摘要
“四合一”钻具是一种把钻头、螺杆、短钻铤和稳定器四种钻具按照固定顺序组合起来的定向钻具，具有双稳定器刚性结构，同时利用单弯螺杆的特性，既可以实现直井段的防斜打直，又可以在造斜段进行滑动定向钻进，还可以在稳斜段、增斜段、降斜段进行复合钻进。本文针对不同“四合一”钻具组合对井眼轨迹控制产生不同影响的问题，结合桃7-15-17X1天然气开发定向井钻井工程施工案例，探讨了该钻具组合影响井眼轨迹控制的关键因素，分析了不同钻具组合参数影响井眼轨迹控制的主要原因，对促进定向井井眼轨迹控制技术发展、提高定向井钻井施工效率具有重要意义。
无论是石油天然气钻井工程，还是非常规天然气钻探、地质钻探，基本都涉及到定向钻井施工，施工中就需要使用井下定向工具。国内定向钻井技术研发使用起步较晚，近年来，随着各井下工具生产企业和科研技术单位的大力投入和深入研究，国内定向钻井技术和井下工具逐渐丰富完善，部分单位进行了自主研制，国内石油天然气行业也逐渐在随钻测量及定向器具方面形成了标准。
目前，地质勘探及油气钻井行业使用最广泛的就是“四合一”钻具，即把钻头、螺杆、钻铤和稳定器四种钻具组合起来的一种定向钻具组
桃7-15-17X1井是川庆钻探苏里格气田的一口天然气开发定向井，施工地点位于内蒙古自治区乌审旗，由宁夏回族自治区煤炭地质局承担实施。该井设计井深3740 m，设计垂深3440 m，设计位移759.58 m，设计方位22.85°，设计靶点垂深3280 m，磁偏角-3.89°，允许中靶半径30 m。目的为获取桃7区块盒8、山1段油气资源，加快苏里格气田开发速度。该井实际钻井周期28 d，二开采用“四合一”钻具组合钻进，实际完钻井深3615 m，中靶半径25.07 m，距靶心方位134°。该井测井数据（方位已校正）如
| 序号 | 井深/m | 垂深/m | 井斜角/(°) | 方位/(°) | 水平位移/m | 闭合方位/（°） | 狗腿度/[（°）·（25m |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 640 | 639.99 | 0.517 | 353.267 | 2.89 | 353.16 | 0.45 |
| 2 | 840 | 839.92 | 5.144 | 7.484 | 5.04 | 339.53 | 2.70 |
| 3 | 1040 | 1035.99 | 12.221 | 27.926 | 42.49 | 21.15 | 0.09 |
| 4 | 1240 | 1231.08 | 13.402 | 27.168 | 86.39 | 24.15 | 0.21 |
| 5 | 1440 | 1424.30 | 16.588 | 26.357 | 137.89 | 25.03 | 0.32 |
| 6 | 1640 | 1614.63 | 19.119 | 25.957 | 199.26 | 25.18 | 0.29 |
| 7 | 1840 | 1802.66 | 20.436 | 26.377 | 267.39 | 25.35 | 0.14 |
| 8 | 2040 | 1989.65 | 21.665 | 24.808 | 338.32 | 25.33 | 0.25 |
| 9 | 2240 | 2173.63 | 24.841 | 24.918 | 416.69 | 25.23 | 0.50 |
| 10 | 2440 | 2352.18 | 28.845 | 23.895 | 506.68 | 25.13 | 0.44 |
| 11 | 2640 | 2523.23 | 33.795 | 23.716 | 610.17 | 24.58 | 0.55 |
| 12 | 2840 | 2701.18 | 16.505 | 37.005 | 699.04 | 25.22 | 2.39 |
| 13 | 3040 | 2897.52 | 5.983 | 76.341 | 732.61 | 26.25 | 1.17 |
| 14 | 3240 | 3097.03 | 2.596 | 143.771 | 736.09 | 27.23 | 0.60 |
| 15 | 3440 | 3296.97 | 1.351 | 45.291 | 735.18 | 27.25 | 0.26 |
| 16 | 3565 | 3421.87 | 1.785 | 112.465 | 736.93 | 27.46 | 0.41 |
| 17 | 3615 | 3464.14 | -9999 | -9999 | 746.42 | 28.46 | 68.99 |
“四合一”钻具，即钻头+螺杆钻具+短钻铤+稳定器4个部分组成的井下定向钻具组合，如
图1 “四合一”钻具示意
该钻具组合利用螺杆钻具的特点，既能进行滑动定向钻进，其可调能力可以满足定向段造斜、扭方位的需要，又能进行复合钻进，其双稳定器的刚性结构可以在直井段、稳斜段起到稳斜、稳方位的作用。钻进过程中，根据实际情况，通过调整单弯螺杆的弯头角度、短钻铤的长度和稳定器的外径大小，可以实现不同功能需
螺杆钻具是实现井下定向钻进的主要工具，因其弯头的存在，可以对井斜角和方位角进行调整。在“四合一”钻具组合中，一般采用1°~1. 5°的单弯螺杆，1°单弯螺杆定向或扭方位速度慢，适用于定向施工井段长，全角变化率要求严格的定向井。1.25°或1.5°单弯螺杆定向及扭方位速度相对较快，适用于定向施工井段短，全角变化率要求相对宽松的定向井。弯头角度超过1.5°，不适宜进行复合钻进，实际施工中根据位移大小及设计情况合理选用。
在Ø222.2 mm口径的钻井施工中，上下两个稳定器外径选取范围一般为208~213 mm，当两个稳定器外径都较大时，稳方位效果越好，下部稳定器相对较小时，降斜作用明显，上部稳定器直径较小时，增斜作用明显，实际根据需要选用。
“四合一”钻具的合理搭配和使用，离不开前期的井眼轨迹设计。要充分认识到定向井轨迹设计在钻井工程中对钻井难度、施工工艺、泥浆性能要求、钻进效率和安全文明施工的重要作
在苏里格气田定向井施工中，为满足防碰要求和表层套管封堵易垮塌层、水层及漏层需要，根据钻井地质和工程设计，直井段井深一般为500~900 m，且井斜角≯3°，需要做好防斜打
该井段多采用滑动定向钻进的方式，通过调整螺杆钻具的工具面，依靠螺杆驱动钻头旋转，按照既定方位角钻进，此时增斜力随井斜角的增加而增加，井斜角与螺杆增斜率成正比关
根据实际施工经验，当定向井井深>2000 m或井斜角>20°时，由于钻具较长且因自重和钻压作用贴下井壁现象严重，大大增加钻具与井筒的接触面
在桃7-15-17X1井施工中，螺杆长度为8.32 m，根据施工数据分析，当短钻铤长度为2.5 m左右时，上下两个稳定器间钻具较短，钻压保持在20~50 kN时，受重力及钻压作用，稳定器间钻具发生向下较小的弯曲变形，钻头向上翘起角度较小，钻具增斜作用有限，在重力或地层降斜作用下，多表现为稳斜状态，如
图2 稳斜钻具形态示意
图3 增斜钻具形态示意
图4 钻具弯曲过大形态示意
降斜段是决定定向井是否满足设计要求，达到规定闭合位移和方位角，顺利钻达目的靶区的关键一环。该井段一般处于钻达目的靶区的最后几百米，采用“四合一”钻具按照设计要求直接穿过目的靶区是可行，但在实际施工中，由于井深较深，此时井斜角普遍较大，继续采用稳斜、增斜钻具时，两个稳定器与环空的间隙有限，钻具活动空间小，摩阻力大，发生卡钻、埋钻、钻具断裂的风险很高，且对泥浆泵及循环系统的可靠性和柴油机动力都有着极高的要求，所以在满足闭合位移达到要求的前提下，多采用降斜钻具。
若采用钻头+钻铤+加重钻杆+钻杆的普通降斜钻具，降斜效果虽然明显，但会受井斜角和钻遇岩层可钻性的影响，井斜角越大，钻遇岩层越软，降斜效果越明显，反之则越差，且降斜时方位角难于控制，降斜越快，方位角漂移越快，容易导致井眼轨迹脱离靶圈，如
图5 方位角漂移
为稳定降斜速度，保持方位角，保留对井眼轨迹的调整能力，可以继续使用“四合一”钻具，但需要减小扶正器的尺寸，尤其是要减小处于螺杆钻具下端近钻头扶正器的尺寸，同时尽量缩短短钻铤的长度或不使用短钻铤，减小钻具弯曲，
发挥钻具在重力作用下的降斜效果，见
图6 降斜钻具形态示意
开动钻机转盘复合钻进时，上部钻具的转速与钻机立轴转速相同，钻头在螺杆钻具的动力作用下本身就在转动，两者共同作用下，转速要更高。螺杆钻具转动时，其工具面也在时刻变化，此时钻头钻进方向不再受螺杆钻具弯头的影响，只受“四合一”钻具组合中两个稳定器间钻具弯曲的影响，钻头始终保持微小上扬的状态，产生向上的造斜率，抵消钻具本身因自重而向下造斜的趋势。
常规钻具钻进时，按照对井斜控制的作用，可区分为稳斜钻进、增斜钻进和降斜钻进三种状态。不同状态下，因钻头受力情况和在孔底所处位置的不同，钻进中会对方位角产生不同的影
（1）采用常规钻具实现增斜钻进时，钻头向上偏离钻孔中心，开动转盘顺时针转动时，受孔底向左下方向的反作用力，钻头向左偏离，导致方位角逆时针减小，如
图7 增斜钻进
（2）采用常规钻具实现降斜钻进时，钻头向下偏离钻孔中心，开动转盘顺时针转动时，受孔底向右上方向的反作用力，钻头向右偏离，导致方位角顺时针增大，如
图8 降斜钻进
“四合一”钻具钻进时，无论处于增斜、降斜还是稳斜状态，都具有常规钻具稳斜钻进时稳定方位角的特点。由于该钻具组合中上下两个扶正器的存在，在钻具尤其是钻头四周与孔壁之间起到支撑作用，避免钻具因自重、钻压或反作用力紧贴于孔壁一侧，始终保持钻具及钻头相对处于钻孔中心，钻头始终沿着钻孔中心钻进，从而保持方位角的稳定，如
图9 稳斜钻进
“四合一”钻具组合是钻井工作者经历多年实践、总结，发展出的一种定向钻井新技术。该钻具组合利用单弯螺杆的特性，滑动定向钻进时可以及时调整井斜角和方位角，复合钻进时，通过不同稳定器外径的大小、单弯螺杆的弯头角度和短钻铤的长度，又可以实现增斜、稳斜、降斜及稳方位的作用，随时都能实现对井眼轨迹的调整，能够有效降低滑动钻进在定向井钻进中的比例，一种钻具组合就可以完成直井段、造斜段、增斜段、稳斜段及降斜段的施工，在中、小位移定向井施工中尤为适用，可以大幅减少起下钻更换钻具组合次数，提高纯钻时间和机械钻速，提升钻进效率。该技术的广泛应用，解决了许多定向井施工井斜角、方位角难以调整，井眼轨迹难于控制的难题，对促进定向井井眼轨迹控制技术发展、提高定向井钻井施工效率具有重要意义。
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