王旭東，羅朝東，賀 陽，向 燕，李波羅

（1．中國石化西南石油工程有限公司鉆井工程研究院，四川德陽618000；2．中國石化西南石油工程有限公司四川鉆井分公司）

1 技術(shù)難點(diǎn)及工程地質(zhì)特征

川東北元壩區(qū)塊是中國石化海相重點(diǎn)勘探區(qū)域，天然氣資源豐富，勘探、開發(fā)潛力巨大，目前已有10多口井在海相長興組、吳家坪組獲得工業(yè)氣流，天然氣最高無阻流量達(dá)到751×104m3／d。水平井作為一種高效開發(fā)的手段在元壩地區(qū)得到了廣泛應(yīng)用，以上二疊統(tǒng)長興組、下三疊統(tǒng)飛仙關(guān)組為主要目的層，垂深大于6 000 m的水平井，屬于超深水平井。超深水平井目前存在的主要難點(diǎn)為：井底最高溫度和最高壓力可能達(dá)到160℃和150 MPa，對定向儀器和工具提出了較苛刻的要求，易導(dǎo)致定向儀器和工具的提前失效；地質(zhì)特征橫向變化大，儲層深度仍難以準(zhǔn)確預(yù)測，實(shí)鉆過程中可能會多次調(diào)整靶點(diǎn)；水平段井深，摩阻大，工具面難以擺到位，且鉆壓不能有效傳遞到鉆頭上，常規(guī)定向困難。

根據(jù)實(shí)測地溫參數(shù)，擬合地層溫度與氣藏埋藏深度關(guān)系為：T＝0．0204H＋16．9。長興組目的儲層垂深一般超過6 500 m，溫度超過150℃。根據(jù)元壩地區(qū)多口井的實(shí)鉆情況統(tǒng)計(jì)，在定向鉆井過程中井底壓力達(dá)到140 MPa以上。

元壩地區(qū)超深水平井的主要工程地質(zhì)特征就是高溫、高壓，也是主要的技術(shù)難點(diǎn)。

2 測量儀器和定向工具的優(yōu)選

通過廣泛調(diào)研，分別選用了具有高溫、高壓環(huán)境下成功施工的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向設(shè)備和高溫螺桿＋MWD進(jìn)行對比試驗(yàn)。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具抗溫指標(biāo)為175℃，抗壓指標(biāo)為206．85MPa，“高溫螺桿＋MWD”組合抗溫指標(biāo)為175℃，抗壓指標(biāo)為172．4 MPa。

2．1 工作穩(wěn)定性

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向設(shè)備在元壩121H斜導(dǎo)眼段連續(xù)下入5趟鉆都出現(xiàn)了故障，且主要是由于高溫引起。更換“高溫螺桿＋MWD”組合后完成了從造斜段開始至水平段完鉆的施工，雖然中間也出現(xiàn)了儀器故障，但從整體上看比率較小。兩者比較發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向設(shè)備相對“高溫螺桿＋MWD”組合工作穩(wěn)定性要稍差些，主要原因是旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向設(shè)備的電子設(shè)備零部件更多些，在高溫高壓環(huán)境下發(fā)生故障的概率更大。

2．2 機(jī)械鉆速

選取元壩103H井旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向設(shè)備的應(yīng)用效果和元壩121H井“高溫螺桿＋MWD”組合的應(yīng)用效果進(jìn)行對比。從圖1中可以看出，定向鉆進(jìn)時(shí)元壩103H井旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向的機(jī)械鉆速要高于元壩121H井的機(jī)械鉆速。

圖1 機(jī)械鉆速對比

2．3 摩阻扭矩

從圖2、圖3可看出，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向所鉆井段相對平滑，摩阻和扭矩小于高溫螺桿＋MWD所鉆井段。

圖2 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向和螺桿滑動定向摩阻對比

圖3 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向和螺桿滑動扭矩對比

2．4 經(jīng)濟(jì)適用性評價(jià)

由表1和表2可以看出，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向設(shè)備的鉆井費(fèi)用明顯高于螺桿＋MWD設(shè)備的費(fèi)用。

表1 側(cè)鉆造斜段施工費(fèi)用對比

表2 水平斜段施工費(fèi)用對比

2．5 優(yōu)選方案

據(jù)上分析可知：①旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)具有定向機(jī)械鉆速高和摩阻扭矩小等優(yōu)點(diǎn)，但是存在高溫工作穩(wěn)定性差和經(jīng)濟(jì)適用性較差等缺點(diǎn)；②高溫螺桿＋MWD配套技術(shù)已經(jīng)能基本滿足元壩超深水平井定向施工的需要，推薦使用；③國外高溫螺桿動力強(qiáng)，穩(wěn)定性好，使用時(shí)間長，可以做為首選，同時(shí)試用評價(jià)國內(nèi)改進(jìn)的高溫螺桿；④提高M(jìn)WD儀器的高溫穩(wěn)定性是降低儀器故障率的關(guān)鍵，要引進(jìn)評價(jià)高溫穩(wěn)定性更好的MWD儀器。

3 軌跡控制技術(shù)研究

3．1 造斜段軌跡控制技術(shù)

3．1．1 軌跡實(shí)時(shí)調(diào)整控制方案［1］

在實(shí)際鉆進(jìn)過程中，受鉆井參數(shù)、地層和工具面等參數(shù)的影響，實(shí)鉆軌跡和設(shè)計(jì)軌跡總會有偏差，因此必須根據(jù)測斜數(shù)據(jù)核算工具的實(shí)際造斜率以及預(yù)測井底的位置參數(shù)和矢量參數(shù)，做出待鉆軌跡設(shè)計(jì)，對當(dāng)前造斜工具和技術(shù)方案進(jìn)行評價(jià)和決策，確定是否需要調(diào)整操作參數(shù)（鉆壓、工具面、定向／復(fù)合狀態(tài)轉(zhuǎn)換等），起鉆時(shí)機(jī)的選擇（是否立即起鉆或繼續(xù)向下鉆進(jìn)多少米再起鉆）等。

元壩27－3H井應(yīng)用實(shí)時(shí)軌跡控制方案，在鉆進(jìn)過程中每鉆進(jìn)5～10 m就測一次斜，以此來預(yù)測井下工具造斜能力，通過對每組測斜數(shù)據(jù)進(jìn)行仔細(xì)分析，最后鉆出的軌跡基本貼近設(shè)計(jì)，平滑光整。

3．1．2 著陸入靶控制技術(shù)

水平井井眼軌跡控制的目的就是要使水平井的實(shí)鉆軌道準(zhǔn)確鉆入儲層，即著陸入靶，保證水平井鉆井的成功率，著陸控制的技術(shù)要點(diǎn)可以概括為略高勿低、先高后低、寸高必爭、早扭方位、穩(wěn)斜探頂、動態(tài)監(jiān)控、矢量進(jìn)靶。在穩(wěn)斜探頂之前，就應(yīng)使井眼軌道方位符合要求，通過文獻(xiàn)［2］中介紹的水平井著陸控制模型可以確定起始點(diǎn)的井斜角（既入相角）和方位角。水平儲層的靶前距差控制在25～35 m，下傾儲層控制在25～45 m，上傾和背斜儲層控制在15～25 m，同時(shí)要考慮斷層的影響，保證著陸點(diǎn)要在儲層內(nèi)；入相角控制在以水平段設(shè)計(jì)最大井斜減去3°～5°比較合適。

3．1．3 推薦鉆具組合

當(dāng)井斜較小時(shí)，如果使用PDC鉆頭，工具面不穩(wěn)定，導(dǎo)致螺桿造斜率低，定向段長，定向效率低下，建議使用牙輪鉆頭，推薦鉆具組合方案：φ241．3 mm鉆頭＋φ185mm（1．25°～1．5°）單彎螺桿＋浮閥＋φ177．8 mm無磁鉆鋌＋ MWD短接＋φ127 mm 加重鉆桿＋φ127 mm鉆桿＋φ139．7 mm鉆桿（注：開始造斜時(shí)，井斜10°以下使用牙輪鉆頭，超過10°以后可以使用PDC鉆頭）。

3．2 水平段軌跡控制技術(shù)

3．2．1 控制思路

水平段控制的實(shí)鉆井眼軌道在豎直平面中是一條上、下起伏的波浪線，鉆頭位置距靶體上下邊界的距離是控制的關(guān)鍵。特別需要注意的是，當(dāng)判定鉆頭到達(dá)邊界較近的某一位置（如圖4，由D1至D2繼續(xù)下降），直至達(dá)到一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)（圖中的D2點(diǎn)），然后才會按預(yù)想的要求發(fā)生變化（如自D2起鉆頭位置開始上升）。這種情況無論是對增斜還是降斜都存在。如果不考慮這種滯后現(xiàn)象，很有可能造成在進(jìn)行調(diào)整的井段中出靶。因此對水平段的控制強(qiáng)調(diào)留有余地［3］，就是分析計(jì)算這種滯后現(xiàn)象帶來的增量，保證在轉(zhuǎn)折點(diǎn)（極限位置）也不出靶，以便留出足夠的進(jìn)尺來確定調(diào)整時(shí)機(jī)，實(shí)施調(diào)控。例如在圖4中的增斜過程中，在D3中點(diǎn)就開始考慮進(jìn)行降斜，直至達(dá)到新的轉(zhuǎn)折點(diǎn)D4后或后續(xù)某點(diǎn)D5，即采用復(fù)合鉆進(jìn)。

圖4 水平段控制示意圖

3．2．2 鉆具優(yōu)選

由于受摩阻、鉆具柔性等因素影響，水平段鉆進(jìn)效率較低。要提高水平段的鉆進(jìn)效率，應(yīng)盡量延長復(fù)合段長，且復(fù)合段長占整個(gè)水平段長的比例在國外也是衡量水平段軌跡平滑度的一個(gè)指標(biāo)。針對該區(qū)塊地層特征，優(yōu)選出水平段復(fù)合鉆進(jìn)穩(wěn)斜效果最好的鉆具組合是關(guān)鍵。應(yīng)用文獻(xiàn)［4］中提到的計(jì)算導(dǎo)向鉆具復(fù)合鉆進(jìn)導(dǎo)向能力的方法進(jìn)行了分析?；居?jì)算參數(shù)：井眼尺寸φ241．3 mm，單彎螺桿鉆具外徑φ185 mm，近鉆頭扶正器外徑φ238 mm，鉆壓2 t，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速40 r／min，井斜87°。

從圖5、圖6可看出，近鉆頭扶正器尺寸越小，螺桿復(fù)合增斜力越小。上扶正器尺寸越大，螺桿復(fù)合增斜力越小，當(dāng)上扶正器尺寸大于近鉆頭扶正器時(shí)，增斜力還可能為負(fù)，即產(chǎn)生降斜效果。因此選擇穩(wěn)斜效果好的鉆具組合可以考慮無扶單彎螺桿鉆具或者帶合適尺寸上扶正器的雙扶單彎螺桿鉆具。

圖5 近鉆頭扶正器直徑對復(fù)合增斜力的影響

圖6 上扶正器直徑對復(fù)合增斜力的影響

4 結(jié)論與建議

（1）采用“國產(chǎn)高溫螺桿＋進(jìn)口MWD”組合能夠滿足元壩超深水平井定向施工，

（2）目前應(yīng)用的進(jìn)口MWD在高溫條件下工作存在一定的不穩(wěn)定性，需進(jìn)一步優(yōu)選高溫穩(wěn)定性更強(qiáng)的MWD。

（3）適應(yīng)元壩地區(qū)特征的超深水平井造斜段軌跡控制技術(shù)的關(guān)鍵是軌跡實(shí)時(shí)調(diào)整控制方案研究和著陸入靶控制技術(shù)研究。

（4）在定向造斜初期，由于井斜較小，工具面不穩(wěn)，建議在井斜10°以下時(shí)使用牙輪鉆頭，超過10°以后可以使用PDC鉆頭。

（5）水平段控制思路主要是“留有余地”，提前控制不出靶。

（6）通過力學(xué)分析和現(xiàn)場實(shí)踐，水平段采用無扶單彎螺桿鉆具或者帶合適尺寸上扶正器的雙扶單彎螺桿鉆具具有較好的穩(wěn)斜效果，可以增加復(fù)合段長，提高鉆進(jìn)效率。

［1］蘇義腦．極限曲率法及其應(yīng)用［J］．?dāng)鄩K油氣田，1997，18（3）：110－114．

［2］羅萬靜，王曉冬，李義娟，等．水平井著陸控制模型探討［J］．?dāng)鄩K油氣田，2006，13（6）：56－57．

［3］蘇義腦．水平井井眼軌道控制［M］．北京：石油工業(yè)出版社，2000．

［4］狄勤豐，岳觀華，彭國榮．滑動式導(dǎo)向鉆具組合復(fù)合鉆井導(dǎo)向力計(jì)算及影響參數(shù)［J］．石油鉆探技術(shù)，2001，29（3）：56－57．