涪陵頁巖氣水平井定向工藝技術(shù)實踐

胡小蘭 （中石化江漢石油工程有限公司鉆井一公司，湖北 潛江433121）

涪陵頁巖氣示范區(qū)地質(zhì)條件較為復雜，鉆井施工中存在漏失，井壁不穩(wěn)定，地層含硫化氫，為確保高效開發(fā)，水平井的鉆井速度提高非常關(guān)鍵。就目前焦石壩區(qū)塊水平井實際施工情況來看，經(jīng)過逐步攻關(guān)和探索，形成了包括井眼軌跡設(shè)計及控制、鉆頭選型、鉆具組合優(yōu)化、鉆井參數(shù)調(diào)整等為主的水平井定向工藝技術(shù)，在保證井身質(zhì)量的前提下，達到了提速提效的目的。

1 涪陵頁巖氣水平井難點

1）φ311.2mm井眼軟硬地層交錯、夾層多、巖性變化大，定向、復合鉆造斜率變化大。

2）三維井定向井段和水平段進尺占全井總進尺的70%以上。φ311.2mm造斜井段及裸眼井段長，地層可鉆性差，機械鉆速低。

3）三維井井口與A、B靶方位連線跨度距離長，造成φ311.2mm井眼大井斜穩(wěn)斜段長、大井斜扭方位工作量大，二開后期摩阻扭矩大，定向施工困難。

4）長水平段的軌跡控制難度大。由于標志層、目的層及地層傾角不明確，并且要穿越2個不同層位，造成軌跡控制難度增加，幾何導向技術(shù)控制井眼軌跡難度大。

5）水平段長，隨著井深和水平位移的延伸，重力效應突出。

6）井眼清潔、攜砂困難，巖屑上返井段長，造成巖屑沉積，易形成巖屑床。

2 井眼軌跡優(yōu)化設(shè)計

合理的軌道設(shè)計是長水平段水平井取得成功的關(guān)鍵，井身剖面在保證不超過鉆柱扭矩極限的情形下，還需要滿足盡量增大水平延伸距離，降低摩阻扭矩，提高鉆柱和測量工具的通過能力。設(shè)計低摩阻井眼軌道是非常重要的手段，較之常規(guī)水平井，涪陵地區(qū)長水平段水平井井眼軌跡設(shè)計具有特殊要求。

1）采用漸增式定向模式，在剛開始定向時盡可能采用較低的造斜率施工，降低最大側(cè)向力，保證井眼軌跡平滑，降低全井摩阻扭矩，提高鉆柱和測量工具的通過能力，保證井下鉆具安全。

通過摩阻扭矩計算分析，一口井中側(cè)向力最大的井段主要在造斜點以下100m左右的井段。而側(cè)向力越大，摩阻扭矩就越大，同時對鉆柱及套管的磨損和破壞也越大，并且鉆柱、套管發(fā)生屈曲破壞、斷裂基本上也全在造斜點附近側(cè)向力最大的井段。為減少側(cè)向力，主要對井眼剖面進行了優(yōu)化，降低造斜點附近的井眼曲率變化。以焦頁9－2HF井為例，分別做出2種剖面，剖面1是直接以設(shè)計造斜率連續(xù)定向施工，剖面2是先以小造斜率定向，然后遞增直到穩(wěn)定在設(shè)計造斜率，造斜點均為1800m。通過摩阻軟件計算 （見圖1、2；表1），可以看出在造斜點附近，剖面1的側(cè)向力明顯大于剖面2，起下鉆、下套管的摩阻也明顯大于剖面2。

圖1 剖面1起鉆工況側(cè)向力計算

圖2 剖面2起鉆工況側(cè)向力計算

2）剖面設(shè)計中預留相應的調(diào)整段進尺和探頂段進尺，以應對靶點的臨時調(diào)整。由于二開中完前有濁積砂井段，該井段地層垂深不確定、可鉆性很差、定向易卡。因此，剖面設(shè)計中，必須在二開中完前和三開時設(shè)計一段復合鉆 （不低于60m）穿過濁積砂井段，以避開濁積砂井段定向。

3）采用復合鉆輔助增斜技術(shù)，增加復合鉆進尺，減少定向進尺，提高φ311.2mm大井眼定向速度，保證井眼軌跡的平滑。

4）涪陵焦石壩區(qū)塊尚屬新區(qū)塊，地層的不確定因素較多，對于目的層的具體位置無法進行精確判斷。因此，往往在定向施工的中期、后期甚至水平段，經(jīng)常會對設(shè)計目的層靶點進行臨時改動，并且上下調(diào)整幅度很大。①由于一般在井斜70～75°左右，地層的對比基本可以明確，目的層垂深的調(diào)整已經(jīng)可以大致確定。在做剖面時，在井斜70°左右加上一段30～50m的復合鉆調(diào)整段，以隨時應對靶點垂深的調(diào)整。此時不論靶點是上提還是下移，軌跡的調(diào)整空間都比較大。②在進入設(shè)計目的層前，以小于設(shè)計井斜2°左右的井斜角，預留一段20～30m的復合探頂段，以應對目的層垂深的最終調(diào)整。采用穩(wěn)斜探頂?shù)姆椒?，準確地探知目的層頂?shù)奈恢煤螅俑鶕?jù)需要增至設(shè)計井斜，這樣能夠有效克服地層不確定度，提高進層控制的成功率。③采用 “低－高－低”的變曲率剖面。初始定向時為減小側(cè)向力，采用低造斜率施工；定向中期 （井斜70°以前）采用略高于設(shè)計的造斜率，將井斜定至高于設(shè)計井斜；后期再采用低于設(shè)計的造斜率施工。這樣設(shè)計的目的，是為了保證當靶點垂深臨時調(diào)整時，可以在不用更換大度數(shù)螺桿的前提下，以原設(shè)計的造斜率去應對靶點調(diào)整，避免了造斜率的突增造成過高的局部狗腿，保證了井眼的平滑。

表1 各工況下2種剖面摩阻對比表

綜上所述，井眼軌跡優(yōu)化如下：

二維井剖面，剖面類型選為單圓弧剖面 （直井段－增斜段－水平段），定向至井斜20～30°，采用復合鉆增斜 （造斜率0.06～0.1°/m ）直到中完 （50～55°）。

三維井剖面，剖面類型選為五段制剖面 （直井段－增斜段－微增斜段－增斜段－水平段），定向至井斜25°左右，復合鉆600～1400m，井斜微增到35～40°（造斜率0.01～0.02°/m），定向扭連線方位，然后復合鉆微增斜直到中完 （50～55°）。

優(yōu)化后的井眼剖面，非常適合于涪陵地區(qū)水平井的特點，在提高定向機械鉆速的同時，能有效降低全井摩阻和扭矩。

3 井眼軌跡控制技術(shù)

3.1 二開大井眼長穩(wěn)斜段控制

φ311.2mm大井眼長穩(wěn)斜段一直是涪陵區(qū)塊，同時也是國內(nèi)定向技術(shù)方面的難題。涪陵焦石壩區(qū)塊以三維水平井為主，一般在井斜25°左右以后需要穩(wěn)斜或微增進尺達到600～1400m，穩(wěn)斜段非常長，鉆具組合的選擇和調(diào)整非常關(guān)鍵。如果鉆具選擇合理，采用PDC＋螺桿復合鉆進，沒有或只有極少的定向進尺，可以極大地提高機械鉆速。反之，則會頻繁地起下鉆，不斷調(diào)整鉆具組合或者頻繁地定向，井眼軌跡差，行程鉆速低，摩阻扭矩大。

研究表明，單彎雙穩(wěn)導向鉆具近鉆頭穩(wěn)定器到上穩(wěn)定器的距離及上穩(wěn)定器的直徑、螺桿鉆具彎度大小的變化，都對復合鉆進增斜力有一定的影響。目前已創(chuàng)新總結(jié)出一套比較成熟的適合φ311.2mm大井眼長穩(wěn)斜段的鉆具組合：

φ311.2mmPDC鉆頭＋φ216mm×1.25°單彎螺桿＋φ203.2mm短鉆鋌＋φ285mm 扶正器＋浮閥＋φ203.2mm無磁鉆挺＋LWD組件＋φ127mm加重鉆桿

該鉆具采用1.25°單彎螺桿和φ285mm欠尺寸扶正器，并且在螺桿與欠尺寸扶正器之間加了一根短鉆鋌。在實際施工中，復合鉆平均增斜率0.01～0.02°/m，比較穩(wěn)定，非常符合井眼剖面中井斜微增的要求。由于地層原因，每口井使用相同的鉆具組合，其穩(wěn)斜效果會產(chǎn)生不同的變化。實際施工中，根據(jù)每口井的地層特點，只需通過調(diào)整短鉆鋌長度就可完成對井斜增降幅度的調(diào)整，非常靈活，易于操作。

鉆具的調(diào)整把握一個原則，即復合鉆增斜宜小不宜大，要盡量避免因復合鉆增斜過快而不斷地進行定向降斜，這樣會造成井眼軌跡的不平滑，造成井下的摩阻扭矩的急劇增加。至于通過鉆壓參數(shù)的調(diào)整，由于井眼尺寸大、鉆具剛性較強，對井斜的增降影響比較微弱，但可以通過改變劃眼次數(shù)來減緩井斜的增降幅度。

3.2 長水平段控制

長水平段水平井是頁巖氣開發(fā)的主要鉆井方式，如何能在長水平段維持井斜與方位的穩(wěn)定是水平井鉆井成功與否的關(guān)鍵，選擇合適的穩(wěn)斜鉆具組合也就變得尤為重要。在水平段控制中，要求鉆具組合具有一定的糾斜能力，可在定向狀態(tài)進行有效的增降井斜和糾方位操作，可在復合鉆基礎(chǔ)上鉆出長穩(wěn)斜段。

通過摸索實踐，總結(jié)出了一套適合焦石壩區(qū)塊頁巖氣長水平段穿行的鉆具組合：

φ215.9mmPDC鉆頭＋φ72mm×0.75°單彎螺桿＋φ213mm扶正器＋浮閥＋φ127mm無磁承壓鉆桿＋LWD組件＋φ127mm加重鉆桿×9根＋φ127mm鉆桿 （倒裝）＋φ127mm加重鉆桿×21根

這種鉆具采用小度數(shù)0.75°單彎螺桿，在起到穩(wěn)斜作用的同時，可保證一定糾斜能力。同時，螺桿本體扶正塊尺寸定做為φ211～212mm，上端欠尺寸扶正器采用φ213mm，形成下小上大，能起到很好的穩(wěn)斜效果，并可通過調(diào)整鉆壓來達到輔助穩(wěn)斜的效果。另外，采用不完全倒裝鉆具，在下部保留一定數(shù)量的加重鉆桿，以加強下部鉆具的剛性，減弱鉆具的增斜效果。

該鉆具組合穩(wěn)斜效果非常明顯，復合鉆平均增斜率只有0～0.01°/m，保證了井眼軌跡的平滑，在減少定向糾斜工作量的同時，提高了機械鉆速。

但由于每口井的地質(zhì)情況不同，穩(wěn)斜效果肯定也有所變化。實鉆過程中，可以通過每口井水平段的穩(wěn)斜效果進行鉆具組合的微調(diào)，通過改變欠尺寸扶正器尺寸、使用短螺桿、改變螺桿扶正器尺寸等方法進一步優(yōu)化鉆具組合，以達到高質(zhì)量、高速度的鉆進效果。長水平段穿行時采取以復合鉆進為主、滑動鉆進為輔、堅持 “勤調(diào)微調(diào)”的原則，合理調(diào)整滑動鉆進與復合鉆進的比例，以控制或減緩井斜的變化趨勢，這樣既能夠起到很好的穩(wěn)斜效果，又能避免水平段軌跡大幅度的起伏，有效地保證了井眼軌跡質(zhì)量，確保井眼軌跡平滑。同時，還可利用調(diào)整鉆壓、增加劃眼次數(shù)的方式來達到控制井斜的目的。

另外，在水平段控制中，必須要考慮井眼慣性的影響。在鉆進過程中需要調(diào)整工具的造斜率，但調(diào)整的結(jié)果并不能夠馬上實現(xiàn)按調(diào)整后的造斜率鉆進，會沿原井眼前進趨勢繼續(xù)鉆進一段后，才能實現(xiàn)按調(diào)整后的造斜率鉆進，這種調(diào)整的滯后現(xiàn)象被稱之為 “井眼慣性”，也是指從一種井眼曲率變化到另一種井眼曲率時需一定長度的過渡井段。

4 泡沫定向技術(shù)

為解決φ311.2mm大井眼定向速度慢的問題，同時起到防漏作用，在國內(nèi)首次應用了泡沫定向技術(shù)，在焦頁13－2HF井和焦頁9－1HF井初步試驗成功。

通過將EMWD電磁波儀器抗震性和穩(wěn)定性加強后，在焦頁13－1HF井進行了第3次泡沫定向試驗。在該井二疊系茅口組－志留系韓家店組實施泡沫鉆定向技術(shù)，進尺524.92m，定向機械鉆速4.75m/h，復合機械鉆速14.65m/h，平均機械鉆速達到9.7m/h。泡沫鉆定向技術(shù)在涪陵地區(qū)頁巖氣井成功應用，為今后在易漏地層實施定向鉆進具有較好的指導作用。

5 結(jié)論及建議

1）頁巖氣長水平段水平井的成功實施必須集成應用井身結(jié)構(gòu)與井眼軌跡優(yōu)化、摩阻扭矩預測與控制、井眼軌跡精確控制、井壁穩(wěn)定及井眼清潔、長水平段套管下入等多項先進技術(shù)。

2）合理的低摩阻井眼剖面是長水平段延伸的基礎(chǔ)，鉆具組合的優(yōu)化是長水平段延伸的關(guān)鍵，靈活的、可操作性高的調(diào)整剖面是水平井準確著陸的保證。

3）涪陵頁巖氣長水平段水平井中，二開長穩(wěn)斜段的穩(wěn)斜效果會影響全井的摩阻扭矩大小。

4）泡沫定向技術(shù)在涪陵頁巖氣水平井中的應用，為今后易漏地層實施定向施工指明了方向。