蘇14-19-34 井組水平井軌跡控制技術(shù)研究與應(yīng)用

蔣太平，李果民，姚戰(zhàn)利，丁紅衛(wèi)

（1.四川省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局一一三地質(zhì)隊，四川瀘州646000；2.中國石油川慶鉆探工程有限公司，四川成都610051）

1 項目概況

蘇里格氣田位于鄂爾多斯盆地，是我國產(chǎn)氣量較大的整裝氣田，屬于低壓、低滲、低產(chǎn)的三低致密巖性氣藏。采用叢式井組水平井開發(fā)是提高單井采收率、有效使用土地資源、降低開發(fā)成本的重要途徑。近年來為了進一步提高單井產(chǎn)量，降低單位建產(chǎn)投資成本，蘇里格氣田水平井向大井叢、長水平段和低成本的方向發(fā)展。

蘇14 區(qū)塊蘇14-19-34 井組位于內(nèi)蒙古鄂爾多斯市鄂托克前旗昂素鎮(zhèn)，共布2 口小三維水平井，目的層為石盒子組盒8 地層，埋藏垂深達3480 m，目的層溫度超過120 ℃，地質(zhì)情況復(fù)雜多變，儲層連續(xù)性差，設(shè)計水平段長，施工難度大，風(fēng)險高。

2 蘇里格氣田叢式三維水平井施工技術(shù)難點

2.1 叢式三維水平井直井段防碰繞障、糾偏影響快速鉆進

叢式三維水平井，同井場多機組、同機組多口井施工，防碰繞障施工錯綜復(fù)雜［1-2］；再加上三維水平井直井段擔(dān)負(fù)減少偏移距的任務(wù)，制約了叢式三維水平井直井段快速鉆進。

2.2 斜井段長，摩阻、扭矩大，滑動鉆進困難

斜井段包括糾偏井段、扭方位段、增斜入窗井段?？刂凭伍L，鉆穿層位多，地層規(guī)律性不統(tǒng)一，軌跡控制難度大［3］。

由于偏移距的存在，三維水平井摩阻、扭矩模型建立困難，鉆具及套管受力分析很難做到精確［4］；后期井段施工摩阻、扭矩大，井下動力鉆具滑動鉆進困難，施工效率低。

2.3 水平段井眼清潔困難

由于巖屑在水平井內(nèi)滯留時間長，巖屑易沉積在井眼低邊，形成巖屑床，會造成鉆具頻繁阻卡及增大鉆井摩阻。為滿足長水平段小井眼的井眼清潔要求，排量與泵壓的選擇成為較突出的矛盾。

2.4 水平段鉆遇泥巖后易出現(xiàn)鉆頭泥包和井壁失穩(wěn)

水平段均在二疊系石盒子組穿行，但石盒子組地層水敏性強，裂縫發(fā)育，存在泥巖夾層，易發(fā)生水化膨脹剝落、井壁垮塌而出現(xiàn)阻卡；同時，長水平段鉆井施工周期長，地層浸泡時間長，受井壁坍塌的影響，井壁失穩(wěn)的風(fēng)險進一步加大。

2.5 鉆壓傳遞困難

由于水平段長，水平段控制點多，導(dǎo)致井眼軌跡復(fù)雜，使得井內(nèi)管柱與井壁的摩阻和扭矩大幅度增加，鉆柱發(fā)生屈曲變形；一旦超過鉆柱螺旋臨界屈曲力，滑動鉆進時鉆柱自鎖導(dǎo)致無法有效傳遞鉆壓，最終導(dǎo)致水平段延伸鉆進困難。

3 技術(shù)對策

3.1 防碰繞障技術(shù)

防碰工作必須從優(yōu)化方案入手，從源頭上杜絕相碰風(fēng)險，施工方案必須做到與鄰井直井段距離8 m 以上，斜井段 20 m 以上。

存在防碰繞障的井，先進行防碰繞障施工，待防碰段安全通過后，再進行軌跡優(yōu)化。防碰是軌跡控制的重中之重［5］。

做好軌跡監(jiān)測，做到測一點、算一點、防碰圖畫一點，預(yù)測一次待鉆軌跡；對軌跡偏離預(yù)定方案和防碰風(fēng)險增加的情況及時預(yù)警，及時糾正軌跡偏差。

3.2 三維水平井糾偏段及軌跡設(shè)計技術(shù)

3.2.1 地層規(guī)律分析

蘇里格氣田涉及區(qū)域廣，區(qū)塊地層規(guī)律差異大，固定施工模式難以取得最優(yōu)效果，只能根據(jù)區(qū)塊對應(yīng)不同類型井，制定針對性方案。通過現(xiàn)場大量施工井資料分析統(tǒng)計，總結(jié)蘇里格氣田蘇14 區(qū)塊各地質(zhì)層位軌跡變化規(guī)律。蘇里格氣田糾偏井段各地質(zhì)層位軌跡變化規(guī)律見表1。

表1 蘇里格氣田糾偏井段各地質(zhì)層位軌跡變化規(guī)律Table 1 Track and strike law of each geological horizon in the deviation correction section of Sulige Gas Field

蘇里格氣田水平井蘇14 區(qū)塊二開進入直羅組，通過表1 可見，直羅組、延安組、延長組上部地層增斜；延長組中下部地層降斜，降斜率幅度較大；進入紙坊組，直到石千峰組上部地層呈（微）增斜規(guī)律。再往下到石盒子組已進入斜井段施工。

3.2.2 鉆具組合的確定

根據(jù)設(shè)計要求，結(jié)合地層規(guī)律，蘇里格氣田三維水平井二開選用“四合一”鉆具組合：?222.3 mm PDC+7LZ172×1.25°+?165 mm SDC+?212 mm STAB+MWD+?165 mm NMDC+?165 mm DC（9 根）+? 127 mm HWDP×45 根+?127 mm DP……

短鉆鋌長度根據(jù)區(qū)塊井類型具體選擇。結(jié)合地層規(guī)律定性分析，蘇里格氣田三維水平井二開“四合一”鉆具組合短鉆鋌長度可以參照表2 所列的幾種選擇模式。

表2 “四合一”鉆具組合短鉆鋌長度選擇參考Table 2 Reference for the short drill collar length selection for the“four in one”BHA

扶正器選擇原則：直徑比螺桿扶正塊小1 mm。

小偏移距水平井按常規(guī)二維水平井施工，二開鉆具組合中不加短鉆鋌。

3.2.3 三維水平井軌跡設(shè)計技術(shù)

3.2.3.1 軌跡模式選擇

根據(jù)蘇里格氣田三維水平井類型，運用億恒陽光Navigator 軟件進行軌跡設(shè)計。三維水平井軌跡設(shè)計模型通常選擇“水平井”（如圖1 所示）。進入水平井模型，設(shè)計參數(shù)中軌跡描述選擇“增穩(wěn)增增”（如圖2 所示）。

圖1 軌跡設(shè)計模型Fig.1 Trajectory design model

圖2 軌跡設(shè)計參數(shù)Fig.2 Trajectory design parameter

3.2.3.2 造斜點的選擇

初始段長度，即造斜點，依照工程設(shè)計，也可根據(jù)軌跡需求進行適當(dāng)調(diào)整。為使三維水平井施工模式化、規(guī)范化，根據(jù)三維水平井類型，結(jié)合設(shè)計井深和層位將造斜點位置進行規(guī)范［6-8］，如表3 所示。

表3 不同類型三維水平井軌跡規(guī)范Table 3 Trajectory specification for different types of 3D horizontal wells

延長組中下部為降斜地層，而且該層位井段含有礫石夾層，滑動鉆進調(diào)整效率低。通常在延長組中上部提前預(yù)留井斜3°～5°的調(diào)整值。

3.2.3.3 軌跡設(shè)計

確定了初始段長以后，進行軌跡設(shè)計。

一增“狗腿”度為初始定向段“狗腿”度，綜合螺桿鉆具造斜能力和軌跡平滑性，通常選擇10°～12°/100 m。

二增即扭方位段，“狗腿”度通常選擇15°/100 m。

二增完井斜為扭完方位井斜角，通常為糾偏井斜。也可根據(jù)具體情況選擇增斜、降斜扭方位。

三增“狗腿”度為增斜入窗井段“狗腿”度，設(shè)計15°/100 m，為軌跡調(diào)整留出空間。

靶區(qū)數(shù)據(jù)選擇，必須選擇靶區(qū)第一個靶體前窗，其他相關(guān)數(shù)據(jù)自動計入。

軌跡設(shè)計完成后，導(dǎo)入實鉆軌跡進行施工。鉆進過程中，實鉆軌跡出現(xiàn)偏離時，及時進行調(diào)整、校正［9-10］。

3.3 針對性技術(shù)措施

3.3.1 延長中部預(yù)留井斜超前角

蘇里格氣田三維水平井糾偏段在延長組中下部地層，“四合一”鉆具組合復(fù)合鉆進降斜嚴(yán)重，而且滑動鉆進調(diào)整比較困難，施工效率低。為實現(xiàn)快速鉆進［11］，在延長組中上部地層提前預(yù)留井斜，具體預(yù)留余地視糾偏井斜大小而定。根據(jù)現(xiàn)場施工經(jīng)驗，超前井斜角通常以糾偏井斜的25%～30%為宜。在延長組中下部應(yīng)避免軌跡調(diào)整，提高施工效率；進入紙坊組后，及時調(diào)整軌跡，井斜角應(yīng)略小于設(shè)計糾偏井斜。

3.3.2 扭方位方式的選擇

糾偏井斜角的大小決定了消偏移距的快慢［12］。當(dāng)井斜較小導(dǎo)致偏移距欠缺時，可選擇增斜扭方位，在扭方位過程中增大消偏移距量，而且二增“狗腿”度取下限；當(dāng)軌跡按照設(shè)計軌跡施工時，可選擇穩(wěn)斜扭方位，平穩(wěn)過渡進入增斜井段；當(dāng)井斜較大導(dǎo)致偏移距過大時，需選擇降斜扭方位，控制井斜，減小消偏速度，二增“狗腿”度取上限，快速扭方位。

3.3.3 及時待鉆設(shè)計，優(yōu)化軌跡，提高第二清洗區(qū)施工效率

根據(jù)拋物線原理及鉆具受力分析，第二清洗區(qū)（井斜30°～60°）軌跡調(diào)整相對比較困難。實鉆施工時綜合剩余偏移距和視平移，扭方位段開始進行整體軌跡待鉆設(shè)計，確定扭方位方式及二增完井井斜角大小，降低第二清洗區(qū)“狗腿”度［13］，減少滑動比例，實現(xiàn)斜井段快速鉆進。

3.3.4 細(xì)化著陸控制，根據(jù)水平段設(shè)計和地層傾角確定入窗井斜

根據(jù)水平段軌跡設(shè)計和地層構(gòu)造，合理進行入靶井斜控制。儲層靶體上傾時，以井斜85°～86°探氣層，儲層頂部88°～90°入窗；儲層靶體下傾時，控制井眼軌跡以井斜 82°～84°探氣層，儲層中部 86°～88°入窗。一方面為小幅度調(diào)整入窗垂深創(chuàng)造條件，另一方面盡量復(fù)合鉆井入窗進靶［14］，減少滑動鉆進而提高效率，如圖3、圖4 所示。

圖3 儲層上傾示意Fig.3 Up dipping reservoir

圖4 儲層下傾示意Fig.4 Down dipping reservoir

3.3.5 嚴(yán)格執(zhí)行地質(zhì)導(dǎo)向和設(shè)計，提高水平段施工效率，減少水平段井下安全隱患

水平井地質(zhì)設(shè)計是根據(jù)鄰井資料綜合分析、最大限度提高水平段儲層鉆遇率［15］而設(shè)計和制定的，現(xiàn)場施工須嚴(yán)格執(zhí)行地質(zhì)設(shè)計和地質(zhì)導(dǎo)向，軌跡數(shù)據(jù)必須真實可靠，為后續(xù)井段地質(zhì)導(dǎo)向提供參考，從而提高儲層鉆遇率，防止鉆遇大段泥巖而導(dǎo)致井下坍塌等安全隱患。

3.4 現(xiàn)場應(yīng)用效果

3.4.1 蘇14-19-34H1 井安全快速施工

蘇14-19-34H1 井設(shè)計井深4880 m，設(shè)計水平段長1200 m，設(shè)計偏移距51.51 m、靶前距364.7 m，利用Navigator 軟件“水平井”模型，“增穩(wěn)增增”剖面設(shè)計。蘇14-19-34H1 井設(shè)計軌跡節(jié)點數(shù)據(jù)見表4。

表4 蘇14-19-34H1 井設(shè)計軌跡節(jié)點數(shù)據(jù)Table 4 Design trajectory node data of Su 14-19-34H1

二開鉆具組合選擇不接短鉆鋌。施工過程中，在設(shè)計要求的井斜范圍內(nèi)控制方位，確保直井段消掉20～30 m 偏移距，減少消偏段和斜井段工作量，提高施工效率。蘇14-19-34H1 井的實際水平投影及垂直投影如圖5、圖6 所示。

圖5 蘇14-19-34H1 井水平投影Fig.5 Horizontal projection of Su 14-19-34H1

圖6 蘇14-19-34H1 井垂直投影Fig.6 Vertical projection of Su 14-19-34H1

3.4.2 蘇14-19-34H2 井安全快速施工

蘇14-19-34H2 井設(shè)計井深5171 m，靶前距391.44 m，偏移距78.78 m，水平段長1500 m。蘇14-19-34H2 井設(shè)計軌跡節(jié)點數(shù)據(jù)見表5。

表5 蘇14-19-34H2 井設(shè)計軌跡節(jié)點數(shù)據(jù)Table 5 Design trajectory node data of Su 14-19-34H2

（1）本井與蘇14-19-34H1 井存在防碰問題，二開鉆具組合選擇中，未接短鉆鋌。施工過程中，在設(shè)計要求的井斜范圍內(nèi)控制方位，提前走偏移距，兩井防碰安全的前提下減少消偏段和斜井段工作量，提高施工效率。

（2）本井在直井段鉆進過程中，采用小鉆壓高轉(zhuǎn)速的技術(shù)措施，提高了鉆進效率，在井眼軌跡不超標(biāo)的前提下提高了施工效率。

（3）本井因為提前走偏移距，減少了紙坊組、和尚溝組、劉家溝組硬地層的滑動鉆進，提高了施工效率。

（4）本井造斜段鉆進過程中，定向造斜“狗腿”均勻，保證軌跡平滑，沒有臺階，提高了后期施工效率。

（5）水平段鉆進過程中，定向堅持少定、勤定、勤測斜、預(yù)測井底井斜、有預(yù)見性調(diào)整軌跡，避免了長井段定向滑動，保持了軌跡平滑，提高了后期施工效率。

蘇14-19-34H2 井的實際水平投影及垂直投影見圖 7、圖8。

圖7 蘇14-19-34H2 井水平投影Fig.7 Horizontal projection of Su 14-19-34H2

圖8 蘇14-19-34H2 井垂直投影Fig.8 Vertical projection of Su 14-19-34H2

3.4.3 優(yōu)先繞障施工，確保防碰安全

蘇14-19-34H2 是本井組第2 口井，距蘇14-19-34H1 井8.09 m，所以2 口井直井段存在防碰問題。采取的措施如下：

（1）直井段加密測斜，嚴(yán)格控制井斜方位，避免鉆進過程中2 口井方位相對。

（2）在設(shè)計要求范圍內(nèi)提前走偏移距，加快2 口井防碰相離。

蘇14-19-34 井組三維立體圖見圖9。

圖9 蘇14-19-34 井組三維圖（單位：mm)Fig.9 3D diagram of well cluster Su 14-19-34

3.4.4 問題總結(jié)

（1）蘇14-19-34H1 井二開增斜井段中，因地層原因，復(fù)合鉆進不增斜，增加了滑動鉆進時間，降低了時效。

（2）蘇14-19-34H2 井二開增斜井段中，因地層原因，復(fù)合鉆進增斜效果差，下鉆到底后滑動鉆進托壓、憋泵嚴(yán)重，降低了時效。

（3）水平段鉆進過程中，在井深4083 m 處鉆遇泥巖（該泥巖為石盒子組地層發(fā)育）鉆時變慢，起鉆更換鉆頭及螺桿，鉆時依舊沒有變化，該段地層鉆時45～120 min/m，降低了時效。

（4）水平段第3 趟起鉆后發(fā)現(xiàn)無磁鉆鋌嚴(yán)重彎曲，定向儀器探管正好處于彎曲處，造成了定向探管損壞。

（5）水平段鉆進過程中，因鉆遇泥巖段長（4083～4423 m）導(dǎo)致后期定向鉆進困難（滑動鉆進過程中托壓嚴(yán)重，定向效果差），降低了時效。

4 結(jié)論與建議

（1）蘇14 區(qū)塊井場井眼軌跡錯綜復(fù)雜，防碰形勢嚴(yán)峻，三維水平井（包括二維）同場施工應(yīng)提前做好防碰技術(shù)方案，具體施工須防碰繞障優(yōu)先。

（2）認(rèn)真分析鉆具組合特性和地層規(guī)律，全面考慮各個施工井段難度特點，綜合制定應(yīng)對措施，做好軌跡預(yù)算，是糾偏井段快速鉆進的關(guān)鍵。

（3）確保軌跡平滑性、泥漿攜砂性和潤滑性，控制固相含量，可有效降低三維水平井摩阻和扭矩，為水平段延伸提供保障。全井段推廣“PDC 鉆頭+螺桿”復(fù)合鉆進模式。

（4）PDC 鉆頭、水力振蕩器等保障性工具的配合使用，能夠大幅提高斜井段施工效率?！蔼{虎獸”復(fù)合鉆頭兼有牙輪鉆頭和PDC 鉆頭優(yōu)點，復(fù)合鉆進鉆速與PDC 鉆頭相當(dāng)，增斜率更高，定向鉆進工具面穩(wěn)定，可有效降低托壓影響，提高施工效率。復(fù)合鉆頭由于受使用時間的限制，選用上應(yīng)綜合考慮軌跡參數(shù)和井段，盡量使用在靶前距較小的斜井段。