钻井技术

5.1防斜钻直井技术 5.1.1井斜控制的方法与操作

一、概述

井斜是指井眼轴线偏离了铅垂线。绝对垂直的井是不存在的，事实上井眼轴线是一条在井斜标准范围内的不规则的扭曲的空间曲线。

二、井斜的危害

为了合理地开发油气田，要求所钻的井眼在油层所构成的地下井网尽量与地面布井情况相符。如果井斜超过标准，井眼偏离预定位置，不仅打乱地下井网的合理性，而且会造成严重的后果。

（1）对勘探工作的影响

井斜大了就会造成井深误差，使地质资料不真实，导致地质工作者得出错误结论而漏掉油气层，对小油田显得更为突出。如果井斜过大还会使井眼偏离设计井位，打乱油气田的开发布井方案，使采收率降低。

（2）对钻井工作的影响

井斜过大，钻柱在狗腿井段旋转时产生很大的弯曲变交应力，造成钻具疲劳破坏；在狗腿井段容易拉出键槽导致起下钻困难甚至卡钻；严重的狗腿有可能妨碍测井作业和下套管，并因环空水泥封固不均匀而影响固井质量；定向井的直井段井斜过大，会给定向增加难度。

（3）对采油工艺的影响 对于采油工艺来说，井斜过大就会影响井下的分层开采及注水工作，如下封隔器困难以及封隔器密封不好等。对于抽油井常会引起油管和抽油杆的磨损与折断，甚至会造成严重的井下事故。 三、井斜控制方法

1.斜井内钻柱的受力情况

我们已经分析了产生井斜的两个基本因素，这只是研究了直井内的情况。但是在斜井内（这是一般情况）井眼的斜度是增大还是减小或是保持某个平衡角度，就取决于钻头的受力情况。

如图5-1为一斜井，井斜角为α，钻铤靠在下井壁，并在切点T处与井壁接触，显然作用在钻头上的力有：

（1） 钻压

在倾斜的井眼内钻进，由于钻铤弯曲，钻压P不是沿井眼轴线方向施加给钻头，而是偏离一个角度β。此时钻压可分解为与井眼轴线相平行的力PO和与井眼轴线相垂直的力Pi。

P0=Pcosβ （5-1） Pi=Psinβ （5-2） 式中 P——钻压； β——钻头倾斜角。

其中PO对井斜没有影响，而是使井眼沿着原井眼轴线的方向继续向下钻进。Pi将使钻头偏离井眼轴线，造成井斜。

(2)钟摆减速力

在钻井过程中，下部钻柱始终处于弯曲状态，也就是说始终存在一个增斜力Pi促使井眼偏斜，井斜角不断增大。但是，钻井实践证明，当井斜角增加到一定值后，就不再继续增加，而保持一定的井斜角，钻出一段斜直的井眼。这是什么原因呢？

井眼偏斜后，在斜井内切点T以下钻柱的重量W可以分解为平行井眼轴线的力FP和垂直于井眼轴线的力Fc。

Fp=W²cosα （5-3） Fc=W²sinα （5-4） 式中 W——切点以下钻具重量； α——井斜角。

Fc这个力量促使井斜减小的力，可称为减斜力。由于Fc的作用点是切点T以下的钻铤的中点，因此作用于钻头上的减斜力Fj要比Fc小，约等于Fc的一半。即：

Fj=

Wsin2 （5-5）

由此可以看出。作用在钻头上的减斜力Fj与钟摆作用相似，限制井斜继续增大，使钻

头破碎井眼低侧岩石，欲使井眼恢复垂直状态，它的大小与下列因素有关：

1) 在一定的钻具条件下，钻压越大，切点下移，W减小，Fj也就越小。 2) 在一定的钻压下，钻柱刚度大，不易弯曲，切点较高，W增大，Fj就越大。 3) 井斜角a越大，Fj就越大，但是用此法增大是不可取的。 (3) 地层造斜力

地层造斜力Fd取决于地层倾角和岩性变化等因素，在地层造斜力Fd的作用下，多数地层是自然造斜，也有可能自然降斜，要根据具体情况而定。

综合考虑上述几种力的作用，在钻井时钻头上作用着两个相互矛盾的力。即： 总的增斜力 Fz=Pi±Fd=P²sinβ±Fd （5-6） （注意当地层自然造斜时Fd取正，当地层自然降斜时Fd取负） 钻头减斜力

Fj=

Wsin2 （5-7）

（4）各向异性地层中井斜的一般规律

当Fz＞Fj时，井斜角将增大，但由于井斜角a的增加，降斜力也相应增大，直至增大到大于原井斜角a的新井斜角，钻头将沿着增大了的新的井斜角方向钻进。

当Fz＜Fj时，井斜角将减小，直至减小到小于原井斜角a的新的井斜角，钻头将沿减小了的新的井斜角方向钻进。

当Fz=Fj时，形成平衡状态，钻头将沿着原来的井眼轴线钻进，保持已有的井斜角a。 2.满眼钻具的防斜原理及应用 （1）防斜原理

满眼钻具一般由3～5个外径与钻头直径较接近的稳定器和一些外径较大的钻铤组成。它的防斜原理基本上有两条。一是由于此种钻具比光钻铤的刚度大，并能填满井眼，因而在大钻压下不易弯曲，能保持钻具在井内居中，减小钻头倾斜角，所以能减小和限制由于钻柱弯曲产生的增斜力。二是在地层横向力的作用下，稳定器能支承在井壁上，限制钻头的横向移动，同时能在钻头处产生一个抵抗地层力的纠斜力。

在垂直或接近垂直井眼中，满眼钻具能保持刚直居中状态，使钻头沿着铅垂方向钻进。在增斜或减斜地层中，满眼钻具能够限制井斜的增大或减小速度，使井眼不致于出现严重狗腿或键槽。

（2）满眼钻具的应用

※满眼钻具的技术要点：

1) 下井前要认真检查钻头和稳定器的尺寸，如磨损过大应立即更换，以保证稳定器与井眼的间隙符合设计要求。一般情况下，近钻头稳定器和中稳定器直径与钻头直径的差值应不大于3mm，上稳定器直径与钻头直径的差值应不大于6mm。

2) 以快保满，以满保直。在开钻前搞好设备安装质量和高压试运转，钻具检查，以免中途停钻或发生事故。钻进中采用强化措施，不仅使钻进速度快，而且井径规则，如果停停打打，井眼容易冲大，而失去满眼的条件。只有“满”得到保证，才能把井打直。此外，起下钻或中途停钻循环时，应将钻头提离井底一定高度，适当降低排量，并不得停留在某一位置长时间循环，以防冲大井眼。

3) 合理加压，均匀送钻，正确处理好地层交界面。具体处理时应根据具体的地层条件选择适当钻压。在岩性由软变硬时采取减压扶正打窝窝的方法，修平井底后加足钻压钻进；岩性由硬变软时，钻进中采用平稳减压的方法；在钻到地层交界面时，减压并加强划眼，及时修整交界面附近的井眼，防止出现狗腿。

4) 开眼要直，注意测斜。由于满眼钻具本身不具有减斜作用，它刚度大并且填满井眼，如果井已经钻斜，仍继续使用满眼钻具，就会使井眼一直斜下去。所以开钻钻井口和上部井段一定要钻直，同时要按规定测斜，检查所钻井段的质量是否合乎规定。当井斜超过标准时，必须及时改变钻具组合。

(3) 塔式钻具组合

塔式钻具组合是由直径不同的几种钻铤组成的下部钻柱组合。直径大的钻铤在下，向上逐渐变小，呈宝塔形。这种钻具的特点是下部钻柱的重量大，刚度大，重心低，与井眼的间隙小，钻头工作平稳。在斜直井段钻进时，能产生较大的钟摆减斜力进行纠斜。因此，所钻出的井眼比较规则，不易出现“狗腿”。特别是在一些井径易扩大的地层，当使用多稳定器满眼钻具效果不好时，使用塔式钻具往往能收到良好的效果。

使用塔式钻具的关键在于下部钻具的重量要大，重心要低，下部应尽可能使用大钻铤。现场实践证明：大钻铤直径最好相当于所要下套管的接箍外径，使其以后套管易于下入，钻铤柱的重心要低于全部钻铤长度的1/3，所用钻压应控制在全部钻铤重量的75～80%以内。

塔式钻具也存在一些问题，例如，由于环空间隙小，循环时泵压高，转盘负荷可能增大，钻头易于泥包。在易塌地层及钻井液性能较差时，容易造成卡钻。由于钻铤尺寸不同，使得起下钻操作不太方便。所有这些问题在使用过程中都应给以足够的重视。

目前长庆油田采用的塔式钻具结构主要是： 346mm 钻头+178mm钻铤+165mm钻铤+127mm钻杆。

4.1.2.纠斜方法与操作

所钻井的井斜超过标准，就应采取措施纠正井斜，现场常用的纠斜方法有钟摆法纠斜和井下动力钻具纠斜等。

1.钟摆法纠斜原理

钟摆法纠斜是利用“钟摆”原理纠斜的一种方法，其实质是通过使用专用的纠斜钻具组合及相应的技术措施来增大钟摆减斜力，以平衡和克服促使井斜的地层力。钟摆钻具、偏重钻铤和塔式钻具纠斜都属于这种方法。

2.钟摆钻具组合：

光钻铤钟摆钻具:光钻铤钟摆钻具的最下面1～2柱钻铤，在保证安全的情况下应尽量采用大外径厚壁钻铤，这不仅可以增大钟摆力，还可减小钻铤的挠度，有利于钻头工作稳定。

单稳定器钟摆钻具:稳定器的安放位置，应在保证稳定器以下的钻铤在纵横弯曲载荷作用下发生弯曲的最大挠度处不与井壁接触的前提下，尽可能的高些，以获得最大的钟摆减斜力。这种钟摆钻具组合的抗斜效果一般都优于无稳定器钟摆钻具组合。现场常用钟摆组合见表4-1。

表5-1 推荐的常用钟摆组合 井眼直径，mm 339.72及以上 244.47～311.15 193.67～244.47 152.40及以下 稳定器高度，m ≈36 ≈27 ≈18 ≈9 多稳定器钟摆钻具:为了增加下部钻柱的刚性及提高抗粘卡能力，可以采用多稳定器钟摆钻具组合，即在单稳定器钟摆组合的支点稳定器之上，间隔一定长度（一般是一根钻铤单根）安放一只或多只稳定器。

3.钟摆钻具使用特点：

1)钟摆钻具能比较成功地用于地层造斜力不太大的地层，在使用大钻铤的条件下，能保证在较高钻压下钻出高质量的井眼（井斜角不大于2°～3°）。与光钻铤相比，使用钟摆钻具可以提高钻压而不会造成井斜的增大。一般在可用重压钻进的平缓地层，钻压可提高50%；在只能用轻压钻井的易斜地层，钻压可提高20%。从而相应地提高了机械钻速。

2)为了充分发挥钟摆钻具的作用，应根据实际情况尽可能采用大尺寸钻铤加扶正器，这种钻具组合的钟摆长而重、减斜效果好。同时，在钟摆钻具结构确定后，减斜效果主要受钻压大小的制约，钻压越大钻头上的造斜力越大，相应地减斜力变小了；钻压过大还会在扶正器下面形成新切点而使之失效，故在操作中必须严格控制钻压。为此，要求井场应配备好不

同长度的钻铤短节、灵敏可靠的指重表及随时侧斜、检验井身质量等有关准备工作。

此外，应确保钻井液性能良好，排量稳定，以免出现钻头泥包等现象。实践证明，钟摆效果的好坏与钻头工作是否稳定有密切的联系，当地层岩性变化或钻井液性能不好，钻头运转不正常时，减斜效果往往较差。故在岩性变化时除做好防斜工作外，还应保证钻井液性能良好，排量稳定。

3)钟摆钻具在直井内无防斜作用，不能象满眼钻具那样有效地控制井斜变化率。在地层倾角很大的严重易斜地层，在增加压力以提高钻速的情况下，增斜力往往大于减斜力，因此不得不使用小钻压钻进，从而使钻速显著降低。

4.偏重钻铤使用特点：

偏重钻铤是在普通的钻铤一侧（一条母线上）钻出一排坑，使这一侧质量减小，从而另一侧形成偏重，这样可利用该钻铤旋转时的离心作用进行防斜和纠斜。

在易斜地区钻井，无论在开钻时或在钻开易斜井段前使用偏重钻铤，都能取得良好的防斜效果。它既能防斜，也可用于纠斜，并能在较高钻压下工作，取得较好的效果。

偏重钻铤具有结构简单、使用方便等特点。一般在使用时把它直接与普通钻铤相连即可，无需安装稳定器，便于起下钻。

在狗腿、键槽、易卡、易漏等复杂井段，使用比满眼和钟摆钻具安全可靠，这是因为偏重钻铤与井眼的间隙较大，从而减少了出现井下复杂情况的可能性。如在易漏井段，使用满眼钻具时间隙小、循环泵压高，容易引起井漏，偏重钻铤则不会出现这种危险。

使用偏重钻铤要特别注意防止其泥包，以免影响防斜效果。 5.动力钻具定向纠斜

动力钻具定向纠斜是利用动力钻具加弯接头或弯钻杆组成的钻具组合向原井斜的相反方位造斜，以达到纠斜的目的。

（1）应用范围

在一些严重易斜地层，井斜角较大，用一般的纠斜方法难以控制时，可用此法。 当井斜过大，需要填井侧钻新井眼时，可用此法。

纠斜部位可以从井底开始，也可在上部井段进行侧钻纠斜。 （2）注意事项：

定向一定要准确。弯接头的弯曲方位与原井斜的方位相差180°。 开始纠斜时，要用轻压，控制钻速，造出台阶，然后再正常钻进。 不宜使用弯曲角较大的弯接头，避免弹性力矩过大而出现狗腿。

用此法纠斜时，实际降斜率应控制在0°30′～1°/10m的范围内。当井斜角降至2°左右时，即可换用其它钻具正常钻进。

5.2定向井技术

5.2.1造斜工具的使用 一、定向井的基本概念

定向井是按照一定的目的和要求，沿着设计轨迹，钻达预定目的层位的井，称为定向井。

1.井深。井深分为斜深和垂深。所谓斜深是指井身轴线上某点到井口的实际长度，即井眼的长度，而垂深是指该点到井口所在水平面的距离，即井眼长度在井口沿垂线上的投影长度。我们经常所说的“井深”指的就是斜深，而“设计井深”一般则指垂深。

2.井斜角。沿井眼轴线某一点的切线与铅垂线之间的夹角叫该点的井斜角。

3.方位角。井眼轴线上某点的切线在水平面上的投影与正北方向的夹角。该角以正北方向线为始边，按顺时针方向旋转至该点切线在水平面上的投影为终边，其所转过的角度称为该点的方位角。完钻井井底的方位角称为“闭合方位角”。

4.井眼曲率。过井眼轴线相邻两测点所作的向井底方向延伸的切线之间的夹角与测点之间井段长度的比值，叫该测段的井眼曲率。通常用“K”表示，单位为“°/m”。现场常用来求井眼曲率的公式是：

K(L)（2L）sinc22

（5－9）

式中：Δα——两测点间（测段）井斜角的增量；ΔΦ

——两测点间（测段）方位角的增量；ΔL——两测点间（测段）实际长度，m；αC——两测点间（测段）平均井斜角。

5.水平位移。井身上某点到井口铅垂线的距离，即在水平投影图上，该点至井口的直线长度。通常用“S”表示，单位为“m”。

完钻井井底的水平位移叫“闭合距”。常用“A”表示，单位为“m”。 6.直井段：与井口所在水平面垂直的井段。

7.造斜点：开始定向造斜的位置。通常以定向造斜的井深来表示。 8.增斜段：井斜角随井深的增加而增加的井段。 9.稳斜段：井斜角保持不变的井段。

10.降斜段：井斜角随着井深的增加而逐渐减小的井段。 定向井剖面术语如图5-2所示。 二、造斜工具的使用

造斜就是利用造斜工具沿设计方位钻出斜井段的工艺过程。 1.造斜工具

（l）弯接头。弯接头是定向钻井中最常用的工具。有固定角度弯接头和可调角度弯接头两种。

固定角度弯接头。这种弯接头目前在国内外使用最为普遍。它具有结构简单、使用方便、 成本低等优点。其结构包括接头体、扶正套、定向键和固定螺丝等。它的外观形似普通配合接头，所不同的是，弯接头公扣部分的轴线与本体轴线成一角度γ，称为弯曲角。弯接头的弯曲角一般为1°、1.5°、2°、2.5°、3°等，弯曲角超过4°时，钻出的井眼曲率太大，也不易下井，常规定向井中一般不用。

可调角度弯接头。它是一种较为先进的井眼轨迹控制工具。根据调节方式和工作原理的不同，可分为电动式、机械式和液压式等几种类型。它们的共同特点是不起钻，通过地面控制把弯接头调到需要的任何角度，可连续进行定向、增斜、稳斜、降斜及扭方位。它们的优点是可以垂直起下钻，以减少钻具与井壁或套管的摩擦和碰撞；还可以在井下任意调整钻具的偏斜角度，减少起下钻次数，加快钻井速度，降低钻井成本。缺点是结构复杂，成本高。因此，影响了它们的推广使用。

（2）无磁钻挺。

无磁钻挺是一种由蒙乃尔合金或不锈钢制成的不易磁化的钻挺。其用途是为磁性测斜仪器提供一个不受钻柱磁场干扰的测斜环境。

（3）稳定器（现场又叫扶正器）。

定向钻井中，常用的稳定器主要有螺旋稳定器和滚子稳定器两种。

稳定器的作用是：在增斜钻具组合和降斜钻具组合中起支点作用，通过改变稳定器在下部钻具组合的位置，可改变下部钻具的受力状态，达到控制井眼轨迹的目的；在稳斜钻具组合中，增加下部钻具组合的刚性，达到稳定井斜和方位的目的。另外，修整井眼，使井眼曲率变化平缓、圆滑也是螺旋稳定器的作用之一。

（4）变向器。目前现场使用的变向器有圆筒式和叶片式两种。

圆筒型变向器。这种变向器中间为一短钻铤，外面套着一个圆柱体、二者用两个小轴连在一起，可以相对摆动一个小角度。两个小轴中心连线的上下侧，左右各置一个瓦片，两个瓦片中心线间夹角约120°。当上瓦片转动到下井壁处，接触处便产生一个压力，通过圆柱壳体传递，将下瓦片推向内侧井壁，从而产生变方位力，获得增方位或减方位的效果，增减方位通过改变两个瓦片的位置确定。

叶片式变向器。该变向器主要由本体、转轴和叶片组成。转轴固定在变向器本体侧的

凹槽内，上下两端各装一个相同几何形状的叶片。根据下井的目的（增方位或减方位）调换叶片的方向。变向器下井后随钻柱旋转。当上端叶片转至下井壁时，在钻具自重作用下，叶片受压进入变向器本体的凹槽内，固定在转轴下端的（近钻头处）叶片穿出，在井壁一侧形成一个支点，推动井底钻头偏离原井眼的轴线，产生侧向切削力，使钻出的井眼朝着预计的方向偏移。井眼的方位变化率可达到2～5°/100m。

钻具组合：钻头+接头+叶片式变向器+钻铤20~30m+稳定器+钻铤+随钻震击器+加重钻杆+钻杆。

叶片式变向器规范见表5-2

表5-2 叶片式变向器规范

井眼尺寸mm 152~171 197~216 222~229 245~273 279~311 变向器型号 R6-01 R8-01 R9-01 R10-01 R12-01 变向器外径mm 122 146 168 197 225 长度m 2.44 3.05 3.35 3.96 4.88 质量kg 213 363 567 839 1633 （5）井下动力钻具

目前常用的井下动力钻具有迪纳钻具和纳维钻具两种。

纳维钻具：纳维钻具主要由旁通阀、定子、转子、万向轴、轴承总成和传动轴组成。 迪纳钻具：迪纳钻具主要由旁通阀总成、定子、转子、万向节总成和传动轴总成组成。 2.造斜方法及原理。

（1）井下动力钻具带弯接头造斜。钻具结构：钻头无磁钻铤

钻铤

钻杆。

井下动力钻具

弯接头

工作原理：由于弯接头的特殊结构，使得弯接头以下的钻柱轴线与其上部的钻柱轴线不相重合。入井前，钻柱保持原来的弯曲结构状态。入井后，钻柱的弯曲受到井壁的限制，迫使钻具弹性变形而产生弹性力矩。在弹性力矩的作用下，钻头被迫对井壁施加侧向力（斜向力）。另外，由于钻头的轴线与井眼的轴线始终不在一条直线上，钻进时，钻头在井底始终产生不对称切削。因此，随着井深的增加，井身就沿着设计方向偏斜，钻出斜井眼。

（2）转盘钻稳定器组合钻具增斜。钻具结构：钻头（根据井斜角、方位角的大小适当选用无磁钻挺的长度）

近钻头稳定器钻挺

钻杆。

无磁钻铤

工作原理：这套钻具由于无法定向，因此应当用其它的造斜方法造出一定的斜井段（如用井下动力钻具带弯接头定向造斜，井斜角达到8度以上，方位合适）后，才能用它增斜。该钻具结构称为增斜钻具结构。增斜钻具产生斜向力的原理是利用近钻头稳定器作支点，由杠杆原理使钻头产生斜向力。随着井深的增加，井斜不断增加，从而钻出斜井眼。

5.2.2井眼轨迹控制方法

井眼轨迹控制，从根本上说，就是控制井斜和方位的变化，以期得到合格的井斜角和方位角。

1.定向井的井身质量标准 （1）靶区半径

常规定向井、丛式井的靶区半径（即实钻井眼轨迹轴线与设计目标点之间的水平距离），按设计目标点的不同垂直深度，要符合下列标准（见表5-3）。

根据不同用途的定向井、丛式井对靶区半径的特殊要求，应在设计中提出明确要求。 （2)最大井斜变化率

常规定向井、丛式井的最大井眼曲率应不超过 5°／30m。如连续三个测点的井眼曲率超过 5°／30m为不合格。

（3)井身质量要求

对于大斜度井、水平井、丛式井、特殊用途的定向井的井身质量要求，在设计中有明确要求。

表5-3 靶区半径标准（SY5088——85） 垂直井深，m 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500以上 2.井眼轨迹控制技术

钻定向斜井，井眼轨迹的控制是关键。井眼轨迹的控制技术按照井眼形状和施工过程，可分为直井段、造斜段、增斜段、稳斜段以及降斜段和扭方位段等的控制技术。

（1）直井段轨迹控制。定向井尤其是丛式井组的直井段。对井斜角有严格的限制。因为如果井眼发生倾斜，其方位往往与设计的不一致，这样，在一开始造斜时，就不得不花费精力扭方位，从而增加了定向造斜施工的难度。为此，尽可能采用转盘钻井并使用塔式钻具或标准稳定器满眼钻具结构钻进。直井段井斜要求小于3°。

（2）造斜段轨迹的控制。对井下动力钻具组合，影响钻头造斜力的最大参数是井下动力钻具的长度、弯接头的弯曲角和装置角。

为了提高造斜率，有效的方法是尽可能地缩短井下动力钻具的长度。一般来说，螺杆钻具的长度明显地短于涡轮钻具。因此，使用螺杆钻具比使用涡轮钻具易于造斜。

靶区半径，m ≤30 ≤40 ≤50 ≤65 ≤80 ≤100 ≤120 ≤140 合理地选择弯接头，是井下动力钻具造斜的关键。在同等的条件下，弯接头弯曲角越大，造斜力越大，但曲率也随之增大，钻具不易入井。由此，现场常用的弯接头一般是l°～2°的。另外，由于地层因素的影响，会使弯接头的造斜率发生变化。如在软地层中造斜，因井壁承受不了弯接头很高的侧向力，使接触状况变差，影响弯接头的侧向力，结果难以造斜。因此，在确定造斜点时，应考虑地层因素或选用特殊形状的“面接触”式弯接头。

装置角对井斜和方位的影响是相当大的。所谓装置角就是造斜工具的工作面在井底的安置方位与井斜方位的夹角。通常用“ω”表示。

理论和实践证明：改变装置角，可以使井斜和方位发生变化，并有如下的规律。当工具面位于不同的象限，有其自身的规律，其效果是Ⅰ象限，增斜增方位；Ⅱ象限降斜增方位；Ⅲ象限降斜降方位；Ⅳ象限增斜降方位。

（3）增斜段轨迹的控制。所谓增斜段是指井斜角随井深的增加而增大的井段。井斜的控制，从根本上说，就是要控制钻具的造斜率（或增斜率），以便得到所需的井斜角。

使用转盘钻增斜钻具组合时，可以通过调整近钻头扶正器的位置来改变增斜率。 （4）稳斜段轨迹的控制。井斜角保持不变的井段，称为稳斜段。大多数的定向井都有稳斜段。常用来控制稳斜段的钻具结构是带有多个稳定器的刚性满眼钻具组合。钻具组合的合理性是稳斜段控制的关键。

（5）降斜段轨迹的控制。井斜角随着井深的增加而逐渐减小的井段称为降斜段。在钻定向井降斜段时，所采用的钻具组合大多数是稳定器组合的钟摆钻具。

（6）扭方位段轨迹的控制。当实钻井眼轨迹严重偏离设计井眼方位时，应下入定向钻具扭方位。扭方位井段的控制与定向造斜井段的控制类似。值得一提的是，由于井斜角越大，方位角的改变越困难。因此，扭方位应在井斜角较小时进行。在实际工作中，若井斜和方位都不符合要求，需要增斜和调整方位时，应先调整方位后增斜。也即装置角的选择应以考虑调整方位为主。如果需要降斜和调整方位时，则应先降斜后调整方位，也即装置角的选择应以考虑降斜为主。

5.3取心钻井技术

岩心是认识油、气田和地层的宝贵资料。钻井取心是石油勘探与开发中很重要的一项工作。

所谓岩心收获率是指实取岩心的长度与进尺比值的百分数。

岩心长度（米）取心进尺数（米）岩心收获率=（5－15）

³100%

最理想的岩心收获率是百分之百。在保证获得较高的岩心收获率前提下，取心钻进的单筒进尺也是衡量取心水平的一个重要指标。

提高岩心收获率，要有适合于取心井段岩性的取心工具和合理的技术措施，并做到不断地总结经验。为此，我们应对取心工具各部件的用途与要求，取心工具的类型、结构以及取心工艺的要点等方面有基本的认识。

4.3.1取心工具的组成

我国多采用钻进取心法，使用筒式取心工具。取心钻进过程包括钻出岩心、保护岩心、取出岩心三个主要环节。为了完成这三个环节，取心工具一般都包括取心钻头、岩心筒、岩心爪、扶正器和悬挂装置等部件，如图5-4所示。 1.取芯钻头（图5-5）

(1) 用途：环形破碎地层、钻取岩芯。

(2) 类型：主要有刮刀取芯钻头、领眼或硬质合金取芯钻头、金刚石取芯钻头。 (3) 适用地层：

1）软地层应选用刮刀取芯钻头。

2）在硬地层和中硬地层选用硬质合金取芯钻头。 3）在硬和极硬地层选用金刚石取芯钻头。 2. 内外岩芯筒 (1) 用途：

1）内岩芯筒用于容纳和保护岩芯。

2）外岩芯筒传递承受钻压，联接钻头，带动钻头旋转，保护内筒。

3. 岩芯爪（图5-6） (1) 用途：割取岩芯和承托已割取的岩芯柱，将岩芯柱顺利地带到地面。

(2) 类别：卡箍式、卡板式、卡瓦式和卡簧式。

(3) 适用地层：

1）在松软和软地层中取芯，选用卡箍式岩芯爪。

2）在胶结较好的硬和中硬地层中取芯，选用卡板式或卡瓦式岩芯爪。 4. 扶正器

扶正器可分为外筒扶正器、内筒扶正器。 用途：

(1) 外筒扶正器保持外筒和钻头的稳定，以利于防斜。

(2) 内筒扶正器保持内筒稳定，使内筒与钻头对中，使岩芯易于进入内筒。 5. 回压凡尔

回压凡尔是装在内岩心筒上面的一个单流凡尔。 用途：

1）用以防止钻井液自上面冲刺岩心，起保护岩心的作用。

2）岩心顶部的钻井液还可以从凡尔内排出，保证岩心能顺利进入岩心筒。 6. 取心工具各部分的配合

(1) 钻头与外岩心筒 在松软和易塌地层，钻头与外岩心筒的直径差值不以太小，以免由于外岩心筒与井壁间隙太小，引起泵压太高，井底清洗不净，甚至造成卡钻等井下事故。在易斜地层，间隙值可适当减小，以利防斜。

一般说，取心钻头的外径应小于或等于全面钻进钻头的尺寸，并大于外筒接头外径10～20mm。它的内径应根据岩性不同，合理选择，一般比内岩心筒内径小5～10mm。

(2) 内、外径岩心筒之间的间隙一般为10～20mm，保证钻井液顺利通过，避免泵压过高现象。

(3) 岩心爪张开时的内径，一般大于钻头内径5～10mm，应稍大于或等于内岩心筒的内径。在易膨胀地层，差值可大一些，硬地层酌情减小。

(4) 钻头内台肩与岩心爪应有5～10mm的间隙。此间隙太小或为零时，内筒将随钻头转动；如果此间隙太大，岩心爪距井底太远，不利于保护岩心。

5.3.2取心工具的类型

取心工具的类型较多，通常分为常规取心工具和特殊取心工具两大类。常规取心工具又可分为适用于软地层的加压式取心工具和适用于硬地层的自锁式取心工具；特殊取心工具有密闭取心工具，保压取心工具、定向取心工具等。另外，根据地区特点，各油田还自行设计和制造了不同的取心工具，下面介绍几种常用的取心工具。

1. 加压式常规取心工具 (1) 结构原理

加压式常规取心工具是松软地层取心的基本工具，也是我国独具特色的取心工具。一般由取心钻头、岩心爪、岩心筒组合和加压接头组成（图5-7）。岩心筒组合有内外之分：外筒组合包括外岩心筒和定位接头；内筒组合包括内岩心筒和悬挂总成。悬挂总成通过销钉悬挂在外筒组合的定位接头上。外筒组合之下连接取心钻头。岩心爪置于内筒组合之下。加压接头连接在定位接头上，它由相对滑动的外六方杆与内六方套及加压中心杆组成。

钻进时，钻压与扭矩通过加压接头和外岩心筒传递给取心钻头钻取岩心。岩心通过岩心

爪进入内筒得到保护。表5－6为川式取心工具基本参数表。

表5－6川式取心工具基本参数表

川4-4 型号 CQX89-45 长度 外筒 外径x内径(mm) 内筒 外径x内径(mm) 顶端扣形 钻头尺寸(in) 岩心直径(mm) 60x52 2-3/8\" API IF 4-1/8\" 川5-4 CQX121-66 18400 121x93 川6-4 CQX133-70 18400 133x101 川6T-4 川7-4 川8-4 川9-4 CQX203-133 18400 203x169 CQX146-89 CQX172-101 CQX180-105 18400 146x118 18400 172x136 18400 180x144 18400 89x70 85x72 3-1/2\"API IF 89x76 3-1/2\"API IF 108x94 121x108 127x112 159x140 6-5/8\"API IF 12-1/4\" 3-1/2\"API IF 4-1/2\"API IF 4-1/2\"API IF 5-7/8\"～6-1/2\" 5-7/8\"～6-1/2\" 6-1/2\"～7-7/8\" 7-1/2～9-5/8 8-1/2\"～9-5/8\" 45 66 70 89 101 105 133

当需要进行长筒取心时，钻进中途必须接单根。 (2) 工具特点

1) 取心钻头为切削型，机械钻速高。

2) 岩心筒为双筒单动悬挂式，有的内筒具有内洗式结构，即取心钻进前可以通过内筒循环钻井液，冲洗内筒，清洗井底。不仅保证内筒清洁，有利岩心入筒，而且可使工具一次下钻到底，开泵顺利。

3) 岩心爪为加压式，其内径比岩心直径大10mm左右。只有在专门的加压机构作用下才能变形，且呈一次性收缩。

4) 在取心工具之上配有必备的差动加压装置作为加压割心机构。

5) 长筒取心时，配有钻进中途接单根的专用装置——滑动接头，以实现钻头不离井底接单根。当工具重量超过正常取心钻压值时，还配有专用的转换接头。这样，既保持了滑动接头接单根的作用，又克服了由于滑动接头的存在而造成的钻进过程中不能随意控制钻压的弊端。

(3) 使用要求

1) 准备工作要完善；工具与钻头的选择要符合取心目的及取心层位，要有尽可能详细、准确的取心地层预告；井身质量、钻井液性能应符合设计要求；设备、仪表工作正常；井底无金属落物；井内全部钻具水眼直径应大于55mm，以保证钢球顺利通过。

2) 工具检查要严格；工具与配件应符合图纸要求；装配后在工具悬吊的情况下以用手能转动内筒为合格；工具装配的轴向间隙为15～20mm（长筒取心时为15～30mm）；加压接头、滑动接头和转换接头滑动灵活、可靠。

3) 起下钻操作要平稳；速度应控制，严禁猛提、猛刹、猛放。下钻遇阻不得超过30kN，不准用取心钻头划眼强下；起钻过程中应连续向井眼灌满钻井液。

4) 取心钻进要细心；钻进前，钻头不能接触井底，起动泵压不得过大，在转动钻具的情况下校对灵敏表；钻进时，轻起动，慢加压，均匀送钻；先用10kN钻压造心，进尺0.3m后再加至正常钻压（对疏松砂岩地层，一开始就加足钻压）。钻进中尽量做到不停泵、不停转、不上提、不溜钻、减少蹩跳钻。认真做好钻时记录，仔细观察机械钻速，泵压及转盘负荷的变化，及时分析判断井下情况。

5) 长筒取心时，接单根操作要准确，上提钻柱不能将钻头提离井底。

6) 割心前送球要到位，如果割心层位是疏松砂岩，不允许长时间开泵送球，以防冲坏岩心。

2. 自锁式常规取心工具 (1)结构

自锁式常规取心工具是中硬～硬地层取心的基本工具。对岩心成柱性较好的软地层也适用。一般由取心钻头，岩心爪、岩心筒组合和安全接头组成（图5-8）。岩心筒组合也有内外之分：外筒组合包括外岩心筒、短节和稳定器。内筒组合包括缩径套、短节、内岩心筒和悬挂总成。悬挂总成与安全接头的公接头相连，外筒组合与安全接头的母接头相连。岩心爪置于缩径套之中。

(2) 工具特点

1) 取心钻头为微切削型或研磨型。

2) 岩心筒为双筒单动，丝扣连接、内洗式。外筒由稳定器加厚壁管构成，刚度大，稳定性好，有利于长筒取心钻进。在破碎性地层取心时，还采用外返孔结构，以形成水力并联管路。保证取心钻进时有部分钻井液不通过钻头水眼，而经内筒自下而上，从工具上部返到环形空间。从而对岩心块产生一个向上的作用力（力的大小可通过变换外返孔嘴直径来调节），使岩心块被携带并悬浮于内筒上部，达到提高岩心收获率和单筒进尺的目的。

3) 岩心爪为自锁式，其内径一般要比岩心直径小2～3mm。当上提钻具时，岩心爪则能

自动卡紧岩心，自锁割心。岩心爪可反复使用，操作方便。

4) 长筒取心时，需在短筒工具的基础上，增加等长的内外岩心筒，而不需任何其它的特殊装置，因而结构简单。

5) 工具自身带有安全接头，便于岩心筒遇卡事故的处理。 (3) 使用要求

1) 取心准备、工具检查、取心钻进及起下钻操作等要求与加压式常规取心工具基本相同。不同点在于工具装配好后的轴向间隙为8～10mm（长筒取心为10～15mm）。

2) 长筒取心采用割心接单根的办法实现连续取心。其操作要点是“一提、二锁、三冲、四压。”

一提：停转、停泵后，缓慢上提钻具割心。

二锁：卸方钻杆时要锁住转盘锁子，用旋绳卸扣，保证井下钻具不转动。 三冲：接完单根后开泵循环，缓慢下放钻具，冲洗井底3～5min。

四压：用不低于1.5倍钻压的力静压井底，以顶松岩心爪，之后再微提钻具，轻压启动转盘，恢复取心钻进。

5.3.3取心施工与操作

要提高岩心收获率，除了正确地设计、制造、装配取心工具外，合理的取心工艺也是很重要的因素。

1. 取心工具的选择

选择取心工具主要是根据地层岩性、井下条件（井深、钻井液性能等）合理确定取心工具类型。一般软地层可选用加压式取心工具；硬地层宜选用自锁式取心工具；对有特殊要求的取心则选用相应的特殊取心工具。地层松软；岩心的胶结性差或岩性破碎的地层，为了提高收获率。取心工具宜短一些；岩性较硬而所选钻头又能取得较高的进尺时，可选用中、长筒取心工具。

软地层取心，一般选用刮刀式取心钻头或内出刃较大的硬质合金取心钻头；在硬地层及研磨性较高的地层可选用领眼式硬合金取心钻头或金刚石取心钻头；超深井取心为了减少起下钻行程时间，多选用金刚石取心钻头。

岩心爪的选用，一般地层较软可选用卡箍式岩心爪；中硬地层宜选用板簧式岩心爪；硬地层及较破碎地层，可选用卡箍式及板簧式的复合岩心爪；坚硬及胶结致密的地层，可选用板簧式岩心爪。

2. 取心工具的检查

(1) 悬挂轴承必须密封和润滑良好，保证内岩心筒转动灵活。

(2) 内、外岩心筒无变形、裂纹和伤痕，其弯曲度不能大于千分之一。 (3) 回压凡尔球和球座无卡死，刺漏等现象，保证工具灵活可靠。 (4) 分水接头各个水眼必须畅通。

(5) 硬地层取心工具岩心爪和钻头内台肩面应保持5～8mm的间隙；软地层取心工具装配好以后，要保证岩心爪底尖与钻头内腔斜坡顶之间距离为15mm左右。

(6) 岩心爪弹性良好、无裂纹，尺寸、类型符合要求。 (7) 各丝扣连接部分无松动、刺漏等现象。

(8) 钻头内、外径尺寸符合要求，丝扣完好，钻头体无裂缝，合金块镶焊良好，无损坏。 (9) 保证加压接头内外管滑动灵活、密封可靠，中心管不弯曲、装配活动自如、球座端完好。

3. 取心钻井参数的配合

取心钻进是环形破碎，钻头的承压面积和岩石破碎面积均较小。同时，外岩心筒管壁较薄，而且还有一个保护岩心的问题。所以，其钻压、转速、排量均应比相应尺寸的钻头全面钻进时的钻压、转速、排量要小些，但应小得适当。参数太小则钻速慢、进尺少；如果钻压过大，外岩心筒可能发生弯曲；若转速太高，内、外岩心筒摆动厉害，钻头工作就不平稳。同时，钻压太大，转速过高也将造成钻头的先期磨损，甚至严重损坏钻头的切削刃。因而会降低机械钻速、钻头进尺和岩心收获率。

取心钻进的技术参数应根据地层岩性机动灵活的掌握。

钻进液应尽可能地采取优质轻钻井液，即密度、失水、含砂量均小，粘度适当，要保证井底充分清洁。

表5-7 正常钻进参数。

地层 胶结程度 钻压，kN 转速，r/min 排量，L/s 松软 特差 100～120 50～60 10～15 一般 30～50 50～60 15～20 良好 60～80 50～60 20～25 中硬~硬 差 30～40 30～40 12～15 好 60～80 50～60 20～25 4. 取心操作

(1) 下钻

1) 有下列情况不准下钻: ① 井下情况不正常； ② 钻井液性能不好； ③ 加压用的钢球丢失； ④ 机动设备不正常；

⑤ 取心工具装配不好，部件质量不合格； ⑥ 工具性能没有掌握；

⑦ 指重表不灵或冷热变化规律未掌握。

2) 下井操作要平稳，不得猛刹、猛放，对缩径井段，井斜较大处，下钻速度应控制为II档，严防顿钻。

3) 应避免用取心钻头划眼，下钻遇阻不得超过三吨，经上下活动无效后，应循环泥浆，不得划眼强下。

4) 取心下钻前，要注意检查钻杆水眼是否畅通。

5) 下钻可根据具体情况，或分段循环泥浆或下到距井底10m左右处循环并处理好泥浆，开始用小排量，控制启动泵压不超过8～8.5MPa，以防止压差过大而提前剪断销钉。

6) 最后，缓慢下至距井底（若井底有余心，则应距余心顶）1～2m处，冲洗井底，并多次上提下放，适当转动钻具。

(2) 取心钻进

1) 按取心钻进工艺措施循环并处理好泥浆；探井深，看井底是否干净。

2) 造心时要轻压启动，仔细造心。若为中硬地层，则缓慢加压20～60kN，钻进0.1m后，逐渐增至正常钻压，若为疏松油砂，则一开始就要加足钻压。

3) 根据地层性质选择合理的参数进行钻进，钻进中，送钻要均匀，防止堵心、卡心、不准停泵、不准提钻、不准溜钻、防止蹩、跳钻（如属地层原因可适当调整钻压和转数），

注意泵压变化及岩屑返出的情况。作好钻时记录，及时分析判断井下情况。

(3) 割心

1)硬地层取心工具的割心，割心应选岩心比较坚硬、致密和胶结较好的地层。当钻完进尺后，停止送钻（但不停泵），原转速旋转15～20min，恢复一下悬重，然后上提钻具0.1～0.2m，用较高转速猛合、猛摘转盘离合器数次，甩岩心数次。此后，上提钻具不同高度并转动钻具，从不同方向慢慢下探（到井底时放至原钻进时的悬重），如果上提均有挂卡的现象而下放无阻，表明岩心尚未割断，需按上述方法再次割心；如果上提不卡，而每次下放时都在同一高度遇阻，表明岩心已割断，但井底有余心，余心的高度可以从方入上判断；如果上提，下放均无阻现象，则表明岩心已割断，井底余心很少，这时可心上提钻具0.2～0.5m，继续循环泥浆5～10min后起钻。

2) 软地层取心工具采用投球加压割心，割心层位一般选定泥岩较好，打完进尺磨心2～3min，然后停钻，记好打钻方入，上提钻具0.4m，使加压接头方脖完全拉开，此时的方入为“投球方入”，并涂以标记（在2000m左右的井深，一般是加压接头六方部分全拉开为0.2m，然后按每1000m井深，钻具伸长0.1m计算）。

停泵，打开立管上面丝堵投球，开泵用钻井液送球，共投球四只，每2min投一只，全部投完后，再循环10min，适当转动转盘，防止卡钻，同时能促使四个钢球复位，最后停泵，缓慢加压，滑放钻具，当钻具下到接近原停钻方入时，要特别注意观察剪断销钉显示（销钉被剪断时方钻杆向下猛一跳动），经反复拉开加压2～3次，证明销钉已剪断，再继续下压5格，然后提钻到打钻方入位置，间断转动转盘割心（用II档或III档）。试探转盘蹩劲，无倒转，则说明岩心被割断，循环起钻。

(4) 起钻

1) 操作要平稳，严禁猛提、猛刹、猛放。

2) 加压割心的显示不好，剪断销钉的把握性不大时，起钻应特别小心，不准使用转盘卸扣。

3) 起钻过程中，要及时灌满钻井液。

4) 岩心出筒时，按顺序放在盒内，不应错乱。算出收获率，做好岩心柱记录工作。 5. 取心工艺分析

取心是一种特殊的钻井技术工艺。为了取全取准地质资料，提高岩心收获率，必须对取心的技术措施、操作技能、取心工具等各方面进行深入的分析研究，并提出相应的改进措施，逐步提高取心钻井的工艺技术水平。

(1) 影响岩心收获的因素

1) 操作技术和取心工具

在操作技术和取心工具方面要不断提高，不断总结研究各种取心工具和取心工艺，根据各油田地层特点，设计新工具。

2) 长筒取心时外筒的稳定性

在长筒取心中，外筒长达数十米，容易产生弯曲。因此，外筒稳定性比较重要。大庆的实践证明，只要能尽量减小外筒与井眼的环形间隙，就可以收到良好效果。目前，多从加强岩心筒强度，提高材质和减小环形空间两方面来解决。

3) 地层

井下地层的变化是很复杂的，一般情况是：断层、大倾角地层、裂缝发育及胶结较差的地层，取心钻进中岩心容易破碎；在大裂缝隙和大溶洞的地层，取心时钻具放空；岩心松散，成柱性差，夹角薄而变化多的地层，不易卡准油层；油层受注水及边水推进影响，胶结性差，岩心不易成柱；吸水较强的泥质胶结地层容易吸水膨胀，且使钻井液粘度变大，钻头泥包；岩性坚硬容易破碎的含硅质结构，菱铁矿地层，不易割断岩心，有的则破碎严重。

4) 井下复杂情况

钻井液性能不好和地层因素引起的井壁坍塌掉块、钻头泥包、井喷、井漏和人为的井下落物，以及因措施不当而造成的大井斜、键槽、“狗腿”等复杂情况，如果处理不当，都会影响取心效果。

(2) “堵心”、“磨心”、“卡心”原因分析 1) “堵心”（岩心进口堵死）原因

① 钻头结构不合理，或在下钻过程中严重泥包，使岩心进口处的钻屑得不到及时的清洗和排除。当钻头吃入地层是松散的油砂或井底过厚的沉砂塞满钻头内体，愈塞愈实。

② 岩心特别破碎，内筒与岩心的环形间隙太小；或者是岩心容易吸水膨胀，造成内筒与岩心的环形间隙过小。

③ 井底掉块较多，钻头一接触井底，就被掉块将岩心进口堵死。 ④ 钻井液短路，泥浆泵不上水，引起岩心进口堵死。 ⑤ 钻头体的内径大于或近似于内筒内径。 2) “磨心”、“卡心”原因

①钻进时，由于蹩钻、跳钻、转速过高，引起内筒旋转、摆动、钻头跳动，使岩心在多次的外力作用下，发生相对运动和裂成碎块。时间越长越严重，特别是长筒取心更为突出。

② 钻进中，送钻不均匀，使岩心柱忽粗忽细，过细处断开，横卡于内筒。

③ 钻进中，遇夹层多而岩性不均一的地层送钻不合理，软地层钻压跟不上，硬地层钻压过小。

④ 钻井液性能不好，钻遇吸水膨胀地层，岩心膨胀或岩心周围形成过厚泥饼而卡于内筒。

⑤ 井身质量不好，井壁泥饼过厚，井壁垮塌严重，下钻时，内筒进入大量泥饼和掉块，钻进时，岩心被掉块泥饼卡死。

⑥ 钻进中，内外筒被污物卡死，内筒悬挂轴承卡死或失灵，造成内外筒一起旋转。 ⑦ 钻头切削刃不在一个水平面上，或在地层软硬交界处，钻进时产生比较严重的蹩钻，跳钻。

⑧ 取心进尺和内筒长度搞错，岩心已装满内筒还继续钻进。

⑨ 在夹有疏松砂岩或煤层的坚硬地层钻进，钻时忽快忽慢变化反复，难以掌握。 ⑩ 裂缝发育和大倾角地层，岩心容易破碎，钻进中碎块聚集，卡于内筒。