层面和平行于层面微牙轮钻头岩石可钻性关系为：R=0.953－－(2.12)岩石可钻性各向异性评价模型地层各向异性的测井评价方法牙轮钻头由式(2.11)和(2.12)结合岩石可钻性定义，可得到岩石可钻性各向异性评价模型为：－－(2.13)根据式(2.13)即可通过垂直于层面的岩石可钻性计算出岩石的各向异性指数，实现岩石可钻性各向异性的评价。岩石可钻性各向异性评价模型地层各向异性的测井评价方法牙轮钻头用数理统计方法对172组微牙轮钻头岩石可钻性和微PDC钻头岩石可钻性数据(邹德永,1989)进行分析，得到微牙轮钻头岩石可钻性和微PDC钻头岩石可钻性的关系为：KdP为PDC钻头岩石可钻性级值；KdR为牙轮钻头岩石可钻性级值。－－(2.14)R2=0.9951岩石可钻性各向异性评价模型地层各向异性的测井评价方法PDC钻头把式(2.14)代入式(2.13)即可得到PDC钻头岩石可钻性各向异性评价模型为：－－(2.15)岩石可钻性各向异性评价模型地层各向异性的测井评价方法PDC钻头地层各向异性的测井评价方法垂直于层面波速的求取方法求出垂直于层面波速后，即可根据波速得到垂直于层面方向牙轮钻头或PDC钻头岩石可钻性级值，进而由式(2.13)或式(2.15)建立起相应的岩石可钻性各向异性指数剖面。案例分析：钻井及电测资料

井号资料项目KL2井电测井资料（包括：自然伽玛测井资料、补偿声波测井资料、补偿密度测井资料、电测斜资料）、地质分层数据等KL3井电测井资料（包括：自然伽玛测井资料、补偿声波测井资料、补偿密度测井资料、电测斜资料）、地质分层数据、井史资料等KL201井电测井资料（包括：自然伽玛测井资料、补偿声波测井资料、补偿密度测井资料、电测斜资料）、地质分层数据、井史资料等KL202井电测井资料（包括：自然伽玛测井资料、补偿声波测井资料、补偿密度测井资料、电测斜资料）、地质分层数据、井史资料等KL205井电测井资料（包括：自然伽玛测井资料、补偿声波测井资料、补偿密度测井资料、电测斜资料）、地质分层数据、井史资料、地层倾角测井成果等研究区块各层位平均倾角及倾向

系组（段）代码倾角(度)倾向(度)上第三系库车组N2k2527康村组N1-2k2727吉迪克组N1j3627下第三系苏维依组E3627库姆格列木组E4034白垩系巴什基齐克组K2b2050巴西盖组K1b2052研究区块的泥页岩层段

井号泥岩层段KL32722～3090mKL2022564～2638mKL22641～2843mKL2053300～3490mKL2013176～3332m研究区块各口井泥岩层段位置井号群角(度)声波时差(us/ft)波速(m/s)KL333.9262.164903KL20237.3260.675024KL232.2463.484801KL20529.7362.364888KL20131.8563.014837研究区块泥岩层段在不同角度下的声波时差值

图中，KL2_Ir、KL3_Ir、KL201_Ir、KL202_Ir和KL205_Ir分别表示KL2井、KL3井、KL201井、KL202井、KL205井的地层各向异性指数。由图可知，随着井深的增加，各口井的地层各向异性指数有增大的趋势，说明随着地层埋深的增加，地层各向异性程度有减小的趋势，这主要是由于地层的压实作用所致。图1地层各向异性评价结果地层各向异性评价结果山前高陡构造自然造斜规律评价结果

图2KL2井地层造斜特性和飘方位特性评价结果为井斜方位角；图中，为井斜角；为井眼轴线和地层法线的夹角；为地层造斜特性参数；为地层飘方位参数。

图3KL3井地层造斜特性和飘方位特性评价结果图中，为井斜角；为井斜方