摘要：超深井井斜控制是一项复杂的技术难题。目前国内海相地层第一口超深重点科学探索井——川科1井具有超高温、超高压的特点。为确保其井身质量，除采用常规防斜打直技术外，在对国内外井斜控制理论与技术进行深入调研的基础上，提出针对该井从第一次开钻到第四次开钻分别采用大尺寸钻铤塔式钻具、垂直钻井技术、遥控可变径稳定器、机械式无线随钻测斜仪和测斜接头等一系列防斜打直新技术，收到了预期效果：不仅井斜控制在设计范围内(井斜设计小于10°)，井底水平位移仅60.35m，而且大大提高了机械钻速。防斜打直配套新技术在该井的成功应用，为类似的超高温、超高压、超深井的防斜打直提供了经验。
关键词：超深井；井斜；钻具组合；新技术；防斜打直；四川盆地；川科1井
川科1井是中国石油化工股份有限公司在四川盆地川西坳陷孝泉-丰谷隆起带的孝泉构造上部署的第一口超深重点科学探索井，该井设计井深为7540m，设计井底水平位移小于200m，最大全角变化率小于3.5°/25m，井底最大井斜小于12°。
根据邻井的经验，该井井斜控制是影响快速钻井和安全钻井的关键[1～2]。在对国内外井斜控制理论与技术进行深入调研分析的基础上，川科1井采用大尺寸钻铤塔式钻具、垂直钻井系统、变径稳定器和测斜接头等防斜打直新技术，有效地控制井斜，并获得了较高的机械钻速。该井为类似的超深井井斜控制及降低综合成本提供了可资借鉴的宝贵经验。
1 大尺寸钻铤塔式钻具防斜打直技术
川科1井对上部井段提出了严格的井身质量要求，由于第一次开钻的井眼(Φ660mm)钻头尺寸大、环空间隙大，防斜难度很大，川科1井第一次开钻钻进首次选用Φ381mm钻铤、Φ279.4mm钻铤、Φ228.6mm钻铤、Φ203.2mm钻铤和Φ177.8mm钻铤构成的塔式钻具组合，优选钻井参数，并坚持与轻压吊打相结合的方式，为防止上部地层井斜，钻具结构适当增加钻铤的数量，缓慢增大钻压，提高钻进速度。
实钻结果显示：第一次开钻井段最大井斜角1.23°，对应井深191.50m，第一次开钻井底水平位移为2.12m，最大井眼曲率为1.38°/30m。均低于设计要求，这为该井以后钻井施工打下了坚实的基础。
2 垂直钻井防斜打直技术
川科1井第二次开钻井眼尺寸为Φ444.5mm中，中完井深为3200.00m。第二次开钻井段499.O0～3200.00m，该地层岩石坚硬、夹层多、跳钻严重、井斜控制困难、机械钻速低，机械钻速小于1m/h。因此，第二次开钻井段选用了美国贝克休斯的垂直钻井系统VertiTrak(简称VTK)来控制井斜。
VertiTrak系统综合了AUTOTRAK(闭环旋转导向系统)、高性能的X-TREME马达、可靠的MWD3种技术开发出来的一种闭环自动垂直钻井系统，VertiTrak最大降斜能力可以达到1.0/30m。通过选择欠尺寸稳定器在钻具组合中的位置及稳定器外径的大小，可以对预期降斜率的大小进行设定，范围为(1.5°～0.8°)/30m。在钻进时通过调整钻压、排量等技术参数也可以对降斜率做适当的微调。
2.1 垂直钻井钻具组合
Φ444.5mmMD9541ZC钻头×0.53m+Φ241.3mmVTK工具×11.30m+Φ241.3mm浮阀(731×730)×0.80m+Φ438mm稳定器×1.57m+滤网接头(731×730)×1.70m+Φ228.6mm减震器×5.85m+Φ241.3mm钻铤×26.39m+Φ228.6mm钻铤×80.47m+731×731双公接头×0.29m+Φ228.6mm震击器×7.75m+731×630转换接头+Φ203.2mm钻铤×51.76 m+631×410转换接头+411×520转换接头+Φ139.7mm钻杆。
2.2 钻井参数
钻压为240～360kN；排量为50～55L/s；泵压为18～20MPa。
2.3 效果分析
VTK钻井总进尺2240.44m，纯钻进时间为1200.06h，平均机械钻速为1.87m/h。比使用常规防斜钻具组合的机械钻速提高近1倍。VTK钻进井段随钻测斜井斜均控制在0.5°以内。第二次开钻电测从511.O0～2873.O0m井斜角为0.06°～1.68°。最大井眼曲率为1.72°/30m。井底水平位移仅22.40m。
2.4 垂直钻井关键技术措施
1) 采用VTK工具钻进钻具不旋转，一方面避免了钻具事故的发生，但另一方面发生井下复杂情况或事故的概率较大。因此，要注意加强划眼，以保证井下正常。
2) 采取垂直钻井增大了钻压，在应用低密度钻井液钻井的情况下既能控制井身质量，又能提高机械钻速。
3) 由于VTK是以水力驱动钻井，保持尽可能低的循环压耗是提高钻井效率的关键，应尽可能少用小内径钻具和保持钻井液的表观黏度较低。
4) VTK工具压耗约5MPa，在钻井液密度较高的情况下VTK钻井泵压高。因此，尽量选用带电动泵的钻机实施垂直钻井。
5) VTK钻井所使用的钻头保径段要有特殊保护设计，提高保径段强度及抗研磨性，保证井眼尺寸，以适用于钻进研磨性地层，满足钻头长时间钻进的需要。
6) 必须保证打入井中的钻井液的清洁，泵入井内的岩屑及堵漏材料过多会严重影响工具的正常使用。因此，需要不定期清洗钻井液罐。
3 变径稳定器防斜打直技术
川科1井第三次开钻采用Φ311.15mm钻头钻进，第三次开钻井段(3200.O0～5700.O0m)，第三次开钻井段地层岩性主要是陆相砂泥岩频繁交替互层，客观上防斜打直难度较大。选用了先进的变径稳定器，根据监测的井斜情况及时调整钻井参数和钻具结构，有效控制了井斜。
遥控变径稳定器(VGS)每一个翼片有5个活塞，有5个活动斜面体，每一个斜面体调节3个活塞，每一个活塞有1个斜面，所有的斜面是一起活动的。当压差作用在活塞下部斜面体上时，活塞向外伸展。活塞的伸缩是通过凸轮筒控制的，活塞通过压差保持工作状态。当带有斜面的心轴通过作用在自身的压差向下移动时，斜面同时推动所有活塞，活塞从自由状态向外移动。通过压差控制，在凸轮筒保持固定。当停泵消除压差时，内部弹簧回弹，心轴恢复原位，活塞收缩，并且引导凸轮筒到达下一个位置。重新开泵将引导RCDS-1稳定器从自由状态到另一个工作状态。活塞通过压差在凸轮筒中保持固定。当压差变化时，活塞重新恢复下一个状态。活塞将一直保持伸展状态，直到停泵时收缩。钻压不对活塞产生影响，利用钻井液流过孔板所产生的压差来判断活塞工作状态。
3.1 钻具组合
Φ311.2mm钻头+630×730双母接头+731×730翻板式回压凡尔+Φ228.6mm双向减震器(型号JZYS229-Ⅱ)+9228.6mm随钻测斜接头+Φ228.6mm钻铤×18.22m+731×630接头+Φ311mm变径稳正器+Φ203.2mm钻铤×82.35m+631×410接头+Φ177.8mm钻铤+411×520接头+Φ139.7mm钻杆。
3.2 钻井参数
钻压为240～280kN；转速为55r/min；排量为34～35L/s；泵压为18～20MPa。
3.3 现场应用情况及效果分析
川科1井在第三次开钻井段3200～5658m采用遥控可变径稳定器，分4次入井，共使用1627h。平均机械钻速为1.31m/h。比使用常规防斜钻具组合的机械钻速提高近30%。第三次开钻井段井斜控制在1.75°以内，起下钻过程无阻卡显示。第三次开钻井段井身轨迹控制较好，第三次开钻中完电测最大井斜角1.74°，对应井深5092m，第三次开钻井底水平位移40.85m，最大井眼曲率0.84°/30m。
4 抗高温机械式测斜仪监测技术
川科1井设计井深7540m，地层压力梯度高，地层压力大，地层温度高，井底地层温度超过170℃。川科1井从第三次开钻到井底，采用抗高温机械式测斜仪技术[3]来监测井斜。
4.1 机械式无线随钻测斜仪的工作原理
机械式无线随钻测斜仪利用精密机械结构测量井斜，它的基本组成结构与现场广泛使用的电子式无线随钻测斜仪(MWD)相似，它与MWD的显著区别是，机械式无线随钻测斜仪的井下仪器为纯机械机构，井斜的测量、井斜信息的转换、脉冲发生器的控制及脉冲信号的发生等全部由机械装置完成[3～6]。
图1是整个系统的组成及工作原理图。整个系统的工作原理是：井下仪器的测量装置测得的井斜信息通过一定的机构传递给控制装置，控制装置将井斜信息转换为控制信息，从而控制脉冲发生器产生脉冲信号，脉冲信号通过钻井液传递到地面，立管上的传感器检测到压力脉冲信号并由地面记录仪打印出来，并根据脉冲信号的数量显示出井斜的大小。
4.2 性能特点
机械式无线随钻测斜仪的测斜原理与结构特点决定了其具有以下特点和优点：①操作简单，使用方便；②测量时间短，可在任意井深时测量井斜，用机械式测斜仪测量一次井斜仅需3～5min且可以在接单根时进行，可以节省时间，提高钻井速度，而且从第二次开钻开始，可以在任何井深测量井斜，而不需担心卡钻的风险；③适应性强，受温度和井深影响较小，机械式无线随钻测斜仪的井下仪器的最高工作温度可达210℃，最大工作井深可达7000m，完全可以满足目前深井和特殊井的需要；④可实现随钻测量，实时监测井斜，目前直井测斜仪器都不能进行随钻测量，机械式无线随钻测斜仪的井下仪器可直接安装在钻具上，随钻测量，对井斜进行监测，防止超过要求，从而提高井身质量；⑤测量结果稳定，性能可靠，由于是机械结构，没有温飘等现象的发生，测量结果稳定；⑥测量结果直接打印出来，可作为永久资料保存。
4.3 应用情况简介
第三次开钻阶段共测斜29次，最大井斜为1.5°，大部分控制在1°以内。5000m以后，钻遇灰色粉砂岩和页岩，该层易斜易漏，钻井液性能更加恶劣，有时信号不清楚，给测斜带来更大困难。现场服务人员随时配合井队工作，适当地调整测斜时的钻井参数，保证了测斜信号的质量和准确性。并根据实际情况，调整、制订了相应的测斜方案，使斜度一直控制在1.5°以内。
5 结论与建议
1) 超深井井斜控制是一个复杂的技术难题，应根据地层因素，采用常规防斜打直技术和防斜打直新技术相结合，才能很好地控制井斜。
2) 垂直钻井防斜打直技术能增加钻压，在应用低密度钻井液钻进的情况下效果特别明显，既能控制井身质量，又能提高机械钻速。
3) 遥控可变径稳定器在直井钻井过程中形成满眼钻具结构，不仅能起到防斜和纠斜的作用，而且能提高钻头钻压，提高机械钻速，修复井壁，减少起下钻遇阻遇卡程度和减少划眼时间。
4) 机械式随钻测斜监控技术在川科1井第三次开钻的使用成功，解决了5000m以上超深井段测斜的难题，为该井的顺利安全钻进提供了技术支撑。同时，由于在钻进过程中可以随钻测斜，根据井斜的情况，适当调整钻井参数，从而增加部分钻压，提高钻井速度。
参考文献
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[2] 汪海阁，苏义脑.直井防斜打快理论研究进展[J].石油学报，2004，15(3)：86-89.
[3] 蔡文军，王平，翟军威，等.机械式无线随钻测斜仪及其应用[J].石油钻探技术，2005，33(1)：39-40.
[4] HANGEGAN DON M.Managed pressure drilling in marine environments-case studies[C]∥SPE/IADC Drilling Conference，23-25 February 2005，Amsterdam，Netherlands：SPE，2005：SPE/IADC 92600.
[5] 白家祉，苏义脑.井斜控制理论与实践[M].北京：石油工业出版社，1990.
[6] 张玉胜，陈平.偏轴钻具防斜效果探讨[J].天然气工业，2004，24(12)1：89-92.
(本文作者：李佩武 董明键 张居波 中国石化胜利石油管理局西南石油工程管理中心)
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