王53區(qū)塊五段制定向井軌跡控制研究

姜曉強(qiáng)

摘要：目前牛莊油田王53區(qū)塊布置大量“直-增-穩(wěn)-降-直”的五段制定向井。該區(qū)塊五段制定向井井身質(zhì)量控制難度大，斜井段超過1500米，后期尤其是降斜段井身軌跡控制難。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工情況及鄰井資料，給出了各井段推薦的鉆具組合，制定了全井較為全面的軌跡控制技術(shù)?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，該施工措施大大提高了區(qū)塊井的機(jī)械鉆速，取得了良好的實(shí)際效果，為類似區(qū)塊五段制定向井的施工提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：五段制;軌跡控制;提速增效

一、背景介紹

為了采油、布井的方便，同時(shí)為了壓裂的施工安全，滿足現(xiàn)階段地質(zhì)對(duì)鉆井井身軌跡的要求^[1]，目前在勝利牛莊油田王53區(qū)塊大量布置“直-增-穩(wěn)-降-直”五段制定向井。該類井設(shè)計(jì)要求以0°井斜角中靶，中靶后以0°井斜角鉆進(jìn)，這對(duì)軌跡控制有很高的要求，不合理的施工措施會(huì)極大的制約鉆井速度，大大降低鉆井的經(jīng)濟(jì)效益。

王53區(qū)塊位于濟(jì)陽坳陷東營(yíng)凹陷牛莊-六戶洼陷帶南部，地質(zhì)分層為平原組、明化鎮(zhèn)、館陶組、東營(yíng)組和沙河街組，目的層為沙三中4。

該區(qū)塊井定向點(diǎn)相對(duì)較淺，斜井段均超過了1500米，后期施工，尤其是進(jìn)入降斜段后，鉆具與井壁接觸面積大，導(dǎo)致摩阻大，扭矩大，容易出現(xiàn)鉆具事故，發(fā)生粘附卡鉆的幾率也增大^[2]。

二、軌跡控制技術(shù)措施

2.1 直井段井眼軌跡控制

對(duì)于五段制定向井來說，直井段的軌跡控制依然以控制井斜角的產(chǎn)生，防斜打直為主。

一開井眼鉆具組合為：φ311.15mmPDC鉆頭（五刀翼）+φ177.8mm無磁鉆鋌×1根+φ177.8mm鉆鋌×8根+φ127mm加重鉆桿×15根+φ127mm鉆桿。施工中主要以井眼開直為主要目標(biāo)，采用低鉆壓、高轉(zhuǎn)速施工，最大鉆壓控制在2t以內(nèi)，一開完鉆后投多點(diǎn)測(cè)斜。

在二開直井段選擇的鉆具組合為：φ215.9mmPDC鉆頭（四刀翼）+φ172mm單彎螺桿（1.5°，本地帶212mm扶正器）+φ158.8mm無磁鉆鋌+φ127mm無磁承壓+φ127mm加重鉆桿×15根+φ127mm鉆桿。鉆壓維持在2-4t，配合螺桿鉆具保證機(jī)械鉆速，隨鉆監(jiān)測(cè)井斜和方位，做好同臺(tái)井的防碰工作。

2.2 增斜段井眼軌跡控制

對(duì)于穩(wěn)斜段，在鉆時(shí)較慢的地層，通過調(diào)節(jié)鉆井參數(shù)來達(dá)到穩(wěn)定造斜率目的;在疏松的軟地層，通過控制工具面精度來保證造斜率達(dá)到預(yù)計(jì)要求。

施工中首先要掌握這套鉆具組合在固定鉆井參數(shù)下的實(shí)際造斜率，根據(jù)實(shí)際測(cè)點(diǎn)之間井斜和方位變化率來計(jì)算其在該區(qū)塊的實(shí)際造斜率，結(jié)合實(shí)際測(cè)斜結(jié)果，選擇合適的的定向措施。為避免狗腿度有大的“凸起”現(xiàn)象，在連續(xù)定向增斜井段適當(dāng)“穿插”復(fù)合鉆進(jìn)井段，來達(dá)到井眼軌跡圓滑目的，也保證了后期施工和井下安全。

2.3 穩(wěn)斜段井眼軌跡控制

穩(wěn)斜井段的主要作用一是為井眼提供一定的水平位移，使井眼達(dá)到預(yù)計(jì)靶點(diǎn);二是增斜段和降斜段之間的過渡帶。

穩(wěn)斜段繼續(xù)沿用開始的鉆具組合。對(duì)于常規(guī)鉆具鉆進(jìn)或直螺桿轉(zhuǎn)盤鉆進(jìn)時(shí)，鉆頭軸心與鉆具軸心重合，鉆頭的運(yùn)動(dòng)軌跡是只繞其自身軸線作自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。而單彎螺桿復(fù)合鉆進(jìn)時(shí)，其鉆頭軸心與鉆具軸心不一致，鉆頭在繞自身軸心自傳的同時(shí)，也繞鉆具軸心公轉(zhuǎn)。單彎螺桿復(fù)合鉆進(jìn)時(shí)鉆頭的這種既自轉(zhuǎn)又公轉(zhuǎn)特性，具有運(yùn)動(dòng)學(xué)穩(wěn)定性，是穩(wěn)斜段鉆進(jìn)時(shí)的有效工具。與直螺桿或普通鉆具相比，彎螺桿加轉(zhuǎn)盤鉆進(jìn)方式多了約束條件，限制了鉆頭的偏移，可以避免或減少地層或其它外力對(duì)井斜的影響，起到穩(wěn)斜作用。

該區(qū)塊五段制定向井的穩(wěn)斜段長(zhǎng)，均在1000米以上，有效的控制井斜和方位是穩(wěn)斜段井身軌跡和機(jī)械鉆速的保證。在保證機(jī)械鉆速的前提下，適當(dāng)?shù)恼{(diào)整鉆壓，保證井斜、方位和位移在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。施工中每三根進(jìn)行一次單點(diǎn)測(cè)斜，發(fā)現(xiàn)井斜與方位有增大或減小趨勢(shì)的時(shí)候加密測(cè)斜，必要時(shí)進(jìn)行定向調(diào)整，并及時(shí)計(jì)算分析鉆具的穩(wěn)斜效果和穩(wěn)斜段，既要防止穩(wěn)斜段過短，完鉆水平位移不足，造成脫靶;又要避免穩(wěn)斜段過長(zhǎng)，造成后續(xù)降斜井段被動(dòng)的現(xiàn)象。

2.4降斜段井眼軌跡控制

從鉆具受力的角度來看，目前普遍認(rèn)為：降斜井段會(huì)增加井眼的摩阻，引起更多的復(fù)雜情況。如圖1所示，增斜井段的鉆具軸向拉力的徑向的分力，與重力在軸向的分力方向相反，有助于減小鉆具與井壁的摩擦阻力。而降斜井段的鉆具軸向分力與重力在軸向的分力方向相同，相當(dāng)于額外增加了鉆柱與井壁之間的正應(yīng)力，從而增加了鉆具與井壁的摩擦阻力。因此，在相同的狗腿度情況下，降斜井段的摩阻遠(yuǎn)高于增斜井段的摩阻，導(dǎo)致降斜段定向鉆進(jìn)時(shí)托壓?jiǎn)栴}嚴(yán)重^[3]。

五段制井眼的降斜井段，選擇適合該區(qū)塊的鉆具組合變得尤為重要。常用鉆具組合有以下幾種：

（1）φ215.9mmPDC鉆頭+φ158.8mm鉆鋌+雙穩(wěn)定器組合，該鉆具組合不好控制井身軌跡，且機(jī)械鉆速無法保證。

（2）φ215.9mmPDC鉆頭+φ172mm直螺桿+φ177.8mm鉆鋌+φ210mm扶正器+φ158.8mm無磁鉆鋌+φ210mm扶正器+φ127mm加重鉆桿+φ127mm鉆桿組合。該組合機(jī)械鉆速比常規(guī)有很大的提高，但隨著井斜變小，降斜效果變差，且即便有雙扶的作用，后期的方位仍不好控制^[1][4]。

（3）φ215.9mmPDC鉆頭+φ172mm單彎螺桿（1.5°，本地帶212mm扶正器）+φ213mm扶正器+φ158.8mm無磁鉆鋌+φ127mm加重鉆桿+φ127mm鉆桿組合。在一定情況下，該組合穩(wěn)斜甚至降斜效果，但根據(jù)鄰井使用效果來看，即便有上扶正器的存在，這套鉆具組合在王53區(qū)塊的降斜效果仍然一般，在實(shí)際施工中仍然以滑動(dòng)鉆進(jìn)為主。另外，王53區(qū)塊地層條件相對(duì)復(fù)雜，加之斜井段很長(zhǎng)，存在井漏、卡鉆、油氣侵甚至鹽水侵的風(fēng)險(xiǎn)，綜合考慮，仍選擇更為穩(wěn)妥的無上扶正器組合，即φ215.9mm鉆頭+φ172mm單彎螺桿（1.5°，本地帶212mm扶正器）+φ158.8mm無磁鉆鋌+φ127mm無磁承壓+φ127mm加重鉆桿×15根+φ127mm鉆桿。

降斜率方面，專用軟件對(duì)鉆具摩阻進(jìn)行分析，結(jié)果如圖2所示。模擬條件：鉆具組合φ215.9mm鉆頭+φ172mm單彎螺桿+φ165mmMWD接頭+φ165mm無磁鉆鋌+φ127mm加重鉆桿+φ127mm鉆桿，泥漿密度1.30g/cm3，粘度50s，摩阻系數(shù)為0.3，井斜角從0°變?yōu)?0°^[3]?？梢钥吹?，降斜井段的摩阻明顯高于增斜段，且隨著狗腿度的增加，這種差距越來越明顯，狗腿度在1.5°/30m時(shí)，摩阻在可接受的范圍。

假設(shè)一口井井斜從25°降至0°中靶，狗腿度為1.5°/30m，那么降斜段在500m左右。一個(gè)牙輪遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能完成降斜段的施工任務(wù)，而再次起鉆更換牙輪，無論從經(jīng)濟(jì)上還是周期上都不合算，故選擇在初始降斜段采用PDC鉆頭先定一段，期間調(diào)整好鉆井液性能，尤其是潤(rùn)滑性。待井斜降至15°左右，即降斜段剩余300m左右，視現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況而定，這時(shí)PDC定向尤為困難，且效果一般，起鉆換牙輪，完成剩余降斜段的施工。

2.5 下穩(wěn)斜段井眼軌跡控制

本區(qū)塊下穩(wěn)斜段為直井段，主要技術(shù)要求為防斜，長(zhǎng)度一般在200m左右。此時(shí)降斜段的牙輪鉆頭基本到了使用期限，起鉆換PDC鉆頭，出于井下安全考慮，仍使用原鉆具組合。此時(shí)已經(jīng)很難定向，使用較小鉆壓，完全可以完成最后的進(jìn)尺。

三、認(rèn)識(shí)

隨著油田的不斷開發(fā)，“直-增-穩(wěn)-降-直”的五段制軌跡設(shè)計(jì)施工會(huì)越來越多，合理的技術(shù)措施是施工的關(guān)鍵?！爸?增-穩(wěn)”階段依然選擇較為常規(guī)的鉆具組合，降斜段選擇更為穩(wěn)妥的無上扶正器組合，即φ215.9mm鉆頭+φ172mm單彎螺桿（1.5°，本地帶212mm扶正器）+φ158.8mm無磁鉆鋌+φ127mm無磁承壓+φ127mm加重鉆桿×15根+φ127mm鉆桿，下直井段定向困難，控制鉆壓復(fù)合鉆進(jìn)。這套鉆具組合現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果明顯，全井機(jī)械鉆速相對(duì)臨井提高70%以上。

該成果非常適合王53區(qū)塊五段制定向井的施工，為施工速度和施工質(zhì)量提供了很好的保證，建議推廣使用。同時(shí)，也為其它類似區(qū)塊五段制定向井的施工提供很好的參考和借鑒。

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（作者單位：勝利石油工程公司黃河鉆井總公司）