摘要
鄂北大牛地、东胜气田施工水平井水平段长度在1000~2000 m之间，以稳斜钻进为主，为保证稳斜效果，降低轨迹调整频次，减少滑动钻进进尺，主要采用双扶稳斜钻具组合，起到了较好的稳斜效果。但鄂北致密砂岩储层的非均质性强，水平段经常钻遇泥岩夹层而调整轨迹，造成双扶稳斜钻具组合在轨迹调整中存在造斜率低、无法快速调整达到地质目的的问题。通过分析不同钻具组合作用效果，配套应用变径稳定器，控制其井下工作状态，改变外径尺寸，使钻具组合、结构和作用效果发生变化，满足轨迹控制需求，实现整体水平段稳斜钻进，并兼顾轨迹调整快速灵活的目的。在鄂北大牛地和东胜气田水平井水平段应用变径稳定器10余口井，平均机械钻速10.18 m/h，水平段提速24.6%，应用效果良好，实现了提高水平段钻井施工效率的目的，为鄂尔多斯盆地长水平段提速提效提供了有利借鉴。
钻井过程中通过调整井下钻具组合控制井眼轨迹，不同的钻具组合在井下受力状态不同，其中稳定器在钻具组合中发挥着重要作用，不同稳定器位置和数量会导致不同的井下受力，井眼轨迹也会因受力不同有所区别。钻井中较为常见的几种钻具组合主要有单扶增
目前国内导向钻
本文通过分析鄂尔多斯北部盆地储层特征和施工难点，研究稳定器在不同钻具组合中的作用效果，进一步开展变径稳定
鄂尔多斯盆地北部（大牛地气田、东胜气田）以水平井开发为主，上古生界主力储层为变状河沉积相，致密砂岩储层中存在泥岩夹层。水平段钻遇主要目的层为二叠系上石盒子组、下石盒子组、山西组和太原组，岩性为棕褐色、灰色、深灰色泥岩，浅灰色、灰色砂岩以及灰白色含砾砂岩、砂泥岩呈等厚互层分布，储层非均质性强，主要目的层相变较大。
（1）储层非均质性强，纵横向变化大，难以准确预测砂体展布和优质储层，一旦钻遇泥岩夹层油气显示下降，井壁失稳风险增大，需大幅调整井斜改变垂深，尽快钻离泥岩重返砂岩储层；
（2）储层地层倾角大，自然造斜能力强，造成轨迹调整频繁，滑动占比高，严重影响水平段钻井施工效率；
（3）随着水平段延伸，摩阻不断增大，滑动钻进中出现严重托压现
单弯单稳钻具组合为：钻头+（下稳定器）单弯螺杆+单流阀+MWD+定向接头+无磁承压钻杆+斜坡钻杆+加重钻杆+斜坡钻杆。该钻具组合属于单扶增斜组合（见
图1 单弯单稳钻具组合
Fig.1 Schematic diagram of the single‑bend BHA with a single stablizer
L1-钻头至螺杆扶正器距离;L2-扶正器至弯点距离;L3-扶正器至螺杆上端距离
单弯双稳钻具组合为：钻头+（下稳定器）单弯螺杆+稳定器+单流阀+MWD+定向接头+无磁承压钻杆+斜坡钻杆+加重钻杆+斜坡钻杆。该钻具组合属于双扶稳斜组合。除了螺杆下部稳定器以外，在螺杆上部增加1个稳定器，增强了下部钻具组合的刚性，在水平段复合钻进时，即使底部钻具组合受力，但由于较强的刚性使钻具在旋转钻进过程中仍趋于轴向运动，具有较好的稳定井斜的作用。在滑动定向钻进时，底部钻具受力后，由于单弯螺杆上下两端稳定器的双支点作用，造成定向钻进中底部钻具发生偏离轴向更加困难，影响单弯螺杆的造斜效果。所以该钻具组合稳斜效果较好，但一旦出现钻遇泥岩需大幅调整轨迹时，无法实现较快地进入储层砂体，不利于轨迹调整与控制，造成水平段的严重浪费，甚至导致填井侧钻。
水平段靶框设计为长方体靶，一般储层砂体走势稳定，轨迹主要以稳斜设计为主。但鄂尔多斯盆地北部储层非均质性较强，并且储层泥岩薄层多，因钻遇泥岩夹层调整轨迹时有发生，并且钻进中也会由于地层倾角导致轨迹偏离，同样需要轨迹调整。因此需要一种钻具组合，既能在需要调整轨迹时实现高效控制，又能在复合钻进时抑制地层自然造斜，起到较好的稳斜效果。
变径稳定器具有外径大小可以控制的特点，在钻具组合中采用变径稳定器替代普通稳定器，使井下钻具组合随着变径稳定器外径的变化而改变。既可以满足水平段需要稳斜钻进时起到稳斜作用，抑制地层自然造斜，减少轨迹的调整次数，又具有灵活调整能力，实现轨迹高效控制的目的，有效解决水平段施工中单一钻具组合存在的缺陷。
国内一些研究机构从20世纪90年代已经开始研制遥控变径稳定
图2 变径稳定器
Fig.2 Schematic diagram of the variable diameter stabilizer
该变径稳定器关键由变径结构、变径执行机构、变径控制机构、花键套控制机构和密封系统等组
变径执行机构由心轴斜面和复位弹簧等组成，心轴斜面受内外侧压差作用，下行推出小活塞，内外压差消失，心轴斜面受复位弹簧作用回位，小活塞缩回，控制部件结构见
图3 变径稳定器控制部件结构示意
Fig.3 Schematic diagram of the control components of the variable diameter stabilizer
变径控制机构由动花键套、静花键套及心轴活塞等组成，心轴斜面连接心轴活塞，井筒内外压差驱动心轴活塞下行，动花键套连接在心轴活塞上，静花键套与壳体固定连接，动、静花键套相对角度相差1齿，心轴斜面可以下行变径，相差0齿，心轴斜面不能下行而不变径（见
图4 变径控制机构
Fig.4 Diameter control mechanism
在钻井过程中，遥控变径稳定器工作时串接在井下钻具组合中，内外利用环空孔来连通，通过开关钻井泵来控制它的状态。开泵时，由于该工具内部钻井液压强>工具外部环空的压强，在工具的上、下心轴产生压差，产生使工具心轴向下运动的推动力，使工具心轴克服复位弹簧的弹力向下运动，从而带动斜面块也向下运动，推动径向布置的活塞伸出；当停泵时，工具内外钻井液压强差消失，工具心轴在复位弹簧的带动下向上运动，带动斜面块也向上运动，拉动扶正活塞缩回工具本体内。
具体的变径动作过程：比如立管压力为P，在停泵的状态下，工具扶正活塞缩在工具本体内，工具处于内缩状态，当首次开泵后，扶正活塞将伸至同工具本体外壳齐平，工具变为齐平状态，立管压力为P，此时停泵扶正活塞缩回，工具重回内缩状态；再次开泵后，扶正活塞将伸出工具本体外壳外，此时工具工作外径最大，工具变为伸出状态，立管压力为P+P1（P1为变径稳定器伸出状态下增加的压耗），再次停泵，扶正活塞再次缩回工具本体内，工具重回内缩状态。通过不断的开泵和停泵，工具将在不同的3种状态下循环，形成工具的状态控制循环规律。同时当工具产生相应的动作后，利用其内部的节流示位机构，通过泵压变化传递工具的状态信息。
通过调节变径稳定器的外径尺寸实现变径，改变井下钻具组合状
为更好地完成水平段轨迹控制，施工井三开水平段采用的钻具组
钻具组合：Ø152.4 mm钻头+Ø127 mm×1.25º单扶螺杆+单流阀+Ø120 mm变径稳定器+MWD×1+Ø116 mm无磁钻铤×1根+Ø88.9 mm钻杆+Ø88.9 mm加重钻杆×30根+Ø88.9 mm钻杆。
钻进参数：钻压40~60 kN，排量16~18 L/s，转速为螺杆转速+40 r/min。变径稳定器主要工作参数见
在J58PXH井水平段应用变径稳定器，应用井段3416~4416 m，共进尺1000 m，纯钻时间97.75 h，循环时间120 h，平均机械钻速10.23 m/h，比该井区施工井平均机械钻速（8.02 m/h）提高27.6%，实现水平段的“一趟钻
该工具在定向过程中处于缩回状态，泵压为25 MPa，定向过程中1.25°螺杆造斜率在（25°~30°）/100 m，具有较好的造斜效果。在复合钻井过程中工具处于伸出状态，泵压为27 MPa，起到稳斜效果，井斜以（1°~2°）/100 m微降，岩性相对致密井段井斜以（2°~3°）/100 m微增。这些数据证明了变径稳定器既具备高效的轨迹调整能力，也具有较好的双扶稳斜效果。变径稳定器伸缩状态与井斜控制关系见
图5 仪器伸缩与井斜关系
Fig.5 Relationship between tool expansion and inclination
D12-PX井水平段采用变径稳定器钻具组合，在三开水平段刚钻进砂体不足20 m时，录井全烃值下降，无油气显示，钻入泥岩夹层，地质导向工程师要求立即调整钻进轨迹，井斜增大至93°左右，垂深上抬3 m。这时控制变径稳定器姿态，缩回变径稳定器的小活塞，将双扶稳斜钻具组合变成单扶钻具组合，降低下部钻具组合刚性，在滑动钻进过程中使得螺杆具有更好的造斜效果，快速将井斜增至93.43°，随着垂深的快速上升，很快录井仪全烃值上升，出现油气显示，轨道再次回到了储层，变径稳定器高效轨迹调整能力充分体现。
本井水平段前500 m砂体构造每百米抬升1.2~1.5 m，地层倾角变化大，井斜控制难度大。在水平段需要稳斜钻进时，通过控制变径稳定器让小活塞伸出，本体外径增大至外径150 mm，与螺杆本体稳定器形成了双扶稳斜钻具组合，增强了下部钻具组合刚性，复合钻进时平均单根井斜变化率<0.2°，起到较好的稳斜效果，降低了地层倾角的增斜作用，减少了轨迹调整次数，提高了钻井效率，同时使井眼轨迹更加平滑。
水平段应用变径稳定器共进尺803 m，纯钻时间77.5 h，平均机械钻速10.36 m/h，较该井区水平段平均机械钻速提高23.49%。整体应用井段仅调整轨迹49.5 m，滑动进尺占比6.16%，较井区水平段平均滑动占比（10.48%）降低了41.22%，稳斜效果显著。在定向钻进时，通过收缩变径稳定器变成单扶增斜钻具组合后，较常规双扶稳斜组合平均造斜率提高30%左右，轨迹调整效率高。采用不同稳定器滑动钻进时的造斜率对比见
（1）变径稳定器现场应用中，立压稳定，变径切换灵活，容易准确判断工具状态，在井下复杂受力状态下工具安全性可靠。
（2）变径稳定器活塞伸出形成稳斜钻具组合，在水平段复合钻进过程中，具有良好的稳斜作用效果。在调整轨迹时，变径稳定器活塞缩回，降低钻具组合刚性，提高调整控制能力，实现轨迹高效控制。
（3）变径稳定器在井下的可控变径功能，提高了滑动造斜率，避免了因普通双扶稳斜造斜率不足造成起钻的问题，提高了轨迹控制能力和施工时效，为水平井安全快速钻井起到了重要作用。
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