米光勇，袁和義，王 強，繆 遙，董廣建

1.中國石油西南油氣田公司開發(fā)事業(yè)部，四川 成都 610051；2.中國石油西南油氣田公司川西北氣礦，四川 江油 621709；3.中國石油川慶鉆探工程有限公司川西鉆探公司，四川 成都 610051；4.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室·西南石油大學(xué)，四川 成都610500

引言

隨著油氣勘探開發(fā)的深入，深層、超深層油氣資源高效開發(fā)已成必然趨勢，尤其是四川盆地雙魚石區(qū)塊超深層油氣資源勘探開發(fā)工作取得重大突破，已成為中國勘探開發(fā)重點地區(qū)，但是開發(fā)過程超深井鉆井井斜問題嚴重影響井眼質(zhì)量、制約鉆井速度和鉆井周期[1-3]?？焖俳⒏哔|(zhì)量井筒又是油氣高效開發(fā)的重要環(huán)節(jié)，而超深井井眼軌跡控制問題比較突出。關(guān)鍵難題之一是在各向異性地層中井斜發(fā)生的力學(xué)特性問題需要進一步探討[4-5]。針對該問題前人開展了相關(guān)研究。

深部地層井眼井斜的研究重點在鉆柱力學(xué)和地層造斜方面，研究目標(biāo)主要是解決防斜打直打快的難題，核心問題是鉆井過程鉆頭側(cè)向力對井斜的影響。其中，Lubinski[6]最早應(yīng)用連續(xù)梁理論系統(tǒng)研究了直井鉆柱力學(xué)問題，對鉆柱力學(xué)的后續(xù)研究產(chǎn)生重大影響。Lubinski 等深入研究了地層各向異性對鉆井井斜的定量化影響，并且提出扶正器控制井斜的方法[7]。隨著鉆柱力學(xué)的快速發(fā)展，出現(xiàn)了多種鉆柱力學(xué)問題研究方法以解決鉆柱產(chǎn)生井斜的機理。Walker 等根據(jù)最小勢能原理對鉆柱力學(xué)問題進行求解[8]；Millheim 重點研究了有限元法在鉆柱力學(xué)中應(yīng)用[9]。Johansick 采用微元分析法建立了三維井眼全井段鉆柱力學(xué)模型[10]。蘇義腦等應(yīng)用縱橫彎曲連續(xù)梁法提出了偏軸、柔性鉆具、反鐘擺等多種防斜打直技術(shù)等[11]。高德利等通過加權(quán)余量法研究了BHA 渦動等動力學(xué)特性，也提出了防斜打直技術(shù)的配套理論[12]。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，多位學(xué)者應(yīng)用有限元法建立了井底鉆柱的受力分析模型，并根據(jù)鉆頭受力特點詳細討論了井斜規(guī)律[13-16]。隨著定向井技術(shù)的快速發(fā)展完善，現(xiàn)場利用滑動導(dǎo)向鉆具組合+MWD 連續(xù)導(dǎo)向技術(shù)進行井眼軌跡控制作業(yè)[17]。在井斜規(guī)律研究過程中，另一個層面的問題地層自然造斜力對于井斜的影響。目前，部分學(xué)者建立了地層自然造斜力模型[18-23]，探索地層自然造斜規(guī)律和井斜控制措施。

學(xué)者們對井斜機理及直井防斜打直做了部分相關(guān)工作，但是，四川盆地雙魚石區(qū)塊超深井鉆井井斜問題依然突出，并且對于雙魚石深部地層發(fā)生井斜的機理認識不清，目前缺乏針對該區(qū)塊的各向異性地層井斜規(guī)律和控制的系統(tǒng)分析和討論。本文通過考慮鉆頭與地層互作用、地層傾角、井斜角、地層各向異性指數(shù)、地層自然造斜力、鉆頭側(cè)向力，綜合建立鉆頭造斜力模型，通過實鉆資料驗證模型的正確性。重點討論不同影響因素下該區(qū)塊井斜變化規(guī)律，為深部地層井斜控制提供重要指導(dǎo)。

1 鉆頭綜合側(cè)向力模型建立

經(jīng)過大量的工程實踐證明縱橫彎曲連續(xù)梁法可以比較準確快速分析鉆頭側(cè)向力，核心思想底部鉆具組合假設(shè)成縱橫彎曲連續(xù)梁，根據(jù)三彎矩方程建立一組代數(shù)方程，最終求解鉆頭側(cè)向力[12]。建模過程中，假設(shè)BHA 是小彈性變形，鉆壓為常量，井壁為剛體，鉆頭破巖過程中，考慮地層自然造斜力。經(jīng)過假設(shè)建立的模型受力和變形示意圖如圖1 所示。根據(jù)邊界條件和力學(xué)平衡條件推導(dǎo)出底部鉆具組合的三彎矩方程組[11]。

圖1 BHA 二維受力與變形示意圖Fig.1 Schematic diagram of two-dimensional force and deformation of BHA

取底部鉆具組合中最下面一跨為研究對象，可求得出鉆頭處的側(cè)向力

同樣的鉆頭與不一樣的地層接觸會產(chǎn)生不同的相互作用力，所以地層造斜力對于鉆頭井眼軌跡的控制有重要影響。地層自然造斜力建模流程如下文所示。

如圖2 所示，假設(shè)R為鉆壓和鉆頭側(cè)向力的合力。

圖2 地層自然造斜力示意圖Fig.2 Analysis diagram of formation natural deflection force

由于地層具有傾角和各向異性，鉆頭處還受有地層施予的地層造斜力，這里暫不考慮鉆頭的附加轉(zhuǎn)角。把合力R沿地層層面和法向分解為FH和FV，把合位移D沿層面和法向分解成DH和DV，并設(shè)這兩個方向的鉆速分別為VH和VV。

對處于破碎階段的各向異性傾斜地層，在單位時間內(nèi)，有

式（4）中，0

在本分析時，F(xiàn)r<0 為降斜力；Fr>0 為增斜力；Fr=0 為鉆頭將沿著層面法向鉆進。最后將地層造斜力和鉆頭側(cè)向力矢量合成。鉆頭綜合造斜力為鉆頭處的造斜力和地層造斜力的矢量和，鉆頭綜合側(cè)向力為

根據(jù)式（7）對雙魚石深部地層井斜規(guī)律進行分析和討論。

2 雙魚石區(qū)塊井斜分布特征分析

綜合對比了雙魚石區(qū)塊典型井直井段井斜情況（圖3）。結(jié)果顯示，該區(qū)塊在500，2 500，4 500 和6 000 m 附近易發(fā)生井斜。針對每口井的井斜情況統(tǒng)計顯示，井斜最大可達到11°，多數(shù)井的井斜角在0～6°，控制較好的井斜在3°以內(nèi)（圖4）。但井斜和鉆具組合降斜能力及地層造斜能力密切相關(guān)，根據(jù)圖5、圖6 和圖7 展示的3 口單井井斜分布統(tǒng)計可知，易發(fā)生井斜的層位為蓬萊鎮(zhèn)組、沙溪廟組、須家河組、雷口坡組、嘉陵江組等。

圖3 四川盆地雙魚石區(qū)塊井斜分布統(tǒng)計Fig.3 Distribution statistics of well deviations in Shuangyushi Block,Sichuan Basin

圖4 四川盆地雙魚石區(qū)塊井斜分布統(tǒng)計（代表性單井）Fig.4 Statistics of well deviation distribution in Shuangyushi Block,Sichuan Basin（representative single-well）

圖5 四川盆地雙魚石區(qū)塊S1 井井斜分布統(tǒng)計（分層位統(tǒng)計）Fig.5 Distribution statistics of Well S1 inclination in Shuangyushi Block,Sichuan Basin（stratified position statistics）

圖6 四川盆地雙魚石區(qū)塊S2 井井斜分布統(tǒng)計（分層位統(tǒng)計）Fig.6 Distribution statistics of Well S2 inclination in Shuangyushi Block,Sichuan Basin（stratified position statistics）

圖7 四川盆地雙魚石區(qū)塊S3 井井斜分布統(tǒng)計（分層位統(tǒng)計）Fig.7 Distribution statistics of Well S3 inclination in Shuangyushi Block,Sichuan Basin（stratified position statistics）

反演雙魚石區(qū)塊空氣鉆層段的各向異性指數(shù)約0.276，泥漿鉆井層段的各向異性指數(shù)0.033，直井段最大井斜角11.5°，地層傾角0～16.0°，平均約14.0°。重點分析4 500 m 井深附近的井斜，該處平均鉆壓100 kN，以某鐘擺鉆具組合為例，空氣鉆井基本鉆具組合為：φ456.0 mm 空氣錘+φ254.0 mm 鉆鋌×2+φ442.0 mm 扶正器+φ228.6 mm鉆鋌×2+φ203.2 mm 鉆鋌×1+φ139.7 mm 斜坡加重鉆鋌×6+φ139.7 mm 斜坡鉆桿。常規(guī)泥漿鉆井基本組合參數(shù)為：φ241.3 mm 鉆頭+φ197.0 mm 螺桿× 1+φ171.4 mm 鉆鋌×1+φ240.0 mm 扶正器+φ171.4 mm 鉆鋌×1+φ165.1 mm 鉆鋌×12。

3 雙魚石區(qū)塊井斜機理分析

3.1 地層自然造斜能力分析

地層傾角較小情況下，井斜角-地層自然造斜力-地層傾角耦合關(guān)系計算結(jié)果如圖8 所示（鉆壓100 kN，地層各向異性指數(shù)0.033）。

圖8 井斜角-地層自然造斜力-地層傾角耦合關(guān)系Fig.8 Coupling relationship between well inclination angle–formation natural deflection force and formation dip angle

根據(jù)圖8 可知，隨著井斜角的增加，地層自然造斜力呈線性減小趨勢。從計算結(jié)果可以看出，井斜角與地層傾角相等時，地層自然造斜力為零，若不考慮鉆頭側(cè)向力，鉆頭會沿著地層傾角方向鉆進。

井斜角-地層自然造斜力-地層傾角耦合關(guān)系如圖9 所示（鉆壓100 kN），隨著地層各向異性指數(shù)（0.03～0.30）的增加，地層自然造斜力表現(xiàn)出強非線性規(guī)律，隨著地層各向異性指數(shù)增加，地層自然造斜力呈非線性增加趨勢，并且增加的幅度較小。地層自然造斜力為120～7 000 N。

圖9 地層各向異性指數(shù)-自然造斜力-傾角耦合關(guān)系Fig.9 Coupling relationship of formation anisotropy index-formation natural deflection force–formation dip

從計算結(jié)果可以看出，地層自然造斜力對于地層各向異性指數(shù)非常敏感，小幅度的地層各向異性指數(shù)增加都會導(dǎo)致地層自然造斜力大幅度增加，鉆井液密度降低會直接增大地層各向異性指數(shù)。

地層自然造斜力-地層傾角-井斜角耦合關(guān)系如圖10 所示（鉆壓100 kN，各向異性指數(shù)為0.033）。隨著地層傾角的增加，地層自然造斜力線性增加；當(dāng)井斜角大于地層傾角時，地層自然造斜力表現(xiàn)出增斜，且增斜能力越來越大。地層自然造斜力為0～705 N，總體而言，上傾角越大，地層越容易發(fā)生井斜。

圖10 地層自然造斜力-地層傾角-井斜角耦合關(guān)系Fig.10 Coupling relationship of formation natural deflection force-formation dip angle–well inclination angle

鉆壓-地層傾角-地層自然造斜力耦合關(guān)系見圖11（地層各向異性指數(shù)取0.033，井斜角為0）。隨著鉆壓的增加，地層自然造斜力表現(xiàn)出線性增加規(guī)律，且增加的幅度越來越大。地層自然造斜力為60～1 490 N，地層自然造斜力對于鉆壓比較敏感，且地層傾角越大，隨著鉆壓的增加，地層自然造斜力增加幅度越大。

圖11 鉆壓-地層傾角-地層自然造斜力耦合關(guān)系Fig.11 Coupling relationship between WOB-formation dip-formation natural deflection force

3.2 鉆頭綜合側(cè)向力響應(yīng)分析

圖12 所示為地層自然造斜力和鉆頭側(cè)向力曲線。由圖12 可知，隨著鉆井液介質(zhì)的改變，地層自然造斜力差異巨大，空氣介質(zhì)中地層自然造斜力表現(xiàn)的變化幅度更大，主要是由于空氣介質(zhì)改變了井底應(yīng)力情況，導(dǎo)致地層各向異性指數(shù)增大。隨著井斜井斜角的增加，鉆頭的側(cè)向力增大，兩種鉆井液介質(zhì)中，鉆頭側(cè)向力差異不大。

圖12 地層自然造斜力和鉆頭側(cè)向力對比Fig.12 Comparison of natural formation force and bit lateral force

由鉆頭綜合側(cè)向力隨地層傾角的關(guān)系（圖13）可知，隨著地層傾角的增加，鉆頭綜合側(cè)向力逐漸減小，當(dāng)?shù)貙觾A角為6.5°時，空氣中鉆頭綜合側(cè)向力為0，達到穩(wěn)斜狀態(tài)，而鉆井液中鉆頭綜合側(cè)向力為0的地層傾角大于空氣鉆井。說明其他條件保持不變的情況下，每種鉆具組合和鉆井參數(shù)對應(yīng)了一種地層傾角可以保持穩(wěn)斜狀態(tài)。該結(jié)果對于地層井斜控制和應(yīng)用具有參考意義。

圖13 鉆頭綜合側(cè)向力與地層傾角關(guān)系圖Fig.13 The relationship between the comprehensive lateral force of the bit and the formation dip

由鉆頭綜合側(cè)向力與地層傾角關(guān)系圖（圖14）可知，隨著井斜角的增大，鉆頭綜合側(cè)向力減小，即井斜增加趨勢隨著井斜角的增減逐漸降低，在空氣鉆井中井斜角11.0°前，鉆頭綜合側(cè)向力為增斜力，泥漿鉆井中井斜角4.5°前鉆頭綜合側(cè)向力為增斜力，兩種鉆井介質(zhì)的井斜平衡點在11.0°和4.5°附近，同時，提高扶正器距離鉆頭，鉆頭糾斜能力提高。雙魚石區(qū)塊實際鉆井井斜分布規(guī)律為空氣鉆井過程最大井斜角11.0°，其他地層鉆井液鉆井平均井斜在4.5°左右，本文模型分析結(jié)果與雙魚石區(qū)塊實際鉆井井斜分布規(guī)律保持一致，說明該分析模型的正確性。

圖14 鉆頭綜合側(cè)向力與井斜角關(guān)系圖Fig.14 The relationship between the comprehensive lateral force coupling of the bit and well inclination angle

4 井斜控制措施

針對雙魚石區(qū)塊深層鉆井井斜機理，設(shè)計了適合于易斜地層的防斜及糾斜下部鉆具組合，充分釋放鉆壓，提高機械鉆速。比如，針對雙魚石區(qū)塊蓬萊鎮(zhèn)組，地層傾角為6.00°～8.00°，未優(yōu)化之前的鉆具組合和鉆井參數(shù)為φ456.0 mm 空氣錘+φ254.0 mm 鉆鋌×2+φ442.0 mm 扶正器+φ228.6 mm鉆鋌×2+φ203.2 mm 鉆鋌×1+φ139.7 mm 斜坡加重鉆鋌×6+φ139.7 mm 斜坡鉆桿，鉆壓10～30 kN，轉(zhuǎn)速25～30 r/min，排量42 L/s，斜角4.6°，鉆速為5 m/h。通過本文理論分析可知，只需要通過調(diào)節(jié)扶正器的位置和優(yōu)化鉆井參數(shù)，即可控制井斜，扶正器位置從原來距離鉆頭20 m的位置提高到了距離鉆頭29 m的位置，增大了鉆頭的鐘擺力，井斜角由4.60°降低至1.14°。優(yōu)化后的鉆具組合和鉆井參數(shù)為φ456.0 mm 空氣錘+φ254.0 mm 鉆鋌×2+φ228.6 mm 鉆鋌×1+φ441.0 mm 扶正器+φ228.6 mm鉆鋌×2 +φ203.2 mm 鉆鋌×2+φ139.7 mm 斜坡加重×6+φ139.7 mm 斜坡鉆桿，鉆壓15～20 kN，轉(zhuǎn)速40～45 r/min，排量42 L/s。井斜角降至1.14°，鉆速為7 m/h，鉆速同比提高了40%。

針對深層雷口坡組和嘉陵江組井斜情況，地層傾角為8.00°～10.00°，鄰井井斜達11.00°，采用本文鉆頭綜合側(cè)向力分析可知，常規(guī)鉆具通過調(diào)整鉆井參數(shù)和鉆具組合最多可將井斜控制到5.00°，無法降至1.50°以下，常規(guī)鉆具組合為φ241.3 mm 鉆頭+φ197.0 mm 螺桿×1+φ171.4 mm 鉆鋌×1+φ240.0 mm扶正器+φ171.4 mm 鉆鋌×1+φ165.1 mm 鉆鋌×12。最終采用垂直鉆井技術(shù)，增大鉆頭綜合側(cè)向力，將同層位井斜角5.00°快速降低到0.50°，同時機械鉆速達到2.36 m/h，同比提高了85%。垂直鉆井組合和鉆井參數(shù)φ241.3 mm PDC 鉆頭+Power–V+197.0 mm 直螺桿+172 mm 無磁鉆鋌+168.0 mm 鉆鋌×6+隨鉆震擊器+127.0 mm 加重鉆桿×2。鉆壓130～150 kN，排量34 L/s，泵壓29～33 MPa，轉(zhuǎn)速40 r/min。

在雙魚石區(qū)塊深層鉆井過程中，井斜問題突出，在鉆井成本可控范圍內(nèi)，建議選擇垂直鉆井技術(shù)作為理想的井斜控制方案，在雙魚石鉆井區(qū)塊采用垂直鉆井技術(shù)產(chǎn)生的提速和井斜控制效益優(yōu)勢較大。在不考慮垂直鉆井技術(shù)的前提下，通過調(diào)整鉆具組合和鉆進參數(shù)適當(dāng)增加鉆具的降斜力，以提高井身質(zhì)量，小鉆壓吊打，防止井斜。

5 結(jié)論

（1）雙魚石區(qū)塊深層鉆井過程中，蓬萊鎮(zhèn)組、沙溪廟組、須家河組、雷口坡組、嘉陵江組等層位發(fā)生嚴重井斜，大大影響了井身質(zhì)量和鉆井速度。

（2）針對雙魚石區(qū)塊，考慮鉆頭與地層互作用、地層傾角、井斜角、地層各向異性指數(shù)、地層自然造斜力、鉆頭側(cè)向力，綜合建立了鉆頭綜合側(cè)向力模型，通過實鉆資料驗證了模型的正確性。根據(jù)不同影響因素探討了井斜變化規(guī)律。地層各向異性指數(shù)、地層傾角、井斜角、鉆壓等因素對地層自然造斜力均有影響，尤其是地層各向異性指數(shù)、地層傾角對地層自然造斜力影響最大，其次是井斜角和鉆壓。

（3）空氣鉆井比鉆井液鉆井條件下地層自然造斜力大，主因是空氣介質(zhì)改變了井底應(yīng)力狀態(tài)和各向異性指數(shù)。隨著地層傾角的增加，地層自然造斜力增加。隨著地層各向異性指數(shù)的增加，地層自然造斜能力增大導(dǎo)致井斜角增大，隨著井斜角增大，鉆頭綜合側(cè)向力減小，糾斜能力減弱。

（4）在鉆井成本可控范圍內(nèi)，建議選擇垂直鉆井技術(shù)作為理想的井斜控制方案。在不考慮垂直鉆井技術(shù)的前提下，通過調(diào)整鉆具組合和鉆井參數(shù)可以適當(dāng)增加鉆頭的糾斜能力，提高井身質(zhì)量，同時，小鉆壓吊打，防止井斜。研究結(jié)果可為超深層井斜規(guī)律的研究和高效控制提供重要的參考和指導(dǎo)。

符號說明