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(山西省煤炭地質(zhì)水文勘查研究院，山西 太原 030006)

雙彎螺桿糾斜效果分析與應(yīng)用

靖?jìng)|

(山西省煤炭地質(zhì)水文勘查研究院，山西 太原 030006)

雙彎螺桿是指彎接頭加彎殼體螺桿的鉆具組合形式。采用雙彎螺桿糾斜，可以獲得較大的造斜率，解決在特定條件下單彎螺桿糾斜困難的問(wèn)題。選擇合適角度的彎接頭，減少雙彎螺桿造斜進(jìn)尺長(zhǎng)度，是控制井眼“狗腿”度，保證后期工作(擴(kuò)孔和下套管)順利進(jìn)行的重要因素。以在大口徑鉆孔中糾斜為例，列舉了使用單彎螺桿糾斜遇到的困難，通過(guò)雙彎螺桿造斜效果的分析，提出了一套采用雙彎螺桿進(jìn)行糾斜的工藝，最終實(shí)現(xiàn)了鉆孔的糾斜成功。

雙彎螺桿；糾斜；軌跡控制；“狗腿”度；擴(kuò)孔

1 概述

1.1 項(xiàng)目概況

根據(jù)“先抽后采”的原則，漳村煤礦在擴(kuò)建礦區(qū)新布置了2個(gè)瓦斯抽放孔，建立地面泵站對(duì)井下瓦斯進(jìn)行抽放。在施工中，2個(gè)鉆孔不同程度出現(xiàn)了井斜，其中瓦斯抽放1號(hào)孔的孔斜尤為嚴(yán)重。該孔糾斜過(guò)程曲折，先后使用螺桿復(fù)合鉆進(jìn)和滑動(dòng)鉆進(jìn)方法糾斜，均以失敗告終。在井場(chǎng)螺桿可選角度較少的情況下，最終選擇了“彎外管+彎接頭”的雙彎螺桿進(jìn)行糾斜，取得了成功。本孔雙彎螺桿糾斜工藝可為同類工程提供借鑒。

1.2 地質(zhì)概況

漳村煤礦位于長(zhǎng)治盆地西北部，屬盆地內(nèi)的低山丘陵地貌，地形復(fù)雜，地勢(shì)高差較大，溝壑發(fā)育。構(gòu)造上位于太行山復(fù)背斜之西翼，總體以寬緩褶曲為主，褶曲軸向?yàn)楸蔽飨蚧驏|西向，兩翼地層傾角3°～9°，一般3°～5°。

第四系(Q)地層分布廣泛，厚度0～150 m，由棕黃色、淺黃色粉土，粉(細(xì))砂層、粉質(zhì)粘土及粘土組成，含姜石及砂礫層，與下伏二疊系地層呈角度不整合接觸。二疊系上石盒子組(P1x)150～300 m，由雜色泥巖或砂質(zhì)泥巖，細(xì)、中、粗粒石英砂巖組成；下石盒子組(P1s)300～370 m，由泥巖、砂質(zhì)泥巖，長(zhǎng)石石英砂巖，中、粗、細(xì)粒石英砂巖組成；山西組(P1s)為終孔層位，其中3號(hào)煤層為主要可采煤層。

1.3 主要鉆探設(shè)備、器具

鉆機(jī)：TSJ-2000型鉆機(jī)，單繩提升力90 kN，最大扭矩18 kN·m，可以滿足大口徑擴(kuò)孔的要求。

泥漿泵：TBW-850/5A型泥漿泵2臺(tái)，并聯(lián)后獲得的流量可滿足螺桿鉆具要求。

螺桿鉆具：?172 mm彎殼體螺桿，可選角度0.75°和1°，可配合?216 mm牙輪或PDC鉆頭。

其他設(shè)備：HS18-36型鉆塔，LHE-31A型單點(diǎn)測(cè)斜儀，LHE-2000型有線隨鉆測(cè)斜儀。

鉆具：?178 mm無(wú)磁鉆鋌，?178 mm鉆鋌，?89 mm鉆桿。

1.4 施工設(shè)計(jì)

漳村煤礦瓦斯抽放1號(hào)孔設(shè)計(jì)孔深370 m，孔徑950 mm，全孔下入?720 mm×14 mm直縫鋼管，全井段固井，水泥標(biāo)號(hào)P.O 42.5。

施工采用逐級(jí)擴(kuò)孔方式，在松散層段，首先采用?450 mm牙輪鉆頭進(jìn)行鉆進(jìn)，然后采用?650、950、1250 mm組合牙輪鉆頭擴(kuò)孔至26 m，下入孔口管?1050 mm×16 mm螺旋鋼管；之后使用?245 mm牙輪鉆頭鉆進(jìn)導(dǎo)向孔，使用滿眼鉆具和鐘擺鉆具控制鉆孔垂直度，再經(jīng)?450、650、950 mm三級(jí)擴(kuò)孔成孔。

結(jié)合井下瓦斯抽放的具體位置，確定孔位，可以大大減少瓦斯抽排管路的鋪設(shè)距離，降低管路鋪設(shè)成本[1]。設(shè)計(jì)鉆孔位置位于巷道東3 m處。巷道與鉆孔不宜太近，否則鉆探施工產(chǎn)生的震動(dòng)容易震裂或壓垮巷道，引起泥漿滲漏進(jìn)入巷道[2]，造成不必要的麻煩。施工中在接近煤層頂板時(shí)，應(yīng)及時(shí)停止向下鉆進(jìn)。

2 鉆孔偏斜情況

?244 mm導(dǎo)向孔鉆進(jìn)至342 m時(shí)，孔底井斜角1.18°，方位20.3°，東位移3.07 m，北位移4.28 m。此時(shí)鉆孔結(jié)構(gòu)復(fù)雜，?450 mm口徑擴(kuò)孔至260 m，?650 mm口徑擴(kuò)孔至251 m，?950 mm口徑擴(kuò)孔至237 m。

鉆孔偏斜較大的原因是為縮短工期，提高鉆速，施加了大鉆壓鉆進(jìn)，加之地層傾角和軟硬互層等因素，孔斜不斷加大。由于甲方對(duì)于井斜要求的改變(原要求鉆機(jī)加快施工，對(duì)井斜未有明確要求，后改為應(yīng)使鉆孔偏斜西位移達(dá)到1.5～2 m)，必須制定糾斜方案進(jìn)行糾斜。

3 糾斜難點(diǎn)分析

(1)孔壁復(fù)雜。孔徑擴(kuò)大，孔壁不直，鉆頭容易順原孔鉆進(jìn)，給糾斜帶來(lái)困難。鉆孔口徑不一，鉆桿上部活動(dòng)空間大，下部鉆具難以形成穩(wěn)定支撐，橫向力弱，鉆頭會(huì)沿阻力最小的方向鉆進(jìn)，滑向原孔內(nèi)。

(2)設(shè)備制約。TBW-850/5A型泥漿泵排量較小，難以驅(qū)動(dòng)大直徑螺桿馬達(dá)?，F(xiàn)有?172 mm彎殼體螺桿中最大角度為1°，造斜率低，出新孔困難。

(3)水泥石硬度小。多次封孔，新舊水泥混合，在鉆桿碰撞下剝落，使孔壁更加復(fù)雜。在水泥石中井眼容易擴(kuò)大，造斜率低。

(4)軌跡控制難。出新孔的位置，“狗腿”度不能太大，要確保后期擴(kuò)孔與下套管工作的順利進(jìn)行。造斜點(diǎn)與孔底距離近，從水泥面250 m到孔底370 m，中間只有120 m，調(diào)整余地小，如何在120 m內(nèi)既控制“狗腿”度，又準(zhǔn)確鉆達(dá)靶點(diǎn)，是一個(gè)難題。

(5)井漏。根據(jù)鄰井(2井相距約15 m)信息，井深310 m處會(huì)出現(xiàn)較大漏失，鄰井曾采用在井口投入細(xì)煤渣(直徑<2 mm)的方法堵漏成功。要控制好泥漿失水量，提前預(yù)備堵漏材料。

4 初期糾斜過(guò)程

4.1 復(fù)合鉆進(jìn)糾斜

制定滑動(dòng)鉆進(jìn)與復(fù)合鉆進(jìn)交替鉆進(jìn)糾斜的方案。使用復(fù)合鉆進(jìn)的目的是獲得較高鉆速，提升井壁的平滑度[3]。測(cè)斜采用單點(diǎn)測(cè)斜儀，每單根(9 m)測(cè)斜一次，但測(cè)點(diǎn)位置距離孔底約11 m，即糾斜孔底的井斜數(shù)據(jù)需要預(yù)測(cè)。鉆具組合：?216 mm牙輪鉆頭+?172 mm(0.75°)彎殼體螺桿(帶?215 mm螺旋穩(wěn)定器)+定向接頭+?178 mm無(wú)磁鉆鋌+?178 mm鉆鋌3根+?89 mm鉆桿。工具面選取270°，全力降方位。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，反扭角一般為5°～10°，在井口調(diào)整鉆桿位置，使工具面達(dá)到280°，可抵消反扭角的影響。

實(shí)鉆中，水泥面封至246 m，先滑動(dòng)鉆進(jìn)掃水泥，鉆進(jìn)14 m后，返漿中水泥含量明顯減少，出現(xiàn)大量巖屑。繼續(xù)滑動(dòng)鉆進(jìn)13 m，采用小鉆壓出新孔。此時(shí)測(cè)得孔底井斜0.7°，方位355°，預(yù)測(cè)井底已經(jīng)出新孔。實(shí)施復(fù)合鉆進(jìn)，轉(zhuǎn)盤(pán)速度采用低轉(zhuǎn)速，69 r/min，鉆壓10～20 kN。鉆進(jìn)9 m后，泥漿中出現(xiàn)水泥。改用滑動(dòng)鉆進(jìn)，鉆速增快，上返泥漿中水泥逐漸增多，繼續(xù)滑動(dòng)鉆進(jìn)，效果未有改變，測(cè)斜數(shù)據(jù)基本為原孔數(shù)據(jù)，認(rèn)定重回?244 mm老孔，糾斜失敗。

4.2 滑動(dòng)鉆進(jìn)糾斜

第一次糾斜失敗，說(shuō)明復(fù)合鉆進(jìn)不適合本孔，會(huì)破壞水泥孔壁導(dǎo)致復(fù)雜情況出現(xiàn)，應(yīng)采用全孔滑動(dòng)鉆進(jìn)，在井斜角達(dá)到設(shè)計(jì)值時(shí)，再考慮常規(guī)鉆具穩(wěn)斜鉆進(jìn)。

實(shí)鉆中，鉆具組合不變，水泥面250 m，掃水泥9 m后，開(kāi)始控制鉆速，以2 m/h的速度，緩慢送鉆，采用磨孔的方法出新孔。再鉆進(jìn)18 m后，放開(kāi)鉆速，鉆速很快，但是返漿基本為水泥，測(cè)斜數(shù)據(jù)基本為老孔數(shù)據(jù)，糾斜再次失敗。

封水泥后，再換用1°彎殼體螺桿，提高造斜率，其余條件不變，糾斜依然以失敗告終。

5 技術(shù)對(duì)策

經(jīng)過(guò)3次糾斜，?450和244 mm換徑處的臺(tái)階已經(jīng)被破壞，常規(guī)糾斜難以成功，而為了后期擴(kuò)孔的順利，最佳出新孔的位置還在此臺(tái)階(260 m)附近，如果出新孔位置太靠上，那么采用?311 mm鉆頭擴(kuò)孔時(shí)，因水泥較軟，在水泥和巖壁相接處，鉆頭跟進(jìn)糾斜孔較難，容易順著原孔壁向下滑，在260 m換徑的臺(tái)階處獲得支撐，最終與糾斜孔分開(kāi)。為了糾斜順利進(jìn)行，制定了如下技術(shù)對(duì)策。

5.1 調(diào)配優(yōu)質(zhì)泥漿[4]

嚴(yán)格控制失水量，減少漏失。粘度要適當(dāng)提高，利于排出巖屑。根據(jù)地層資料，井下存在數(shù)層泥、頁(yè)巖夾層，要注意縮徑問(wèn)題。控制含砂量，減少對(duì)螺桿馬達(dá)的磨損。

泥漿配方：8%～10%優(yōu)質(zhì)鈉土+0.3%～0.5% CMC+0.5%鉀鹽+0.1%～0.2% NaOH。

泥漿性能：密度1.06～1.10 g/cm3，漏斗粘度25～30 s，失水量10～12 mL/30 min，pH值8～9，泥皮厚度<0.5 mm，含砂率<1%。

在鉆進(jìn)深度接近漏失層(300 m)時(shí)，提前加入2%～3%隨鉆堵漏劑，確保糾斜順利。實(shí)鉆中未發(fā)生縮徑卡鉆和井漏等復(fù)雜情況。

5.2 提高固井質(zhì)量

糾斜前，使用各徑鉆頭徹底掃孔，清除老水泥。提高水泥石強(qiáng)度，水泥漿中添加適量早強(qiáng)速凝劑，控制加量在2%左右。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，早強(qiáng)速凝劑加量太多會(huì)使水泥石脆性增加。選擇合適的水灰比，根據(jù)氣溫[5]，選擇水灰比為0.5。準(zhǔn)確計(jì)算替漿量，改善水泥漿凝結(jié)環(huán)境。計(jì)算替漿量時(shí)，盡量使鉆桿內(nèi)的水泥漿面高度與環(huán)空水泥漿面保持一致。為保持壓力平衡，可在孔口處灌入泥漿，使泥漿處于滿井狀態(tài)，在提出鉆桿時(shí)，泥漿不會(huì)與水泥漿混合。

5.3 雙彎螺桿糾斜

在常規(guī)糾斜方法失效的情況下，決定使用雙彎螺桿糾斜技術(shù)。雙彎螺桿是指在彎殼體螺桿與定向接頭之間加一個(gè)彎接頭，這樣就存在2個(gè)彎角，可獲得較大的造斜率。使用時(shí)要注意準(zhǔn)確測(cè)量螺桿角差，分別測(cè)量彎殼體螺桿與彎接頭的角差、彎接頭與定向接頭的角差，兩者之和可作為雙彎螺桿角差。彎殼體螺桿與彎接頭的角差不宜太大，如果該角差為180°，彎接頭會(huì)抵消彎殼體螺桿的造斜效果。實(shí)際使用中，該角差≯±30°。鉆具組合為：?216 mm PDC鉆頭+?172 mm(0.75°)彎殼體螺桿(帶?215 mm螺旋穩(wěn)定器)+1.25°彎接頭+定向接頭+?178 mm無(wú)磁鉆鋌+?89 mm鉆桿。新配置有線隨鉆測(cè)斜儀，實(shí)時(shí)監(jiān)控井下軌跡參數(shù)。

實(shí)鉆中，水泥面248 m，使用有線隨鉆測(cè)斜儀定向270°。掃水泥，前5 m以2 m/h的速度鉆進(jìn)，然后控制鉆速，以1 m/3 h速度磨孔，磨孔18 m后，逐漸加壓，增加鉆速。鉆進(jìn)至295 m時(shí)，去彎頭，加鉆鋌，然后以滑動(dòng)鉆進(jìn)方式鉆進(jìn)至孔底，經(jīng)過(guò)計(jì)算，孔底東位移2.5 m，基本符合要求，但是雙彎糾斜處的最大“狗腿”度為9.04°/30 m，擴(kuò)孔時(shí)出現(xiàn)問(wèn)題。用?311 mm牙輪鉆頭擴(kuò)孔至270 m，再換?216 mm鉆頭確定擴(kuò)孔是否沿著糾斜孔方向，結(jié)果下鉆不暢，通孔后確定重回老孔。多次找糾斜孔，最后確定糾斜孔在261 m處，但是螺桿鉆具也無(wú)法進(jìn)入。此次失敗原因主要為擴(kuò)孔時(shí)，導(dǎo)向太短(約500 mm)，“狗腿”度偏大。

重新封孔后，再次使用雙彎螺桿出新孔。這次換用0.75°彎接頭，同時(shí)減少雙彎鉆進(jìn)距離，以求降低“狗腿”度。實(shí)鉆中，水泥面249 m，掃水泥6 m，磨孔7 m后，去彎接頭，使用滑動(dòng)鉆進(jìn)方式逐漸加壓鉆進(jìn)至孔底。選擇合適導(dǎo)向擴(kuò)孔，最終成功。

5.4 軌跡控制

使用有線隨鉆測(cè)斜儀測(cè)斜，加密測(cè)點(diǎn)，每5 m測(cè)斜一次。在重點(diǎn)部位，每米測(cè)斜。測(cè)量時(shí)，測(cè)斜儀入鍵后測(cè)斜一次，然后將測(cè)斜儀器提升，每米測(cè)斜一次，測(cè)斜儀提升5 m后，鉆具也要對(duì)應(yīng)提升5 m，確保儀器處于無(wú)磁鉆鋌中，由此可快速得到井眼每米的近似軌跡參數(shù)。鉆進(jìn)中要根據(jù)已經(jīng)得到的測(cè)斜數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)后面的井眼軌跡，通過(guò)調(diào)整鉆進(jìn)參數(shù)控制軌跡。在第二次雙彎糾斜中，井斜角達(dá)到一定值時(shí)，穩(wěn)斜鉆進(jìn)可以中靶，但考慮到井下“狗腿”度較大，若使用滿眼鉆具，可能會(huì)下鉆遇阻，甚至遇到上不去、下不來(lái)的情況[6]。不加穩(wěn)定器轉(zhuǎn)盤(pán)鉆進(jìn)，鉆壓20～30 kN，鉆進(jìn)18 m，測(cè)斜時(shí)發(fā)現(xiàn)井斜角下降0.5°，方位增加20°，無(wú)法達(dá)到穩(wěn)斜目的。改為螺桿滑動(dòng)鉆進(jìn)至孔底，此段造斜率低，方位穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)中靶。

5.5 擴(kuò)孔優(yōu)化

雙彎糾斜處“狗腿”度大，擴(kuò)孔時(shí)要選擇合適導(dǎo)向。導(dǎo)向太短，會(huì)重回老孔，導(dǎo)向太長(zhǎng)，阻力太大，無(wú)法鉆進(jìn)。實(shí)鉆中選擇2 m長(zhǎng)導(dǎo)向，在雙彎螺桿糾斜處要輕壓慢轉(zhuǎn)。在擴(kuò)孔口徑方面，省去原定的?245 mm擴(kuò)孔環(huán)節(jié)，減少可能出現(xiàn)偏差的步驟，使用?311 mm牙輪鉆頭擴(kuò)孔，實(shí)現(xiàn)一步到位。

6 雙彎螺桿糾斜效果分析

雙彎螺桿在常規(guī)糾斜中很少使用，該鉆進(jìn)方法會(huì)在出新孔處形成較大的“狗腿”度。井眼曲率、雙彎螺桿的角度、鉆壓等因素會(huì)影響雙彎螺桿的造斜力[7]。雙彎螺桿中彎殼體螺桿度數(shù)的改變對(duì)于整體的造斜率影響更大[8]，但限于現(xiàn)場(chǎng)螺桿可選度數(shù)少，本孔通過(guò)選擇合適的彎接頭角度，減少雙彎糾斜鉆進(jìn)距離，來(lái)降低“狗腿”度，控制井斜。2次雙彎糾斜附近井段的測(cè)斜數(shù)據(jù)參見(jiàn)表1。

表1 2次雙彎糾斜部分?jǐn)?shù)據(jù)對(duì)比

注：第一次雙彎糾斜使用0.75°螺桿+1.25°彎接頭，第二次雙彎糾斜使用0.75°螺桿+0.75°彎接頭。

從表1中的數(shù)據(jù)可以看出，第一次雙彎糾斜井段最大“狗腿”度為9.04°/30 m，第二次雙彎糾斜井段最大“狗腿”度為4.65°/30 m，換用小角度的彎接頭，達(dá)到了降低“狗腿”度的目的，且第二次雙彎糾斜井段“狗腿”度變化更為平緩。在270～285 m井段，第一次雙彎糾斜此處仍然使用雙彎螺桿，但是造斜率很低，原因是此處PDC鉆頭遇到泥包，鉆速慢；第二次雙彎糾斜時(shí)此段造斜率較高，原因是鉆具改為單彎螺桿，底部鉆具受力狀態(tài)發(fā)生變化，這說(shuō)明更換鉆具也可能引起“狗腿”度出現(xiàn)較大變化。在305～320 m井段，2次糾斜都使用單彎螺桿，但是造斜率都很低，說(shuō)明此井段地層造斜力會(huì)抵消螺桿產(chǎn)生的造斜力。

7 結(jié)論與建議

(1)在大口徑施工中，高垂直度的導(dǎo)向孔是實(shí)現(xiàn)高效鉆進(jìn)的關(guān)鍵因素。本孔糾斜共用時(shí)3個(gè)月，嚴(yán)重影響了工程進(jìn)度。導(dǎo)向孔施工中，常規(guī)滿眼鉆具、鐘擺鉆具通常難以保證井斜不超標(biāo)，使用小角度螺桿的復(fù)合鉆進(jìn)方法可以實(shí)現(xiàn)一趟鉆完成導(dǎo)向孔施工，即井斜正常時(shí)采用復(fù)合鉆進(jìn)，井斜增大時(shí)，使用螺桿定向糾斜。目前這種工藝正在逐步推廣。

(2)使用雙彎螺桿鉆具可以解決大直徑鉆孔側(cè)鉆糾斜成功率低的難題，但是不可避免會(huì)帶來(lái)“狗腿”度偏大的問(wèn)題。本項(xiàng)目是在井場(chǎng)缺少大角度螺桿的情況下，決定使用雙彎螺桿進(jìn)行糾斜的，因雙彎螺桿的使用頻率較少，可供參考的數(shù)據(jù)有限，對(duì)于雙彎螺桿的糾斜效果有待進(jìn)一步研究。本次使用的雙彎螺桿是分體式的，即彎殼體和彎接頭是分開(kāi)的，彎接頭的角度加工較為簡(jiǎn)單，成本低，與彎殼體螺桿組合形式靈活，可操作性更強(qiáng)。

(3)雙彎螺桿鉆具糾斜中，改變彎接頭的度數(shù)可以減少“狗腿”度，在本項(xiàng)目中效果較為明顯。本孔如果選擇0.5°彎殼體螺桿，可以進(jìn)一步降低造斜率，出新孔處可以更加平滑，有利于后期工作。

(4)本孔證實(shí)了使用雙彎糾斜之后，采用合適長(zhǎng)度的導(dǎo)向可以實(shí)現(xiàn)逐級(jí)擴(kuò)孔，但是后期下套管時(shí)曾遇阻，磨孔后才順利下入。雙彎糾斜在拐點(diǎn)處很容易形成臺(tái)階，雖然普通鉆具可以上下通暢，但是直徑較大的套管會(huì)卡住，擴(kuò)孔時(shí)要注意在拐點(diǎn)處反復(fù)磨孔，使孔壁盡量平滑。

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AnalysisonDouble-bendScrewDrillingandtheApplication/

JINGWei-dong

(Shanxi Coal Geological Prospecting Institute of Hydrology, Taiyuan Shanxi 030006, China)

Double-bend screw refers to the drilling tools combination form of bending joint and bend housing screw. The use of double-bend screw for hole straightening can get larger built-up rate to solve the difficult straightening while using the single-bend screw in some specific conditions. Selecting proper angle of bend joint and shortening deflecting distance of double-bend screw are important factors to control dogleg angle, which can ensure later work of smooth reaming and casing. Take the straightening case in a large diameter drilling, the difficulties encountered in straightening with single-bend screw are listed, by the analysis on the deflecting effect of double-bend screw, a set of straightening technology with double-bend screw is put forward and successful borehole straightening is finally realized.

double-bend screw; hole straightening; trajectory control; dogleg angle; reaming

P634.4

：A

：1672-7428(2017)08-0055-04

2017-03-22；

：2017-06-14

靖?jìng)|，男，漢族，1990年生，從事鉆探技術(shù)工作，山西省太原市小店區(qū)塢城路95號(hào)，532000233@qq.com。