定向井施工中扶正器钻具组合应用探讨

定向井施工中扶正器钻具组合应用探讨

张冰

大庆钻探钻井一公司项目二部30616钻井队

摘要：为加快钻速，降低成本，大部分定向井都在定向钻具定向至一定井斜后，换常规钻具组合继续钻进。常规钻具中的主要工具是扶正器，作为控制井身轨迹的主要工具，扶正器在定向井、丛式井、水平井中得到普遍应用。本文介绍了单扶钻具组合、双扶钻具组合的特点及用途，分析了扶正器钻具组合对定向井施工的影响，具有一定借鉴意义。

关键词：定向井；扶正器；钻具组合；影响因素

1扶正器的类型和用途

定向钻井中，常用的扶正器有螺旋扶正器和滚子扶正器两种。扶正器在定向钻井中的用途如下：①在增斜钻具组合和降斜钻具组合中，扶正器起支点作用，通过改变扶正器在下部钻具组合中的位置，可改变下部钻具组合的受力状态，达到控制井眼轨迹的目的。在增斜钻具中，近钻头扶正器为支点，扶正器上部的钻铤受压后向下弯曲，迫使钻头产生斜向力来达到增加井斜的目的。在降斜钻具中，扶正器离钻头的距离一般为10～20m。扶正器下面的钻具靠自身重力，以扶正器为支点产生向下的钟摆力，达到降斜的目的。②增加下部钻具组合的刚性达到稳定井斜和方位的目的。稳斜钻具组合是减小钻头与扶正器之间，以及扶正器与扶正器之间的相对距离，增强下部钻具的刚性，以限制下部钻具受压变形，收到稳斜效果。③修整井眼，使井眼曲率变化平缓，圆滑。有利于减少井下复杂情况。扶正器下井前，应认真检查扶正器的外径，磨损情况和扶正器在钻具组合中的安放位置。扶正器的外径磨损应不大于2mm。

2常用扶正器钻具组合

2.1增斜钻具组合

增斜钻具组合一般采用双扶正器钻具组合。增斜钻具是利用杠杆原理设计的。它有一个近钻头足尺寸扶正器作为支点，第二个扶正器与近钻头扶正器之间的距离应根据两扶正器之间钻铤的刚性（尺寸）大小和要求的增斜率大小确定。除了考虑增斜能力和稳方位能力外，还必需考虑减小井下阻卡和防止钻具事故。

2.2稳斜钻具组合

稳斜钻具组合是采用刚性满眼钻具结构，通过增大下部钻具组合的刚性，控制下部钻具在钻压作用下的弯曲变形，达到稳定井斜和方位的效果。常用的稳斜钻具组合是：钻头十近钻头扶正器十钻铤（2-3m）十扶正器十钻铤+钻杆。

通过调整靠近钻头的钻铤长度可改变井斜力大小和指向，但井斜力和方位力均很小。三维动态有限元力学计算表明，稳斜钻具井斜力随井斜角增加而降低。因此，稳斜钻具在井斜角小时微增斜，井斜角大时微降斜。在软或中硬地层，由于井径扩大，此特性更为明显。此特性说明在井斜角大时，如大于30°，需采用微增斜钻具才能稳斜。稳斜钻具组合方式有多种形式，在施工中根据地层，增降斜趋势等调整。如前所述，在井斜角大于30°，可能需要微增斜钻具稳斜，当井眼和地层夹角大于65°时，造斜率高，可能需要微降斜钻具稳斜。

2.3单扶正器钻具

对单扶正器钻具组合而言，首先应考虑的是扶正器的安放位置对其造斜特性的影响。当采用近钻头扶正器时，钻具组合具有很强的增斜力；随着扶正器与钻头距离的增大，增斜力逐渐下降；当扶正器与钻头的距离增至某一值时（不同钻井条件有不同的值）增斜力为零；继续增加扶正器与钻头的距离则为降斜力。由上述分析可以看出，使用单扶正器钻具组合通过合理调整扶正器的安放位置，可以实现增斜、稳斜、降斜的目的。除了以上所说的组合之外还有，降斜和微增斜钻具组合等。

3影响扶正器钻具组合使用效果的因素分析

3.1地层因素

地层因素包括地层倾角与倾向、地层可钻性、地层各向异性以及地层应力。当井眼轨迹方向与地层倾向一致时旋钻钻进方位基本稳定。

3.2底部钻具组合的影响

3.2.1钻头类型、结构及破岩效率的影响。

选择钻头类型及结构特征的余地不大，钻头类型及结构特征对整个底部钻具组合的影响很小，但在实际应用中，例如在硬地层且钻头破岩效率低的情况下，增斜容易降斜难，用牙轮钻头方位较稳定，用PDC钻头会产生左漂趋势。在构造复杂的地层，由于地应力的作用钻头将沿地层容易破碎的方向钻进。

3.2.2钻柱自重与刚性的影响

钻柱刚性减小，对钻头井斜力的影响不大，但方位力会增大。降斜组合中如果没有在第二扶正器上加装钻铤，导致提高钻压后受力支点移到了第二扶正器之上的加重钻杆上，使底部钻具组合具有了增斜作用。

3.2.3钻进参数的影响

钻压参数对钻具组合使用效果影响最大。在钻具组合结构确定后，控制钻压可以在一定范围内调节钻具的增（降）斜效果。转数参数影响较小，但过高的转速会导致钻具组合失去运动稳定性，使钻头的井斜力、方位力降低，此外转速过高还会导致下部钻具过早疲劳损伤。

3.2.4井眼的几何特性（井斜与方位变化率）的影响

一般来说，钻头具有保持原井眼变化趋势的惯性。对于稳斜钻具组合，随着井斜角的增大，钻头井斜力降低。井斜角较大时钻头井斜力微降，井斜角较小时钻头井斜力微增。钻头方位力随着井斜角的增加而减小，底部钻柱各截面横向振动幅度也减小，因此井斜角较大时方位不易漂移。井斜角对增斜钻具性能的影响表现在下述三方面：①随井斜角增加，井斜力增大，方位力减小。这是井斜角大后方位不易改变的主要原因之一。在中硬或硬地层中这一特性较显著。由于扶正器侧向力也随井斜角增加而增加，随之而来的是在软地层中，扶正器切削下井壁，使钻头实际增斜能力降低。甚至不增斜。②井斜角影响整个下部钻柱运动状态，随井斜角增加，下部钻柱各截面横向振动位移减小，下部钻柱趋近于在垂直平面内弯曲和横向振动。③随着井斜角增加，钻头井斜力和方位力变化幅值均降低，而变化频率基本不变。基于上述后两种原因，在井斜角较大时，采用加重钻杆加钻压不会引起加重钻杆疲劳破坏。另外，井眼轨迹与地层的夹角影响钻头的破岩效率（当井眼轨迹与地层夹角小于30°时，钻头井斜力沿地层水平面的分力越来越大，钻进更为容易），进而影响底部钻具组合的使用效果。从以上分析看出，在软地层定向井钻井采用优质钻井液和合适水力参数设计以保持井眼不至过分扩大的重要意义。井眼扩大对井眼轨迹影响的机理，在施工中可适当加以利用。如果增斜率不够，打完一个单根后，不能划眼到底；反之，如果增斜率过大，可划眼到底。

4结束语

扶正器钻具组合在定向井施工中发挥重要作用，通过研究发现，地层特性对钻井底部钻具组合的影响较大，井眼漂移主要受地层因素影响。在保证井下安全的前提下，选择合理的钻压、转数，采用螺旋短翼扶正器，可以减少钻进摩阻力和扭矩。合理调整单扶正器组合中扶正器的安放位置，可以获得理想的稳斜效果。实践证明，在地层较复杂地区应用单扶正器钻具组合，既能保证井下安全，又能实现定向钻井的目的，是理想的钻具选择。由于受扶正器数量的限制，无法完成不同外径的扶正器的稳斜效果评价。井眼的几何特性（井斜与方位变化率）对稳斜钻具的影响研究由于时间有限不够充分，有待进一步分析。

参考文献：

[1]单稳定器钻具组合特性分析及应用[J].石油钻采工艺，2001年（第23卷）第6期.

[2]单稳定器钻具组合在陕北定向井中的应用[J].石油钻探技术，2000年6月（第28卷）第3期.