复合钻井技术在定向井及水平井中的研究与应用

复合钻井技术在定向井及水平井中的研究与应用

李军顺

（西部钻探定向井技术服务公司，新疆克拉玛依　８３４０００）

摘　要：在定向井和水平井钻井中，复合钻井技术得到了广泛地运用，复合钻井技术的目标就是要

最大限度地发挥螺杆钻具组合的导向能力，提高复合钻进在整个轨迹控制井段钻井进尺的比例，最终达

到提高钻井效率的目的。本文从复合钻井钻头侧向力的计算方法、单弯单稳螺杆钻具组合的力学性能

分析、现场提高螺杆钻具组合导向能力的方法以及注意事项、认识与结论等方面对该项钻井技术进行了

分析和总结。

关键词：复合钻井；加权残值法；导向能力；钻井效率

中图分类号：ＴＥ２４２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００６—７９８１（２０１９）０２—００８６—０３

近年来，复合钻井（带弯外壳螺杆钻具的ＢＨＡ滑动或旋转）作为现阶段井眼轨迹控制钻井技术的

主体，在各油田的定向井、水平井施工中得到了广泛

的应用，并取得了较好的技术效果。其主要特点是：

利用螺杆钻具组合，在定向造斜段采用滑动方式钻

进，当定向造斜段完成后不需要起钻和更换下部钻

具组合，仍然使用定向造斜段的钻具组合，而在后续

稳斜或微增井段采用转盘钻与井下滑动钻进（通常

为小角度的螺杆钻具）交替进行的钻井方式，来满足

井眼轨迹控制的需要。这项技术不仅可以取得良好

的井眼轨迹控制效果，而且能够实现井眼轨迹控制

连续可控地进行，使井眼轨迹光滑，提高机械钻速，

减少井下复杂情况的发生，从而达到减少起下钻次

数，缩短钻井周期，提高钻井效率的目的。

１　复合钻井导向能力的理论分析

１．１　复合钻井钻头侧向力的计算方法螺杆钻具组合复合钻进可以看作是一个工具面

沿着圆周方向连续有规律变化的过程。其总体导向

效果不能用某一特定工具面上钻头的侧向力来表

达，而应该用钻柱旋转一周（工具面从０°转到３６０°）

钻头上的平均导向力来表述。

设螺杆钻具组合在某一时刻的工具面装置角为

ω，在这一装置角位置首先用加权残值法计算出钻

头上的侧向力Ｆａ（ω）。复合钻进侧向力Ｆｚｘｌ的计

算结果如下：取钻具组合由转盘钻旋转一周为研究

对象，ω的取值范围为０°～３６０°。设计算点数为ｎ，

则工具面装置角变化步长为△ω＝３６０°／ｎ（计算点数

ｎ应≥３６），则复合钻进钻头侧向力为：Ｆｚｘｌ＝。

１．２　单弯单稳螺杆钻具组合的力学性能分析

目前油田普遍使用的复合钻井ＢＨＡ是单弯单

稳螺杆钻具组合———主要由钻头（牙轮或ＰＤＣ）＋单

弯螺杆钻具（０．７５°～１．５°）＋无磁钻铤＋

櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗加重钻杆

［４］　袁勇，池兴颖，孙小林．Ｏｒａｃｌｅ数据库高可用性

研究与分析［Ｊ］．无线互联科技，２０１８（１０）：３７～３８．

Ｔｈｅ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ａｎｄ　Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｄｉｓａｓｔｅｒ　Ｒｅｃｏｖｅｒｙ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｆｏｒ　Ｏｒａｃｌｅ

ＹＵＡＮ　Ｙｏｎｇ，ＣＨＩ　Ｘｉｎｇ－Ｙｉｎｇ，ＳＵＮ　ＸｉａｏＬｉｎ（Ｎｅｔｗｏｒｋ　Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　Ｃｅｎｔｅｒ，Ｚｕｎｙｉ　Ｎｏｒｍａｌ　Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｚｕｎｙｉ　５６３０００，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ　ｄｉｓａｓｔｅｒ　ｐｒｅｐａｒｅｄｎｅｓｓ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ＧｏｌｄｅｎＧａｔｅ　ａｎｄ　Ｄａｔａ　Ｇｕａｒｄ　ｏｆ　Ｏｒａｃｌｅ

１２Ｃｄａｔａｂａｓｅ　ａｒｅ　ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｂｕｉｌｄ　ｄａｔａｂａｓｅ　ｓｅｒｖｅｒ　ｏｎ　ＶｉｒｔｕａｌＢｏｘ　ｖｉｒｔｕａｌｉｚａｔｉｏｎ　ｐｌａｔｆｏｒｍ，ｃｏｍｐｌｅｔｅ　ｔｈｅ　ｃｏｎ－ｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ＧｏｌｄｅｎＧａｔｅ　ａｎｄ　ｄｏ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ　ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ，ａｎｄ　ｅｘｐｌａｉｎ　ｔｈｅ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ａｎｄ　ｐａｒａｍ－ｅｔｅｒｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ．Ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｐｒｏｖｅｓ　ｔｈａｔ　ＧｏｌｄｅｎＧａｔｅ　ｉｓ　ｅａｓｉｅｒ　ｔｏ　ｄｅｐｌｏｙ　ｉｎ　ｔｈｅ

ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆ　ｂｕｉｌｄｉｎｇ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｉｓ　ｍｏｒｅ　ｒｅｆｉｎｅｄ．

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｏｒａｃｌｅ　１２Ｃ；ＧｏｌｄｅｎＧａｔｅ；Ｄａｔａ　Ｇｕａｒｄ；Ｄｉｓａｓｔｅｒ　Ｒｅｃｏｖｅｒｙ６８内蒙古石油化工 ２０１９年第２期　

＊收稿日期：２０１８－１１－１６作者简介：李军顺（１９６８—），男，工程师，２００７年毕业于中国石油大学（华东）石油工程专业，现从事定向井、水平井技术研究与服务工作。所组成。例如新疆油田ＢＨＷ０３２水平井在水平段

施工中，采用了如下的ＢＨＡ：φ２１５．９ｍｍ牙轮钻头

＋φ１６５ｍｍ单弯螺杆（１．２５°）＋ＭＷＤ短节＋

φ１５９ｍｍ无磁钻铤×１根＋４Ａ１×４１０＋φ１２７ｍｍ加

重钻杆×２８根＋φ１２７ｍｍ钻杆，在使用中，这种

ＢＨＡ在滑动钻进时可很好地进行定向造斜，在复合

钻进时具有很好的稳斜效果。下面以该井施工中所

采用的ＢＨＡ为算例，说明这种单弯单稳螺杆钻具

组合的力学性能。

井眼条件：钻头φ２１５．９ｍｍ，井斜角９２°，方位角

３５８°，水平段地层岩性为砂岩；钻井参数：钻压５０～８０ＫＮ，复合钻进转盘转速３０ｒ／ｍｉｎ，钻具组合用

φ１６５ｍｍ１．２５°单弯螺杆（７．４９ｍ）配成单弯单稳螺杆

钻具组合（稳定器外径２１０ｍｍ）。计算结果如图１所示。

图１　复合式滑动导向钻具组合钻头侧向力随装置角的变化关系从图１可以看出，螺杆钻具造斜力随工具面装

置角的变化具有较好的规律性。

２　制约复合钻井的因素

复合钻井技术的应用是有先决条件的，它只有

在井眼条件、井下钻具组合、泥浆性能和仪器设备满

足技术和工艺要求的条件下才能进行。根据近些年

来的研究和实践，主要总结出以下几个方面。

２．１　螺杆钻具组合的导向能力

螺杆钻具组合的导向能力就是指其适应井眼轨

迹控制连续有效进行的能力。实践表明：根据井眼

轨迹控制的要求，准确预测下部钻具组合的造斜能

力，优选造斜能力适合的钻具组合是井眼轨迹控制

的关键。现场使用时应将弯曲角度大小作为优选钻

具组合的关键参数来考虑，角度过大滑动钻进井段

井眼曲率大，定向钻进时调整工具面困难，钻具承受

的弯曲应力大，不利于实现旋转复合钻进。角度太

小进行定向造斜时的井段长度增加，不利于钻井速

度的提高。

目前油田广泛采用的复合钻进螺杆钻具组合主

要有两种：一种是单弯单稳螺杆钻具组合，另一种是

单弯双稳螺杆钻具组合。两种钻具组合所选用的单

弯螺杆角度在０．７５°～１．５°钻头主要为ＰＤＣ和优质高效牙轮钻头。

２．１．１　单弯单稳螺杆钻具组合。钻头（牙轮或

ＰＤＣ）＋单弯螺杆钻具（０．７５°～１．５°）＋无磁钻铤＋加重钻杆

该钻具组合螺杆本体近钻头处带有欠尺寸稳定

器，在滑动钻进时可以调整井斜、方位，旋转复合钻

进时有增斜作用。轨迹控制方案为：造斜段以滑动

钻井方式为主，结合稳斜段长度和地层的自然造斜

规律调整好井斜、方位；稳斜段采用复合钻井技术和

调整钻井参数，以实现稳斜钻进的目的。该套钻具

组合对钻井参数的变化较为敏感，可以通过调整钻

压和转速的方法，达到较好的轨迹控制效果。

２．１．２　单弯双稳螺杆钻具组合。钻头（牙轮或

ＰＤＣ）＋单弯螺杆钻具（０．７５°～１．５°）＋螺旋稳定器（外径２１０～２１４ｍｍ）＋无磁钻铤＋加重钻杆

近些年来，国内油田在水平井钻井中，广泛采用

了单弯双稳螺杆钻具组合（即在单弯上面串接长度

为１．５ｍ的φ２１４ｍｍ螺旋稳定器一只），在稳斜段和

水平段，以旋转复合钻进方式为主，滑动钻进与旋转

复合钻进交替进行的钻井方式，充分发挥螺杆钻具

的导向能力，使井眼参数满足轨迹控制的要求。滑

动钻进时，上稳定器的位置和外径对钻具组合的造

斜率影响不大，减少上稳定器的外径和上部钻具的

刚度，钻具组合的造斜率略微增加。旋转复合钻进

时，上稳定器的位置和外径对钻具组合的增、降、稳

斜效果影响较大。该钻具组合对钻井参数和井斜角

的变化均不敏感，由于其旋转钻进时稳斜效果较好，

可以作为控制长稳斜段井斜方位的主要调整手段。

２．１．３　两种钻具组合的性能对比分析。现场实践

表明：单弯螺杆钻具的弯角、近钻头稳定器至钻头的

距离以及稳定器的外径对钻具组合的造斜力影响最

大，螺杆钻具的弯角越大，稳定器离钻头越近，稳定

器的外径越大，钻头的侧向力越大，造斜率越高，反

之则相反。

对于单弯单稳钻具组合，在螺杆钻具一定的情

况下，稳定器的外径对导向力的影响较大，其直径越

小，增斜率越小，在钻柱复合钻进一周内，增斜率的

变化幅度也最小，这说明减少稳定器的直径有利于

稳斜钻进。在水平段复合钻进过程中，现场经常采

用割掉近钻头稳定器扶正块的方法以提高单弯单稳

钻具组合复合钻进的稳斜能力，但这是一种不到万

不得已才采用的方法，这有待于螺杆生产厂家在单

弯结构上作改进设计，生产出近钻头稳定器可替换

的产品，以求得单弯单稳钻具组合旋转复合钻进时

有较好的稳斜能力。

现场实践结果表明：单弯双稳螺杆钻具组合在

旋转复合钻进时具有很好的导向能力和稳斜效果。

图２是两种钻具组合在相同的工况下滑动钻进

时，钻头增斜力随工具面装置角变化的比较，可以看７８　２０１９年第２期 李军顺　复合钻井技术在定向井及水平井中的研究与应用出：①上稳定器有无对增斜力随工具面装置角的变

化趋势影响较大，无上稳定器时，所描绘出的曲线呈“Ｖ”型，在井眼高边和低边增斜力产生剧变；当有上

稳定器时，曲线呈规则的余弦曲线形状，变化较平

缓。②无上稳定器时的增斜力比有上稳定器时的增

斜力大，这也是在增斜井段选用无上稳定器钻具组

合的原因之一。③无上稳定器的钻具组合为增斜钻

具，而有上稳定器的钻具组合为稳斜或微降斜钻具。

图２　有无上稳定器对增头增斜力的影响２．２　螺杆钻具

螺杆钻具质量的好坏是影响复合钻进的重要因

素。单弯螺杆钻具组合在定向钻进时，钻柱不旋转，

钻具承受弯曲应力较大。而在旋转复合钻进时，根

据钻具受力情况分析，在井眼的高边和低边会出现

增斜力的剧变，钻具扭矩大，受力情况复杂，钻头工

作稳定性差，极易发生各类井下复杂事故。恶劣的

工况对螺杆钻具的质量提出了较高的要求，螺杆钻

具质量和使用寿命成为制约复合钻进的关键因素之

一。钻具质量差，使用寿命短，显然不利于复合钻进

的实现。

２．３　钻头因素

复合钻井的目标就是要实现对井眼轨迹进行连

续有效的控制，从而达到减少起下钻，加快钻井速

度，提高钻井效率的目的。牙轮钻头适用于低转速，

使用寿命短，很难发挥复合钻井技术的优势。在不

进行起下钻的情况下，要想实现对井眼轨迹连续有

效的控制，就要选用适用于复合钻进，使用寿命长的

ＰＤＣ钻头。由于ＰＤＣ钻头无活动部件，适应于低

钻压、高钻速，钻头使用寿命长，这正好符合螺杆钻

具的工作特性。但ＰＤＣ钻头反扭角受钻压的影响

较大，工具面难于控制，给施工增加了一定的难度。

这就要求我们在以往实践经验的基础上，尽快找出

ＰＤＣ钻头在滑动钻进时反扭角受钻压影响的规律，

总结出具体的操作方法，解决施工中遇到的实际问

题。根据不同区块地层特点，以钻头结构特征因素

作为主要依据，优选出适合复合钻进的ＰＤＣ钻头系

列。现场施工结果表明，选用刀翼翼片短而多的

ＰＤＣ钻头，结合均匀送钻，平稳操作的施工方法，可以较好地解决工具面反扭角受钻压影响较大的问