反井钻井偏斜控制技术

反井钻井偏斜控制技术

李珺伟

中国核工业华兴建设有限公司   江苏  南京   210000

摘  要  分析反井钻井偏斜原因，通过理论分析与实际经验结合，论述反井导向孔钻进防偏、减偏措施，提出钻孔偏斜控制方法和纠偏的办法。

关键词  反井钻井法导孔钻进钻孔精度偏斜纠偏

反井钻井法是一种高效、安全的凿井施工方法，已广泛应用于我国煤矿、冶金矿山、水电等竖井工程施工，正在取代传统的普通正井钻爆法、反井爬罐钻爆法、反井吊罐钻爆法等施工方法。由于钻爆法凿井施工的安全风险高，对围岩扰动大，井壁平整度差，当前，机械反井钻井法已基本成为反井施工的主要方法，钻孔偏斜率不易控制。随着反井钻井技术和反井设备的发展、成熟，其应用领域越来越广泛，有效的控制导孔偏斜率，对机械反井钻井（尤其深井）施工是极其重要的控制指标。

1反井钻孔偏斜原因

1.1钻杆轴向载荷造成的偏斜

    在垂直的导向孔钻进中，钻孔开孔时钻杆不会弯曲，因此不会出现因钻压引起的钻头偏转，但偏斜的可能性依然存在，随着钻杆逐节增加，钻杆长度也相应加长，加之钻压的增加，钻杆就会逐渐弯曲，由弯曲钻杆产生的非垂直载荷导致了钻进角度（方向）产生变化。因此钻具的下部，即从弯曲点到钻头，实际已偏离了钻孔的预定轴线，形成倾斜孔。

    作用于倾斜孔的钻具载荷可分成垂直分力和水平分力。垂直分力使钻头沿垂直方向或沿倾斜方向向下钻进；而水平分力使钻头沿水平方向或沿倾斜方向向上钻进。由于钻杆的直径比导孔直径小，在倾斜孔中，钻杆的重量将使钻杆朝着导孔底部的侧向垂落，不能通导孔同轴；在给钻杆施加轴向载荷时，作用于钻杆上的推进力会使钻杆产生一定程度的弯曲，弯曲的钻杆沿着钻杆垂落的方向移动，此时稳定器反而起支点作用，其结果使钻头沿倾斜上部钻进；因此导致继续偏斜。

1.2岩层对钻头的反作用造成的偏斜

    在无层理、节理或断层的坚硬而均质岩层中钻凿导孔时，因岩层反作用造成的导孔偏斜较少发生，即使发生，其偏移量也是极小的。在岩石硬度的变化的界面，则会引起导孔偏斜。钻头钻进的方向在很大程度上取决于钻头与硬度变化的岩石界面相遇时的角度，如果角度小，钻头一般朝着与变化的岩石界面平行的方向钻进，如果角度大，钻孔的偏斜将趋向与变化的岩石界面成垂直的方向发展。

1.3钻头移步对钻孔偏斜的影响

    钻头移步是指三牙轮钻头在导孔中具有偏移趋向。钻头移步将引起钻孔偏斜，孔径超大，偏斜趋于超大。一般来说，软岩钻头较硬岩钻头的移步量大，至于钻头是沿顺时针方向还是反时针方向移步，至今尚无完善的理论可依。总的说来，导孔偏斜可能由下列原因造成：钻头载荷与钻杆作用、岩层特性和钻头移步。其中任何一种或几种因素综合作用都有可能在任何特定时间内发生，而造成钻孔偏斜。

2钻孔偏斜率的影响因素及预防措施

2.1导孔钻头的选型

    软岩钻头采用较小夹角的长楔齿，或碳化钨一字形镶齿。硬岩钻头则采用较大夹角的短楔齿，或碳化钨半球形镶齿。此外，软岩楔齿或镶齿之间的间距比硬岩楔齿或镶齿之间的间距大。理想的反井导孔钻头应具有硬岩钻头设计的大多数特性，以获得最小的钻头移步量和最大的边刀强度，同时还应具有中等范围的内列切割结构，以便在低钻压下能够获得最大的钻进速度。

2.2钻压

    在普通旋转钻进作业中，钻压和转速需要匹配合适，以获得最佳的钻进速度。对于反井作业，钻硬岩时，钻压的变化常常比转速变化更加敏感。为了提高钻孔精度，应采用低于最佳钻进速度的低钻压钻进。为了提高低钻压时的钻进速度，应选择软岩钻头。

    选择导孔钻头的钻压，通常可参考钻凿相同或相似地层的钻井参数来确定。当没有这种经验数据时，可参考钻头制造厂家提供的钻头产品样本介绍。由于低钻压能有效的减小钻孔偏斜，因此，建议采用厂家规定的最低钻压值作为导孔开孔钻压。

2.3转速

    在钻进导向孔时，保持恒定的钻进速度是控制偏斜最常用的方法，因为这种方法操作人员比较容易控制。选择转速一般是采用钻头制造厂产品样本中的推荐值。钻压与转速的调整一般是通过试验获得，也可通过计算获得。无论采用哪种确定钻压和转速的方法，都必须注意一个重要的问题，即随着钻压的增加，转速一般应减少；反之，钻压减小时，转速增加。

2.4钻进洗孔

    现已发表的研究成果表明，沉积在孔底0.5～5mm厚的钻屑可将钻进速度降低40％左右。高效钻进的一个基本要求是需要对孔底钻屑进行有效的清理。导孔钻进过程中需要经常对钻压进行调整，以得到合适的钻井速度，如果孔底没有得到适当的清理，加大钻压，不仅不能提高钻进速度，反而容易造成钻孔偏斜。相反，如果孔底得到较彻底的清理，载荷将直接作用于新露出的岩石，这样不仅能提高钻进速度，而且钻压还可以减小，因而可以降低导孔的偏斜。

2.5稳定器（扶正器）

    稳定器是避免钻孔偏斜最有效的工具。稳定器一般被设计为六棱或八棱形，通常将两个或多个稳定器联在一起使用，以便在钻孔底部形成一段刚性的，与孔壁多处接触的钻具组。稳定器的抗斜效果与稳定段的直径和长度有密切联系。如果稳定器直径小于导孔直径，钻头在孔内将发生轻微的晃动，这种晃动将导致孔径超大，超大的孔径继而使稳定器与孔壁的间距加大，直至使稳定器完全失效。但稳定器直径过大会增大钻进摩擦阻力。钻具的刚性越大，长度越长，则抑制稳定段上部的钻杆弯曲或垂弛的效果越好。

2.6岩层特性

    了解岩层特性，有助于确定最合适的钻头。岩层的第一特性为岩石硬度，钻头按破岩硬度一般从极软岩到极硬岩分成7个等级。其次，岩石弹性，虽然这一特性对于钻进特性曲线非常重要，但目前还没有定量测定弹性的装置。显然，岩石的塑性越大，越需要用更大刨削和刮削力来钻凿；反之，脆性岩石，则最好采用凿削和挤压的方式。第三特性是岩石的均质性，均质性好，则利于钻进和偏斜率控制。第四特性是岩石磨蚀性，它也是一种无测量单位的岩石特性，但由于最近几年，旋转式凿岩钻头的磨蚀问题已大量减少，因为钻头设计甚至是软岩钻头设计都趋向于采用碳化钨镶齿刀具。

    在制订导孔钻进工艺时，必须考虑所钻岩层的特性，收集并掌握所钻地区的详细地勘材料以及附近施工获得的地质资料，都有助于钻井工艺措施的正确制定，避免发生意外。在影响钻进操作的诸因素中，岩层特性是唯一不可控制的项目，钻孔时尤其格外小心。

3偏斜测量与纠偏

    在钻进方向和直度要求很高时，有必要经常进行定向测量工作，否则很可能事倍功半，甚至前功尽弃。对于深井，导孔钻孔期间对导孔偏斜情况进行测量是必须的，以便及时掌握孔内的变化情况，确定相应的措施，防止出现无法挽回的偏斜，而造成重大损失。根据钻孔深度、地质条件和对钻孔精度要求等不同条件，可选用磁性、陀螺等测斜仪进行测斜。

    如果发现井孔超偏，必须停止正常钻进，对钻孔进行纠偏处理。钻孔纠偏的方法很多，采用何钟方法，必须视钻孔的具体情况而定，一般来说，最常用的有如下几种：

    如果钻孔偏斜程度和方向非常有规律，有时可采取偏置钻机的方法来纠正预计的偏斜。移动钻机的距离和方向可根据本地以前施工获得的经验而定。在钻进中，如遇到岩层向更硬岩层过渡，同时降低钻压和转速将有助于钻头以直线的方式钻进坚硬岩层，避免出现偏斜转折点。当稳定器进入新岩层后，即可恢复原来的钻压和转速。

    如果在钻进中发生不规则或意外的偏斜，可采用变化钻具组和变化钻压的方法来纠偏；也可以利用潜孔马达和一个弯接头来纠偏；还可以采用堵塞偏孔，重新钻孔的方法解决偏斜。堵塞钻孔指用纯水泥将变向点至孔底一段进行充填，并使之凝固。

    对于从地面开钻的深孔和钻孔精度较高的钻孔，常采用定向钻井法钻导井，如采用戴纳钻具。采用戴纳钻具钻进时，钻具组不旋转，钻压也很低，潜孔马达靠液能驱动，并带动转子，短接头和钻头一起旋转。控制钻进方向的元件加在潜孔钻具的上部，这样定向控制装置就能比较容易地控制钻孔精度。

4结语

    反井钻井的精度控制与纠偏方法是在实践的基础上逐步总结出来的，其理论涉及多领域、多学科，至今尚无一套十分完善的理论，但有一些原则，实践证明是有效而实用的，然而这并不等于说是万能的，因此实际应用中，需要根据钻孔实际情况、施工条件和施工设备，具体分析，制定出切实可行的施工方案，并严格执行，方才可能达到预期的目的。