李前鋒， 潘德元

(1.中石化經(jīng)緯有限公司 地質(zhì)測控技術(shù)研究院， 山東 青島 266000； 2.中國地質(zhì)調(diào)查局 長沙自然資源綜合調(diào)查中心， 長沙 410600)

中江回龍構(gòu)造帶由中江構(gòu)造和回龍構(gòu)造組成，呈東西向鼻狀結(jié)構(gòu)，為一斜坡帶上，其構(gòu)造分區(qū)情況如圖1[1-3]所示，由于該構(gòu)造地層特點(diǎn)，鉆井工程中井眼軌跡難度大，直井段井斜和方位控制難度大，鉆進(jìn)效率低，斜井段著陸難度大，使得該地區(qū)水平施工和井眼軌跡控制困難[4-6]。本文對該構(gòu)造帶部署的水平井軌跡控制技術(shù)進(jìn)行深入分析，并以江沙320HF井和江沙320-1HF井為例，結(jié)合地質(zhì)環(huán)境特征，總結(jié)鉆井施工及井眼軌跡控制的影響因素和規(guī)律，最終得到適合該地區(qū)的井眼軌跡控制方法。

1 地質(zhì)特征及鉆進(jìn)控制難點(diǎn)

1.1 地質(zhì)特征

中江回龍構(gòu)造區(qū)鉆遇地層有劍門關(guān)組、蓬萊組、遂寧組、沙溪廟組等，部署的水平評價井鉆井目的主要是評價儲層發(fā)育情況及其物性特征，并建成氣流井。

江沙320HF井設(shè)計為水平井，在直導(dǎo)眼鉆完測試后接通知完鉆，根據(jù)實(shí)鉆地層情況，主要巖性為各類砂泥巖互層，軟硬變化頻繁，蓬萊組、遂寧組和沙溪廟組之間呈整合接觸，地層傾角較穩(wěn)定[1]，見表1。同時該構(gòu)造帶位于中江斜坡帶上，斷裂與褶皺發(fā)育，地層側(cè)向應(yīng)力較為集中，巖石可鉆性差。

巖性特征：劍門關(guān)組地層較疏松，膠結(jié)性較差，易發(fā)生垮塌及井漏；蓬萊鎮(zhèn)組、遂寧組以泥巖為主夾少量砂巖，大段軟泥巖易水化膨脹，造漿厲害，容易造成鉆頭泥包，硬脆性泥巖穩(wěn)定性差，易垮塌。同時由于地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動作用下，地層裂縫較發(fā)育，鉆遇地層壓力高。由于在江沙320HF井實(shí)際鉆進(jìn)中，在進(jìn)入蓬萊組后鉆井液比重逐漸上升至1.55～1.95 g/cm3。

1.2 地層造斜特點(diǎn)

在鉆進(jìn)過程中，受地層各向異性和產(chǎn)狀特征的影響，鉆頭各部位受到地層的反作用力以及切削的速度是存在差異的。在井眼低邊處鉆頭受到的地層反作用力要大于高邊處的反作用力，在軟硬層交界處，軟地層側(cè)的鉆頭切削速度要大于硬地層側(cè)[7]。因此，易導(dǎo)致井斜產(chǎn)生的主要地質(zhì)因素是鉆遇地層產(chǎn)狀的結(jié)構(gòu)特征和巖性的交互變化。中江回龍構(gòu)造區(qū)淺部地層巖性軟硬交替變化頻繁，地層傾角較大，因此在鉆進(jìn)過程中井斜增大趨勢較明顯，同時眼軸線指向較穩(wěn)定，易使位移超標(biāo)。

圖1 川西凹陷構(gòu)造分區(qū)

在江沙320HF直導(dǎo)眼鉆進(jìn)過程中，一開井段(209～2 250 m)的方位較穩(wěn)定，如圖2所示，受地層產(chǎn)狀影響，在209～1 250 m井段，地層為劍門關(guān)組和蓬萊組，巖性硬度相對較低，井眼各個測點(diǎn)的方位由210°逐漸降低到160°，變化趨勢非常穩(wěn)定。在進(jìn)入遂寧組和沙溪廟組后，地層硬度相對提高，導(dǎo)致井眼軸線指向呈現(xiàn)小范圍波動，波動區(qū)間為150°～180°。一開完鉆時井底閉合距30 m，閉合方位為185°。根據(jù)圖1的構(gòu)造分區(qū)可發(fā)現(xiàn)方位的穩(wěn)定方向基本與地層傾向一致。

表1 320HF實(shí)鉆地層簡況

續(xù)表1

圖2 江沙320HF井直導(dǎo)眼方位分布

1.3 地質(zhì)特點(diǎn)及難點(diǎn)分析

該區(qū)塊地層壓力高，鉆井液比重達(dá)到1.55～1.95 g/cm3，造成泵壓偏高，對排量提升難度大，鉆井效率較低，同時高泵壓增加了井控工作的難度，也影響了井眼軌跡控制的實(shí)施。

地層傾角大，井斜和方位控制難度大，使得水平井的井眼軌跡調(diào)整難度增大，同時軟硬互層的影響，在常規(guī)鉆井技術(shù)時易使形成鍵槽。

1.4 影響井眼軌跡控制的因素分析

影響井眼軌跡控制的主要因素有地層特點(diǎn)、鉆具組合結(jié)構(gòu)、鉆進(jìn)參數(shù)、實(shí)鉆井眼軌跡及其與設(shè)計軌跡的誤差等。地層特點(diǎn)是客觀因素，應(yīng)該充分收集相關(guān)地質(zhì)資料及臨井施工資料，制定相應(yīng)的技術(shù)措施。鉆具組合結(jié)構(gòu)應(yīng)根據(jù)相應(yīng)的井段要求，對其力學(xué)模型進(jìn)行力學(xué)分析，從而掌握鉆頭的鉆進(jìn)趨勢，通過調(diào)整鉆具結(jié)構(gòu)達(dá)到軌跡控制的目的。鉆井操作參數(shù)主要包括鉆壓和轉(zhuǎn)速，通過調(diào)整鉆壓和改變鉆進(jìn)方式控制井眼軌跡。實(shí)鉆井眼軌跡通常與設(shè)計存在一定的誤差，特別是在造斜點(diǎn)及著陸點(diǎn)位置，需要根據(jù)實(shí)際中存在的誤差對井眼軌跡進(jìn)行調(diào)整設(shè)計。

2 井眼軌跡控制方法

2.1 直井段井眼軌跡的影響

直井段實(shí)鉆井眼軌跡與設(shè)計軌跡存在圖3所示的幾種情況：①實(shí)鉆軌跡超前，引起造斜點(diǎn)產(chǎn)生正位移，縮短了靶前位移，若按原設(shè)計要求施工就容易造成脫靶，若要能順利中靶則需比原設(shè)計小的造斜率；②實(shí)鉆軌跡符合設(shè)計軌跡，為理想的位置，按原設(shè)計要求施工即可；③實(shí)鉆軌跡滯后，引起造斜點(diǎn)產(chǎn)生負(fù)位移，加長了靶前位移，需要增加造斜井段的長度和更高的造斜率；④實(shí)鉆軌跡較原設(shè)計位置偏左或偏右，則實(shí)際造斜點(diǎn)處的方位偏離了原設(shè)計方位，需要將二維的設(shè)計井調(diào)整為三維，在施工需要扭方位[5]。

圖3 造斜點(diǎn)位置示意圖

2.2 預(yù)彎曲鉆具組合

預(yù)彎曲鉆具組合通常是指在近鉆頭位置安裝帶有扶正器的預(yù)彎曲短節(jié)。狄勤豐等[8]通過建立預(yù)彎曲鉆具組合的動力學(xué)模型進(jìn)行了仿真模擬，該種組合是利用旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時鉆具在井眼中的渦動，在鉆頭上形成規(guī)律性的側(cè)向沖擊載荷，且對井眼低邊的沖擊載荷最大，這種動態(tài)沖擊載荷的不均衡性使鉆具組合具有較好的防斜能力。同時能夠釋放鉆壓，較常規(guī)的塔式鉆具、鐘擺鉆具等能有效鉆進(jìn)效率[8-13]。

在江沙320HF井使用塔式鐘擺鉆具+PDC鉆頭+螺桿鉆進(jìn)，采用低壓吊打技術(shù)，為有效控制井斜，采用低壓吊打鉆進(jìn)工藝，鉆壓控制在40～80 kN，轉(zhuǎn)速為80～100 r/min，一開井段(209～2 250 m)最大井斜為1.09°，整個井段平均鉆速為6.65 m/h。

在江沙320-1HF井中現(xiàn)場采用預(yù)彎曲鉆具+隨鉆測量(MWD)技術(shù)：φ311.2 mm PDC×0.37 m+φ216 mm 1°螺桿×9.02 m+φ203 mm鉆鋌×4.50 m+φ308 mm扶正器×0.67 m+鉆具止回閥×0.54 m+懸掛短節(jié)×0.87 m+φ203 mm無磁鉆鋌×9.28 m+φ203 mm鉆鋌×70.47 m+631×410×0.46 m+φ177.8 mm鉆鋌×82.21 m+旁通閥411×520×0.46 m+φ139.7 mm加重鉆桿×73.60 m+φ139.7 mm鉆桿。

在鉆進(jìn)參數(shù)方面，鉆壓較江沙320HF井在相同地層中提高了40～60 kN，一開井段(206～2 300 m)平均機(jī)械鉆速達(dá)到了10.59 m/h，較江沙320HF井提高59%。測多點(diǎn)顯示直井段在井深1 000.19 m井斜最大，為1.49°，井身質(zhì)量符合設(shè)計要求。

2.3 直井段軌跡控制技術(shù)

在江沙320-1HF井在鉆進(jìn)過程中采用MWD隨鉆測量儀跟蹤監(jiān)測井眼質(zhì)量參數(shù)，發(fā)現(xiàn)在200～1 200 m井段受地層傾角影響，井眼方位穩(wěn)定在150°～180°，與江沙320HF井情況基本相同，且在井深1 287.95 m時井底位移達(dá)到22.05 m，閉合方位為165.46°，與設(shè)計閉合方位為68.86°相差較大，易造成造斜點(diǎn)較原設(shè)計軌跡位置滯后，不利于造斜鉆進(jìn)。因此本井根據(jù)MWD隨鉆測量儀跟蹤監(jiān)測數(shù)據(jù)，在井深1 287 m后調(diào)整鉆具組合工具面，采用滑動鉆進(jìn)控制井斜和方位，提前拉開防碰間距并把井斜和水平位移控制在設(shè)計范圍之內(nèi)。

因此，為保障造斜段井眼軌跡平滑，良好地完成中靶要求，需要在直井段鉆進(jìn)中對井眼軌跡的優(yōu)化控制。在一般鉆進(jìn)過程中，直井段鉆進(jìn)時井眼軸線的指向是不確定的，井底位移在小范圍內(nèi)波動，但是在一些高陡易斜區(qū)塊，鉆進(jìn)過程中受地層造斜力的影響，井眼軸線的指向較穩(wěn)定，即使井斜很小，也會引起井底位移朝著指向方位一直增大，對于叢式井的防碰控制以及后期的斜井段軌道設(shè)計造成較大影響，不利于控制全角變化率和斜井段井眼軌跡。在此提出應(yīng)用預(yù)彎曲鉆具防斜鉆進(jìn)，同時通過改變鉆進(jìn)方式控制井身軌跡的技術(shù)方法，減小起下鉆進(jìn)頻次，提高鉆進(jìn)效率。

2.4 造斜段軌跡控制

造斜段又稱為著陸段，是指從造斜點(diǎn)到靶點(diǎn)井段的控制過程，通常采用直-增-穩(wěn)-增-平的五段制剖面。

在江沙320-1HF井中，造斜點(diǎn)位于上沙溪廟組，由于地層硬度大，可鉆性較差，增斜較困難，需要采用較大角度的單彎螺桿，同時由于地層傾角影響，造斜點(diǎn)產(chǎn)生了相應(yīng)的負(fù)位移，造斜時工具面需要逆時針調(diào)整一個小角度。造斜鉆具組合：φ215.9 mm PDC+5LZ165×7-D 1.5°W 212+回壓閥+411×4A10無磁變扣+φ165 mm無磁鉆鋌+4A11×410無磁變扣+MWD懸掛短節(jié)+φ127加重鉆桿20柱+旁通閥+411×520+139.7 mm鉆桿。

在開始造斜時采用控時鉆進(jìn)，根據(jù)返出新巖屑含量以及計算夾壁墻厚度，開始逐漸加壓滑動增斜鉆進(jìn)。以滑動鉆進(jìn)為主，復(fù)合鉆進(jìn)為輔，全程采用單彎螺桿+MWD儀器監(jiān)測。鉆進(jìn)過程中需要加強(qiáng)短起下鉆作業(yè)，以便對井底巖屑有效清潔，確保井壁光滑。

在即將著陸時，由于儲層薄且多，在實(shí)際的施工中為尋找主油氣層進(jìn)行了數(shù)次軌跡調(diào)整，加大了軌跡控制難度。

2.5 水平段軌跡控制

在水平段鉆進(jìn)時，由于鉆具受重力與下井壁接觸，具有較大的軸向和徑向摩擦力，從而增加上下提放的載荷，易產(chǎn)生阻卡等井下復(fù)雜事故，因此在鉆具選擇上選用柔性的倒裝鉆具組合，有利于鉆壓的有效傳遞，并減少井下復(fù)雜情況的發(fā)生[14-16]。

由于鉆具倒裝后柔性增大，工具面控制十分困難，因此需要全程配合MWD無線隨鉆儀跟蹤監(jiān)測，采用控壓技術(shù)進(jìn)行水平段的穿越，根據(jù)油氣顯示不斷進(jìn)行軌跡的調(diào)整，如圖4所示。

圖4 江沙320-1HF井水平投影示意圖

本井段采用的鉆具組合：φ215.9 mm PDC+5LZ172×7-D 1.25°W 208+φ210尾扶+回壓閥+411×4A10無磁變扣+φ127 mm無磁承壓鉆桿+4A11×410無磁變扣+MWD懸掛短節(jié)+φ127加重鉆桿1根+φ127鉆桿33柱+φ127加重鉆桿59根+旁通閥+411×520+139.7 mm鉆桿。

3 結(jié)論與建議

1)預(yù)彎曲鉆具組合在中江回龍構(gòu)造地區(qū)得到了很好的應(yīng)用，該種鉆具組合具有良好的防斜效果，能夠適用于高陡及軟硬互層等易斜地層，同時比塔式、鐘擺等防斜鉆具組合能夠有效釋放鉆壓，進(jìn)一步提高機(jī)械鉆速。采用預(yù)彎曲鉆具組合+MWD隨鉆測量儀技術(shù)，通過調(diào)整鉆具的工具面和改變鉆進(jìn)方式，對軌跡進(jìn)行優(yōu)化控制，可避免中途起下鉆更換鉆具組合，理論上可實(shí)現(xiàn)直井段一趟鉆技術(shù)。

2)水平井的井眼軌跡設(shè)計應(yīng)優(yōu)選剖面、優(yōu)化鉆具結(jié)構(gòu)，制定合理有效的鉆井參數(shù)，應(yīng)用相應(yīng)的摩阻和扭矩的理論分析和評價模式，最大限度地降低摩阻及扭矩，及時預(yù)測井下復(fù)雜情況，避免卡鉆、斷鉆具等惡性事故發(fā)生。

3)總結(jié)了在中江回龍構(gòu)造區(qū)塊合理的井眼軌跡控制方法。直井段采用預(yù)彎曲鉆具組合+MWD隨鉆測量儀技術(shù)，保障井眼質(zhì)量及偏移程度；造斜井段宜采用滑動鉆進(jìn)為主的鉆井方式，根據(jù)造斜點(diǎn)位置合理扭轉(zhuǎn)工具面，在著落進(jìn)靶時應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測，以便根據(jù)儲層情況調(diào)整軌跡；水平井段采用倒裝鉆具組合復(fù)合鉆進(jìn)為主，加強(qiáng)監(jiān)測，微調(diào)勤調(diào)，控壓鉆進(jìn)以便控制工具面。