劉匡曉 魏士軍 郭金愛 蘭 凱 李文清

（1.中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101；2.中原石油勘探局鉆井三公司，河南 蘭考 475300；3.中原油田分公司勘探開發(fā)科學(xué)研究院，河南 濮陽 457001；4.中原石油勘探局鉆井工程技術(shù)研究院，河南 濮陽 457001）

川東北超深水平井軌跡控制方法優(yōu)選

劉匡曉1魏士軍2郭金愛3蘭 凱4李文清3

（1.中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101；2.中原石油勘探局鉆井三公司，河南 蘭考 475300；3.中原油田分公司勘探開發(fā)科學(xué)研究院，河南 濮陽 457001；4.中原石油勘探局鉆井工程技術(shù)研究院，河南 濮陽 457001）

川東北地區(qū)海相氣藏埋藏深，水平井垂深6 700 m，井底溫度高（超過160℃），對水平井軌跡控制技術(shù)提出了較高要求。為了提高超深水平井鉆井技術(shù)水平，中國石化在川東北超深水平井進(jìn)行先導(dǎo)攻關(guān)。針對五開裸眼水平井的實際，文中從高溫對定向工具的影響、超深對軌跡控制和鉆具的限制等方面全面分析了川東北水平井鉆井施工的難點，并針對性地從工具優(yōu)選、剖面優(yōu)化及控制方法確定等方面對川東北超深水平井軌跡控制技術(shù)進(jìn)行探索，提出了在川東北超深水平井側(cè)鉆施工應(yīng)用1.75°大彎角螺桿鉆具、定向造斜段應(yīng)用1.25°高溫螺桿鉆具、水平段使用抗175℃高溫MWD及旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)的軌跡控制方法。

海相氣藏；超深水平井；螺桿造斜；旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向；軌跡控制技術(shù)；川東北地區(qū)

為滿足勘探開發(fā)一體化的需要，川東北地區(qū)部署的超深水平井越來越多。2009年部署6口水平井，平均井深7 626 m，垂深6 907 m，水平段長800 m；2010年部署5口水平井。川東北地區(qū)超深水平井定向鉆井施工難點，主要包括定向軌跡控制難、高溫高壓條件下定向工具失效、鉆具負(fù)荷問題等幾個方面［1］。川東北地區(qū)氣藏埋藏深、高溫、高壓、研磨性高、可鉆性差的特征，水平井井眼軌跡控制比其他地區(qū)施工難度要大。為了提高施工效率，針對川東北地區(qū)超深水平井井眼軌跡控制進(jìn)行研究，提出了一套井眼軌跡控制方法。

1 選擇定向方式和定向鉆井工具

1.1 螺桿鉆進(jìn)和旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆進(jìn)［2］

在碎巖機理上，螺桿鉆具和旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)都是機械破碎地層，靠鉆壓、鉆頭扭矩和對地層的切削來實現(xiàn)。

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)應(yīng)用先進(jìn)的隨鉆測量和井下控制技術(shù)，可以在旋轉(zhuǎn)鉆井方式下實現(xiàn)井斜和方位的調(diào)整。通過雙向通訊方式，在進(jìn)行井下測量信息實時反饋的同時，還可以實現(xiàn)工具造斜能力的井下自動調(diào)整，從而實現(xiàn)井眼軌跡的連續(xù)、自動控制，從根本上消除大位移井定向井段滑動導(dǎo)向摩阻大、工具面不容易控制的困難，使復(fù)雜井眼軌跡的實現(xiàn)能力得到極大的提高，大大提高鉆井效率。

螺桿鉆具直接接鉆頭，復(fù)合鉆進(jìn)時除轉(zhuǎn)盤傳遞給鉆頭扭矩外，螺桿輸出的扭矩還可直接傳遞到鉆頭；而旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆進(jìn)只能靠轉(zhuǎn)盤或頂驅(qū)傳遞的扭矩破碎地層，還有部分扭矩消耗在鉆具與井壁的摩擦上。因此，在摩阻不大的情況下，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)給予鉆頭切削地層的扭矩沒有螺桿鉆具給予的扭矩大。

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)靠轉(zhuǎn)盤或頂驅(qū)傳遞的轉(zhuǎn)速切削地層，而螺桿鉆具本身的轉(zhuǎn)速為150 r·min-1左右，復(fù)合鉆進(jìn)時除鉆頭的旋轉(zhuǎn)外還有轉(zhuǎn)盤或頂驅(qū)傳遞的轉(zhuǎn)速，因此在定向造斜初期井段、鉆井液處理及時、摩阻不大的情況下，螺桿鉆具鉆進(jìn)的機械鉆速比旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的機械鉆速要高；當(dāng)井斜角超過30°時兩者的機械鉆速基本一致。例如：川東北地區(qū)HJ203H井定向施工時使用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)，施工井段3 755～5 767 m，鉆遇地層嘉陵江組5段—2段，平均機械鉆速2.85 m·h-1；鄰井HF203井使用螺桿鉆具滑動導(dǎo)向鉆井，施工井段4 100～4 266 m，鉆遇地層也為嘉陵江組，平均機械鉆速2.42 m·h-1，在4 500 m之后平均機械鉆速僅為1 m·h-1左右。對比2口井的井斜數(shù)據(jù)，可以看出：在提高機械鉆速方面，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)定向造斜井段導(dǎo)向施工優(yōu)勢不明顯，水平段施工優(yōu)勢比較明顯。

螺桿鉆具依靠本體的彎角實現(xiàn)造斜，一般情況下只要保證鉆頭有30 kN以上的鉆壓，就能保障鉆具的造斜率。而旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)依靠電子指令和機械配件的配合實現(xiàn)造斜率，尤其是推靠式原理的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)，影響造斜率的因素更多，如地層的軟硬、信號接收的好壞、機械配件的可靠性等，一旦哪個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題就會影響造斜率。因此，高造斜率定向造斜井段建議選擇單彎螺桿鉆具來實施定向施工。

1.2 四開應(yīng)用螺桿定向鉆進(jìn)

川東北地區(qū)超深水平井施工中，定向造斜井段一般較短，如果鉆井液處理合理，不會出現(xiàn)“托壓”、鉆壓無法傳遞的可能性。因此，四開井段可以應(yīng)用螺桿鉆具導(dǎo)向鉆進(jìn)。

由于造斜段飛仙關(guān)地層可鉆性差，施工井段地溫為130～160℃，因此，四開定向施工井段應(yīng)選擇抗高溫、大扭矩、低轉(zhuǎn)速耐高溫螺桿鉆具和耐高溫MWD，以克服地層高溫對MWD井下儀器和螺桿鉆具性能的影響。

針對不同施工井段，推薦如下井下螺桿鉆具的彎度：側(cè)鉆時使用大彎角（1.75°）單彎螺桿實現(xiàn)深井大斜度井段側(cè)鉆施工；定向造斜井段應(yīng)用1.25°單彎螺桿。同時，針對不同的施工井段優(yōu)選鉆頭，實現(xiàn)最佳優(yōu)化組合，充分提高機械鉆速，確保軌跡控制質(zhì)量。

1.3 五開應(yīng)用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆進(jìn)

五開著陸以后，井深超過7 000 m，裸眼段長逐漸增加，摩阻逐漸增大，小井眼螺桿鉆具定向滑動鉆進(jìn)時一定會有“托壓”現(xiàn)象，軌跡控制實現(xiàn)非常困難。因此，在五開φ165.1 mm水平段施工，推薦使用耐溫175℃MWD監(jiān)測，應(yīng)用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)定向施工，保證井眼軌跡平滑，提高機械鉆速。

2 優(yōu)化設(shè)計剖面

設(shè)計井身剖面時［3］，要留有調(diào)整余地，要求工具造斜能力、工藝水平必須滿足井眼軌跡的適應(yīng)性，管柱摩阻扭矩相對最小，井眼軌跡光滑過渡。井身剖面設(shè)計在滿足一般水平井設(shè)計要求的同時，考慮五開水平段使用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)，設(shè)計時旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向造斜率一般不超過16°·hm-1。

根據(jù)川東北地區(qū)完鉆井資料和導(dǎo)眼后大井斜井段側(cè)鉆的實際情況，結(jié)合造斜工具造斜能力、地層可鉆性及實鉆井斜數(shù)據(jù)合理選擇造斜點、側(cè)鉆點，確定斜井段各段造斜率。川東北超深水平井剖面應(yīng)選擇三增剖面，即“直—增—增（微）—增—穩(wěn)—（水平）”：第1增斜段與第3增斜段增斜率為13°·hm-1左右，第2增斜段為調(diào)整段，增斜率為5°·hm-1左右。

3 優(yōu)選軌跡控制方法

3.1 直井段

直井段井身質(zhì)量的保證是防斜打直。采用鐘擺鉆具組合、空氣鉆井技術(shù)、垂直鉆井技術(shù)等，整井用電子多點進(jìn)行監(jiān)控，合理調(diào)配鉆井參數(shù)。一旦發(fā)現(xiàn)位移偏大，應(yīng)及時采用糾偏技術(shù)措施，并控制井眼狗腿度，確保井身質(zhì)量。

3.2 側(cè)鉆段

在側(cè)鉆施工前分析導(dǎo)眼實鉆井斜數(shù)據(jù)，在滿足剖面設(shè)計的基礎(chǔ)上，選擇井斜方位變化有較大的拐點處為側(cè)鉆點；而后下鉆掃塞，修水泥面至側(cè)鉆井深，為保證水泥塞質(zhì)量，進(jìn)行靜壓150 kN的承壓試驗。

針對該地區(qū)特點，四開側(cè)造設(shè)計鉆具組合為：φ241.3 mm鉆頭+φ172 mm（1.75°）單彎動力鉆具+止回閥+φ158.8 mm無磁鉆桿×2根+MWD短節(jié)+φ158.8 mm鉆鋌×2根+φ127 mm鉆桿45根+旁通閥+φ127 mm加重鉆桿×21根+φ158.8 mm隨鉆震擊器1套+φ127 mm加重鉆桿×9根+φ127 mm鉆桿+φ139.7 mm G105鉆桿2 000 m。

下至井深距側(cè)鉆井深15 m處，開泵至正常排量，固定工具面在側(cè)鉆點和以上15 m井段上下反復(fù)劃眼1 h；之后將工具面固定井底，定點循環(huán)30 min后開始側(cè)鉆。側(cè)鉆要控制鉆速如下：前面5 m，控制鉆速0.2 m·h-1；緊接10 m，控制鉆速0.5 m·h-1；而后的15 m，控制鉆速0.8 m·h-1。

在側(cè)鉆過程中，一定要保證送鉆均勻。鉆進(jìn)過程中密切注意返出的巖屑，確保新巖屑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到85%以上才可正常鉆進(jìn)；側(cè)鉆井段嚴(yán)禁劃眼和倒劃眼。

3.3 斜井段

在施工過程中要簡化鉆具結(jié)構(gòu)，四開井段鉆具倒裝組合通常是用來解決滑動加壓困難、減小扭矩/摩阻、減少井下復(fù)雜等問題的主要方法。在設(shè)計過程中優(yōu)化鉆井參數(shù)；根據(jù)直井段和斜井段ESS多點數(shù)據(jù)，重新修整軌跡井身剖面設(shè)計；利用MWD監(jiān)控井眼軌跡，及時測取并處理ESS多點數(shù)據(jù)；根據(jù)軌跡控制需要采取相應(yīng)措施，使實鉆井眼軌跡按設(shè)計軌道運行；選用度數(shù)合適的螺桿鉆具、優(yōu)選鉆頭、優(yōu)化鉆井參數(shù)，根據(jù)軌跡控制需要分別采取滑動鉆進(jìn)方式和復(fù)合鉆進(jìn)方式，提高鉆井速度。

3.4 水平段

川東北地區(qū)水平井水平段為φ165.1 mm井眼，水平位移超過1 600 m，水平段設(shè)計一般井斜約為87.63°，小井眼內(nèi)實現(xiàn)長井段穩(wěn)斜井眼軌跡控制是川東北地區(qū)水平井施工的又一技術(shù)難點。

應(yīng)用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)，可以解決滑動鉆進(jìn)加壓困難的難題，實現(xiàn)快速導(dǎo)向鉆進(jìn)。因此，設(shè)計五開水平鉆進(jìn)應(yīng)用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)，中完之前控制好井身軌跡，入靶井段造斜率控制在6°·hm-1左右。鉆具組合為：φ165.1 mm鉆頭+旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)+止回閥+φ101.6 mm無磁承壓鉆桿2根+φ101.6 mm鉆桿95根+φ101.6 mm加重鉆桿30根+φ120.7 mm隨鉆震擊器1套+φ101.6 mm加重鉆桿6根+旁通閥+φ101.6 mm鉆桿2 200 m+φ127 mm鉆桿100 m+φ139.7 mm G105鉆桿4 500 m。

4 高溫定向工具施工設(shè)計

國內(nèi)常規(guī)的MWD儀器和螺桿抗溫、抗壓難以滿足川東北水平井鉆井施工的要求。如元壩2-側(cè)平1井在井深達(dá)到5 970 m以后，國內(nèi)4家定向井公司的MWD、螺桿鉆具都無法正常工作，后來由一家國外公司完成。Baker Hughes、Schlumberger等國際知名公司多年來不斷改進(jìn)定向裝備，MWD、螺桿鉆具乃至旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的耐壓、耐溫及可靠性都有了極大的進(jìn)步。

由于深井地溫高達(dá)160℃左右，施工中要優(yōu)先采用國際知名公司的耐高溫MWD無線隨鉆測量系統(tǒng)、耐高溫多點測量儀器、耐高溫螺桿鉆具和旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)。

下鉆過程中分段循環(huán)降溫，以保護(hù)井下定向設(shè)備；投測電子多點時，采取短起至井斜60°左右投入儀器，下鉆到底排量由小到大循環(huán)鉆井液后起鉆，以保護(hù)儀器，確保施工成功率。

5 結(jié)論

1）川東北超深水平井具有氣藏埋藏深、高溫、高壓的特征，給軌跡控制造成一定困難，必須對軌跡控制技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

2）川東北超深水平井建議側(cè)鉆用1.75°大彎角螺桿控時鉆進(jìn)，確保側(cè)鉆成功；四開井段優(yōu)選抗高溫MWD儀器、螺桿鉆具；五開用175℃MWD監(jiān)測，用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)定向施工，保證井眼軌跡平滑，提高機械鉆速。

3）設(shè)計方法施工效果需要通過現(xiàn)場應(yīng)用檢驗，并且需要不斷完善；同時在現(xiàn)場施工時做好安全評價計算分析，確保川東北超深水平井實現(xiàn)安全鉆井。

［1］吳建忠.川東北深井井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化探討［J］.石油地質(zhì)與工程，2009，23（2）：88-90，93. Wu Jianzhong.Discussion about optimization of deep well bore frame in northeast Sichuan ［J］.Petroleum Geology and Engineering，2009，23（2）：88-90，93.

［2］蘇義腦.水平井井眼軌道控制［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2000. Su Yinao.Horizontal well trajectory control［M］.Beijing：Petroleum Industry Press，2000.

［3］高立軍，王廣新，郭福祥，等.大慶油田小井眼開窗側(cè)鉆水平井鉆井技術(shù)［J］.斷塊油氣田，2008，15（4）：94-96. Gao Lijun，Wang Guangxin，Guo Fuxiang，et al.Horizontal well drilling technology by slim hole casing window sidetracking in Daqing Oilfield［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2008，15（4）：94-96.

Optimization of trajectory control technique of ultra-deep horizontal well in Northeast Sichuan Area

Liu Kuangxiao1Wei Shijun2Guo Jin'ai3Lan Kai4Li Wenqing3
(1.Research Institute of Petroleum Engineering,SINOPEC,Beijing 100101,China;2.No.3 Drilling Company,Zhongyuan Petroleum Exploration Bureau,SINOPEC,Lankao 475300,China;3.Research Institute of Exploration and Development,Zhongyuan Oilfield Company,SINOPEC,Puyang 457001,China;4.Drilling Engineering Technology Research Institute,Zhongyuan Petroleum Exploration Bureau,SINOPEC,Puyang 457001,China)

The marine gas reservoirs in Northeast Sichuan Area are buried with deep depth.High bottom hole temperature(over 160℃)and large vertical depth(nearly 6,700 m)give rise to a tough problem to horizontal well trajectory control technique.To enhance the ultra-deep horizontal well drilling capacity,Sinopec has made the pilot research on ultra-deep horizontal drilling technology in Northeast Sichuan Area.According to the design for horizontal wells with 5 spuds and open hole completion,this paper comprehensively analyzes the difficulties of horizontal well drilling in the area,which mainly include the effects of high temperature on orienting tool and the effects of ultra depth on drilling tools and trajectory control methods.The trajectory control technique of ultra-deep horizontal well in the area is discussed from the aspects of tool optimization,profile optimization and determination of control method.The trajectory control techniques,including the use of 1.75°positive displacement motor during sidetrack drilling operation,the use of 1.25°positive displacement motor in directional buildup interval,the use of MWD tools with temperature resistance larger than 175℃and rotary steering technology,are proposed for ultra-deep horizontal well in the area.

marine facies gas reservoir;ultra-deep horizontal well;building angle by positive displacement motor;rotary steering tool;well trajectory control technique;Northeast Sichuan Area

中石化集團(tuán)公司工程技術(shù)管理部重大先導(dǎo)項目“川東北超深水平井鉆完井技術(shù)”（JP08006）

TE243，TE245

：A

1005-8907（2011）02-254-03

2010-05-03；改回日期：2011-01-10。

劉匡曉，男，1968年生，高級工程師，1991年畢業(yè)于江漢石油學(xué)院，主要從事水平井科研與技術(shù)工作。電話：（010）84988128。

（編輯趙衛(wèi)紅）

劉匡曉，魏士軍，郭金愛，等.川東北超深水平井軌跡控制方法優(yōu)選［J］.斷塊油氣田，2011，18（2）：254-256. Liu Kuangxiao，Wei Shijun，Guo Jin'ai，et al.Optimization of trajectory control technique of ultra-deep horizontal well in Northeast Sichuan Area［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2011，18（2）：254-256.