四川盆地磨溪–高石梯區(qū)塊定向鉆井關(guān)鍵技術(shù)

李勇政，陳 濤，江 川，杜 江

（1.中國石油集團川慶鉆探工程有限公司川東鉆探公司，重慶400021；2.中國石油集團川慶鉆探工程有限公司國際工程公司，四川成都610000）

磨溪–高石梯區(qū)塊位于四川省安岳縣、遂寧市、武勝縣和重慶市大足區(qū)、潼南區(qū)等境內(nèi)，屬于四川盆地樂山–龍女寺古隆起構(gòu)造，是川渝地區(qū)的重要勘探區(qū)塊之一，主要目的層為燈影組四段[1–2]，設(shè)計井深6 500.00m左右。隨著該區(qū)塊勘探開發(fā)日趨成熟，定向井逐年增多，井眼軌道有二維和三維2種，靶點有單靶點和雙靶點，水平位移900.00～1 400.00 m。在?215.9 mm井眼內(nèi)造斜，造斜點均在井深4 200.00 m以深，鉆遇地層主要有長興組、龍?zhí)督M、茅口組、棲霞組、洗象池組、高臺組、龍王廟組、滄浪鋪組和筇竹寺組等，巖性以灰?guī)r、云巖、砂巖、泥巖和頁巖為主。?215.9 mm定向井段長600.00～1 200.00 m，所用鉆井液密度均在2.20 kg/L以上，因此?215.9mm定向井段具有造斜點深、穿越層位多、巖性軟硬交錯、地層差異性大、高溫高壓高含硫、鉆井液密度高、高低壓互存和靶區(qū)窄等特點。目前，該區(qū)塊主要使用“MWD+彎螺桿”進行定向鉆進，但鉆進中容易出現(xiàn)造斜率低、定向托壓嚴(yán)重、滑動鉆進速度慢、卡鉆風(fēng)險大、井眼軌跡控制困難等問題。采用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)能解決這些問題，但是旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)在高溫深井作業(yè)時存在抗溫能力受限、價格昂貴等缺點。

因此，筆者對磨溪–高石梯區(qū)塊井眼軌道進行了優(yōu)化設(shè)計，根據(jù)鉆遇地層的特點選用個性化鉆頭，配套水力振蕩器等提速工具，制定了降摩減阻和預(yù)防壓差卡鉆等技術(shù)措施，形成了?215.9mm定向鉆井關(guān)鍵技術(shù)。磨溪–高石梯區(qū)塊應(yīng)用該技術(shù)后，井眼軌跡控制難度降低，托壓現(xiàn)象減少，提高了定向鉆進的機械鉆速，定向鉆井時間大幅縮短。

1 定向鉆井技術(shù)難點

1）裸眼井段長，摩阻高，鉆具負(fù)荷重。磨溪–高石梯區(qū)塊?215.9 mm定向井段從嘉二3段（井深3 000.00 m左右）開始鉆進，造斜點井深一般為4 200.00 m以深，鉆至燈四段頂中完，中完井深為5 200.00～5 700.00m，裸眼段長度超過2 200.00m，裸眼段非常長，摩阻高，鉆具負(fù)荷重，容易出現(xiàn)疲勞損壞。

2）鉆井液密度高，性能維護困難。?215.9 mm定向井段從嘉二3段至燈四段頂，需穿越數(shù)十個層位，地層壓力系數(shù)1.60～2.20，所用鉆井液密度為2.15～2.35 kg/L，定向井段地層溫度高達(dá)150℃，而在高溫高壓環(huán)境下，保障高密度鉆井液性能穩(wěn)定比較困難。

3）難鉆地層多。?215.9mm定向井段穿越層位不僅多，而且軟硬地層交錯。龍?zhí)督M泥質(zhì)含量高、塑性強，茅二段和棲一段含硅質(zhì)，高臺組和滄浪鋪組為砂巖層，研磨性特別強，鉆頭使用壽命短，機械鉆速低，定向造斜率低，GS110井在滄浪鋪組進行定向增斜時，機械鉆速僅0.56 m/h，鉆頭使用壽命65.50 h，造斜率2.13°/30m。筇竹寺組下部頁巖層塑性強，MX 022-X 6井在筇竹寺組頁巖段進行定向作業(yè)時，鉆具上提下放阻卡嚴(yán)重，由此可知，頁巖段滑動鉆進困難，易卡鉆，不利于定向作業(yè)。

4）地質(zhì)靶區(qū)窄、地層硬、井眼軌跡控制困難。?215.9mm定向井段鉆至燈四段頂部中完，井眼軌道有二維和三維2種，因地質(zhì)靶區(qū)需要，對入靶井斜角、閉合距和閉合方位角要求比較嚴(yán)格，特別是靶前距比較短的井，后期狗腿度比較高。由于地層研磨性強、巖性多變和頁巖層對定向鉆進不利，導(dǎo)致定向造斜率低，達(dá)不到設(shè)計要求，增大了下部井段的定向難度。同時地層也存在增厚或變薄的可能，為了確保井斜角和靶前距達(dá)到設(shè)計要求，不得不調(diào)整狗腿度，MX022-H25井因地層變薄導(dǎo)致后期狗腿度高達(dá)8°/30m。因此，地質(zhì)靶區(qū)窄、靶前距短、狗腿度高、地層硬、地層垂深變化大和高溫高壓等是引起該區(qū)塊井眼軌跡控制困難的主要因素。

5）定向托壓頻繁。磨溪–高石梯區(qū)塊?215.9mm定向井段因受井深、軟硬地層交錯、溫度和鉆井液密度高等因素的影響，在定向鉆進中易出現(xiàn)托壓現(xiàn)象，而且隨著井斜角增大，托壓現(xiàn)象會越來越嚴(yán)重[3]，特別是龍王廟組低壓層定向鉆進中存在因托壓引起的壓差卡鉆。GS001-X 4井增斜段每天處理托壓的時間達(dá)2～5 h，2017年磨溪–高石梯區(qū)塊平均每口井?215.9mm定向井段處理托壓的時間達(dá)到3.32 d（見表1）。

6）滑動鉆進機械鉆速低。磨溪–高石梯區(qū)塊?215.9mm定向井段主要在茅口組—筇竹寺組，因井深、巖性多變、鉆井液密度和地層溫度高等因素的影響，特別是高臺組和滄浪鋪組研磨性強，定向鉆進中機械鉆速普遍偏低。統(tǒng)計部分已鉆井定向井段的鉆井技術(shù)指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)復(fù)合鉆進平均機械鉆速為2.30 m/h，滑動鉆進平均機械鉆速為1.11m/h，整個定向井段的平均機械鉆速為1.64 m/h，復(fù)合鉆進機械鉆速是滑動鉆進機械鉆速的2倍，且部分井的滑動鉆進機械鉆速低于1.00m/h（見表1）?；瑒鱼@進機械鉆速低，嚴(yán)重制約了定向井段的提速[4–5]。

表1 磨溪–高石梯區(qū)域部分井?215.9mm定向井段鉆井技術(shù)指標(biāo)Table 1 Technical indexesof directional d rilling of partial wellsw ith ?215.9 mm well section in M oxi-Gaoshiti A rea

2 定向鉆井關(guān)鍵技術(shù)

2.1 井眼軌道優(yōu)化設(shè)計

針對高臺組、滄浪鋪組上部研磨性強，定向增斜或扭方位困難，筇竹寺組下部井斜角大、托壓嚴(yán)重等問題，采用“合理選擇造斜點，降低后期狗腿度”的設(shè)計方法，優(yōu)化設(shè)計井眼軌道。

磨溪–高石梯區(qū)塊定向鉆進實踐發(fā)現(xiàn)，不同層位、不同井斜段復(fù)合鉆進的造斜率不同：?215.9mm定向井段采用1.50°彎角螺桿進行復(fù)合鉆進時，井斜角小于50°時，井斜角基本上不變化；井斜角為50°～60°時，造斜率為0.5°/30m；井斜角為60°～70°時，造斜率為1.0°/30m；井斜角大于70°時，造斜率大于1.2°/30m。定向鉆進研磨性較強地層時，機械鉆速低，增斜率更低，甚至出現(xiàn)降斜情況。

結(jié)合現(xiàn)場實際地層情況，根據(jù)復(fù)合鉆進增斜率、地層層位和巖石可鉆性級值等因素優(yōu)化設(shè)計井眼軌道：合理選擇造斜點，降低難鉆層位的造斜率；采用分段優(yōu)化井眼軌道的方法，盡量避免在研磨性較強地層和頁巖地層進行定向作業(yè)。該區(qū)塊處于高臺組和滄浪鋪組井段的井斜角均小于50°，因此將處于高臺組和滄浪鋪組中部研磨性強地層井段的造斜率優(yōu)化為0°，處于筇竹寺組下部頁巖層的井段優(yōu)化為造斜率約為1.5°/30m的微增斜段。部分井定向井段優(yōu)化設(shè)計結(jié)果見表2。

表2 部分井定向井段造斜率優(yōu)化設(shè)計結(jié)果Tab le 2 Resultsof build rate optim ization design for partial directional wells

2.2 降摩減阻技術(shù)措施

2.2.1 簡化鉆具組合

深層、大斜度井段摩阻高，采用“加重鉆桿代替鉆鋌、鉆桿代替加重鉆桿、減小彎螺桿穩(wěn)定器尺寸”的方法，降低復(fù)合鉆進扭矩和起下鉆摩阻，緩解定向托壓情況。磨溪–高石梯區(qū)塊?215.9 mm定向井段對于不同井斜角的井段采用不同的簡化鉆具組合：

1）井斜角小于20°的井段。?215.9mm PDC/復(fù)合鉆頭+?171.5 mm×1.5°（帶?212.0 mm穩(wěn)定器）螺桿+?165.1 mm無磁鉆鋌（MWD）+?165.1 mm鉆鋌×1柱+?127.0mm加重鉆桿×5柱+?165.1mm隨鉆震擊器+?127.0mm加重鉆桿×1柱+?127.0mm鉆桿。

2）井斜角20°～40°的井段。?215.9mm PDC/復(fù)合鉆頭+?171.5mm×1.5°（帶?205.0mm穩(wěn)定器）螺桿+?165.1mm無磁鉆鋌（MWD）+?127.0mm加重鉆桿×6柱+?165.1mm隨鉆震擊器+?127.0mm加重鉆桿×1柱+?127.0 mm鉆桿。

3）井斜角40°～60°的井段。?215.9mm PDC/復(fù)合鉆頭+?171.5mm×1.5°螺桿+?165.1mm無磁鉆鋌（MWD）+?127.0mm加重鉆桿×3柱+?165.1 mm隨鉆震擊器+?127.0mm加重鉆桿×1柱+?127.0 mm鉆桿。

4）井斜角大于60°的井段。?215.9mmPDC/復(fù)合鉆頭+?171.5mm×1.5°（帶?205.0mm穩(wěn)定器）螺桿+?165.1 mm無磁鉆鋌（MWD）+?127.0 mm鉆桿×4柱+?165.1mm隨鉆震擊器+?127.0mm加重鉆桿×1柱+?127.0mm鉆桿。

2.2.2 個性化鉆頭優(yōu)選

目前磨溪–高石梯區(qū)塊?215.9 mm定向井段常采用PDC鉆頭和牙輪–PDC復(fù)合鉆頭。進行定向鉆進時，應(yīng)根據(jù)鉆遇地層和井眼軌道設(shè)計情況，并結(jié)合PDC鉆頭和復(fù)合鉆頭的優(yōu)缺點，進行個性化鉆頭優(yōu)選。整個定向井段PDC鉆頭與復(fù)合鉆頭交替使用，既能保證井身質(zhì)量，又能提高定向井段的機械鉆速。

PDC鉆頭主要是利用復(fù)合片齒切削地層，優(yōu)點是復(fù)合鉆進鉆時快、使用壽命長。缺點是鉆進研磨性強的地層時易磨損，定向鉆進時易出現(xiàn)托壓，而托壓易引起造斜率低、井眼軌跡控制困難和卡鉆等風(fēng)險。因此，采用PDC鉆頭鉆進灰?guī)r、云巖、泥巖等巖性單一且比較軟的地層。

牙輪–PDC復(fù)合鉆頭融合了PDC鉆頭和牙輪鉆頭的特性，以PDC切削齒刮切破巖為主，牙輪沖壓破巖為輔。采用牙輪–PDC復(fù)合鉆頭旋轉(zhuǎn)鉆進時，PDC切削齒在鉆頭體的帶動下繞鉆頭中心軸線旋轉(zhuǎn)刮切巖石；牙輪在鉆頭本體的帶動下繞鉆頭軸線公轉(zhuǎn)的同時，還繞其自身軸線自轉(zhuǎn)，牙輪上的牙齒以沖擊壓碎的方式破碎巖石，在井底沖壓出連續(xù)凹坑。在PDC切削齒與牙輪共同覆蓋的區(qū)域，由于復(fù)合鉆頭的牙輪比PDC切削齒冠面稍高，牙輪牙齒先沖壓出破碎凹坑，隨后跟進的PDC切削齒侵入并刮切巖石，2種切削方式共同作用于井底巖石[6]。復(fù)合鉆頭的優(yōu)點是抗沖擊性強，能解決定向托壓問題，鉆進研磨性強的地層時機械鉆速快；缺點是使用壽命短，有掉牙輪風(fēng)險，復(fù)合鉆進機械鉆速低。因此，采用復(fù)合鉆頭鉆進研磨性強、巖性多變、硬度高和定向托壓嚴(yán)重的地層。

2.2.3 配套提速工具

為解決托壓問題，提高機械鉆速，配套了水力振蕩器。水力振蕩器是一種用來解決托壓、改善鉆壓傳遞的井下工具，尤其適合在定向井、大位移井和水平井中使用。它可以與MWD、井下動力鉆具及各種鉆頭配合使用。

水力振蕩器通過鉆井液驅(qū)動動力部件高速旋轉(zhuǎn)，動力部件驅(qū)動回轉(zhuǎn)閥片高速旋轉(zhuǎn)，通過回轉(zhuǎn)閥過流面積周期性變化產(chǎn)生周期性液壓力，周期性液壓力通過振蕩部件轉(zhuǎn)化為周期性振蕩力和工具振幅（見圖1），帶動緊貼井壁的鉆桿活動起來，從而緩解滑動鉆進時的托壓[7]。

圖1 水力振蕩器結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structural diagram of hydraulic oscillator

水力振蕩器安放在井底托壓最嚴(yán)重的地方，當(dāng)不能確定托壓點時，可根據(jù)使用目的放置。解決定向井段工具面不穩(wěn)、托壓嚴(yán)重等情況時，通?？砂卜旁诰嚆@頭140.00～170.00m處；應(yīng)用于水平井時，根據(jù)水平段長度安放，一般安放在距鉆頭170.00～210.00m處[8–9]。

鉆具扭擺技術(shù)采用一個可編程控制器，接收MWD、鉆桿扭矩、立管壓力和大鉤懸重等多個傳感器的數(shù)據(jù)，依照定向鉆井控制流程，對頂驅(qū)進行程控編程，分析傳感器數(shù)據(jù)，輸出控制參數(shù)，精確控制頂驅(qū)轉(zhuǎn)動，調(diào)整和保持工具面；運用扭矩?fù)u擺技術(shù)順時針和逆時針交替旋轉(zhuǎn)鉆具，降低井眼摩阻，解決滑動托壓問題，提高機械鉆速[10]。

2.3 龍王廟組預(yù)防壓差卡鉆技術(shù)措施

磨溪–高石梯區(qū)塊龍王廟組地層壓力系數(shù)1.50～1.60，其上部地層壓力系數(shù)1.62～2.25，壓差最大達(dá)35MPa。由于與上部地層壓差大，鉆進龍王廟組時易發(fā)生壓差卡鉆。同時，該區(qū)塊定向強增斜井段大多設(shè)計在龍王廟組，鉆進時很容易發(fā)生壓差卡鉆，GS001-X 22井和MX 022-X 40井均在滑動鉆進龍王廟組時發(fā)生壓差卡鉆。為防止定向鉆進龍王廟組時發(fā)生壓差卡鉆，采取以下技術(shù)措施：1）控制鉆井液性能，保證鉆井液具有良好的潤滑性和低濾失性，鉆井液密度在滿足井控要求的前提下要盡可能低，以降低壓差；2）滑動鉆進時若發(fā)現(xiàn)有托壓現(xiàn)象立即上提鉆具，嚴(yán)防因鉆具長時間靜止引起卡鉆；3）測斜、滑動鉆進、接立柱前應(yīng)進行劃眼作業(yè)，以保證井眼通暢；4）簡化鉆具組合，不用鉆鋌，以降低鉆具組合與井壁的接觸面積。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

磨溪–高石梯區(qū)塊?215.9mm定向井段通過優(yōu)化井眼軌道，配套提速鉆具，采取降摩減阻、預(yù)防壓差卡鉆等技術(shù)措施，2019年累計完成21井次?215.9 mm井段的定向作業(yè)，定向井段平均鉆井時間27.51 d，機械鉆速2.17m/h。與2018年相比，定向井段平均鉆井時間縮短6.31 d，平均機械鉆速提高2.36%；與2017年比，定向井段平均鉆井時間縮短17.24 d，平均機械鉆速提高26.9%（見表3）。

表3 磨溪–高石梯區(qū)塊近3年?215.9mm定向井段鉆井指標(biāo)對比Table 3 Com parison of directional indexes of ?215.9 mm well section in M oxi-Gaoshiti Area in the past three years

3.1 GS001-X36井

GS001-X 36井位于高石梯GS1井區(qū)西高點南翼，設(shè)計采用“直—增—穩(wěn)—增—穩(wěn)”五段制井身剖面，井深4 420.00m（洗象池組）處開始造斜，增斜至71°（燈四段頂）中完進入A靶點，A靶點要求靶區(qū)閉合方位角122°，水平位移642.00 m，靶心半徑30.00 m。

根據(jù)該井鉆遇地層的特點，通過優(yōu)化井眼軌道，適當(dāng)提高造斜點，降低研磨性強地層和筇竹寺組頁巖層段的造斜率（見表4）；通過簡化鉆具組合和在強增斜井段選用復(fù)合鉆頭，降低了滑動鉆進托壓概率；在微增斜井段選用PDC鉆頭，提高了單趟進尺，從而達(dá)到了提速提效的目的。

表4 GS001-X36井井眼軌道優(yōu)化設(shè)計Table 4 Optim ized well trajectory of Well GS001-X36

該井自井深4 330.00m下入定向鉆具組合進行定向鉆進，用4趟鉆鉆至中完井深5 204.00m，用時25.22 d完成了873.78m長的定向井段，滑動鉆進進尺占16.94%，平均機械鉆速2.42m/h，其中鉆進筇竹寺組時單日進尺達(dá)到130.00m，創(chuàng)造了該區(qū)塊單日最高進尺紀(jì)錄。

3.2 MX126井

MX126井是一口大斜度井，設(shè)計采用“直—增—穩(wěn)—增—穩(wěn)”五段制井身剖面，造斜點在井深4 600.00m（洗象池組）。定向鉆進前，根據(jù)前期直井段井眼軌跡數(shù)據(jù)和地層特點，將造斜點下移至井深4 668.00m（龍王廟組），優(yōu)化設(shè)計了井眼軌道。在鉆進時，根據(jù)鉆遇地層的特點，選用個性化鉆頭；在托壓嚴(yán)重的井段應(yīng)用了水力振蕩器。該井?215.9mm定向井段僅用3趟鉆就完成，鉆井時間17.26 d，平均機械鉆速2.30 m/h。

4 結(jié)論及建議

1）磨溪–高石梯區(qū)塊?215.9mm定向井段鉆遇地層條件復(fù)雜，采用彎螺桿和MWD進行定向作業(yè)時井眼軌跡控制困難，托壓嚴(yán)重，機械鉆速低。

2）優(yōu)化設(shè)計磨溪–高石梯區(qū)塊井眼軌道，盡量避免在研磨性強的滄浪鋪組和筇竹寺組底部碳質(zhì)頁巖層進行定向作業(yè)，以降低井眼軌跡控制難度；根據(jù)鉆遇地層的巖性，選用個性化的鉆頭，并與水力振蕩器等提速工具配合使用，以達(dá)到減輕托壓、定向提速的目的。

3）建議磨溪–高石梯區(qū)塊采用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)鉆進?215.9mm定向井段，以利用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)優(yōu)勢，解決定向托壓問題，保證井眼軌跡平滑，提高定向機械鉆速，縮短定向周期。