四川盆地磨溪–高石梯區塊定向鉆井關鍵技術

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–高石梯區塊位于四川省安岳縣、遂寧市、武勝縣和重慶市大足區、潼南區等境內，屬于四川盆地樂山–龍女寺古隆起構造，是川渝地區的重要勘探區塊之一，主要目的層為燈影組四段[1–2]，設計井深6 500.00m左右。隨著該區塊勘探開發日趨成熟，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、龍潭組、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，巖性以灰巖、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、高低壓互存和靶區窄等特點。目前，該區塊主要使用“MWD+彎螺桿”進行定向鉆進，但鉆進中容易出現造斜率低、定向托壓嚴重、滑動鉆進速度慢、卡鉆風險大、井眼軌跡控制困難等問題。采用旋轉導向鉆井技術能解決這些問題，但是旋轉導向鉆井系統在高溫深井作業時存在抗溫能力受限、價格昂貴等缺點。

因此，筆者對磨溪–高石梯區塊井眼軌道進行了優化設計，根據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防壓差卡鉆等技術措施，形成了?215.9mm定向鉆井關鍵技術。磨溪–高石梯區塊應用該技術后，井眼軌跡控制難度降低，托壓現象減少，提高了定向鉆進的機械鉆速，定向鉆井時間大幅縮短。

1 定向鉆井技術難點

1）裸眼井段長，摩阻高，鉆具負荷重。磨溪–高石梯區塊?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，鉆具負荷重，容易出現疲勞損壞。

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，需穿越數十個層位，地層壓力系數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150℃，而在高溫高壓環境下，保障高密度鉆井液性能穩定比較困難。

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。龍潭組泥質含量高、塑性強，茅二段和棲一段含硅質，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時，鉆具上提下放阻卡嚴重，由此可知，頁巖段滑動鉆進困難，易卡鉆，不利于定向作業。

4）地質靶區窄、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，因地質靶區需要，對入靶井斜角、閉合距和閉合方位角要求比較嚴格，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，導致定向造斜率低，達不到設計要求，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到設計要求，不得不調整狗腿度，MX022-H25井因地層變薄導致后期狗腿度高達8°/30m。因此，地質靶區窄、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托壓現象，而且隨著井斜角增大，托壓現象會越來越嚴重[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2～5 h，2017年磨溪–高石梯區塊平均每口井?215.9mm定向井段處理托壓的時間達到3.32 d（見表1）。

6）滑動鉆進機械鉆速低。磨溪–高石梯區塊?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。統計部分已鉆井定向井段的鉆井技術指標，發現復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）。滑動鉆進機械鉆速低，嚴重制約了定向井段的提速[4–5]。

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

2 定向鉆井關鍵技術

2.1 井眼軌道優化設計

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、托壓嚴重等問題，采用“合理選擇造斜點，降低后期狗腿度”的設計方法，優化設計井眼軌道。

磨溪–高石梯區塊定向鉆進實踐發現，不同層位、不同井斜段復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，甚至出現降斜情況。

結合現場實際地層情況，根據復合鉆進增斜率、地層層位和巖石可鉆性級值等因素優化設計井眼軌道：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。該區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化為0°，處于筇竹寺組下部頁巖層的井段優化為造斜率約為1.5°/30m的微增斜段。部分井定向井段優化設計結果見表2。

表2 部分井定向井段造斜率優化設計結果Tab le 2 Resultsof build rate optim ization design for partial directional wells

2.2 降摩減阻技術措施

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、減小彎螺桿穩定器尺寸”的方法，降低復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/復合鉆頭+?171.5 mm×1.5°（帶?212.0 mm穩定器）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/復合鉆頭+?171.5mm×1.5°（帶?205.0mm穩定器）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/復合鉆頭+?171.5mm×1.5°（帶?205.0mm穩定器）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 個性化鉆頭優選

目前磨溪–高石梯區塊?215.9 mm定向井段常采用PDC鉆頭和牙輪–PDC復合鉆頭。進行定向鉆進時，應根據鉆遇地層和井眼軌道設計情況，并結合PDC鉆頭和復合鉆頭的優缺點，進行個性化鉆頭優選。整個定向井段PDC鉆頭與復合鉆頭交替使用，既能保證井身質量，又能提高定向井段的機械鉆速。

PDC鉆頭主要是利用復合片齒切削地層，優點是復合鉆進鉆時快、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險。因此，采用PDC鉆頭鉆進灰巖、云巖、泥巖等巖性單一且比較軟的地層。

牙輪–PDC復合鉆頭融合了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復合鉆頭旋轉鉆進時，PDC切削齒在鉆頭體的帶動下繞鉆頭中心軸線旋轉刮切巖石；牙輪在鉆頭本體的帶動下繞鉆頭軸線公轉的同時，還繞其自身軸線自轉，牙輪上的牙齒以沖擊壓碎的方式破碎巖石，在井底沖壓出連續凹坑。在PDC切削齒與牙輪共同覆蓋的區域，由于復合鉆頭的牙輪比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]。復合鉆頭的優點是抗沖擊性強，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，有掉牙輪風險，復合鉆進機械鉆速低。因此，采用復合鉆頭鉆進研磨性強、巖性多變、硬度高和定向托壓嚴重的地層。

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動動力部件高速旋轉，動力部件驅動回轉閥片高速旋轉，通過回轉閥過流面積周期性變化產生周期性液壓力，周期性液壓力通過振蕩部件轉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 水力振蕩器結構示意Fig.1 Structural diagram of hydraulic oscillator

水力振蕩器安放在井底托壓最嚴重的地方，當不能確定托壓點時，可根據使用目的放置。解決定向井段工具面不穩、托壓嚴重等情況時，通常可安放在距鉆頭140.00～170.00m處；應用于水平井時，根據水平段長度安放，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據，依照定向鉆井控制流程，對頂驅進行程控編程，分析傳感器數據，輸出控制參數，精確控制頂驅轉動，調整和保持工具面；運用扭矩搖擺技術順時針和逆時針交替旋轉鉆具，降低井眼摩阻，解決滑動托壓問題，提高機械鉆速[10]。

2.3 龍王廟組預防壓差卡鉆技術措施

磨溪–高石梯區塊龍王廟組地層壓力系數1.50～1.60，其上部地層壓力系數1.62～2.25，壓差最大達35MPa。由于與上部地層壓差大，鉆進龍王廟組時易發生壓差卡鉆。同時，該區塊定向強增斜井段大多設計在龍王廟組，鉆進時很容易發生壓差卡鉆，GS001-X 22井和MX 022-X 40井均在滑動鉆進龍王廟組時發生壓差卡鉆。為防止定向鉆進龍王廟組時發生壓差卡鉆，采取以下技術措施：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）滑動鉆進時若發現有托壓現象立即上提鉆具，嚴防因鉆具長時間靜止引起卡鉆；3）測斜、滑動鉆進、接立柱前應進行劃眼作業，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 現場應用

磨溪–高石梯區塊?215.9mm定向井段通過優化井眼軌道，配套提速鉆具，采取降摩減阻、預防壓差卡鉆等技術措施，2019年累計完成21井次?215.9 mm井段的定向作業，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–高石梯區塊近3年?215.9mm定向井段鉆井指標對比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井區西高點南翼，設計采用“直—增—穩—增—穩”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靶點要求靶區閉合方位角122°，水平位移642.00 m，靶心半徑30.00 m。

根據該井鉆遇地層的特點，通過優化井眼軌道，適當提高造斜點，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，從而達到了提速提效的目的。

表4 GS001-X36井井眼軌道優化設計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到130.00m，創造了該區塊單日最高進尺紀錄。

3.2 MX126井

MX126井是一口大斜度井，設計采用“直—增—穩—增—穩”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，根據前期直井段井眼軌跡數據和地層特點，將造斜點下移至井深4 668.00m（龍王廟組），優化設計了井眼軌道。在鉆進時，根據鉆遇地層的特點，選用個性化鉆頭；在托壓嚴重的井段應用了水力振蕩器。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 結論及建議

1）磨溪–高石梯區塊?215.9mm定向井段鉆遇地層條件復雜，采用彎螺桿和MWD進行定向作業時井眼軌跡控制困難，托壓嚴重，機械鉆速低。

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

3）建議磨溪–高石梯區塊采用旋轉導向技術鉆進?215.9mm定向井段，以利用旋轉導向技術優勢，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。