涪陵頁巖氣田三維水平井井眼軌跡控制技術(shù)

沈國兵， 劉明國， 晁文學(xué)， 張金成

(1.中石化中原石油工程有限公司鉆井工程技術(shù)研究院，河南濮陽 457001；2.中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101)

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?鉆井完井?

涪陵頁巖氣田三維水平井井眼軌跡控制技術(shù)

沈國兵1， 劉明國1， 晁文學(xué)1， 張金成2

(1.中石化中原石油工程有限公司鉆井工程技術(shù)研究院，河南濮陽 457001；2.中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101)

摘要：為滿足地理環(huán)境條件和頁巖氣高效開發(fā)需要，涪陵頁巖氣田采用“井工廠”模式開發(fā)，多采用中、長(zhǎng)半徑三維水平井。針對(duì)原井眼軌道設(shè)計(jì)不利于三維水平井優(yōu)快定向鉆井、三維井眼軌跡控制難度大、三維井眼摩阻扭矩大等技術(shù)難點(diǎn)，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，應(yīng)用三維水平井井眼軌跡控制、三維井眼降摩減阻等技術(shù)，以提高三維水平井機(jī)械鉆速，縮短定向鉆井周期。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，涪陵頁巖氣田三維水平井二開定向周期縮短46.36%，三開定向周期縮短5.76%，成效顯著。

關(guān)鍵詞：頁巖氣；水平井；井眼軌道設(shè)計(jì)；井眼軌跡控制；涪陵地區(qū)

涪陵頁巖氣田位于川東南地區(qū)川東高陡褶皺帶包鸞-焦石壩背斜帶焦石壩構(gòu)造帶，目的層為上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組下部頁巖氣層段，目的層最大主應(yīng)力的方向?yàn)闁|西走向。該氣田所在地屬山地-丘陵地貌，為最大限度地減小井場(chǎng)數(shù)量、單井占地面積以及降低地面工程造價(jià)，提高頁巖氣整體開發(fā)效益，頁巖氣開發(fā)主要采用叢式水平井[1]，同時(shí)為了滿足高效開發(fā)(集中壓裂)需要，靶體方位一般設(shè)計(jì)為與最大主應(yīng)力方向垂直的南北方向，或者設(shè)計(jì)為與最大主應(yīng)力斜交的方向。實(shí)際井口與入窗點(diǎn)的閉合方位及水平段靶體方位并不在同一條直線上，因而該地區(qū)所鉆水平井絕大多數(shù)為三維水平井。相對(duì)于常規(guī)水平井，三維水平井的井眼軌道設(shè)計(jì)更為復(fù)雜，摩阻扭矩大，工具面擺放與井眼軌跡控制困難，鉆井難度更大。目前國內(nèi)已經(jīng)基本形成三維水平井配套鉆井技術(shù)[2-5]，并取得了比較好的提速效果，但在井眼軌道設(shè)計(jì)與優(yōu)化、井眼軌跡控制等方面仍需要進(jìn)一步完善。為此，筆者分析了涪陵頁巖氣田定向鉆井面臨的技術(shù)難點(diǎn)，對(duì)定向鉆井關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)，旨在為涪陵頁巖氣田現(xiàn)場(chǎng)定向鉆井及下一步鉆井技術(shù)研究提供借鑒與指導(dǎo)。

1三維井眼定向鉆井技術(shù)難點(diǎn)

1) 原井眼軌道設(shè)計(jì)不利于三維水平井優(yōu)快定向鉆井。涪陵頁巖氣水平井一期工程井眼軌道設(shè)計(jì)(見表1)具有以下特點(diǎn)：①水平井采用“直—增—穩(wěn)—增—平”雙增式井眼軌道，與二維水平井井眼軌道設(shè)計(jì)基本類似；②穩(wěn)斜段長(zhǎng)，大都在1 000.00 m以上，采用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井成本過高，利用常規(guī)定向鉆具鉆進(jìn)機(jī)械鉆速也不低，但長(zhǎng)穩(wěn)斜段限制了常規(guī)定向鉆具的提速優(yōu)勢(shì)；③靶前位移大多在900.00 m以上，甚至有的達(dá)到1 000.00 m以上，而造斜點(diǎn)選擇又過于靠上，一般在井深1 100.00～1 600.00 m處。上述特點(diǎn)不利于三維水平井優(yōu)快定向鉆井，如長(zhǎng)穩(wěn)斜段施工中采用單彎雙穩(wěn)螺桿時(shí)穩(wěn)斜困難，需經(jīng)常通過滑動(dòng)鉆進(jìn)調(diào)整，在三維井段雙穩(wěn)鉆具組合定向工具面不易調(diào)整，影響滑動(dòng)鉆進(jìn)效果，另外單彎雙穩(wěn)螺桿鉆具組合的剛性強(qiáng)，雙驅(qū)復(fù)合鉆進(jìn)時(shí)易引起井下蹩鉆甚至蹩停頂驅(qū)；造斜點(diǎn)過于靠上，勢(shì)必會(huì)增加定向段長(zhǎng)，延長(zhǎng)定向鉆井周期。

表1　涪陵頁巖氣水平井井眼軌道設(shè)計(jì)情況

2) 三維井眼軌跡控制難度大。涪陵頁巖氣田水平井設(shè)計(jì)偏移距(側(cè)向位移)較大，一般在600.00 m左右[1]，如果提前扭方位，實(shí)際偏移距肯定達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，會(huì)造成入窗困難；如果滯后扭方位，實(shí)際偏移距達(dá)到設(shè)計(jì)要求，則靶前位移又無法滿足定向工具造斜要求，在增斜的同時(shí)需要控制方位的變化，尤其在井斜較大時(shí)調(diào)整方位尤為困難。為能順利命中目標(biāo)，三維井眼軌跡控制過程中既要考慮偏移距(側(cè)向位移)的變化，又要考慮到靶前位移的變化，控制難度較大。

3) 三維井眼摩阻扭矩大。三維水平井斜井段需要增斜和扭方位，鉆具在下鉆、滑動(dòng)鉆進(jìn)等工況下易發(fā)生屈曲，鉆具與井壁接觸面大，摩阻扭矩大(與二維水平井相比)，托壓嚴(yán)重，鉆壓無法有效傳遞到鉆頭上，導(dǎo)致鉆井速度低，定向鉆井周期長(zhǎng)。如焦頁18-1HF井，上部井眼因扭方位使全角變化率大，導(dǎo)致摩阻扭矩大而造成定向工具面無法擺放到位，同一位置鉆具反復(fù)上提下放，定向鉆進(jìn)困難，鉆時(shí)普遍在45～60 min/m(正常情況下定向鉆時(shí)6～15 min/m)，從而延長(zhǎng)了定向鉆井周期。

2技術(shù)思路及關(guān)鍵技術(shù)

針對(duì)原井眼軌道設(shè)計(jì)不利于三維水平井優(yōu)快定向鉆井的問題，以摩阻扭矩最小化為目標(biāo)，對(duì)制約三維井眼定向鉆井提速的原井眼軌道類型及軌道參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化與完善，形成三維井眼軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)，以提高三維井眼定向鉆進(jìn)速度；針對(duì)三維井眼軌跡控制難度大的問題，從安全鉆井及便于現(xiàn)場(chǎng)定向施工的角度考慮，采取分段精細(xì)控制的方式，優(yōu)化各井段井眼軌跡控制方案，形成三維井眼軌跡控制技術(shù)，以降低三維井眼定向施工難度；針對(duì)三維井眼摩阻扭矩大的問題，主要應(yīng)用降摩減扭工具，盡量減少托壓現(xiàn)象的發(fā)生，形成三維井眼降摩減扭技術(shù)，以提高三維井眼軌跡控制效率。

2.1三維井眼軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)

三維井眼軌道優(yōu)化思路：1)提出三維井眼軌道類型，明確變方位及入窗時(shí)機(jī)，提高現(xiàn)場(chǎng)可操作性；2)利用靶前位移優(yōu)勢(shì)，造斜點(diǎn)盡量下調(diào)，縮短穩(wěn)斜段長(zhǎng)度，縮短鉆井周期；3)盡量減少大井斜時(shí)扭方位的工作量，爭(zhēng)取在穩(wěn)斜段變方位；4)基于降摩減扭理論，優(yōu)化三維井眼軌道全角變化率及穩(wěn)斜段的井斜角。

運(yùn)用鉆井一體化軟件將三維水平井井眼軌道優(yōu)化為六段制，即直井段、糾偏井段、穩(wěn)斜變方位井段、增斜變方位井段、著陸段和水平段(如圖1所示)[5]，相關(guān)參數(shù)見表2。其中，糾偏井段為φ311.1 mm井眼二維增斜段，需全力增斜；穩(wěn)斜變方位井段，要全力扭方位，減少下步大井斜井段扭方位的工作量；增斜變方位井段，以增斜為主，適當(dāng)變方位；著陸段基本以增斜入窗為主，微調(diào)軌道參數(shù)，探氣層頂面。

圖1　三維水平井六段制井眼軌道水平投影Fig.1　Horizontal projection of six-section hole profile of 3D horizontal wells

Table 2Parameter optimization of six-section hole profile of 3D horizontal wells

井段井段長(zhǎng)度/m井斜角/(°)全角變化率/((°)·(100m)-1)直井段1900.00～2200.00≤3≤2糾偏井段500.00～800.0040～65≤15穩(wěn)斜變方位井段150.00～200.0040～65≤14增斜變方位井段400.00～500.00≤86≤15著陸段50.00～100.0085～90≤13水平段1000.00～2000.00≤93≤6

2.2三維井眼軌跡控制技術(shù)

與二維井眼軌跡控制不同的是，三維水平井有較大的偏移距，由此帶來的變方位工作量較大，尤其在大斜度井段，變方位較為困難，定向鉆進(jìn)周期長(zhǎng)，井眼軌跡不圓滑對(duì)后續(xù)完井作業(yè)及井下安全都帶來不利影響。因此，三維水平井設(shè)計(jì)采取分段精細(xì)控制的方式，加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)控制，從宏觀角度控制井眼軌跡。

2.2.1糾偏井段

糾偏井段的主要任務(wù)是盡快減小偏移距，既要考慮后續(xù)中靶要求，又要使下部井段扭方位工作量不致于太大，因此糾偏方位的選擇尤為重要。另外，該井段處于二開大尺寸井眼，鉆具尺寸大、剛性強(qiáng)，鉆進(jìn)中摩阻扭矩大，工具面不易掌控，定向效率低，需要對(duì)鉆具組合進(jìn)行優(yōu)選并優(yōu)化鉆井參數(shù)。

1) 糾偏方位選擇。假定靶體方位為0°，靶體長(zhǎng)度1 600.00 m，靶前位移950.00 m，側(cè)向位移630.00 m，選擇與靶體方位呈55°、60°、65°、75°和90°等5種角度進(jìn)行糾偏，模擬計(jì)算消除的偏移距，采用考慮鉆井液黏滯力的三維軟桿模型計(jì)算井眼軌跡的摩阻扭矩[6]，據(jù)此選擇合適的糾偏方位(見表3)。

表3不同糾偏方位下的井眼軌跡摩阻扭矩評(píng)價(jià)結(jié)果

Table 3Evaluation results of trajectory drag and torque in different rectified azimuths

糾偏方位/(°)糾偏距/m摩阻/kN上提下放復(fù)合鉆扭矩/(kN·m)55200.0048.8121.828.960240.0031.855.121.865330.0020.869.822.975350.0021.660.122.190410.0019.864.922.5

由表3可知，糾偏方位越大，越能盡快消除偏移距，摩阻與扭矩總體來說也相應(yīng)較小，若以與靶體方位接近垂直的角度進(jìn)行糾偏，雖然能較快消除偏移距，但勢(shì)必會(huì)增加后續(xù)扭方位的工作量，且扭矩也有所增大?？紤]現(xiàn)場(chǎng)施工便利，糾偏方位不宜過大，建議糾偏方位與靶體方位的夾角為±(60°～70°)。

2) 鉆具組合及參數(shù)選擇?；谛拚摹叭c(diǎn)定圓法”[7]理論，通過分析螺桿的彎角度數(shù)，近鉆頭穩(wěn)定器、螺桿和鉆鋌的尺寸，以及鉆壓、轉(zhuǎn)速等鉆井參數(shù)對(duì)大尺寸鉆具組合造斜率的影響，優(yōu)選出大尺寸井眼定向鉆具組合：φ311.1 mm PDC鉆頭+φ215.9 mm(1.00°～1.25°)螺桿(φ305.0～φ308.0 mm近鉆頭穩(wěn)定器)+φ203.2 mm止回閥+φ203.2 mm無磁鉆鋌+φ203.2 mm無線儀器短懸掛器+φ177.8 mm鉆鋌×3根+φ139.7 mm加重鉆桿×(12～18根)+φ139.7 mm鉆桿。鉆井參數(shù)：鉆壓40～80 kN，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速 50 r/min，排量 55～60 L/s，泵壓16～19 MPa。

2.2.2穩(wěn)斜變方位井段

依據(jù)設(shè)計(jì)的井眼軌道，穩(wěn)斜變方位井段位于三維變方位井段，經(jīng)糾偏井段后井斜角可達(dá)到40°以上，偏移距減小到合理范圍，即井眼軌跡進(jìn)入變方位安全窗口，開始三維穩(wěn)斜變方位。該井段要盡可能多地進(jìn)行變方位工作，以減少三開井段扭方位的工作量。

1) 變方位安全窗口的確定。假定靶體方位角為0°，靶體長(zhǎng)度1 600.00 m，靶前位移950.00 m，側(cè)向位移630.00 m，穩(wěn)斜段井斜角65°，糾偏方位為65°，當(dāng)偏移距變化時(shí)，模擬計(jì)算井眼軌跡后續(xù)全角變化率及方位變化情況，結(jié)果見表4。

表4　不同偏移距后續(xù)井眼軌跡參數(shù)的變化

由表4可知：當(dāng)剩余偏移距為總偏移距的50%以上時(shí)扭方位，后續(xù)井眼軌跡全角變化率較小，但扭方位過早易出現(xiàn)方位扭過頭現(xiàn)象；當(dāng)剩余偏移距為總偏移距的30%以下時(shí)扭方位，后續(xù)井眼軌跡全角變化率較大，給三開大井斜變方位帶來困難。綜合評(píng)價(jià)認(rèn)為，選擇剩余偏移距與總偏移距比例(余量比例)35%～45%為變方位安全窗口，此時(shí)扭方位時(shí)機(jī)較恰當(dāng)。

2) 鉆具組合及參數(shù)選擇。簡(jiǎn)化鉆具組合，去掉φ177.8 mm鉆鋌，倒裝加重鉆桿，減小鉆具與井壁的接觸面積，有利于控制定向工具面，提高定向效果。因此，推薦鉆具組合為：φ311.1 mm PDC鉆頭+φ215.9 mm(1.00°～1.25°)螺桿(φ305.0～φ308.0 mm近鉆頭穩(wěn)定器)+φ203.2 mm止回閥+φ203.2 mm無磁鉆鋌+φ203.2 mm無線儀器短懸掛器+φ139.7 mm鉆桿×(12～15)根+φ139.7 mm加重鉆桿+φ139.7 mm鉆桿。鉆井參數(shù)：鉆壓40～80 kN，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速50 r/min，排量55～60 L/s，泵壓17～21 MPa。

2.2.3增斜變方位井段

增斜變方位井段主要以增斜鉆進(jìn)為主，略帶部分扭方位作業(yè)，為能給著陸井段提供良好的井眼條件，關(guān)鍵在于如何減小測(cè)量盲區(qū)對(duì)井眼軌跡控制的影響，即如何根據(jù)定向工具面的動(dòng)態(tài)變化，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)井眼軌道參數(shù)，防止因盲區(qū)預(yù)測(cè)不準(zhǔn)確、三維井眼軌跡造斜率達(dá)不到要求而出現(xiàn)的急拐彎現(xiàn)象。加強(qiáng)三維井眼軌道預(yù)測(cè)的成功率及精度，堅(jiān)持“少滑動(dòng)、多復(fù)合、微調(diào)勤調(diào)”原則，合理調(diào)整滑動(dòng)鉆進(jìn)與復(fù)合鉆進(jìn)的比例，可以確保后續(xù)井眼軌跡圓滑，規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)。

1) 三維井眼軌道的精確預(yù)測(cè)。井眼軌道預(yù)測(cè)多采用定曲率幾何外推法，或者兩測(cè)點(diǎn)中間插值預(yù)測(cè)法，該方法在二維井眼軌道預(yù)測(cè)中可以取得不錯(cuò)的效果，但在既增斜又變方位的三維井眼軌道預(yù)測(cè)中，誤差較大。借鑒文獻(xiàn)[8]的模型來同時(shí)預(yù)測(cè)井斜角和方位角，為提高預(yù)測(cè)精度，必須動(dòng)態(tài)加入新陳代謝更新模塊，去掉原來的老數(shù)據(jù)，補(bǔ)充當(dāng)前的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。整體技術(shù)思路如圖2所示。

圖2　三維井眼軌道精確預(yù)測(cè)技術(shù)路線Fig.2　Technical route for the accurate prediction of 3D well trajectory

該技術(shù)在焦頁49-3HF井、焦頁56-4HF井等4口井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，利用測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)鉆頭處的井斜角，絕對(duì)誤差不超過0.25°，具有較高的工程精度。

2) 鉆具組合及參數(shù)選擇。在下部鉆具組合中加1～2柱加重鉆桿，以增加鉆具剛性，提高工具面的穩(wěn)定性。上部鉆具組合中斜坡鉆桿以上應(yīng)用φ139.7 mm鉆桿及加重鉆桿，增大排量，提高鉆頭水功率。因此，推薦的鉆具組合為：φ215.9 mm PDC鉆頭+φ172.0 mm(1.25°～1.50°)螺桿+φ127.0 mm無磁承壓鉆桿+φ158.8 mm無線儀器懸掛器+φ127.0 mm止回閥+φ127.0 mm加重鉆桿×(3～6根)+φ127.0 mm斜坡鉆桿+φ139.7 mm加重鉆桿+φ139.7 mm鉆桿。鉆井參數(shù)：鉆壓60～80 kN，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速40 r/min，排量29～32 L/s，泵壓19～22 MPa。

2.2.4著陸井段

著陸井段井眼軌跡控制的關(guān)鍵在于矢量入靶，確定好入靶角度。著陸之前最好借鑒油藏建模思路，通過區(qū)域地震及鄰井的鉆井、測(cè)井、錄井等資料建立隨鉆前導(dǎo)模型，對(duì)目的層走向、傾向、傾角有一定認(rèn)識(shí)，并與現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)人員緊密結(jié)合，確保準(zhǔn)確著陸。

1) 入靶角度確定。對(duì)于目的層上傾、傾角大于90°的情況，應(yīng)控制井眼軌跡在入靶點(diǎn)前20.00～30.00 m，垂深達(dá)到目的層頂部位置，入靶角度達(dá)到比最大井斜角小4°～5°，進(jìn)入目的層后能及時(shí)在入靶點(diǎn)前調(diào)整到最大井斜角，使井眼軌跡控制在距層頂1 m范圍內(nèi)[9]。

對(duì)于目的層下傾、傾角小于90°的情況，靶前位移可提前，探頂井斜角可略小，可控制井眼軌跡在入靶點(diǎn)前20.00～30.00 m，入靶角度達(dá)到比最大井斜角小2°～3°，進(jìn)入目的層后地層下傾，井眼軌跡能在入靶點(diǎn)前追上地層，達(dá)到地質(zhì)要求[9]。

2) 鉆具組合及參數(shù)選擇。推薦鉆具組合為：φ215.9 mm PDC鉆頭+φ172.0 mm(1.00°～1.25°)螺桿+φ127.0 mm無磁承壓鉆桿+φ158.8 mm無線儀器懸掛器+φ127.0 mm止回閥+φ127.0 mm加重鉆桿×(3～6根)+φ127.0 mm斜坡鉆桿+φ139.7 mm加重鉆桿+φ139.7 mm鉆桿。鉆井參數(shù)：鉆壓60～80 kN，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速40 r/min，排量29～32 L/s，泵壓19～22 MPa。

2.3三維井眼降摩減阻技術(shù)

三維井眼由于存在變方位井段，定向鉆進(jìn)中滑動(dòng)摩阻急劇增加，托壓現(xiàn)象明顯[10]。如何有效解決三維井眼鉆進(jìn)中的托壓?jiǎn)栴}，成為三維井眼提速的關(guān)鍵點(diǎn)之一。

為了解決三維井眼滑動(dòng)鉆進(jìn)時(shí)的托壓?jiǎn)栴}，試驗(yàn)應(yīng)用了水力振蕩器，該工具通過周期性振蕩鉆柱，減小滑動(dòng)鉆進(jìn)時(shí)井壁與鉆桿之間的摩擦，改善鉆壓傳遞，進(jìn)一步提高滑動(dòng)鉆進(jìn)能力[11]。水力振蕩器在焦頁49-1HF井進(jìn)行了應(yīng)用，與未采用水力振蕩器的焦頁49-2HF井相比，鉆時(shí)明顯縮短，取得了良好的提速效果。

3現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

涪陵頁巖氣田三維水平井井眼軌跡控制技術(shù)在11口水平井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，結(jié)果表明，該技術(shù)可以縮短定向鉆井周期，提高三維井眼軌道設(shè)計(jì)的現(xiàn)場(chǎng)可操作性，進(jìn)一步降低摩阻扭矩，解決托壓?jiǎn)栴}，提高機(jī)械鉆速。

1) 縮短了定向鉆井周期。在實(shí)際鉆井過程中，通過優(yōu)化井眼軌道設(shè)計(jì)降低井眼軌跡控制難度，并通過優(yōu)選糾偏方位確定合理的變方位安全窗口，精確預(yù)測(cè)三維井眼軌道參數(shù)，簡(jiǎn)化鉆具組合等優(yōu)快鉆井技術(shù)，加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)控制，宏觀控制井眼軌跡，應(yīng)用減摩工具(如水力振蕩器等)進(jìn)一步降低三維井段的摩阻與扭矩，從而加快定向鉆進(jìn)速度，縮短定向周期。對(duì)比涪陵頁巖氣田2015年應(yīng)用三維井眼軌跡控制技術(shù)的11口井與2013年采用常規(guī)井眼軌跡控制技術(shù)的7口井的主要技術(shù)指標(biāo)發(fā)現(xiàn)，與2013年所鉆井相比，2015年所鉆井定向點(diǎn)井深平均加深548.11 m，二開平均定向段長(zhǎng)度縮短450.66 m，二開定向鉆井周期縮短46.36%，三開平均定向段長(zhǎng)度縮短68.84 m，三開定向鉆井周期縮短5.76%。

2) 提高了三維井眼軌道設(shè)計(jì)的現(xiàn)場(chǎng)可操作性，摩阻扭矩進(jìn)一步降低。以焦頁56-3HF井為例，原井眼軌道設(shè)計(jì)中，造斜點(diǎn)井深1 500.00 m，造斜段長(zhǎng)1 717.00 m,穩(wěn)斜段長(zhǎng)1 046.50 m，穩(wěn)斜段井斜角32.4°，全角變化率16°/100m。預(yù)測(cè)上提摩阻121.8 kN，下放摩阻68.8 kN，復(fù)合鉆扭矩28.85 kN·m。井眼軌道優(yōu)化后，造斜點(diǎn)調(diào)整至井深2 000.00 m，造斜段長(zhǎng)1 433.00 m,穩(wěn)斜段長(zhǎng)200.00 m，穩(wěn)斜段井斜角65°，全角變化率(8.7°～11.8°)/100m；預(yù)測(cè)上提摩阻90.8 kN，下放摩阻40.8 kN，復(fù)合鉆扭矩22.89 kN·m。由焦頁56-3HF井井眼軌道優(yōu)化前后的情況可以看出，該井的井眼軌道優(yōu)化后造斜點(diǎn)加深了500.00 m，造斜段長(zhǎng)度縮短了16.54%，有利于三維水平井優(yōu)快鉆進(jìn)。該井的井眼軌道設(shè)計(jì)明確了合理的扭方位時(shí)機(jī)，減小了大井斜時(shí)扭方位的工作量，優(yōu)化了全角變化率及穩(wěn)斜段井斜角，使摩阻與扭矩較優(yōu)化前有了進(jìn)一步降低，上提摩阻下降了25.45%，下放摩阻下降了40.70%，復(fù)合鉆扭矩下降了20.66%。

3) 解決了托壓?jiǎn)栴}，提高了機(jī)械鉆速。以焦頁49-1HF井為例，該井在鉆進(jìn)韓家店組至龍馬溪組地層時(shí)，為防止托壓，應(yīng)用了水力振蕩器(安裝在距鉆頭約108.00 m處)，鉆具組合為：φ311.1 mm PDC鉆頭+φ215.9 mm 1°單穩(wěn)螺桿+φ203.2 mm無磁鉆鋌×1根+無線儀器短節(jié)+φ127.0 mm無磁承壓鉆桿+φ139.7 mm加重鉆桿+φ203.2 mm水力振蕩器+φ139.7 mm加重鉆桿+φ139.7 mm鉆桿。與未應(yīng)用水力振蕩器的焦頁49-2HF井相比，該井韓家店組地層的機(jī)械鉆速提高48.71%，小河壩組地層的機(jī)械鉆速提高10.76%，龍馬溪組地層的機(jī)械鉆速提高143.27%，通過應(yīng)用水力振蕩器很好地解決了托壓?jiǎn)栴}，提速效果顯著(見表5)。

表5　兩口井不同鉆井方式的機(jī)械鉆速對(duì)比情況

4結(jié)論與認(rèn)識(shí)

1) 針對(duì)涪陵頁巖氣田水平井鉆井一期工程中井眼軌道設(shè)計(jì)存在的問題及難點(diǎn)，以摩阻扭矩最小化為目標(biāo)，優(yōu)化了三維井眼軌道設(shè)計(jì)，優(yōu)選了造斜點(diǎn)位置、穩(wěn)斜段長(zhǎng)度、穩(wěn)斜段井斜角和全角變化率等，優(yōu)化后的六段制井眼軌道明確了變方位時(shí)機(jī)及入窗時(shí)機(jī)，現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)性較強(qiáng)。

2) 優(yōu)化了糾偏井段、穩(wěn)斜變方位井段、增斜變方位井段、著陸井段井眼軌跡控制方案，提出了變方位安全窗口，合理的糾偏方位以及精確預(yù)測(cè)三維井眼軌道參數(shù)的方法，降低了三維井段定向鉆井難度，提高了三維井眼軌跡控制效率。

3) 應(yīng)用水力振蕩器可以降低三維井眼軌跡的摩阻與扭矩，不但能有效防止托壓，而且性價(jià)比較高。

4) 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，涪陵頁巖氣田三維水平井井眼軌跡控制技術(shù)取得了較好的提速效果，建議下一步在應(yīng)用過程中不斷完善，形成一套頁巖氣三維水平井井眼軌跡控制操作規(guī)程，以更好地指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)定向鉆井。

參考文獻(xiàn)

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[編輯令文學(xué)]

3D Trajectory Control Technology for Horizontal Wells in the Fuling Shale Gas Field

SHEN Guobing1，LIU Mingguo1，CHAO Wenxue1，ZHANG Jincheng2

(1.ResearchInstituteofDrillingEngineeringandTechnology,SinopecZhongyuanOilfieldServiceCorporation,Puyang，Henan，457001，China； 2.SinopecResearchInstituteofPetroleumEngineering,Beijing, 100101,China)

Abstract:In order to accommodate the realities of the geographical environment and goals of developing shale gas in a highly efficient way, the Fuling Shale Gas Field has adopted the “well factory” mode that includes drilling 3D horizontal wells with both medium and long. The original profile design was not appropriate for drilling horizontal wells efficiently, and it is difficult to control 3D well trajectory, due to high drag and torque. Through the optimization of the profile design, combined with 3D horizontal well trajectory control technology and drag reducing technology, the rate of penetration for 3D horizontal wells has been raised, and the drilling cycle shortened. Field application results demonstrate that this technology is remarkably efficient in the Fuling Shale Gas Field, where it reduces the operation time of the second section of 3D horizontal wells by 46.36% and that of the third section by 5.76%.

Key words:shale gas；horizontal well；well trajectory design；well trajectory control；Fuling Area

中圖分類號(hào)：TE243+.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-0890(2016)02-0010-06

doi:10.11911/syztjs.201602002

作者簡(jiǎn)介：沈國兵(1977—)，男，河南濮陽人，2005年畢業(yè)于西南石油學(xué)院石油工程專業(yè)，工程師，主要從事定向井、水平井和開窗側(cè)鉆井技術(shù)服務(wù)及新技術(shù)研究、應(yīng)用與推廣工作。E-mail：sgbcom@163.com。

收稿日期：2015-11-15；改回日期：2016-01-18。