定向鉆井技術(shù)在阜康煤層氣示范工程中的應(yīng)用

湯建江， 黃建明， 劉蒙蒙

(新疆維吾爾自治區(qū)煤田地質(zhì)局一五六煤田地質(zhì)勘探隊(duì)，新疆 烏魯木齊 830009)

1 定向鉆井技術(shù)在示范區(qū)應(yīng)用的必要性

新疆阜康白楊河礦區(qū)地層具有“高傾角、多煤層、大厚度”的地質(zhì)特點(diǎn)，地層傾角45°～53°，地形復(fù)雜，為山地丘陵，地表基巖出露多，植被較少，草場(chǎng)類型二等二級(jí)，生態(tài)環(huán)境脆弱。示范區(qū)設(shè)計(jì)主要井型為叢式井，具有如下優(yōu)點(diǎn)[1]：(1)最大限度降低對(duì)生態(tài)環(huán)境破壞，減少污染；(2)有效利用土地資源，減少征地、修井場(chǎng)等鉆前費(fèi)用；(3)便于鉆井、壓裂施工管理，減少搬遷費(fèi)用；(4)便于排采集中統(tǒng)一管理。

白楊河礦區(qū)的地質(zhì)特點(diǎn)均定了叢式井為其開發(fā)主力井型，叢式井主要包括直井和定向井。由于地層傾角大，地層軟硬互層，在直井施工過程中井斜不容易控制，很容易超標(biāo)。在以往施工的5口煤層氣井中，采用常規(guī)的鉆具組合和鉆井工藝，施工過程中井斜嚴(yán)重超標(biāo)。因此，該區(qū)塊的直井也需要定向鉆井技術(shù)，在鉆井過程中實(shí)時(shí)監(jiān)控井斜，保證井身質(zhì)量安全。根據(jù)該區(qū)塊地層特點(diǎn)，為了控制入煤層的井斜角以及保證井網(wǎng)的均勻分布，根據(jù)煤層的深度和厚度分別設(shè)計(jì)了三段制和五段制的定向井，這跟山西等地的叢式井是有本質(zhì)區(qū)別的。該區(qū)塊的井型決定了定向鉆井技術(shù)將得到廣泛應(yīng)用，本文將研究適合該區(qū)塊的定向鉆井技術(shù)，以提高施工效率，保證井身質(zhì)量，確保后期排采過程中減少管桿偏磨，提高排采效率，降低排采成本。

2 井身質(zhì)量對(duì)管桿偏磨的影響及其控制要求

煤層氣開發(fā)井對(duì)井身質(zhì)量要求高。井眼軌跡不僅要滿足鉆井、地質(zhì)等目的，還必須符合煤層氣排采的需求，井眼軌跡對(duì)排采管柱偏磨具有較大影響[2]。示范工程的煤層氣井經(jīng)過一年多時(shí)間排采，一些井陸續(xù)出現(xiàn)抽油桿偏磨現(xiàn)象，個(gè)別井出現(xiàn)嚴(yán)重偏磨情況。通過對(duì)現(xiàn)有排采井的分析，研究井身質(zhì)量對(duì)管桿偏磨的影響，為煤層氣鉆井井眼軌跡優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。通過對(duì)比分析，我們得出以下結(jié)論：(1)直井的管桿偏磨情況要明顯好于定向井；(2)影響管桿偏磨最主要的因素就是井身質(zhì)量中的全角變化率，即“狗腿度”；(3)在同等條件下，井斜角越大，管桿偏磨越嚴(yán)重。

根據(jù)分析井眼軌跡對(duì)偏磨的影響，為了保障定向井的井身質(zhì)量，需要明確定向井井身質(zhì)量控制要求：(1)在不影響地質(zhì)目的情況下，地形條件允許和鉆井成本可控條件下，除部署的特殊工藝井外，煤層氣生產(chǎn)井井型盡量采用直井；(2)定向井增斜段“狗腿度”盡量小，增斜段的設(shè)計(jì)全角變化≯(3°～4°)/30 m，實(shí)際施工過程中控制“狗腿度”≯4°/30 m；(3)定向井設(shè)計(jì)最大井斜角在滿足地質(zhì)目的之下，盡量降低，一般不高于35°。

3 鉆具組合優(yōu)化

3.1 鉆具組合優(yōu)選原則

鉆具組合優(yōu)化是定向鉆井技術(shù)里面關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，好的鉆具組合可以提高施工效率，降低鉆井成本。鉆具組合的優(yōu)化主要從三個(gè)方面考慮[4]：第一，減小摩阻，增加柔性，降低定向鉆進(jìn)中的托壓現(xiàn)象；第二，減小起下鉆次數(shù)，提高機(jī)械鉆速；第三，有利于實(shí)鉆軌跡控制，直井段防斜，定向段及穩(wěn)斜段軌跡控制，保證井身質(zhì)量合格。

白楊河礦區(qū)煤層氣示范工程以叢式井為主，優(yōu)化后的鉆具組合要確保安全快速鉆進(jìn)并保證井身質(zhì)量。區(qū)塊地層傾角大，煤層多，泥巖、煤層和砂巖互層嚴(yán)重，常規(guī)的鐘擺鉆具、偏心鉆具、滿眼鉆具組合等傳統(tǒng)防斜工藝在大傾角地層防斜效果差，鉆壓小，鉆進(jìn)效率低，定向井方位和井斜漂移較大，難控制，要求全井段使用螺桿+PDC鉆頭復(fù)合鉆井技術(shù)。復(fù)合鉆井技術(shù)可提高鉆進(jìn)效率，縮短鉆井周期，減小井內(nèi)不安全因素，從而降低鉆井成本，是一種高效經(jīng)濟(jì)的鉆井方式，其具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)提高機(jī)械鉆速，降低或避免鉆具疲勞損壞、斷裂等事故；(2)可以降低轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速和鉆機(jī)負(fù)荷，從而減少油耗，降低設(shè)備磨損，并減少機(jī)修時(shí)間，提高生產(chǎn)時(shí)效。

3.2 優(yōu)選的鉆具組合

3.2.1 一開鉆具組合優(yōu)選

?311.1 mm PDC鉆頭+?197 mm螺桿鉆具+?177 mm無磁鉆鋌+?159 mm鉆鋌+?127 mm鉆桿+方鉆桿。

優(yōu)點(diǎn)：一開使用MWD隨鉆測(cè)斜鉆具組合可保證一開井斜。

3.2.2 二開鉆具組合優(yōu)化

(1)小位移井鉆具組合：?215.9 mm PDC鉆頭+?172 mm螺桿鉆具+?165 mm定向短接+?159 mm無磁鉆鋌+?159 mm鉆鋌+?127 mm鉆桿+方鉆桿。

優(yōu)點(diǎn)：二開一趟鉆具完鉆，減少起下鉆及輔助作業(yè)時(shí)間，縮短鉆井周期。

(2)較深井或大位移井鉆具組合：?215.9 mm PDC鉆頭+?172 mm螺桿鉆具+?159 mm無磁鉆鋌+?127 mm加重鉆桿+?127 mm鉆桿+方鉆桿。

優(yōu)點(diǎn)：減小大井斜、大位移及“狗腿”對(duì)定向鉆進(jìn)托壓的影響，提高滑動(dòng)鉆進(jìn)效率。

4 定向鉆井工藝優(yōu)化及應(yīng)用

4.1 直井糾斜工藝優(yōu)化及應(yīng)用

白楊河礦區(qū)地層傾角大，直井施工過程中井斜容易超標(biāo)。FS-58井是一口參數(shù)井+生產(chǎn)試驗(yàn)井，取心段572～771 m。取心段之前井斜始終保持在1°之內(nèi)，取心段無法使用MWD，井斜急劇增大至14°，井眼軌跡如圖1所示，這說明在白楊河區(qū)塊直井防斜非常有必要。在直井鉆進(jìn)過程中，傳統(tǒng)的工藝都是采用防斜打直的鉆具組合，配合單點(diǎn)測(cè)斜監(jiān)控井斜，在井斜超標(biāo)的時(shí)候往往采用輕壓吊打等方式降斜，造成施工效率低下。為了保證施工效率和井身質(zhì)量，白楊河礦區(qū)直井施工過程中采用螺桿馬達(dá)+PDC鉆頭的鉆具組合進(jìn)行復(fù)合鉆進(jìn)，配合無線MWD隨鉆測(cè)量隨時(shí)監(jiān)控井斜，由于復(fù)合鉆進(jìn)技術(shù)在鉆進(jìn)過程中利用螺桿馬達(dá)的高轉(zhuǎn)速，可以利用輕鉆壓，鉆進(jìn)過程中井斜不易超標(biāo)。在鉆進(jìn)過程中井斜超標(biāo)也可以隨時(shí)用螺桿馬達(dá)進(jìn)行糾斜。該工藝在白楊河礦區(qū)得到廣泛應(yīng)用，井身質(zhì)量得到了保障。

圖1 井身剖面投影圖及水平投影

4.2 造斜段的定向施工工藝

(1)優(yōu)選合適的鉆頭和鉆具組合，即要考慮造斜段施工要求，還應(yīng)方便后期穩(wěn)斜段施工。

(2)總結(jié)區(qū)塊鉆井時(shí)方位漂移規(guī)律，充分考慮地層造斜力的影響，并在實(shí)鉆軌跡控制時(shí)予以考慮，如造斜力與靶方位相同，定向時(shí)減小井斜角，反之則定向時(shí)增大井斜角。

(3)定向鉆進(jìn)時(shí)，每個(gè)單根測(cè)量并記錄井斜和方位數(shù)據(jù)一次。分析定向規(guī)律，發(fā)現(xiàn)全角變化率有超標(biāo)跡象，及時(shí)調(diào)整定向井段的長(zhǎng)度，應(yīng)采用每根定向+復(fù)合鉆進(jìn)的鉆進(jìn)模式。

4.3 定向工藝優(yōu)化及應(yīng)用

4.3.1 定向鉆井技術(shù)在預(yù)防事故中的應(yīng)用

在定向過程中，可以通過觀察一些現(xiàn)象來分析井下情況，預(yù)防一些事故的發(fā)生。FS-40井在200多米處復(fù)合鉆進(jìn)進(jìn)尺很慢，測(cè)得井斜增大，進(jìn)行定向降斜，定向過程中預(yù)留了20°的反扭角。在給鉆頭加上40 kN鉆壓定向鉆進(jìn)后發(fā)現(xiàn)在鉆頭未接觸井底與鉆進(jìn)2種狀態(tài)下反扭角沒有發(fā)生變化、而且不進(jìn)尺。分析鉆具不存在托壓情況，定向鉆進(jìn)不進(jìn)尺，并且沒有反扭角，而復(fù)合鉆進(jìn)有進(jìn)尺但進(jìn)尺很慢，說明定向滑動(dòng)鉆進(jìn)時(shí)鉆頭沒有轉(zhuǎn)動(dòng)，螺桿鉆具損壞，繼續(xù)復(fù)合鉆進(jìn)可能燒鉆，立即起鉆檢查。起出鉆具后檢查發(fā)現(xiàn)，事故原因是螺桿旁通閥損壞，鉆井循環(huán)介質(zhì)沒有通過馬達(dá)及鉆頭，大部分通過旁通閥流出鉆柱，因此避免了事故的發(fā)生。

4.3.2 定向過程中托壓?jiǎn)栴}的解決方案

在定向鉆進(jìn)中常常出現(xiàn)托壓情況，嚴(yán)重影響鉆進(jìn)速度，鉆進(jìn)硬地層尤為突出。托壓現(xiàn)象出現(xiàn)的原因主要有：鉆具組合不合理、“狗腿度”過大、地層原因和泥漿泥皮虛厚等。減少鉆具和井壁的接觸面積可以有效降低鉆具摩阻，減少托壓概率，因此在定向井施工過程中，使用加重鉆桿代替鉆鋌，以防止托壓導(dǎo)致定向效果差。此外，在出現(xiàn)托壓不進(jìn)尺時(shí)也可以適當(dāng)增加鉆壓或者上提活動(dòng)鉆具等措施來解決[6-7]。

4.4 側(cè)鉆工藝技術(shù)及其應(yīng)用

側(cè)鉆工藝技術(shù)是定向鉆井技術(shù)的一種特殊工藝，主要用于一些事故井的處理。白楊河礦區(qū)初期鉆井施工過程中有些井出現(xiàn)卡鉆事故，所以采用側(cè)鉆工藝技術(shù)來解決這些事故。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用，總結(jié)了一套行之有效的側(cè)鉆工藝方案。

(1)確認(rèn)井深達(dá)到側(cè)鉆點(diǎn)，泥漿泵及設(shè)備工作正常，泥漿充分循環(huán)。

(2)做承重試驗(yàn)，壓6～7 t，靜止1～2 min，判斷水泥是否凝固好。

(3)工具面擺好，在距側(cè)鉆點(diǎn)10 m處開始滑槽：前5 m，滑30 min，后5 m，滑15 min。

(4)開始側(cè)鉆后工具面不變：第1 m 2.5 h，第2 m 2 h，第3 m 1.5 h，3 m后根據(jù)撈的砂樣調(diào)整。

(5)側(cè)鉆過程要求司鉆操作平穩(wěn)，禁止上提及活動(dòng)鉆具。

(6)每隔30 min撈一次砂樣，清洗干凈，依次排放，對(duì)比砂樣中水泥的百分比。

經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)3井次的側(cè)鉆工藝技術(shù)試驗(yàn)，均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，證明該側(cè)鉆工藝技術(shù)在該區(qū)塊切實(shí)可行。

5 結(jié)語

定向鉆井技術(shù)保證了阜康白楊河礦區(qū)煤層氣鉆井項(xiàng)目的順利實(shí)施，定向鉆井技術(shù)不管在直井還是定向井中都是必備的，在白楊河礦區(qū)得到了廣泛的應(yīng)用，包括直井的糾斜和側(cè)鉆等。本文提出的螺桿馬達(dá)+PDC鉆頭鉆具組合以及復(fù)合鉆進(jìn)工藝可以滿足該區(qū)塊施工要求。總結(jié)的施工經(jīng)驗(yàn)可以為今后該區(qū)塊的定向鉆井施工提供依據(jù)，為該區(qū)塊鉆井工藝技術(shù)提供保障。

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