摘要：随着油气田的不断开发，我国浅藏油气资源逐年减少。定向井和水平井可以有效地提高油气田开发效率、降低钻井成本，故在钻井领域中应用逐渐增多。钻定向井的主要方式有滑动导向和旋转导向，滑动导向结构简单、钻井成本低，在国内定向井领域中占有主导地位。目前滑动导向技术面临的一个关键问题是造斜段钻头的工具面不稳定。现有的PDC钻头工作扭矩大、扭矩响应高，工具面不易控制；牙轮钻头虽然定向性能好，但是其破岩效率低、钻井成本高。复合钻头是PDC钻头和牙轮钻头的有机结合，在硬地层，软硬交错等难钻地层中的钻进效率高、钻头寿命长；同时，复合钻头的低扭矩和高钻速在定向井中也具有很大优势。目前国内针对复合钻头已经开展了一系列研究，但主要集中在难钻地层的提速上。而在定向井中的研究应用还处于初级阶段，尤其在复合钻头的定向性能和设计理论研究上几乎空白。本文针对定向井复合钻头开展了研究。
关键词：定向井；复合钻头技术；现场应用
一、PDC钻头在以往定向井中存在的问题
1．方位和井斜变化
在无棣、桩西、孤岛等地区以往的定向井施工中，在同样的地层条件和使用相同的钻具组合时，PDC钻头表现出比使用牙轮钻头方位更容易漂移的现象。
PDC钻头一般要求使用较低的钻压，较高的转速。在现场使用时，PDC钻头使用的钻压一般为同尺寸牙轮钻头的20%～40%。以Ф216mm钻头为例，三牙轮钻头使用的钻压范围为120～200KN；而PDC钻头使用的钻压范围为20～80KN。由于钻压的差异，同一钻具结构，采用牙轮钻头钻进与采用PDC钻头钻进时的使用效果大相径庭。使用同样的钻具组合，在使用牙轮钻头时，表现为增斜效果，但在使用PDC钻头时，却往往表现出降斜效果。施工经验表明：采用PDC钻头钻进时，性能不稳定，对钻进参数比较敏感，常出现大幅降斜的情况。
2．钻头进尺
由于PDC钻头本身的一些特性，造成在定向井中井斜、方位控制方面的问题，所以在现场定向井多使用牙轮钻头。而牙轮钻头寿命不够长，进尺少，增加了起下钻次数，影响了整个施工进度，尤其是在东营组至沙河街组比较适合PDC钻头钻进的井段。而且频繁的起下钻延长泥浆对油气层的浸泡时间，对油气层损害比较严重，影响对油气的开采。
3．钻机负荷问题
PDC钻头是利用岩石抗剪强度较低的特点，采用高强度的聚晶金刚石复合片为切削元件，以切削方式来破碎岩石的。由于整只钻头无活动件，钻进中钻机负荷较重。特别是在井较深或井斜角较大时，这种情况会更严重，可能导致钻具扭断、胀扣、倒扣等事故发生。
二、影响定向井复合钻头钻进趋势的因素研究分析
在定向井钻井过程中，影响复合钻头钻进趋势的因素很多，主要包括钻头上部的钻具组合、钻头的形状参数、地层岩石的性质、实际钻井的参数等。各因素对于影响钻头钻进的作用机理不同，表现形式各种各样。通过采用理论研究结合软件分析的方式对影响钻头钻进的因素进行了研究，当井下钻具组合中扶正器的直径增加时，对于钻头的井斜力具有一定的影响，但是不会造成较大的影响，通过分析可得扶正器直径的增加，会加大井眼轨迹的斜率，但是对于钻头方位力的影响较小，所以在大斜度井钻井中，不能只通过增加扶正器的直径方法，来达到稳定井眼斜度和方位的目的。
在复合钻头结构方面，当复合钻头的保径齿长度加长时，钻头的井斜力始终向上，而数值的大小逐渐的减小，所以保径齿的加长可以达到降低井斜的目的，所以在利用复合钻头钻定向井时，可以采用减小保径齿长度的方法，来达到稳定井眼斜度和方位的目的。在定向井钻井参数方面，当钻井的钻压增加时，钻头的井斜力始终向下，而数值也在逐渐的增加，因此钻压的增加会增加井斜，而且增加的幅度随着钻压的增大而增大。而钻头的方位力则为零，所以在大斜度井钻井中，钻压的增大可以增加井眼的斜率，同时可以稳定井眼轨迹的方位。
当钻头的转速增加时，井眼的斜度减小，可以达到井斜的目的。在定向井复合钻头造斜的过程中，当钻头从较硬的地层转到较软地层时，钻头的钻进方向会向软地层偏移一定的距离。通过对影响定向井复合钻头钻进趋势的因素研究，可以提高定向井钻井的质量和速度。
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三、定向井复合钻头技术应用
1.地质导向钻井技术
地质导向钻井技术就是在钻井过程中通过随钻测量多种地质和工程参数，对所钻地层的地质参数进行实时评价和对比，根据评价对比结果而调整控制井眼轨迹，使之命中最佳地质目标并在其中有效延伸。其技术是以井下实际地质特征来确定和控制井眼轨迹，而不是按照预先设计的井眼轨道进行钻井。水平井全部采用了该技术。
2.计算机软件技术
油田除自己开发的设计及现场应用软件外，还引进了胜利油田特殊工艺井软件和兰德马克钻井软件以及阳光公司摩阻分析软件，能完成水平井轨道设计、摩阻和扭矩分析、管柱强度设计校核、中靶预测、防碰扫描、参数计算、测量结果的分析和校正等。
3.定向井完井工艺技术
（1）套管射孔完井。针对有气顶、底水、薄油层、盐间和油水关系比较复杂、出砂不严重的目的层，后期需酸化、压裂等措施，采用套管射孔完井进行有效封隔，主要用于江汉油区低渗透油藏、八面河疏松砂岩稠油油藏。
（2）筛管完井。采用管外封+筛管方式，固井封隔油层顶界以上的环行空间，避免了固井水泥浆及射孔液对油气层污染，同时增加泄油面积。主要用于八面河疏松砂岩稠油油藏。
（3）复合完井。即油层前段套管固井完井，后段裸眼（筛管）完井。首先利用裸眼水平段开采，若效果不理想，再对前段套管射孔开采。可以实现水平井产层的分段开采。主要用于江汉油区低渗透油藏、八面河疏松砂岩稠油油藏。目前仍在试验阶段。
四、定向井复合钻头技术展望
1.提高井眼轨迹的控制精度
利用MWD、LWD测量技术、地质导向技术、旋转导向技术引导钻头准确地钻入油气层并在油气层中的适当位置延伸，提高储层的钻遇率。
2.提高定向井的钻井速度
提高定向井的钻井速度是定向井技术发展一贯追求的目标。快速钻成定向井眼是最好的保护油气层措施之一。在水平井中应用PDC钻头、热稳定聚晶金刚石钻头、高性能马达、顶部驱动系统等先进的钻井工具、设备，有助于提高钻井速度。
3.定向井井型趋于多样化
为适应油田多种油气藏开采，水平井、大位移井、多目标井、多分支井以及小尺寸井眼会大量应用于油田勘探开发，达到提高钻井效率，降低钻井成本，显著增加泄油面积，提高单井产量和油田采收率的目的，以改善油气田开发的综合效益
4.定向井技术集成化
钻井、录井、测井利用LWD和地质导向技术合成一体，在钻井的同时进行试井、随钻地层压力测试，可提高油气发现率，增加单井产量，缩短建井周期，降低吨油成本。
5.定向井技术智能化
人工智能专家系统、旋转导向系统和智能完井工艺使钻井向智能化方向迈进了一步。利用智能完井技术是建立数字油田的基础，可有效地加快数字油田进程，其作用能够优化生产、提高采收率和降低生产成本。
结语
随着定向井复合钻头理论和技术的不断发展，复合钻头的使用会不断的提升定向井钻井的准确性和钻井效率。由于地层各向异性的存在，导致了定向井钻井中，容易产生井下钻头偏离预定轨迹的现象。定向井复合钻头在工作时存在三种类型的侧向力，钻具结构产生的侧向力，钻头结构本身产生的侧向力和地层特性产生的侧向力。通过对复合钻头钻进趋势的因素研究，得到各因素对于复合钻头钻进趋势的影响规律，可以更好的提高定向井钻井的质量和速度。
参考文献：
[1]张宇；吴义发；况雨春；朱志镨；；单弯螺杆复合钻进力学行为数值模拟研究[J]；石油地质与工程；2013年04期
[2]杨瑶；定向井复合钻头技术研究与现场应用[D]；西南石油大学；2016年
[3]谢豆；深部硬地层PDC-牙轮复合钻头破岩机理研究[D]；西南石油大学；2016年
论文作者:陈铁
论文发表刊物:《基层建设》2019年第1期
论文发表时间:2019/4/2
标签：钻头论文; 定向井论文; 牙轮论文; 地层论文; 油气论文; 技术论文; 地质论文; 《基层建设》2019年第1期论文;