張曉帆

（大慶鉆探工程鉆井工程技術(shù)研究院，黑龍江大慶163413）

大慶徐家圍子深部地層的天然氣儲(chǔ)量十分豐富，是大慶油田勘探開發(fā)的重點(diǎn)，也是大慶油田進(jìn)一步開發(fā)接替油氣資源的主要方向。從2000年開始，大慶油田使用欠平衡技術(shù)在該區(qū)塊進(jìn)行了直井鉆探，取得了較好的工業(yè)氣開發(fā)效果。大慶徐家圍子深部氣藏具有埋藏深、孔隙度低、巖石可鉆性差、地溫梯度高等特點(diǎn)，只有采用水平井工藝才能更有效地開發(fā)油氣資源，但由于該區(qū)塊自身的地質(zhì)特點(diǎn)，需要針對(duì)性地進(jìn)行鉆具組合優(yōu)化和井眼軌跡控制研究。因此，本文從井眼軌道優(yōu)化、井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化、鉆具組合及鉆進(jìn)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面開展研究，以期形成更為配套完善的鉆井工藝技術(shù)，為深部氣藏的有效開發(fā)提供技術(shù)支持。

1 井眼軌道優(yōu)化

井眼軌跡優(yōu)化是指通過設(shè)計(jì)使井眼軌道的幾何形狀達(dá)到最優(yōu)的設(shè)計(jì)形態(tài)，通常主要采用恒曲率設(shè)計(jì)法和變曲率設(shè)計(jì)法。

大慶油田的深層水平井具有如下特點(diǎn)：①直井井段較長(zhǎng)，水平位移較大；②巖石可鉆性差導(dǎo)致鉆速較低，鉆進(jìn)困難；③靶點(diǎn)較容易產(chǎn)生誤差。因此，針對(duì)大慶油田的深層水平井的實(shí)際特點(diǎn)，應(yīng)結(jié)合使用恒曲率和變曲率法，采用雙增剖面進(jìn)行相應(yīng)的井眼軌道設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)方案中先設(shè)計(jì)較小的造斜率，然后隨著井斜的增加再逐步增加造斜率，從而降低造斜段長(zhǎng)度。典型的井眼軌道設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)見表1。

表1 典型井眼軌道設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)表

2 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化也是深層水平井鉆井設(shè)計(jì)和施工的重要環(huán)節(jié)，大慶深層水平井的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則是：①在滿足地質(zhì)勘探需求和保障鉆井施工順利的前提下，盡可能地降低鉆井施工成本；②應(yīng)盡可能地滿足深層水平井施工的需求，提高中靶精度、固井質(zhì)量和儲(chǔ)層保護(hù)效果[1-2]。

井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題是使套管層次和下入深度滿足地質(zhì)需要，大慶徐家圍子區(qū)塊的主要勘探開發(fā)層位為營(yíng)城組，營(yíng)一段以火山巖為主，營(yíng)四段以礫巖為主[3]?？梢钥紤]采用三層或四層套管，三層套管結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是可以縮短鉆井周期降低鉆井成本，但相應(yīng)的井控難度較大，四層套管結(jié)構(gòu)可以保障井控安全，但相應(yīng)地會(huì)增加鉆井成本和鉆進(jìn)周期。根據(jù)以往的鉆井經(jīng)驗(yàn)，需要根據(jù)具體的地質(zhì)條件來確定，如使用三層套管結(jié)構(gòu)，則需要適當(dāng)提高鉆井液設(shè)計(jì)密度來保障井壁穩(wěn)定平衡地層壓力，采用三層套管結(jié)構(gòu)，則技術(shù)套管需要下深至登二段底部從而封固上層的不穩(wěn)定地層，并在二開段即開始造斜從而降低三開施工難度。

3 鉆具組合及鉆進(jìn)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 鉆具組合優(yōu)化原則

優(yōu)化鉆具組合是提高深層水平井鉆速和質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)。合理的鉆具組合可以有效降低摩阻和扭矩，提高井筒清潔效率并降低施工成本。大慶深層水平井的鉆具組合優(yōu)化原則為：①要滿足鉆井工藝需求；②最大程度上降低摩阻和扭矩；③更多的使用旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)；④在保證施工安全的前提下降低施工成本。

鉆具組合優(yōu)化設(shè)計(jì)主要從以下幾個(gè)方面入手：①通過建立鉆柱的屈曲模型研究鉆柱的臨界載荷從而確定鉆柱發(fā)生螺旋扭曲的臨界值；②通過建立鉆柱摩阻/扭矩分析模型，來計(jì)算不同井下工具對(duì)摩阻和扭矩的影響，從鉆具本身角度提高鉆井效率，此外還可以通過提高鉆井液潤(rùn)滑性、提高鉆桿強(qiáng)度、使用頂驅(qū)設(shè)備以及其他有助于降低扭矩的井下動(dòng)力工具。

3.2 鉆進(jìn)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)原則

結(jié)合大慶深層水平井的自身特點(diǎn)，可以通過優(yōu)化鉆壓、鉆井液排量、鉆具轉(zhuǎn)速等參數(shù)來進(jìn)一步提高鉆速降低施工成本。

鉆具轉(zhuǎn)速是首先應(yīng)該考慮的參數(shù)，因?yàn)榫聨浊组L(zhǎng)的鉆具，如果鉆速選擇不當(dāng)，井下鉆具會(huì)容易產(chǎn)生共振，而共振對(duì)鉆具有強(qiáng)大的疲勞破壞作用，從而導(dǎo)致整個(gè)鉆井工程受到影響。尤其是三開水平段以旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)為主，在鉆井設(shè)計(jì)過程中可以使用Landmark軟件和Wellplan軟件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通常最佳轉(zhuǎn)速為30~50r/min。

鉆井液水力學(xué)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)是保證順利施工的另外一個(gè)主要因素。合適的泵壓和排量可以更安全高效地?cái)y帶巖屑和保障井筒清潔。

4 井眼軌跡控制技術(shù)研究

4.1 井下控制工具的選型

井下控制工具主要由螺桿鉆具和測(cè)量?jī)x器組成。

其中螺桿鉆具可以將鉆井液動(dòng)能轉(zhuǎn)化為鉆進(jìn)的機(jī)械能從而幫助鉆頭在井下破巖，此外螺桿還具有一定的彎角，可以在鉆進(jìn)過程中起到造斜作用。螺桿鉆具的選擇原則主要考慮以下幾點(diǎn)：①井眼尺寸；②造斜率；③鉆井液類型；④井下使用溫度；⑤鉆井液排量。大慶深部地層通常需要使用具有良好抗溫性、低轉(zhuǎn)速高扭矩的6級(jí)螺桿鉆具[4-5]。

測(cè)量?jī)x器主要有LWD和MWD，其中LWD可以在測(cè)量定向參數(shù)的同時(shí)獲取井下的地質(zhì)參數(shù)，但相應(yīng)的使用成本也較高。為了降低成本，在造斜段可以選用MWD，在水平段選用MWD+伽馬+電阻率+孔隙度的儀器。目前斯倫貝謝公司的儀器最為先進(jìn)，在抗溫性、測(cè)量精度以及分辨率方面均高于其他公司，可作為井下工具的首選。

4.2 造斜能力分析和井眼軌跡預(yù)測(cè)

研究井眼軌跡控制需要對(duì)井下造斜工具的造斜能力進(jìn)行分析并對(duì)井眼軌跡進(jìn)行預(yù)測(cè)。

可通過對(duì)鉆具組合的受力情況進(jìn)行分析來預(yù)測(cè)不同螺桿的造斜能力，然后利用實(shí)鉆數(shù)據(jù)計(jì)算出井下造斜率從而確定鉆頭實(shí)際位置，保證鉆遇層位的準(zhǔn)確性。實(shí)際使用過程中可以用相應(yīng)的造斜率方程得到剛性條件下和變形條件下導(dǎo)向工具的通過能力，實(shí)鉆選擇的螺桿角度要高于設(shè)計(jì)角度的1.5倍，這樣才能更好地符合鉆井需求，避免頻繁更換螺桿。

由于實(shí)鉆過程中，鉆頭和隨鉆測(cè)量?jī)x器之間仍然有一定的距離，預(yù)測(cè)更為真實(shí)的井眼軌跡有助于確定鉆頭的實(shí)際地層位置。但井眼軌跡預(yù)測(cè)相對(duì)較為復(fù)雜，需要結(jié)合鉆具組合、地質(zhì)特點(diǎn)和鉆井參數(shù)等多個(gè)方面進(jìn)行研究，目前多使用自然參數(shù)法作為模型進(jìn)行預(yù)測(cè)然后再結(jié)合實(shí)鉆軌跡對(duì)井眼軌跡進(jìn)行修正。

4.3 井眼軌跡控制方案

井眼軌跡控制的難點(diǎn)主要有：直井段的糾斜打直；造斜段實(shí)鉆軌跡的擬合控制；水平段的平穩(wěn)控制。

4.3.1 直井段的糾斜打直

由于深層水平井的造斜點(diǎn)通常較深，為了不影響后續(xù)施工，要在直井段控制較小的井斜角和水平位移。需要選擇合適的鉆具組合及鉆井參數(shù)，通過測(cè)單點(diǎn)的方式獲得井下的實(shí)際井眼軌跡，并進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)修訂，從而保障直井段的井眼軌跡達(dá)到要求。

4.3.2 造斜段和穩(wěn)斜段的井眼軌跡控制

根據(jù)直井段的測(cè)斜結(jié)果，利用相應(yīng)軟件預(yù)測(cè)出井底實(shí)際的井斜和方位，計(jì)算相應(yīng)的垂深、水平位移等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。然后對(duì)靶點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行修訂，盡量在穩(wěn)斜段結(jié)束前達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

在第一造斜段鉆進(jìn)過程中，通過井下數(shù)據(jù)計(jì)算出實(shí)鉆軌跡和設(shè)計(jì)軌跡之間的偏離值，然后使用螺桿在利用預(yù)留的造斜段長(zhǎng)度中對(duì)實(shí)鉆軌跡進(jìn)行修正，爭(zhēng)取使實(shí)鉆軌道更接近設(shè)計(jì)。在第一穩(wěn)斜段應(yīng)該以復(fù)合鉆進(jìn)為主，從而更好地修正井壁、破壞巖屑床，為下一步造斜鉆進(jìn)提供基礎(chǔ)。

在第二造斜段，應(yīng)該進(jìn)一步優(yōu)化鉆進(jìn)參數(shù)，提高鉆井液攜巖能力和潤(rùn)滑性能，減少托壓和卡阻現(xiàn)象的發(fā)生，并降低狗腿度，為后續(xù)鉆進(jìn)提供保障。

4.3.3 水平段的平穩(wěn)控制

為了更好的發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)層，水平段鉆進(jìn)過程中應(yīng)該使鉆具盡可能地在儲(chǔ)層中穿行，所以需要平穩(wěn)控制鉆具，為尋找儲(chǔ)層提供最佳條件。因此在中靶后，應(yīng)以旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)為主，并適度提高機(jī)械鉆速，密切觀察井下動(dòng)態(tài)，如有異常應(yīng)該及時(shí)處理，確保井下安全。

5 結(jié)論及建議

（1）大慶徐家圍子深部氣藏具有埋藏深、孔隙度低、巖石可鉆性差、地溫梯度高等特點(diǎn)。只有采用水平井工藝才能更有效地開發(fā)油氣資源，需要針對(duì)性地進(jìn)行鉆具組合優(yōu)化和井眼軌跡控制，從而進(jìn)行經(jīng)濟(jì)高效的油氣資源開發(fā)。

（2）本文結(jié)合大慶深層的地質(zhì)特點(diǎn)，從井眼軌道優(yōu)化、井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化、鉆具組合及鉆進(jìn)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)、井眼軌道控制等方面進(jìn)行了分析，并給出了相應(yīng)的設(shè)計(jì)和施工建議。

（3）深層水平井的經(jīng)濟(jì)有效開發(fā)是一個(gè)系統(tǒng)工程，需要各個(gè)部門的密切配合。