涪陵頁(yè)巖氣田三維叢式水平井軌跡控制技術(shù)

謝虹橋

1.中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院（北京 100101）

2.頁(yè)巖油氣富集機(jī)理與有效開(kāi)發(fā)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（北京 100101）

中國(guó)石化涪陵頁(yè)巖氣田是國(guó)內(nèi)首個(gè)商業(yè)開(kāi)發(fā)的大型頁(yè)巖氣田。2015年底，中國(guó)石化涪陵頁(yè)巖氣田一期順利建成年50×108m3產(chǎn)能，與此同時(shí)，涪陵二期50×108m3產(chǎn)能建設(shè)也已正式啟動(dòng)。為滿(mǎn)足勘探開(kāi)發(fā)的經(jīng)濟(jì)效益，涪陵頁(yè)巖氣田多以“井工廠(chǎng)”方式鉆進(jìn)[1-2]。該類(lèi)井型部分井偏移距離達(dá)到600 m以上，靶前位移650～900 m，水平段長(zhǎng)1 500～2 000 m。鉆井施工中存在摩阻扭矩大、地質(zhì)預(yù)測(cè)偏差大、軌跡調(diào)整頻繁、中靶難度高和軌跡控制難度高等技術(shù)難題。針對(duì)上述難題，開(kāi)展了三維井眼軌跡剖面優(yōu)化設(shè)計(jì)、降摩減阻技術(shù)、軌跡預(yù)測(cè)及精準(zhǔn)著陸技術(shù)，集成形成了涪陵頁(yè)巖氣田三維叢式水平井軌跡控制技術(shù)[3-4]。

1 技術(shù)難點(diǎn)分析

1.1 軌跡剖面設(shè)計(jì)與工程實(shí)際匹配度差

涪陵頁(yè)巖氣田前期施工井多采用“直井段-造斜段-穩(wěn)斜段-造斜段-水平段”的五段制剖面，見(jiàn)表1。該類(lèi)設(shè)計(jì)剖面沿用二維設(shè)計(jì)井的設(shè)計(jì)思路，存在一定的局限性：①造斜點(diǎn)選取不合理，造成后期軌跡摩阻扭矩大；②穩(wěn)斜段長(zhǎng)，軌跡控制難度大，機(jī)械鉆速低；③全角變化率設(shè)計(jì)高，扭方位工作量大；④靶前位移大，增大了矢量入靶的難度，著陸控制要求更高。

表1 一期工程三維水平井軌道剖面（部分）

1.2 摩阻扭矩大，機(jī)械鉆速低

在涪陵三維叢式水平井中，鉆具在井中與井壁接觸面大，從而產(chǎn)生較大的摩阻扭矩，發(fā)生嚴(yán)重的托壓現(xiàn)象，使得在下鉆和定向滑動(dòng)鉆進(jìn)等作業(yè)中極易發(fā)生鉆柱屈曲現(xiàn)象，從而導(dǎo)致鉆壓無(wú)法有效地傳遞至鉆頭，影響機(jī)械鉆速[5-7]。且該類(lèi)井也存在造斜段和扭方位鉆進(jìn)井段長(zhǎng)的特點(diǎn)。以焦頁(yè)18-1HF井為例，該井由于上部軌跡扭方位段較長(zhǎng)，摩阻高達(dá)20 t，造成工具面控制難度高，初始工具面擺放時(shí)間長(zhǎng)，定向鉆時(shí)達(dá)40～50 min/m。

1.3 軌跡控制難度高，中靶難

由于穩(wěn)斜段長(zhǎng)，穩(wěn)斜難度高，雙驅(qū)復(fù)合鉆進(jìn)時(shí)常造成井下憋鉆甚至憋停頂驅(qū)。由于偏移距大，扭方位工作量大，在造斜的同時(shí)需兼顧扭方位，三維軌跡控制過(guò)程中，需綜合考慮偏移距、靶前位移、井斜角、方位角和垂深，中靶難度高。

2 軌跡控制技術(shù)對(duì)策

為了實(shí)現(xiàn)涪陵頁(yè)巖氣田三維叢式水平井軌道控制，主要從以下3個(gè)方面開(kāi)展技術(shù)攻關(guān)。

2.1 軌跡剖面優(yōu)化設(shè)計(jì)

針對(duì)軌跡剖面設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題，優(yōu)化后的剖面綜合考慮了造斜點(diǎn)優(yōu)選、穩(wěn)斜段及靶前位移設(shè)計(jì)和全角變化率設(shè)計(jì)。以最小摩阻扭矩為設(shè)計(jì)目標(biāo)，提出以下設(shè)計(jì)思路。

2.1.1 造斜點(diǎn)優(yōu)選

1）造斜點(diǎn)需要謹(jǐn)慎避開(kāi)具有可鉆性差、鉆具振動(dòng)劇烈和工具面穩(wěn)定性差等特點(diǎn)的龍?zhí)?茅口組地層；同時(shí)，將目標(biāo)位置選擇在穩(wěn)定性、可鉆性較好的韓家店組地層中。

2）為了減少扭方位的難度，并能夠避免穩(wěn)斜段長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)等不利因素的影響，可以適當(dāng)下移造斜點(diǎn)，在小井斜角井段扭方位，這樣就可以達(dá)到降摩減扭的目的。

2.1.2 合理設(shè)計(jì)造斜率

通過(guò)對(duì)前期大量施工數(shù)據(jù)的深入分析，結(jié)合摩阻扭矩預(yù)測(cè)軟件模擬對(duì)比，二開(kāi)井段推薦合理造斜率范圍為0.12～0.14°/m，三開(kāi)造斜段推薦合理造斜率為0.18～0.20°/m。

2.1.3 井眼軌道剖面設(shè)計(jì)

1）漸增式定向造斜率設(shè)計(jì)。在優(yōu)選的造斜率范圍內(nèi)，初始造斜時(shí)采用低造斜率，減小側(cè)向力，同時(shí)保證剖面有一定的調(diào)整空間。當(dāng)應(yīng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜情況或調(diào)整靶點(diǎn)時(shí)，再采用較高的造斜率。

2）優(yōu)選扭方位的最佳井斜角。減小扭方位時(shí)的井斜角，可提高定向效率，因此需要慎重并仔細(xì)選擇該角度。首先，該角度需要避免30°～60°這個(gè)范圍，尤其是45°～60°，因?yàn)樵谠摻嵌葍?nèi)易形成巖屑床。因此，扭方位的最佳井斜角應(yīng)小于30°。

以焦頁(yè)56-3HF井為例進(jìn)行軌跡剖面優(yōu)化前后的對(duì)比，見(jiàn)表2和表3。

對(duì)比結(jié)果表明：造斜點(diǎn)從1 500 m 下調(diào)至2 000 m，全角變化率大幅降低（16°/100 m 下降到11.76°/100 m），減少了扭方位工作量，并且摩阻降低明顯：上提摩阻下降57.37%，下放摩阻下降9.85%，復(fù)合鉆扭矩下降20.66%，空鉆扭矩下降27.45%，優(yōu)化后的剖面降低了現(xiàn)場(chǎng)施工難度，且有利于降摩減阻。

2.2 降摩減阻工具配套

2.2.1 水力振蕩器配套應(yīng)用

水力振蕩器一般安裝在井下動(dòng)力馬達(dá)之上[8-10]，其工作原理是利用專(zhuān)門(mén)的節(jié)流裝置將鉆井液的壓力能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，從而使鉆柱產(chǎn)生周期性的振動(dòng)，帶動(dòng)鉆柱軸向振動(dòng)，將滑動(dòng)鉆進(jìn)的靜態(tài)摩擦阻力轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)態(tài)摩擦阻力，從而達(dá)到降低摩阻和扭矩的目的。這樣方便鉆壓的傳遞，工具面易于操控，減少擺放工具面的時(shí)間，縮短非鉆進(jìn)時(shí)間，提高鉆進(jìn)效率。

為解決涪陵頁(yè)巖氣田三維水平井定向托壓?jiǎn)栴}，水力振蕩器在多口井開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，并取得了良好的效果，以焦頁(yè)49-1HF井為例進(jìn)行說(shuō)明。

鉆進(jìn)參數(shù)設(shè)置如下：復(fù)合鉆進(jìn)時(shí)鉆壓10～12 t，定向鉆進(jìn)時(shí)鉆壓11～13 t，鉆井泵排量為26 L/s、泵壓20～22 MPa，復(fù)合時(shí)轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速為50 r/min。另外，鉆進(jìn)時(shí)所用的鉆具有Φ215.9 mm KPM1642ART 高造斜率混裝鉆頭鉆頭、Φ127 mm 的鉆桿和加重鉆桿，以及浮閥、LWD 無(wú)磁懸掛、旁通閥、Φ172 mm×1.25°單彎螺桿、Φ127 mm無(wú)磁承壓鉆桿。

最終，在采用以上鉆進(jìn)參數(shù)、鉆具組合、以及密度達(dá)到1.75 g/cm3、漏斗黏度為85 s的油基鉆井液的情況下，韓家店組、小河壩組、龍馬溪組的機(jī)械鉆速與鄰井焦頁(yè)49-2H 相比，分別提高了48.71%、10.76%和143.27%，結(jié)果顯示其具有顯著的提速效果，見(jiàn)表4。

2.2.2 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具配套應(yīng)用

與傳統(tǒng)的滑動(dòng)導(dǎo)向相比，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆進(jìn)時(shí)鉆柱處于選擇狀態(tài)，摩阻和扭矩減小了，鉆壓傳遞效率更高更穩(wěn)定，從而使得軌跡調(diào)整控制更方便，所鉆的井眼軌跡光滑。由于鉆柱旋轉(zhuǎn)，巖屑攜帶效率高，井眼清潔[11-13]。在滑動(dòng)導(dǎo)向鉆進(jìn)困難的焦頁(yè)42-4HF 井二開(kāi)扭方位井段采用了旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具，取得了較好的應(yīng)用效果，見(jiàn)表5。通過(guò)與鄰井使用效果對(duì)比分析可知，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)能有效解決定向托壓?jiǎn)栴}，并可提高機(jī)械鉆速。

表2 焦頁(yè)56-3HF井優(yōu)化前的剖面

表3 焦頁(yè)56-3HF井優(yōu)化后的剖面

表4 焦頁(yè)49-1HF井水力震蕩器應(yīng)用情況

2.3 軌跡預(yù)測(cè)及著陸控制技術(shù)

2.3.1 軌跡精確預(yù)測(cè)

常用的現(xiàn)場(chǎng)軌跡預(yù)測(cè)方法有定曲率幾何外推法和兩測(cè)點(diǎn)中間插值法等，這些方法在二維軌跡預(yù)測(cè)中可滿(mǎn)足工程精度需求，但是在三維軌跡預(yù)測(cè)中，誤差較大。經(jīng)過(guò)對(duì)比分析，采用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)更新的MGM（1，N）模型[14]來(lái)同時(shí)預(yù)測(cè)井斜和方位參數(shù)，該方法可以滿(mǎn)足工程精度要求。該方法計(jì)算思路如圖1所示。

表5 焦頁(yè)42-4HF井水力震蕩器應(yīng)用情況

圖1 三維軌跡精確預(yù)測(cè)思路

多口井現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果表明，當(dāng)儀器測(cè)量盲區(qū)在17.5 m 以上時(shí)，該方法利用測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)鉆頭處井斜角的絕對(duì)誤差可保持在0.25°以?xún)?nèi)，能夠?qū)崿F(xiàn)軌跡的高精度預(yù)測(cè)，這對(duì)軌跡入靶控制具有重要意義。

2.3.2 穩(wěn)斜扭方位控制技術(shù)

二開(kāi)穩(wěn)斜段進(jìn)入三維穩(wěn)斜變方位井段后，要盡量完成扭方位作業(yè)，不要在三開(kāi)井段扭方位或者減少三開(kāi)扭方位工作量，扭方位的同時(shí)要保證對(duì)穩(wěn)斜的控制。選取最佳的扭方位位置是二開(kāi)穩(wěn)斜段扭方位鉆進(jìn)的技術(shù)關(guān)鍵之一。

通過(guò)分析確定，在二開(kāi)穩(wěn)斜段的靶體偏移距余量比例35%～45%為扭方位施工的最佳施工井段。分析思路如下：假設(shè)靶體方位為0°，靶體長(zhǎng)度1 600 m，靶前位移950 m，側(cè)向位移630 m（靶體偏移距），穩(wěn)斜段井斜65°，消偏方位65°，不同偏移距條件下，全角變化率及方位變化情況，見(jiàn)表6。

表6 全角變化率隨偏移距的變化

通過(guò)后續(xù)全角變化率分析結(jié)果可知，余量比例在35%～45%既可兼顧全角變化率還可減少扭方位工作量，因此該井段為最佳扭方位井段。

2.3.3 著陸控制技術(shù)

三維叢式水平井的著陸控制是軌跡控制的核心目標(biāo)。通過(guò)前期的著陸施工分析總結(jié)，形成了著陸控制原則。

1）借助地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)[15]，細(xì)致分析隨鉆資料，明確目的層，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)中靶。

2）確保軌跡穿行位置在主力氣層最優(yōu)層位。

3）實(shí)時(shí)計(jì)算地層傾角，預(yù)測(cè)并調(diào)整軌跡形態(tài)。

4）對(duì)于目的層為上傾方向，傾角大于90°，應(yīng)控制井眼軌跡在A點(diǎn)前20～30 m，確保垂深達(dá)到目的層頂部位置。

5）對(duì)于目的層為下傾方向，傾角小于90°，靶前位移可提前，探頂井斜角可略小，可控制井眼軌跡在A點(diǎn)前20～30 m，入靶角度達(dá)到最大井斜值減去2°～3°，進(jìn)入目的層后地層下傾，達(dá)到地質(zhì)要求。

使用軌跡控制技術(shù)前后的施工情況見(jiàn)表7，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明：使用軌跡控制技術(shù)后，二開(kāi)平均定向周期15.72 d，較前期23.59 d 縮短7.87 d，縮短鉆井周期33.36%。

表7 使用軌跡控制技術(shù)前后定向指標(biāo)對(duì)比

3 結(jié)論

1）涪陵頁(yè)巖氣田多為長(zhǎng)半徑三維叢式水平井。該類(lèi)井型具有偏移距和靶前距大、穩(wěn)斜段和水平段長(zhǎng)的特點(diǎn)，鉆井施工中存在摩阻扭矩大、地質(zhì)預(yù)測(cè)偏差大、軌跡調(diào)整頻繁、中靶難度高和軌跡控制難度高等技術(shù)難題。

2）基于前期實(shí)鉆數(shù)據(jù)分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)前后分析總結(jié)，形成了三維井眼軌跡剖面優(yōu)化設(shè)計(jì)、降摩減阻技術(shù)及工具配套、軌跡預(yù)測(cè)和著陸控制技術(shù)三大軌跡控制技術(shù)，有效解決涪陵頁(yè)巖氣田三維叢式水平井軌跡控制技術(shù)難題。

3）現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果表明，使用軌跡控制技術(shù)后，平均定向周期15.72 d，較前期23.59 d 縮短7.87 d，縮短鉆井周期33.36%。