元壩氣田超深水平井隨鉆測量與控制技術(shù)

唐志軍　周金柱　趙洪山　李琳濤　施斌全　曾　敏（.勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營　5707；.勝利石油工程有限公司技術(shù)裝備處，山東東營　57000；.勝利石油管理局石油開發(fā)中心，山東東營　5709）

元壩氣田超深水平井隨鉆測量與控制技術(shù)

唐志軍1周金柱2趙洪山1李琳濤1施斌全1曾敏3
（1.勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營257017；2.勝利石油工程有限公司技術(shù)裝備處，山東東營257000；3.勝利石油管理局石油開發(fā)中心，山東東營257092）

元壩地區(qū)海相氣藏埋藏較深，主力儲(chǔ)層垂深超過6 500 m。該地區(qū)超深水平井鉆井過程中存在著高溫高壓、地層巖性復(fù)雜、測量儀器穩(wěn)定性差以及井眼軌跡控制難度大等難題，對水平井鉆井技術(shù)提出了更高要求。首先分析了元壩氣田的鉆井施工技術(shù)難點(diǎn)，通過開展直井段防斜打快技術(shù)、超深硬地層側(cè)鉆施工技術(shù)、增斜段和水平段井眼軌跡高效控制技術(shù)研究，以及耐高溫高壓SLBF HT175型隨鉆測量MWD儀器的研制，形成了元壩氣田超深水平井隨鉆測量與控制技術(shù)，大幅提高了元壩氣田超深水平井施工能力。SLBF HT175型隨鉆MWD儀器經(jīng)在元壩4口超深水平井中應(yīng)用，MWD耐溫性能、抗壓性能、測量精度和整體可靠性等經(jīng)過現(xiàn)場驗(yàn)證，能夠滿足國內(nèi)油氣田超深水平井的隨鉆測量需要。

元壩氣田；超深水平井；井眼軌跡控制；儀器研制；高溫高壓

元壩氣田是國內(nèi)埋藏最深的海相氣田，位于九龍山構(gòu)造帶南翼、通南巴背斜帶西南側(cè)，處于川中古隆起的北部斜坡，主力儲(chǔ)層為長興組地層，垂深超過6 500 m，地層溫度130～160 ℃，最高地層壓力近150 MPa。超深水平井技術(shù)由于能夠有效增加油藏泄油面積、減少單位面積開發(fā)井?dāng)?shù)量，已經(jīng)成為元壩氣田提高勘探開發(fā)綜合效益及采收率的重要手段［1-3］。針對該地區(qū)超深水平井鉆井存在的高溫、高壓、地層巖性復(fù)雜、測量儀器穩(wěn)定性差及軌跡控制難度大等技術(shù)難題，通過開展超深硬地層側(cè)鉆技術(shù)、增斜段和水平段井眼軌跡高效控制技術(shù)以及抗高溫高壓隨鉆測量儀器研制等一系列攻關(guān)研究，形成了適合元壩氣田超深水平井的隨鉆測量與控制技術(shù)。

1　鉆井難點(diǎn)分析

（1）深井硬地層側(cè)鉆施工難度大。元壩地區(qū)水平井由于目的層位置不容易確定，通常需要先打一直井或斜導(dǎo)眼，然后實(shí)施側(cè)鉆進(jìn)行水平井施工。由于側(cè)鉆點(diǎn)地層砂泥巖交錯(cuò)變化大，砂巖石英含量高，膠結(jié)致密，研磨性強(qiáng)，地層可鉆性差、硬度大，同時(shí)深井高溫對水泥漿體系和外加劑要求較高，回填水泥塞質(zhì)量難以保證，如果水泥塞強(qiáng)度不夠，鉆具在井底找不到支撐點(diǎn)，易發(fā)生側(cè)不出去或新老井眼交錯(cuò)［4-6］。

（2）井眼軌跡控制難度大。超深水平井由于地層巖性及壓力系統(tǒng)復(fù)雜特點(diǎn)，增斜段/水平段多為小井眼鉆進(jìn)，?101.6 mm鉆桿柔性大，鉆壓傳遞十分困難，定向施工過程中工具面可控性差，很難調(diào)整到位且容易偏移。加上裸眼井段長、巖屑床現(xiàn)象嚴(yán)重，摩阻大，滑動(dòng)鉆進(jìn)常有“托壓”現(xiàn)象，給定向鉆進(jìn)時(shí)井眼軌跡控制帶來困難。

（3）高溫高壓條件下工具儀器故障率高。鉆探實(shí)踐表明，元壩地區(qū)存在多套壓力體系且相差懸殊，最高地層壓力系數(shù)高達(dá)2.23，最低的地層壓力系數(shù)低于1.25，加之該地區(qū)井底溫度普遍在135℃以上。在井底高溫高壓環(huán)境下，MWD儀器容易出現(xiàn)信號差或無信號情況，螺桿鉆具工作壽命也會(huì)大幅降低，出現(xiàn)脫膠等復(fù)雜情況，從而影響正常鉆井施工［7-8］。

（4）鉆具負(fù)荷重。井深到達(dá)6 000 m以后，采用?139.7 mm和?127 mm復(fù)合鉆具，鉆具懸重達(dá)到250 t左右，如果井眼質(zhì)量不好，狗腿度較大，鉆井液潤滑性能差，上部鉆具基本接近抗拉強(qiáng)度極限，加上鉆具疲勞應(yīng)力作用，易發(fā)生鉆具事故，并且一旦出現(xiàn)地面問題或井下復(fù)雜情況，處理能力和處理手段有限。

（5）機(jī)械鉆速低。超深水平井如果設(shè)計(jì)鉆井液密度較大，會(huì)造成循環(huán)系統(tǒng)壓耗大、鉆井液排量低，動(dòng)力鉆具的額定功率得不到有效發(fā)揮，加上地層可鉆性較差、故障復(fù)雜情況多、鉆頭類型不匹配等因素影響，易造成鉆進(jìn)速度慢，造斜率得不到保證，這種情況在井深較深時(shí)更加突出。

2　井眼軌跡高效控制技術(shù)

2.1直井段防斜打快技術(shù)

為滿足定向井段的井眼軌跡控制要求，直井段提高機(jī)械鉆速的同時(shí)，還需確保防斜打直。元壩氣田直井段主要鉆遇劍門關(guān)組、蓬萊鎮(zhèn)組、沙溪廟組、千佛崖組、自流井組、須家河組和雷口坡組等地層，實(shí)鉆過程中應(yīng)根據(jù)地層自然造斜特性，優(yōu)選合適的防斜打直鉆具組合及其鉆井參數(shù)，對不容易造斜的地層，使用塔式鐘擺、柔性鐘擺、大鐘擺等常規(guī)糾斜鉆具進(jìn)行防斜施工；對容易造斜的地層，采用動(dòng)力鉆具糾斜或使用垂直鉆井系統(tǒng)；同時(shí)采用單點(diǎn)監(jiān)測和分段投測多點(diǎn)相結(jié)合的方式監(jiān)測直井段井眼軌跡。一旦發(fā)現(xiàn)位移偏大，應(yīng)及時(shí)采用糾偏措施，控制井眼狗腿度，確保井身質(zhì)量。

2.2超深硬地層側(cè)鉆施工技術(shù)

元壩氣田多數(shù)超深水平井需要先打一直井或斜導(dǎo)眼，然后實(shí)施側(cè)鉆進(jìn)行水平井施工。為了保證元壩超深水平井一次性側(cè)鉆成功，制定了如下技術(shù)措施或側(cè)鉆原則：（1）根據(jù)已鉆井眼的軌跡數(shù)據(jù)，在不影響整體軌跡控制的前提下，按照優(yōu)化軌道設(shè)計(jì)的原則，應(yīng)該選擇地層穩(wěn)定、可鉆性較好以及井斜方位變化有較大拐點(diǎn)的井段作為側(cè)鉆點(diǎn)。（2）選用高效三牙輪鉆頭，配合較大度數(shù)的單彎螺桿或者使用定向彎接頭加直螺桿的方式，保證鉆頭具有較強(qiáng)的側(cè)向力。（3）側(cè)鉆井段的水泥漿需要滿足承受100 kN靜壓的要求，并且可以適當(dāng)增加側(cè)鉆井段的有效長度。（4）鉆具下鉆至側(cè)鉆點(diǎn)附近后首先上下活動(dòng)鉆具，待工具面穩(wěn)定后，置于側(cè)鉆點(diǎn)位置定點(diǎn)循環(huán)1 h，然后遵循控時(shí)—控壓—低壓原則滑動(dòng)鉆進(jìn)。（5）側(cè)鉆期間，為避免鉆具黏卡，可以根據(jù)裸眼長度、地層巖性和井下情況適當(dāng)活動(dòng)鉆具，但不能破壞老井眼內(nèi)形成的新臺(tái)階［9］。遵循上述側(cè)鉆技術(shù)措施，元壩29-xxH井側(cè)鉆點(diǎn)選擇在地層穩(wěn)定、水泥石強(qiáng)度較好的6 640 m處開始側(cè)鉆。側(cè)鉆期間，采用高效牙輪+1.5°偏心單彎螺桿鉆具組合零鉆壓降斜降方位控時(shí)側(cè)鉆，鉆時(shí)290～320 min/m，最終該井側(cè)鉆至井深6 659.50 m時(shí)，經(jīng)地質(zhì)砂樣分析，巖屑質(zhì)量分?jǐn)?shù)占70%以上，并且經(jīng)新舊井眼軌跡掃描分析，夾壁墻厚度達(dá)0.45 m，表明側(cè)鉆一次成功。

2.3增斜段軌跡控制技術(shù)

元壩氣田超深水平井增斜段主要鉆遇嘉陵江組、飛仙關(guān)組、長興組等地層，巖性主要是灰?guī)r、白云巖、膏巖，地層堅(jiān)硬，巖性單一、均質(zhì)，可鉆性好，增斜段設(shè)計(jì)造斜率一般為10～15 （°）/100m，施工過程中井眼軌跡控制措施主要有以下幾個(gè)方面：（1）確保鉆井液排量達(dá)到設(shè)計(jì)值，滿足攜巖和螺桿鉆具水功率轉(zhuǎn)化效果的同時(shí)，保證MWD無線測量儀器的信號傳輸?；瑒?dòng)鉆進(jìn)時(shí)，采用小幅快速送鉆方式，可以有效減少鉆具軸向摩阻，保證動(dòng)力鉆具工作壓差保持為0.5～1.0 MPa。（2）井斜角小于30°時(shí)宜選擇牙輪鉆頭，主要是為了保證工具面的穩(wěn)定，減少反復(fù)調(diào)整工具面次數(shù)；當(dāng)井斜角大于30°時(shí)，在井底清潔、鉆壓能夠有效傳遞的情況下，盡量選用適合定向的PDC鉆頭，可以提高單趟鉆的鉆進(jìn)進(jìn)尺，從而有效減少起下鉆次數(shù)。（3）為了避免斜井段鉆進(jìn)期間復(fù)雜情況的發(fā)生，首先鉆具入井之前應(yīng)盡量簡化鉆具結(jié)構(gòu)，使用足夠的加重鉆桿，并且定期加強(qiáng)鉆具倒換；另外滑動(dòng)鉆進(jìn)過程中，應(yīng)該輔以復(fù)合鉆進(jìn)，加強(qiáng)全角變化率控制，減少斜井段狗腿度大小，保證井眼軌跡平滑。

2.4水平井著陸技術(shù)

元壩氣田由于受到地質(zhì)變化劇烈的影響，目的層垂直深度常常難以準(zhǔn)確判斷，加之產(chǎn)層形狀不規(guī)則，上部標(biāo)志層不明顯，給水平井著陸施工帶來較大困難。為避免因地質(zhì)變化大而造成中靶困難甚至填井，根據(jù)川東北超深水平井的施工經(jīng)驗(yàn)，在上部標(biāo)志層不容易確定的情況下，水平井著陸前，應(yīng)保持低于設(shè)計(jì)水平段井斜復(fù)合鉆進(jìn)，井斜預(yù)留量根據(jù)產(chǎn)層厚度、垂深和井眼在產(chǎn)層的位置確定。例如，元壩204-xxH井主要目的層為二疊系上統(tǒng)長興組頂部礁蓋（頂）儲(chǔ)層，設(shè)計(jì)A靶斜深6 772.79 m，垂深6 595 m，井斜86.91°。水平段著陸期間，當(dāng)定向至斜深6 740.1 m（垂深6 592.5 m）時(shí)，井斜為83.3°，開始復(fù)合鉆進(jìn)探氣頂，當(dāng)鉆至斜深6 759.23 m，垂深6 594.54 m，井斜84.4°，鉆時(shí)由25 min/m降至4 min/m，氣測值由2.9%升至46.99%，經(jīng)循環(huán)撈巖屑為灰色（溶孔）細(xì)晶白云巖，各種跡象顯示已進(jìn)入目的層，隨后將定向井斜調(diào)至87°后開始水平段復(fù)合鉆進(jìn)。

2.5水平段軌跡控制技術(shù)

元壩地區(qū)超深水平井水平井眼尺寸一般為?165.1 mm，水平段鉆井作業(yè)由于鉆具尺寸小、柔性大、鉆具和井壁的環(huán)空間隙小等特點(diǎn)，給施工帶來不少困難，例如，較大的鉆具偏心彎曲變形和軸向摩阻，容易導(dǎo)致滑動(dòng)鉆進(jìn)加壓困難；鉆井液排量相對較小，使得巖屑上返速度低，滑動(dòng)鉆進(jìn)過程中易形成巖屑沉積，等等，尤其是元壩氣田小井眼水平段長普遍在1 000 m左右，上述情況尤為突出。因此水平段施工過程中，應(yīng)盡量以轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方式為主，當(dāng)需要調(diào)整井眼軌跡時(shí)，在滿足鉆頭穿過產(chǎn)層的前提下，宜采用多次小幅度調(diào)整控制軌跡，確保井眼平滑，減少摩阻。另外，一些工程措施如必要的短起下、打鉆井液柱塞、通井大排量洗井以清除巖屑床等方式也是確保水平段順利施工的關(guān)鍵。元壩氣田水平段施工的鉆具組合一般為：?165.1 mm PDC鉆頭+?127 mm 1.25°螺桿+回壓閥+?120 mm無磁鉆鋌+MWD懸掛短節(jié)+?101.6 mm鉆桿+旁通閥+?101.6 mm加重鉆桿+?101.6 mm鉆桿+?139.7 mm鉆桿。鉆井參數(shù)為：鉆壓10～40 kN，頂驅(qū)轉(zhuǎn)速25～30 r/min，排量17～18 L/s。

3　耐高溫高壓隨鉆測量儀器研制

3.1SLBF HT175型MWD結(jié)構(gòu)及性能特點(diǎn)

自主研制的耐高溫高壓SLBF HT175型MWD隨鉆測量儀器井下部分主要由4部分組成，包括井下探管、脈沖發(fā)生器、驅(qū)動(dòng)短節(jié)及鋰電池總成，其中井下探管主要完成對鉆具姿態(tài)的描述，同時(shí)儲(chǔ)存測量信息并傳輸?shù)津?qū)動(dòng)器，然后控制并驅(qū)動(dòng)脈沖發(fā)生器將這些井下信息轉(zhuǎn)化成鉆井液脈沖信號傳輸?shù)降孛?。SLBF HT175型MWD可以連續(xù)監(jiān)測井底井斜角、方位角和工具面裝置角、以及井底溫度等參數(shù)，耐高溫能力可達(dá)175℃，最高抗壓152 MPa，該儀器性能指標(biāo)見表1。

表1　SLBF HT175型MWD性能指標(biāo)

3.2耐高溫高壓MWD關(guān)鍵部件研制

3.2.1井下探管

隨鉆測量MWD的井下探管主要由傳感器短節(jié)和電路測量短節(jié)組成。為了保證MWD在175℃高溫環(huán)境中能夠正常工作，探管所有的電子電路系統(tǒng)都以達(dá)到或超過175℃工作溫度和185℃生存溫度設(shè)計(jì)并制造；所有裝配的電子元器件都預(yù)先通過了高溫篩選；電路板的最優(yōu)化設(shè)計(jì)使之具有良好的散熱性能。為保證井下探管電路抗高溫性能，主要采用低功耗設(shè)計(jì)，低功耗設(shè)計(jì)不僅省電，而且能夠降低系統(tǒng)的散熱，減少電磁輻射和熱噪聲的干擾，隨著溫度的降低，器件壽命延長，可靠性提高（半導(dǎo)體器件的溫度每提高10℃，壽命縮短一半）。低功耗設(shè)計(jì)內(nèi)容包括：（1）在器件選擇上，選用高溫節(jié)能型集成芯片，即高溫低供電CMOS工藝的芯片。（2）在保證電路性能的前提下，降低電源工作電壓，提高電源轉(zhuǎn)化效率，同時(shí)簡化電路，減少元器件數(shù)量。（3）充分利用CPU的計(jì)算和處理功能來代替硬件電路，實(shí)現(xiàn)硬件的軟件化。

3.2.2高壓脈沖發(fā)生器

MWD脈沖發(fā)生器采用下座鍵可打撈式結(jié)構(gòu)，其最高工作溫度為175℃，最高耐壓152 MPa，外徑最小88.9 mm，適用于?127 mm及以上井眼，性能穩(wěn)定可靠。采用改進(jìn)的壓力補(bǔ)償功能可使脈沖器適應(yīng)更高的井下工作溫度和鉆井液循環(huán)壓力，使超深井中MWD儀器的測量信號清晰，并且電能消耗是同類型脈沖器的四分之一，在超深井中得到充分的應(yīng)用。另外，定向鉆進(jìn)過程中，由于鉆井液循環(huán)時(shí)的壓力高、流速快，并含有一定量的固體顆粒，與常規(guī)尺寸脈沖發(fā)生器相比小尺寸脈沖發(fā)生器鉆井液流道范圍小，鉆井液對脈沖發(fā)生器內(nèi)部零部件的沖刷作用更強(qiáng)，因此在關(guān)鍵部件中需要采用超硬耐沖蝕硬質(zhì)合金材料使儀器增加抗沖刷性能，提高了脈沖器的工作壽命。

4　現(xiàn)場應(yīng)用

自元壩氣田開發(fā)以來，勝利油田共完成了4口超深水平井的井眼軌跡控制施工，耐高溫高壓隨鉆測量儀器SLBF HT175也在現(xiàn)場進(jìn)行了多次試驗(yàn)應(yīng)用，取得了元壩氣田超深水平井豐富的施工經(jīng)驗(yàn)，并且創(chuàng)造了多項(xiàng)元壩地區(qū)鉆井施工新指標(biāo)，詳見表2所示。其中元壩29-xxH井從控時(shí)側(cè)鉆到完鉆僅用了53 d（不含中完作業(yè)時(shí)間），與元壩地區(qū)同類型井平均施工周期99 d相比，縮短了46%；元壩204-xxH完鉆井深7 676 m，鉆井周期354.54 d，創(chuàng)元壩氣田7 000 m以深超深水平井鉆井周期最短紀(jì)錄。另外，SLBF HT175型耐高溫高壓隨鉆MWD儀器經(jīng)在元壩4口超深水平井中累計(jì)工作時(shí)間達(dá)到3 800 h，最高耐溫145℃，耐壓150 MPa，其耐溫性能、抗壓性能、測量精度和整體可靠性等均得到了進(jìn)一步驗(yàn)證。

表2　元壩氣田4口完鉆超深水平井指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

5　結(jié)論與認(rèn)識

（1）通過開展元壩氣田直井段防斜打快技術(shù)、超深硬地層側(cè)鉆施工技術(shù)、增斜段和水平段井眼軌跡高效控制技術(shù)研究，以及耐高溫高壓隨鉆測量儀器研制等一系列技術(shù)攻關(guān)及應(yīng)用，大幅提高了元壩氣田超深水平井施工能力；

（2）自主研制的SLBF HT175型耐高溫高壓隨鉆MWD測量儀器可以連續(xù)監(jiān)測井底井斜角、方位角和工具面裝置角以及井底溫度等參數(shù)，耐高溫能力可達(dá)175℃，最高抗壓152 MPa，能夠滿足國內(nèi)油氣田超深水平井的隨鉆測量需要；

（3）盡管目前“高效鉆頭+單彎螺桿”鉆具組合基本能夠滿足國內(nèi)超深水平井開發(fā)需要，但是仍然存在機(jī)械鉆速低、施工風(fēng)險(xiǎn)大等技術(shù)難題，建議進(jìn)一步加快旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具、可變徑穩(wěn)定器等高效工具的研制與國產(chǎn)化進(jìn)程。

［1］吳國軍，佟德水．遼河油田興古7塊水平井鉆完井技術(shù)［J］．石油鉆采工藝，2011，33（3）：32-34．

［2］陳世春，王樹超．超深水平井鉆井技術(shù)［J］．石油鉆采工藝，2007，29（4）：6-9．

［3］靳恒濤，張寶民，白英明，等．吐哈地區(qū)深井鉆井技術(shù)研究與探討［M］．北京：石油工業(yè)出版社，2005．

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［5］閆光慶，劉匡曉，郭瑞昌，等．元壩272H井超深硬地層側(cè)鉆技術(shù)［J］．石油鉆探技術(shù)，2013，41（1）：113-117．

［6］楊二龍，王景翠，高玉鑫．超短半徑側(cè)鉆水平井選層技術(shù)界限研究［J］．石油鉆采工藝，2012，34（5）：33-36．

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［8］丁永浩，李舟波，馬宏宇．隨鉆測井技術(shù)的發(fā)展［J］．世界地質(zhì)，2004，23（3）：270-274．

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（修改稿收到日期2015-01-23）

〔編輯薛改珍〕

Measurement and control technology while drilling for ultra-deep horizontal wells in Yuanba Gasfield

TANG Zhijun1, ZHOU Jinzhu2, ZHAO Hongshan1, LI Lintao1, SHI Binquan1, ZENG Min3
（1. Drilling Technology Research Institute, Shengli Petroleum Engineering Co. Ltd., Dongying 257017, China; 2. Technology and Equipment Department of Shengli Petroleum Engineering Co. Ltd., Dongying 257000, China; 3. Oil Development Center of Shengli Petroleum Administration, Dongying 257092, China）

The marine gas pools in Yuanba region are buried deeply, and the major reservoirs have a vertical depth of over 6 500 m. During drilling of ultra-deep horizontal wells in this region, there are difficulties like high temperature and high pressure, complex formation lithologies, poor stability of measuring tools and difficulty in wellbore trajectory control, etc., so higher requirement is set for drilling technology for horizontal wells. First, analysis was performed to the difficulties in drilling operation in Yuanba Gasfield; through implementing the anti-deviation and fast drilling technology used in vertical wells, sidetracking technique for ultra-deep hard formations, efficient control technology for wellbore trajectory in building-up section and horizontal section, as well as the development of HTHP SLBF HT175 MWD tool, the MWD and control technology has been developed for ultra-deep horizontal wells in Yuanba Gas Field, which has greatly improved the capability of drilling of ultra-deep horizontal wells in Yuanba Gasfield. After SLBF HT175 MWD tool was used in four ultra-deep horizontal wells in Yuanba Gasfield, it was validated on site in terms of temperature resistance performance, pressure resistance performance, measuring accuracy and overal reliability, capable of meeting the requirement of MWD in ultra-deep horizontal wells in domestic oil/gas fields.

Yuanba Gasfield; ultra-deep horizontal well; control of wellbore trajectory; instrument development; high temperature and high pressure

TE249

A

1000 – 7393（ 2015 ） 02 – 0054 – 04

10.13639/j.odpt.2015.02.015

唐志軍，1961年生。2004年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（華東）石油工程專業(yè)，現(xiàn)主要從事鉆井工藝設(shè)計(jì)等方面的研究工作，教授級高級工程師。通訊地址：山東省東營市北一路827號鉆井工藝研究院。電話：0546-8501266。E-mail：tangzhijun.slsy@ sinopec.com。

引用格式：唐志軍，周金柱，趙洪山，等.元壩氣田超深水平井隨鉆測量與控制技術(shù)［J］.石油鉆采工藝，2015，37（2）：54-57.