王53區塊五段制定向井軌跡控制研究

姜曉強

摘要：目前牛莊油田王53區塊布置大量“直-增-穩-降-直”的五段制定向井。該區塊五段制定向井井身質量控制難度大，斜井段超過1500米，后期尤其是降斜段井身軌跡控制難。結合現場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。現場應用表明，該施工措施大大提高了區塊井的機械鉆速，取得了良好的實際效果，為類似區塊五段制定向井的施工提供參考和借鑒。

關鍵詞：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，同時為了壓裂的施工安全，滿足現階段地質對鉆井井身軌跡的要求^[1]，目前在勝利牛莊油田王53區塊大量布置“直-增-穩-降-直”五段制定向井。該類井設計要求以0°井斜角中靶，中靶后以0°井斜角鉆進，這對軌跡控制有很高的要求，不合理的施工措施會極大的制約鉆井速度，大大降低鉆井的經濟效益。

王53區塊位于濟陽坳陷東營凹陷牛莊-六戶洼陷帶南部，地質分層為平原組、明化鎮、館陶組、東營組和沙河街組，目的層為沙三中4。

該區塊井定向點相對較淺，斜井段均超過了1500米，后期施工，尤其是進入降斜段后，鉆具與井壁接觸面積大，導致摩阻大，扭矩大，容易出現鉆具事故，發生粘附卡鉆的幾率也增大^[2]。

二、軌跡控制技術措施

2.1 直井段井眼軌跡控制

對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，采用低鉆壓、高轉速施工，最大鉆壓控制在2t以內，一開完鉆后投多點測斜。

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械鉆速，隨鉆監測井斜和方位，做好同臺井的防碰工作。

2.2 增斜段井眼軌跡控制

對于穩斜段，在鉆時較慢的地層，通過調節鉆井參數來達到穩定造斜率目的;在疏松的軟地層，通過控制工具面精度來保證造斜率達到預計要求。

施工中首先要掌握這套鉆具組合在固定鉆井參數下的實際造斜率，根據實際測點之間井斜和方位變化率來計算其在該區塊的實際造斜率，結合實際測斜結果，選擇合適的的定向措施。為避免狗腿度有大的“凸起”現象，在連續定向增斜井段適當“穿插”復合鉆進井段，來達到井眼軌跡圓滑目的，也保證了后期施工和井下安全。

2.3 穩斜段井眼軌跡控制

穩斜井段的主要作用一是為井眼提供一定的水平位移，使井眼達到預計靶點;二是增斜段和降斜段之間的過渡帶。

穩斜段繼續沿用開始的鉆具組合。對于常規鉆具鉆進或直螺桿轉盤鉆進時，鉆頭軸心與鉆具軸心重合，鉆頭的運動軌跡是只繞其自身軸線作自轉運動。而單彎螺桿復合鉆進時，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，也繞鉆具軸心公轉。單彎螺桿復合鉆進時鉆頭的這種既自轉又公轉特性，具有運動學穩定性，是穩斜段鉆進時的有效工具。與直螺桿或普通鉆具相比，彎螺桿加轉盤鉆進方式多了約束條件，限制了鉆頭的偏移，可以避免或減少地層或其它外力對井斜的影響，起到穩斜作用。

該區塊五段制定向井的穩斜段長，均在1000米以上，有效的控制井斜和方位是穩斜段井身軌跡和機械鉆速的保證。在保證機械鉆速的前提下，適當的調整鉆壓，保證井斜、方位和位移在設計范圍內。施工中每三根進行一次單點測斜，發現井斜與方位有增大或減小趨勢的時候加密測斜，必要時進行定向調整，并及時計算分析鉆具的穩斜效果和穩斜段，既要防止穩斜段過短，完鉆水平位移不足，造成脫靶;又要避免穩斜段過長，造成后續降斜井段被動的現象。

2.4降斜段井眼軌跡控制

從鉆具受力的角度來看，目前普遍認為：降斜井段會增加井眼的摩阻，引起更多的復雜情況。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，相當于額外增加了鉆柱與井壁之間的正應力，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，降斜井段的摩阻遠高于增斜井段的摩阻，導致降斜段定向鉆進時托壓問題嚴重^[3]。

五段制井眼的降斜井段，選擇適合該區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+雙穩定器組合，該鉆具組合不好控制井身軌跡，且機械鉆速無法保證。

（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。該組合機械鉆速比常規有很大的提高，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，該組合穩斜甚至降斜效果，但根據鄰井使用效果來看，即便有上扶正器的存在，這套鉆具組合在王53區塊的降斜效果仍然一般，在實際施工中仍然以滑動鉆進為主。另外，王53區塊地層條件相對復雜，加之斜井段很長，存在井漏、卡鉆、油氣侵甚至鹽水侵的風險，綜合考慮，仍選擇更為穩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，專用軟件對鉆具摩阻進行分析，結果如圖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，摩阻系數為0.3，井斜角從0°變為30°^[3]。可以看到，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，摩阻在可接受的范圍。

假設一口井井斜從25°降至0°中靶，狗腿度為1.5°/30m，那么降斜段在500m左右。一個牙輪遠遠不能完成降斜段的施工任務，而再次起鉆更換牙輪，無論從經濟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，期間調整好鉆井液性能，尤其是潤滑性。待井斜降至15°左右，即降斜段剩余300m左右，視現場實際情況而定，這時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 下穩斜段井眼軌跡控制

本區塊下穩斜段為直井段，主要技術要求為防斜，長度一般在200m左右。此時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。此時已經很難定向，使用較小鉆壓，完全可以完成最后的進尺。

三、認識

隨著油田的不斷開發，“直-增-穩-降-直”的五段制軌跡設計施工會越來越多，合理的技術措施是施工的關鍵。“直-增-穩”階段依然選擇較為常規的鉆具組合，降斜段選擇更為穩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，控制鉆壓復合鉆進。這套鉆具組合現場應用效果明顯，全井機械鉆速相對臨井提高70%以上。

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

參考文獻

[1] 程丙方.“五段制”定向井優快鉆井技術[J].內江科技，2013，10：69-70.

[2] 劉會斌，馮會斌.田5-斜19五段制剖面定向井鉆井技術[J].斷塊油氣田，2003，10（6）：68-70.

[3] 于建民，彭萬勇，楊紅艷，等.塔河油田“S”型井眼優快鉆進技術[J].新疆石油科技，2013，23（1）：5-7.

[4] 劉志剛.冀東五段制大位移井井眼軌跡控制技術應用研究[J].中國石油和化工標準與質量，2014，6：141-142.

（作者單位：勝利石油工程公司黃河鉆井總公司）