3　大顶角超深斜孔钻探工艺

3.1　钻孔结构设计和套管定向程序

大斜度钻孔的钻孔结构应根据地质要求、孔内物探和测井要求和经济技术要求进行设计。钻孔结构的确定，在满足勘探要求的前提下，还应遵循安全作业和经济性的原则。

由于深孔大斜度因素，钻遇的地层较多，可能包含断层带、构造带、破碎带，硬、脆、碎、软硬交互层；钻遇的地层的压力系统也会较多可能包含多压力体系地层和水敏性地层、多孔性地层等。加之大斜度钻孔的井壁稳定性差，就需要对钻孔结构进行综合考虑。合理的钻孔结构是减少压差、防止黏附卡钻的先决条件；良好的钻孔轨迹和泥浆性能及携砂效果是钻孔防卡的保障。设计时，一般φ75mm终孔，φ60mm口径做备用。图3-1为典型钻孔结构。钻孔结构尽量考虑硬、脆、碎、涌、漏、坍塌、缩径等各种复杂地层状况，孔口应高精度安装导管，同时应满足经济性原则：

（1）在满足安全、高效作业的前提下，减少套管层数。

（2）套管和钻孔尺寸的确定应考虑不同钻孔尺寸的钻进效率和材料消耗，以缩短钻进周期，降低钻探成本。

钻孔结构设计的依据为：

（1）钻孔的用途和目的。

（2）该地层的地质结构、岩石物理力学性质。

（3）钻孔的设计深度和钻孔的方位方向、顶角方向。

（4）必需的终孔直径。

（5）钻进方法、钻探设备参数。

同时，斜孔在钻孔结构设计的同时，还应综合考虑下列因素：

（1）地层孔隙压力。

（2）钻孔倾角及钻孔轨迹因素。

（3）裸眼孔段的长度。

（4）低压渗透性砂岩层厚度。

（5）斜孔换径处，特别是套管级差较大时，应设置换径导向装置，避免起下钻防挂。

大斜度深孔的钻孔结构设计无论采用自下而上还是自上而下的设计方法，钻孔结构设计均应保证同一裸眼段内满足压力平衡原则。需要考虑地层孔隙压力和地层破裂压力以及最大裸眼压差值，不至于因为压差过大而频繁卡钻。

钻孔结构设计的内容包括：

（1）确定各岩层的钻进方法。

（2）确定钻孔终孔直径。

（3）确定套管层次、下放深度和套管直径。

（4）拟定孔身直径和开孔直径。

（5）斜孔钻探套管柱强度必须校核。对于大斜度钻孔还应按SY/T 5724—2008《套管柱结构与强度设计》和DZ/T 0054—2014《定向钻探技术规程》校核套管柱弯曲强度、计算摩阻。

斜孔开孔的口径大一些比较适宜，因为斜孔正向扩孔比较困难，不仅速度慢，而且很易扩弯曲，所以要尽量避免扩孔这道工序。

斜孔钻孔结构设计时可参考直孔设计规范，典型钻孔结构推荐见表3-1，复杂深孔孔钻孔结构推荐见表3-2。

斜孔环状间隙的大小对钻进轨迹的影响较大，需要考虑钻具规格、套管规格，并结合钻头尺寸和套管尺寸级配关系，确定各层套管、钻孔规格以及级间间隔，套管与最小钻孔直径配合表见表3-3，也可参考表3-4。

斜孔钻孔结构中，孔口导向管即是定向管，孔口导向管的埋设和导向变径钻进示意图如图3-2所示。定向管多采取开挖埋设，也可以钻机开孔埋设。定向管的初级定向至关重要，上部差之毫厘，下部谬之千里。

斜孔钻探施工在施工时应总结分析对比已往施工历史数据，掌握钻孔弯曲规律和弯曲强度规律，确定以初级定向钻孔顶角和方位来安装导向管。钻孔初级定向角度一般上仰1°～3°，如设计钻孔顶角55°，一般安装成52°，以削减钻孔在钻进过程中的下垂。同时考虑钻头钻进过程的右漂移趋势，应设置左向提前角，即在定向时把方位角定在孔底目标的左侧，以补偿钻头向右的方向漂移。

定向管的埋设：钻孔定位后，钻场需做必要的基础加固，以安装钻机和固定定向管，混凝土强度应为C20以上。安装定向管时，如表层为第四系松散层，需要浇筑混凝土基础，在钻机安装定位后，通过人工挖槽埋设的方式埋设一定长度的定向管；如地表为岩石，埋设定向管时，需采用外出刃小的钻具开孔形成定向孔，再下入定向管，定向管外壁可通过包敷其他材料微调定向角度，最后在孔口浇筑定位。孔口浇筑采用高标号水泥砂浆或混凝土，将定向管外围固结，不小于100cm×100cm×80cm（深）。定向管长度一般不少于1m，第四系松散地层2.5～3m较为可靠，用经纬仪测定定向管、主轴符合安装角度，且定向管、主轴、天车在同一直线内。孔口板的摆置比直孔的摆置复杂很多。要使主动钻杆可以垂直通过孔口板的中心点，因此要人工挖槽让孔口板的倾向与主动钻杆倾向成互余角度，同时还需要灌注水泥固定孔口板防止在钻进的过程中孔口板跑动。

在开孔前应根据不同地层的斜孔倾角变化规律，将钻机立轴角度按孔斜规律，稍微增大或缩小1°～2°的角度开孔。这样可以在一定程度上保持钻孔偏差不超出设计要求。同时为了预防钻孔发生过大弯曲，应当增加测孔斜频率，以便及时掌握钻孔轨迹的变化。边纠斜边钻进。

换径时采用小一级钻头开孔，导向钻具换径，开孔必须采用低压力、低转速。随钻孔加深逐渐加长导向钻具长度，把握好换径斜度。为控制斜孔精度，减小孔壁间隙，宜采用小出刃合金钻头和标准尺寸金刚石钻头。

采用绳索取心钻进时，扩孔必须有导正装置及小径导向钻具，扩孔钻具的连接顺序为钻杆—导正装置—扩孔钻头—小径导向钻具。扩孔时钻压均匀不宜过大，转速不能过高，以保证钻具回转稳定。在保证孔壁稳定的情况下尽量开大泵量循环，有利于及时排出孔内岩屑和岩粉，扩孔中如果速度突然减慢或扩不下时，应及时提钻检查，以防孔内事故的发生。

斜孔下套管时，因斜孔套管摩擦振动大，极易发生套管事故，要选择较新的套管与接箍，强化检查。当钻具在套管中下不去时，应分析原因，谨慎处理，禁止乱扫，防止发生严重套管事故。

在导向管内开孔，孔底先磨平或在埋设导向管时用砂浆找平。开孔后及时测定孔斜，如孔斜不合格，必须用水泥砂浆封孔后重新开孔。开孔尽量使用合金钻进，在钻进过程中，不能采用越级钻进。套管下入深度主要考虑复杂地层深度和各级孔段深度，套管柱必须安置在牢固的基岩上，钻进至完整基岩后下入下一级保护套管，下管前必须测量孔斜，如果孔斜、孔向偏差过大，采取在管脚焊接偏心片的方式纠斜。管脚、管口采取止水及可靠固定措施，防止保护管在钻进过程中晃动或丝扣松脱，必要时采用水泥浆或水泥砂浆将保护管固定。

对于任何套管柱下端来说，都必须把钻孔钻到薄弱接触带深不少于2～5m处，才能下入套管。

按地质钻孔要求，一般每50m测斜一次，在斜孔钻进中，宜增加测斜频次；重要换径孔段，宜每5m测斜一次，并做好分析及预测工作，根据测斜数及时调整钻进参数。最好采用两套仪器，同时进行对比、调试，防止误差过大。

为了控制斜孔精度，应采用“三环式”钻具，即上、下扩孔器、钻头外径依次递减0.3mm限定取芯外管长度为3m左右。此类钻具组合有较强的自定心和稳定性。同时，要求采用铅直度的高强度钻杆。应对全部钻杆进行检测，下入孔内钻杆单边磨损和双边磨损分别不得超过0.4mm和0.7mm，钻杆弯曲每3m不得超过1mm。