四川盆地川東地區(qū)復(fù)雜地層大斜度超深定向鉆井技術(shù)

陳 濤 趙思軍 常小緒 汪 勇 李勇政 朱 旭

中國(guó)石油川慶鉆探工程公司川東鉆探公司

四川盆地川東地區(qū)多屬山地丘陵地形，地質(zhì)情況復(fù)雜、高陡構(gòu)造多，受地形地貌和地下目的層的限制以及稀井高產(chǎn)、少井多產(chǎn)開(kāi)發(fā)原則，目前該區(qū)域開(kāi)發(fā)井主要以大斜度井為主。大貓坪潛伏構(gòu)造是川東地區(qū)云安廠構(gòu)造帶斷下盤的一個(gè)潛伏構(gòu)造，區(qū)塊內(nèi)多口井鉆遇長(zhǎng)興組生物礁，其生物礁的儲(chǔ)集層巖性為生物礁內(nèi)部的多孔白云巖，為一套臺(tái)地邊緣生物礁相的沉積組合，具有埋藏深、縱向上多壓力系統(tǒng)、儲(chǔ)層橫向變化大、高溫、高含硫的特點(diǎn)。

YA012-X11井是大貓坪構(gòu)造一口以二疊系長(zhǎng)興組為目的層的大斜度井，該井在實(shí)鉆過(guò)程中因地層復(fù)雜且變化大，在原井眼鉆至5 743.5 m沒(méi)有鉆遇生物礁進(jìn)行了第一次側(cè)鉆，側(cè)鉆至6 110 m因坡折帶明顯沒(méi)有鉆遇生物礁有利儲(chǔ)層進(jìn)行了第二次側(cè)鉆，同時(shí)軌跡調(diào)整成三維大斜度井，第二次側(cè)鉆至5 769 m實(shí)現(xiàn)了地質(zhì)目標(biāo)。針對(duì)大貓坪地層變化大、軌跡復(fù)雜、鉆井安全風(fēng)險(xiǎn)高等難題，從井眼軌跡優(yōu)化、井眼清潔、側(cè)鉆與防碰、工具面控制等進(jìn)行研究和試驗(yàn)，預(yù)期形成大貓坪大斜度超深定向鉆井技術(shù)。

1 鉆井技術(shù)難點(diǎn)

1.1 地層復(fù)雜，軌跡調(diào)整較多且控制困難

大貓坪長(zhǎng)興組礁灘體規(guī)模小，礁體形態(tài)和儲(chǔ)層展布不明確，造成實(shí)鉆靶點(diǎn)和軌跡不明確。YA012-X11井原井眼和兩次側(cè)鉆井眼的閉合距980～1 614 m，其中第一次側(cè)鉆井眼65°井斜穩(wěn)段長(zhǎng)1 425 m，第二次側(cè)鉆時(shí)以38°井斜增斜扭方位33°，穩(wěn)斜段較長(zhǎng)、軌跡調(diào)整較多且控制困難。

1.2 井眼清潔困難，易形成巖屑床

由于裸眼井段和水平位移長(zhǎng)，排量和泵壓選擇的矛盾突出，排量受到制約，巖屑易沉積在井眼低邊形成巖屑床[1]。滯留巖屑使鉆具上提下放摩阻和鉆進(jìn)扭矩增加，可能導(dǎo)致卡鉆、斷鉆具等井下事故。

1.3 深井工具面不穩(wěn)定，“托壓”現(xiàn)象嚴(yán)重

井超深，正眼及兩次側(cè)鉆井眼均為?215.9 mm井眼，特別第一次側(cè)鉆完鉆井深達(dá)6 110 m，鉆具剛度小積蓄在鉆具上的能量多，釋放沒(méi)有規(guī)律，隨著井斜的增加，鉆柱的軸向摩擦阻力和徑向摩擦扭矩增大鉆壓傳遞困難，“托壓”現(xiàn)象嚴(yán)重，工具面難以準(zhǔn)確控制[2]。

1.4 側(cè)鉆難度大，防碰問(wèn)題突顯，壓力大

為達(dá)到調(diào)整之后地質(zhì)靶區(qū)，第一次側(cè)鉆點(diǎn)設(shè)計(jì)在4 170 m左右，第二次側(cè)鉆點(diǎn)設(shè)計(jì)在4 200 m，兩次側(cè)鉆點(diǎn)較近，加之側(cè)鉆點(diǎn)較深、巖性復(fù)雜，側(cè)鉆難度大，特別是第二次側(cè)鉆為三維井眼，既要兼顧中靶還要考慮側(cè)鉆井眼與已鉆井眼防碰。

1.5 長(zhǎng)興組的地層壓力低、井斜大，易發(fā)生壓差卡鉆

大貓坪構(gòu)造由于縱向上多壓力系統(tǒng)，加之長(zhǎng)興組儲(chǔ)層壓力低，孔隙發(fā)育較好，鄰井YA012- X7井長(zhǎng)興組鉆井過(guò)程中使用1.38 g/cm3鉆井液鉆進(jìn)，多次發(fā)生壓差卡鉆。

2 軌跡優(yōu)化及控制技術(shù)

2.1 軌跡優(yōu)化技術(shù)

2.1.1 剖面優(yōu)化

目前常用的軌道類型有單增剖面、雙增剖面、三增剖面3種[2]，大貓坪地區(qū)超深大斜度井井身剖面主要采用單增剖面和雙增剖面，即“直—增—穩(wěn)”剖面和“直—增—穩(wěn)—增—水平” 剖面。在滿足靶前位移的前提下，在雙增剖面的穩(wěn)斜段優(yōu)化為微增段，充分利用復(fù)合鉆進(jìn)的增斜效果使井眼軌跡平滑。結(jié)合地層巖性，在剖面設(shè)計(jì)上優(yōu)選在可鉆性強(qiáng)的層位進(jìn)行定向，可鉆性差的層位盡量使用復(fù)合鉆，從而提高鉆井速度。該井原井眼在4 400 m開(kāi)始增斜，采取4.67°/30 m的狗腿鉆至4 730 m，之后采取1.3°/30 m狗腿主要以復(fù)合的方式鉆至5 200 m進(jìn)入穩(wěn)斜段。

2.1.2 三維井眼軌跡優(yōu)化

第一次側(cè)鉆未鉆遇生物礁有利儲(chǔ)層之后甲方確定了第二次側(cè)鉆的靶區(qū)，由于地質(zhì)靶區(qū)的需要,該井設(shè)計(jì)軌跡已經(jīng)變?yōu)榈湫腿S井。三維井定向井的設(shè)計(jì)思路就是控制扭方位段的初始點(diǎn)，先計(jì)算出對(duì)后期施工最有利的井斜、狗腿度、和剩余靶前距，然后根據(jù)偏移距優(yōu)選走偏移距井斜，計(jì)算出糾偏點(diǎn)[3]。根據(jù)第二次側(cè)鉆靶區(qū)的要求，將軌跡優(yōu)化成“側(cè)鉆段+糾偏增斜段+糾偏穩(wěn)斜段+扭方位段+增斜入窗段+穩(wěn)斜段”，將三維井段優(yōu)化分解為多個(gè)二維井段分段施工，有效控制各井段全角變化率。第二次側(cè)鉆點(diǎn)為4 200 m，側(cè)鉆至4 225.81 m形成新井眼，下彎螺桿采取4.68°/30 m的狗腿增斜至井深4 487 m井斜達(dá)到38°糾偏增斜段結(jié)束，4 487～5 027 m為糾偏穩(wěn)斜段，由于糾偏井斜較小，采取增斜扭方位的形式逐步將方位控制到位。

2.2 鉆具組合優(yōu)化

2.2.1 優(yōu)選螺桿

選擇滿足井眼安全的最大外徑的螺桿，保證足夠的動(dòng)力有利于工具面的穩(wěn)定。水力參數(shù)計(jì)算結(jié)果表明?215.9 mm井眼優(yōu)選?172 mm螺桿。綜合考慮井眼軌跡、地層巖性和螺桿結(jié)構(gòu)參數(shù)等因素的影響，在?215.9 mm井眼增斜段優(yōu)選1.25°單彎螺桿，穩(wěn)斜段使用1.0°單彎螺桿。單彎螺桿前面的扶正器尺寸根據(jù)軌跡需要及地層造斜能力選擇，增斜段選擇比井眼尺寸小3～4 mm，本井主要使用了?213 mm三瓣偏心式扶正器，穩(wěn)斜段采用無(wú)扶正器的1.25°單彎螺桿，穩(wěn)斜效果較好。

2.2.2 優(yōu)化鉆具組合

增斜段鉆具組合：?215.9 mm鉆頭+?172 mm1.25°單彎螺桿+回壓閥+?165 mm定向接頭+?165 mm無(wú)磁鉆鋌+ ?165 mm鉆鋌+ ?127 mm加重鉆桿+?165 mm隨鉆震擊器+ ?127 mm加重鉆桿+ ?127 mm 鉆桿

穩(wěn)斜段鉆具組合1：?215.9 mm鉆頭+?172 mm1.0°單彎螺桿+回壓閥+?165 mm定向接頭 +? 208 mm扶正器+?165 mm無(wú)磁鉆鋌+ ?165 mm鉆鋌+ ?127 mm加重鉆桿+?165 mm隨鉆震擊器+?127 mm加重鉆桿+ ?127 mm鉆桿

穩(wěn)斜段鉆具組合2：?215.9 mm鉆頭+?172 mm1.25°單彎螺桿（無(wú)扶）+回壓閥+?165 mm定向接頭 +?165 mm無(wú)磁鉆鋌+ ?165 mm鉆鋌+?127 mm加重鉆桿+?165 mm隨鉆震擊器+ ?127 mm加重鉆桿+ ?127 mm鉆桿

鉆進(jìn)鉆具組合如圖1所示。

圖1 鉆進(jìn)鉆具組合圖

2.3 工具面控制技術(shù)

2.3.1 定向前充分活動(dòng)鉆具釋放反扭矩

定向開(kāi)始井段選擇在鉆具活動(dòng)距離大的位置，有利于充分釋放反扭矩，特別是深井積蓄在鉆具上反扭矩較多的情況尤其重要。開(kāi)始定向前多次上下大幅度活動(dòng)鉆具，觀察初始工具面位置，根據(jù)初始工具面位置結(jié)合鉆具反扭角轉(zhuǎn)動(dòng)鉆具，然后再多次大幅度活動(dòng)鉆具確定工具轉(zhuǎn)動(dòng)到位后再加壓鉆進(jìn)。

2.3.2 分類反扭控制技術(shù)

定向作業(yè)時(shí)鉆具的反扭矩與井斜、井深、地層、鉆井參數(shù)、鉆頭類型等有關(guān),當(dāng)?shù)貙?、鉆井參數(shù)、鉆頭類型不變時(shí)，在井斜小、井較淺時(shí)鉆頭上反扭傳遞到井口一般傳遞較快，此時(shí)工具面控制可以考慮施加完全鉆具反扭角，通過(guò)施加鉆壓能夠迅速將工具面控制在目標(biāo)范圍內(nèi)。隨著井的加深和井斜增大，鉆具上軸向和徑向的摩擦力增大，鉆壓傳遞較慢，鉆頭上反扭角傳遞較慢，此時(shí)應(yīng)考慮較小的反扭角，先將工具面及時(shí)控制在目標(biāo)范圍內(nèi)，然后加壓過(guò)程中根據(jù)井下情況逐步轉(zhuǎn)動(dòng)鉆具角度，直到反扭角完全傳遞到位，可以避免在加壓找目標(biāo)工具面的時(shí)候減少無(wú)效甚至是反作用進(jìn)尺。

2.3.3 工具面快速重置技術(shù)

井較深、井斜大的時(shí)候往往容易出現(xiàn)“托壓”現(xiàn)象[4]，“托壓”之后需要上提鉆具，上提鉆具之后由于沒(méi)有鉆壓工具面就要回轉(zhuǎn)，若鉆具上提較高，那么工具面就回轉(zhuǎn)較多甚至恢復(fù)至初始工具面，再重新恢復(fù)至目標(biāo)工具面時(shí)間較長(zhǎng)。遇“托壓”之后要快速恢復(fù)目標(biāo)工具面，應(yīng)及時(shí)上提鉆具，只要鉆具未被粘卡，應(yīng)控制上提距離使鉆頭剛好提離井底，然后快速下放鉆具迅速加壓至正常定向鉆壓，由于鉆具上下活動(dòng)距離短、恢復(fù)鉆進(jìn)時(shí)間短，工具面回轉(zhuǎn)少，無(wú)效進(jìn)尺少，定向效率高。若“托壓”后鉆具粘卡嚴(yán)重，應(yīng)首先考慮井下安全，此時(shí)鉆具應(yīng)大范圍活動(dòng)，必要時(shí)采取劃眼措施，確定井下正常之后，重新開(kāi)始定向作業(yè)。

3 側(cè)鉆及防碰技術(shù)

圖2 側(cè)鉆鉆具組合圖

3.1 側(cè)鉆技術(shù)

3.1.1 側(cè)鉆組合優(yōu)選

由于兩次側(cè)鉆井段均在地層較硬的嘉三段，巖性為大段石灰?guī)r，兩次側(cè)鉆均選用彎接頭帶直螺桿。雖然彎螺桿鉆具造斜率高，但是在硬地層或水泥塞質(zhì)量不太好的條件下 ，使用彎螺桿鉆具側(cè)鉆可靠性就會(huì)大大降低。因?yàn)殚_(kāi)始側(cè)鉆時(shí)，彎螺桿鉆具要靠水泥井壁來(lái)支撐其下端扶正器對(duì)鉆頭產(chǎn)生的側(cè)向力實(shí)現(xiàn)側(cè)鉆井眼的形成，由于硬地層側(cè)鉆的鉆時(shí)控制較長(zhǎng)，螺桿鉆具震動(dòng)和鉆井液沖刷作用下，水泥塞井壁很容易被破壞，而失去對(duì)下扶正器的支撐，側(cè)鉆不易成功。而選用彎接頭鉆具組合側(cè)鉆，鉆頭的側(cè)向力來(lái)自于彎接頭對(duì)井壁的支撐。由于彎接頭安裝在螺桿鉆具之上，開(kāi)始側(cè)鉆時(shí)離水泥塞面較遠(yuǎn)，彎接頭直接支撐在井壁上，井壁越硬這種支撐力就越強(qiáng)，側(cè)鉆成功的可靠性就越高[7]。

側(cè)鉆鉆具組合：?215.9mm鉆頭+ ?172mm直螺桿+回壓閥+2.5°彎接頭+?165mm定向接頭+?165mm無(wú)磁鉆鋌+ ?165mm鉆鋌+ ?127mm加重鉆桿 + ?127mm鉆桿

側(cè)鉆鉆具組合如圖2所示。

3.1.2 側(cè)鉆技術(shù)措施

①側(cè)鉆點(diǎn)應(yīng)選在巖性穩(wěn)定且可鉆性較好的層段，側(cè)鉆點(diǎn)以上水泥塞段長(zhǎng)應(yīng)不低于50 m，水泥塞候凝72 h以上。②側(cè)鉆點(diǎn)以下水泥段塞能承受100 kN鉆壓，壓縮距小于0.5 m為合格，否則，應(yīng)重新注水泥塞，為側(cè)鉆創(chuàng)造良好條件。③在側(cè)鉆點(diǎn)井深，在目標(biāo)工具面以0 kN鉆壓吊打30～60 min，造臺(tái)階時(shí)堅(jiān)持定排量、定泵壓鉆進(jìn)，造好臺(tái)階后以該井段正常鉆時(shí)的3～5倍控制鉆時(shí)鉆進(jìn)；④側(cè)鉆過(guò)程中，每0.5 m取1次砂樣，并測(cè)定出巖屑百分含量。巖屑含量在90%以上后，可逐漸提高鉆速，直至正常加壓鉆進(jìn)。⑤要求送鉆均勻，操作平穩(wěn)，嚴(yán)防溜鉆，每次上提鉆具后下放至離井底10 cm開(kāi)始控時(shí)鉆進(jìn)。

3.2 防碰技術(shù)

3.2.1 防碰設(shè)計(jì)

目前用于表述井眼軌跡間相互關(guān)系的方法主要有：水平面掃描法、法面掃描法和3D最近距離掃描法3種[8]（圖3）。

分離系數(shù)法考慮了測(cè)斜儀器的累計(jì)誤差，所以在防碰分析中綜合了井眼中心距和測(cè)斜誤差導(dǎo)致的井眼位置不確定性兩種因素，能夠更有效體現(xiàn)相鄰井眼軌跡的遠(yuǎn)近距離關(guān)系和碰撞風(fēng)險(xiǎn)概率。在井眼軌跡設(shè)計(jì)時(shí)，目前主要通過(guò)計(jì)算井眼距離的分離系數(shù)，來(lái)判斷井眼間距是否處于危險(xiǎn)情況，并做出相應(yīng)的決策（圖4）。YA012-X11井第二次側(cè)鉆時(shí)，需要和原井眼及第一次側(cè)鉆井眼進(jìn)行防碰分析，在實(shí)際控制中考慮測(cè)斜儀器誤差導(dǎo)致的井眼位置不確定性，設(shè)置可信度為95%，并主要以分離系數(shù)判斷相碰風(fēng)險(xiǎn)，分離系數(shù)小于或等于1時(shí)，兩井眼軌跡誤差橢圓表面相接或相交，屬高風(fēng)險(xiǎn)，分離系數(shù)大于1小于等于2為中風(fēng)險(xiǎn)，分離系數(shù)大于2為低風(fēng)險(xiǎn)。實(shí)鉆中第二次側(cè)鉆時(shí)4 170 ～ 4 343 m分離系數(shù)小于1，為相碰高風(fēng)險(xiǎn)段（圖5）。

圖3 常用井眼軌跡掃描法

圖4 分離系數(shù)圖

3.2.2 防碰技術(shù)措施

①加密測(cè)斜，確保井眼軌跡準(zhǔn)確無(wú)誤；②在高風(fēng)險(xiǎn)防碰警示區(qū)嚴(yán)格監(jiān)視鉆井參數(shù)， 密切觀察返出巖屑成分； ③密切監(jiān)視MWD的磁場(chǎng)強(qiáng)度等數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)異常立即停止鉆進(jìn)并查明原因，待核查確定無(wú)相碰風(fēng)險(xiǎn)后恢復(fù)鉆進(jìn)，或調(diào)整繞障軌跡設(shè)計(jì)，依據(jù)設(shè)計(jì)謹(jǐn)慎施工。

4 配套鉆井技術(shù)

4.1 鉆井液技術(shù)

鉆井液主要使用聚磺鉆井液體系，設(shè)計(jì)考慮了防漏、防塌、防黏卡、潤(rùn)滑性和油層保護(hù)，保證井壁穩(wěn)定和鉆井液攜砂能力，避免井下復(fù)雜[5]。嚴(yán)格控制鉆井液的固相，鉆進(jìn)過(guò)程中，采用篩、掏、撈、除的方法降低有害固相。充分使用各級(jí)固控設(shè)備，振動(dòng)篩使用200目篩布，間斷使用中、高速離心機(jī)控制有害固相含量。在定向期間維持鉆井液含油量為6～8%，降低鉆井液摩擦系數(shù)。

圖5 YA012-X11第二次側(cè)鉆井眼分離系數(shù)圖

4.2 井眼清潔技術(shù)

井眼清潔主要目的是防止巖屑床的形成，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)和巖屑運(yùn)移特點(diǎn)，保證好鉆井液上返速度和流變性能是井眼清潔的關(guān)鍵[6]。據(jù)相關(guān)研究，井斜角在 40°～ 60°井段巖屑濃度最高，是攜砂最困難的井段?，F(xiàn)場(chǎng)主要采取以下技術(shù)措施：①勤劃眼，讓井底巖屑盡量上返到直井段，降低斜井段巖屑濃度；②改善鉆井液性能，提高動(dòng)切力，采用層流攜砂，減小巖屑的滑落速度；③增大循環(huán)排量，提高環(huán)空返速，在設(shè)備安全允許下，泵壓控制在23 MPa內(nèi)，環(huán)空返速控制在 1.2 ～ 1.5 m/s；④每鉆進(jìn) 100 ～200 m 進(jìn)行短程起下鉆，并采用分段循環(huán)或劃眼到底，主動(dòng)破壞巖屑床。

4.3 防卡措施

使用合理的鉆井液密度，降低壓差卡鉆的風(fēng)險(xiǎn)。接單根及起鉆前大排量充分循環(huán)，前3柱起鉆盡量采用劃眼方式。加強(qiáng)劃眼及短程起下鉆作業(yè)，每鉆完一根單根，劃眼一次，防止砂橋和巖屑床形成，減少卡鉆的風(fēng)險(xiǎn)。減少鉆具在井內(nèi)裸眼段的靜止時(shí)間，鉆具在井內(nèi)應(yīng)保持旋轉(zhuǎn)和上下活動(dòng)的狀態(tài)，嚴(yán)格控制起下鉆阻卡噸位，遇阻卡堅(jiān)持耐心細(xì)致劃眼，防卡鉆事故發(fā)生。

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

針對(duì)大貓坪超深定向井鉆井技術(shù)難點(diǎn)，通過(guò)研究形成的技術(shù)對(duì)策在YA012-X11井及側(cè)鉆井眼應(yīng)用，達(dá)到了安全優(yōu)質(zhì)鉆進(jìn)目的，兩次側(cè)鉆點(diǎn)相距不足50 m情況下，應(yīng)用分離系數(shù)法，嚴(yán)格執(zhí)行側(cè)鉆防碰措施，實(shí)現(xiàn)了地質(zhì)目標(biāo)（表1）。在中靶的同時(shí)，本井原井眼及兩個(gè)側(cè)鉆井眼造斜段及穩(wěn)斜段平均機(jī)械鉆速為2.90 m/h,對(duì)比鄰井提高了10.9%；平均定向周期為28 d,縮短了 10.6%，節(jié)約了鉆井成本。在提速的同時(shí)，第一次側(cè)鉆完鉆井深達(dá)6 110 m，穩(wěn)斜段1 425 m，完鉆時(shí)閉合距達(dá)1 614.47 m，創(chuàng)該區(qū)域記錄，第二次側(cè)鉆至5 769 m屬該區(qū)域內(nèi)首次完成大斜度三維定向井。

6 結(jié)論

1）通過(guò)軌跡剖面優(yōu)化、優(yōu)選側(cè)鉆點(diǎn)層位巖性、優(yōu)化側(cè)鉆鉆具組合、應(yīng)用分離系數(shù)等防碰技術(shù)措施，該井成功兩次側(cè)鉆并鉆達(dá)地質(zhì)靶區(qū)。

2）通過(guò)優(yōu)選定向鉆具組合、工具面的精準(zhǔn)和快速控制、合理利用復(fù)合鉆進(jìn)的自然增斜等措施，實(shí)現(xiàn)軌跡光滑及安全快速鉆進(jìn)。

3）針對(duì)深井定向“托壓”現(xiàn)象較為突出影響鉆井速度，建議鉆井液性能進(jìn)一步優(yōu)化提高其潤(rùn)滑性并探索應(yīng)用水力振蕩器和鉆具扭擺系統(tǒng)等先進(jìn)工具實(shí)現(xiàn)再提速。

表1 中靶情況表

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