基于地層傾斜規(guī)律的防斜打直鉆井技術(shù)研究

李文飛

(勝利石油管理局鉆井工藝研究院，山東東營 257017)

基于地層傾斜規(guī)律的防斜打直鉆井技術(shù)研究

李文飛

(勝利石油管理局鉆井工藝研究院，山東東營 257017)

地層自然傾斜、鉆具組合、鉆井參數(shù)是影響鉆井井斜方位變化的主要因素。根據(jù)地層層面空間網(wǎng)格數(shù)據(jù)，建立了地層傾角、傾向的計算方法，并針對典型防斜打直鉆具組合和鉆井參數(shù)之間的關(guān)系進行了力學(xué)分析。應(yīng)用結(jié)果表明，井眼實鉆軌跡與設(shè)計軌跡基本相同，形成了利用地層自然傾斜規(guī)律，在鉆井自然中靶的同時，釋放鉆壓提高鉆速的防斜打直優(yōu)快鉆井技術(shù)，對于高陡構(gòu)造油氣藏的高效開發(fā)具有重要的理論意義和工程實用價值。

地層傾角;地層傾向;防斜打直;鉆具組合;鉆壓;鉆速;井眼軌跡

井斜的控制是鉆井的難題之一，尤其在大傾角［1］的地層中鉆進時，井眼傾斜現(xiàn)象較為明顯，常規(guī)打直防斜［2］主要采用“輕壓吊打”法，“輕壓”即減小鉆壓，此項技術(shù)雖能夠控制井斜，但也降低了機械鉆速。實鉆資料表明，影響井斜的主要因素包括地質(zhì)因素、鉆具組合、鉆井參數(shù)等。其中地質(zhì)因素［3～5］雖不能改變，但可以將地層傾斜傾向數(shù)據(jù)與鉆具組合、鉆井參數(shù)的優(yōu)化計算相結(jié)合，實現(xiàn)鉆井防斜打直，并能夠解放鉆壓提高機械鉆速的目的。因此開展相關(guān)研究對于大傾角地層的鉆井施工具有重要的理論意義和工程實用價值。

1 地層傾角和傾向的計算

不同地層層面網(wǎng)格的水平投影是規(guī)則排列的正方形，網(wǎng)格結(jié)點與對應(yīng)的不同層面網(wǎng)格結(jié)點在一條鉛垂線上［6］，只是垂深(或海拔)不一樣。圖1中地層任意一點A(N，E，H)在水平面上的投影點A1落在由a、b、c、d組成的正方形中，其中N，E為南北坐標，H為深度。

圖1 地層空間網(wǎng)格結(jié)點水平投影

(1)在水平投影圖上確定A1點所在正方形4個頂點的坐標。在水平投影平面內(nèi)，由于網(wǎng)格的間距是一固定值s，因此投影平面上各結(jié)點的N，E坐標為固定值s的整數(shù)倍［7］。如圖1所示，a點的N、E坐標可表示為:

(2)在水平投影圖上確定A1點在正方形中的位置。如圖1所示，正方形abcd的兩條對角線可以將其劃分為4個三角片，判斷A1點投影［8］可由式(9)～(12)確定。

(3)A點投影所在三角片垂直向上形成的棱柱體中任意層面法向量。設(shè)A點投影所在正方形網(wǎng)格頂點a、b、c、d分別對應(yīng)空間層面網(wǎng)格［9，10］頂點i、j、k、l，則A點投影落在不同三角片中時法向量可由式(13)～(16)計算。

A點投影落在△oab中時:

(4)A點法向量。利用點到平面的距離公式，計算A點到各個層面對應(yīng)三角片的距離，找到離A點最近的上、下2個三角片，則A點法向量:

(5)A點處地層傾角和方位。

地層的傾角αd:

2 鉆具組合及鉆井參數(shù)分析

在進行井眼軌跡控制時，常規(guī)方法使用單穩(wěn)定器鉆具組合。現(xiàn)以鐘擺鉆具組合為例，計算分析鉆具組合的力學(xué)特性。

2.1 鉆具組合

2.2 鉆井參數(shù)分析

2.2.1 鉆壓PB對鉆頭側(cè)向力Pα的影響

從圖2可以看出，對于鐘擺鉆具組合(1)，300 kN鉆壓是防斜或降斜效果的最優(yōu)鉆壓，鉆具只有在最優(yōu)鉆壓附近工作才能獲得較好的效果。

圖2 鉆壓對鉆頭側(cè)向力的影響

2.2.2 穩(wěn)定器外徑DS對鉆頭側(cè)向力Pα的影響

從圖3可以看出，設(shè)鉆壓300 kN，穩(wěn)定器外徑對鉆頭側(cè)向力的影響較小，鉆頭側(cè)向力變化趨勢不顯著。

圖3 穩(wěn)定器外徑對鉆頭側(cè)向力的影響

2.2.3 井斜角α對鉆頭側(cè)向力Pα的影響

從圖4可以看出，設(shè)鉆壓300 kN，鐘擺鉆具組合的降斜力隨著井斜角的增大而增大。

圖4 井斜角對鉆頭側(cè)向力的影響

2.2.4 第二段鉆鋌外徑Dc2對鉆頭側(cè)向力Pα的影響從圖5可以看出，設(shè)鉆壓為300 kN，改變第二段鉆鋌外徑，鐘擺鉆具組合的降斜力隨著第二段鉆鋌外徑的減小而增大。

2.2.5 第一個穩(wěn)定器位置對鉆頭側(cè)向力Pα的影響從圖6可以看出，設(shè)鉆壓250 kN，鉆頭側(cè)向力隨著穩(wěn)定器安放位置的減小，由負值逐步向正值過渡，即由防斜鉆具逐步演變?yōu)榉€(wěn)斜和增斜鉆具。

3 實例分析

3.1 區(qū)域地質(zhì)

圖5 第二段鉆鋌外徑對鉆頭側(cè)向力的影響

圖6 穩(wěn)定器安放位置對鉆頭側(cè)向力的影響

鹽家區(qū)塊位于濟陽坳陷東營凹陷北部陡坡帶東段北部，呈東西向延伸，區(qū)域形態(tài)向南傾沒。民豐洼陷北部沙三、沙四沉積時期，由陳家莊古高地風(fēng)化剝蝕的大量碎屑物質(zhì)，沿陳南大斷層下降盤堆積形成了各種扇體，鹽家地區(qū)沙三、沙四段地層傾角5°～22°。

3.2 鹽家地區(qū)井斜規(guī)律分析

鹽家區(qū)塊實鉆井井斜曲線如圖7所示。

通過實鉆井資料的統(tǒng)計分析可以看出，井斜在3000 m以下均發(fā)生明顯偏移，有規(guī)律的增加或減小，結(jié)合地質(zhì)資料分析，該地區(qū)3000 m以下地層存在不同程度的傾斜，地層傾斜是造成井眼軌跡發(fā)生偏移的重要原因。

3.3 鉆井應(yīng)用分析

基于上述理論研究及鄰井井斜規(guī)律的統(tǒng)計分析，針對鹽X井的鉆井施工，考慮下部地層自然傾斜特性進行鉆井設(shè)計。鹽X井設(shè)計井深3150 m，根據(jù)鄰井資料分析，1950 m以深地層與本井所處位置地層傾向較一致。依據(jù)地層傾向傾角計算方法分析，下部地層傾角為15°，傾向為185°，預(yù)測結(jié)果與實測結(jié)果基本一致，驗證了計算方法的正確性。根據(jù)井底靶點的設(shè)計參數(shù)，采用反推法由井底計算井眼軌跡至井口，并結(jié)合鉆具組合的力學(xué)性能分析，優(yōu)化設(shè)計了地面井口位置，以利于井眼軌跡自然中靶，根據(jù)分析結(jié)果，地面井口應(yīng)向180°方向移動98 m (見圖8)，實鉆測量軌跡見圖9。

圖7 鹽家區(qū)塊實鉆井井斜曲線

圖8 垂直投影圖 圖9 鹽X井實鉆軌跡水平投影

從圖9中可以看出，下部地層實鉆軌跡仍向0°方向傾斜，圖8預(yù)測井口向180°方向偏移，說明預(yù)測下部地層鉆井軌跡與實鉆軌跡傾斜趨勢相同，井口偏移量計算雖有一定誤差，但也能夠滿足油藏設(shè)計基本要求，驗證了理論方法的正確性。本井二開下部地層，自井深2420 m使用牙輪鉆頭，并提高了鉆壓(最高210 kN)，鉆壓平均比鄰井提高了30～70 kN，從圖10中可以看出，該井下部井段平均機械鉆速為3.2 m/h，平均機械鉆速比鄰井提高了11%～68%，提速效果明顯，且井身質(zhì)量符合設(shè)計要求。鹽X井現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明，在高陡構(gòu)造地區(qū)利用地層的傾斜規(guī)律，通過優(yōu)化地面井口位置和井眼軌道設(shè)計，使鉆井自然中靶，并且釋放鉆壓提高機械鉆速是可行的，進一步說明該項技術(shù)的合理性，具有重要的推廣應(yīng)用價值。

圖10 鹽X井下部地層平均機械鉆速對比

4 結(jié)論與建議

(1)根據(jù)獲取的各地層層面的空間網(wǎng)格數(shù)據(jù)，建立了地層傾角、傾向的計算方法，便于工程人員利用地質(zhì)資料準確計算地層自然傾斜規(guī)律;

(2)推薦了常用防斜打直鉆具組合類型，并針對典型鉆具組合，分析了鉆井參數(shù)影響鉆具組合力學(xué)性能的規(guī)律，為防斜鉆具組合的優(yōu)選提供了幫助;

(3)實例分析表明，利用地層自然傾斜規(guī)律，通過優(yōu)化地面井口位置，在滿足井眼軌跡自然中靶的同時，釋放鉆壓提高鉆速，該項技術(shù)是合理可行的。

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Study on Deviation Control Drilling Technology Based on Formation Tilt Law

LI Wen-fei(Drilling Technology Research Institute of Sinopec Shengli Oilfield，Dongying Shandong 257017，China)

Formation natural tilt，bottom hole assembly，drilling parameters are the main factors to affect the change trend of inclination orientation of the designed hole track.According to the formation level space grid data，the calculation methods of the formation dip and the dip direction were established;mechanical analysis was made on the relationship between the typical deviation control drilling tool assembly and drilling parameters.The application effects show that the real drilling trajectory is almost the same to the designed one.

formation dip;formation dip direction;deviation control drilling;bottom hole assembly;bit weight;drilling speed;hole trajectory

TE243

A

1672－7428(2012)08－0001－04

2012－03－09;

2012－07－02

國家科技重大專項“大型油氣田及煤層氣開發(fā)”(2011ZX05022－001)

李文飛(1978－)，男(漢族)，山東菏澤人，勝利石油管理局鉆井工藝研究院工程師，油氣井工程專業(yè)，博士，從事鉆井工程設(shè)計研究工作，山東省東營市東營區(qū)北一路827號，liwenfei.slyt@sinopec.com。