涪陵頁巖氣田三維叢式水平井軌跡控制技術(shù)

謝虹橋

1.中國石化石油工程技術(shù)研究院（北京 100101）

2.頁巖油氣富集機理與有效開發(fā)國家重點實驗室（北京 100101）

中國石化涪陵頁巖氣田是國內(nèi)首個商業(yè)開發(fā)的大型頁巖氣田。2015年底，中國石化涪陵頁巖氣田一期順利建成年50×108m3產(chǎn)能，與此同時，涪陵二期50×108m3產(chǎn)能建設也已正式啟動。為滿足勘探開發(fā)的經(jīng)濟效益，涪陵頁巖氣田多以“井工廠”方式鉆進[1-2]。該類井型部分井偏移距離達到600 m以上，靶前位移650～900 m，水平段長1 500～2 000 m。鉆井施工中存在摩阻扭矩大、地質(zhì)預測偏差大、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。針對上述難題，開展了三維井眼軌跡剖面優(yōu)化設計、降摩減阻技術(shù)、軌跡預測及精準著陸技術(shù)，集成形成了涪陵頁巖氣田三維叢式水平井軌跡控制技術(shù)[3-4]。

1 技術(shù)難點分析

1.1 軌跡剖面設計與工程實際匹配度差

涪陵頁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，見表1。該類設計剖面沿用二維設計井的設計思路，存在一定的局限性：①造斜點選取不合理，造成后期軌跡摩阻扭矩大；②穩(wěn)斜段長，軌跡控制難度大，機械鉆速低；③全角變化率設計高，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)生嚴重的托壓現(xiàn)象，使得在下鉆和定向滑動鉆進等作業(yè)中極易發(fā)生鉆柱屈曲現(xiàn)象，從而導致鉆壓無法有效地傳遞至鉆頭，影響機械鉆速[5-7]。且該類井也存在造斜段和扭方位鉆進井段長的特點。以焦頁18-1HF井為例，該井由于上部軌跡扭方位段較長，摩阻高達20 t，造成工具面控制難度高，初始工具面擺放時間長，定向鉆時達40～50 min/m。

1.3 軌跡控制難度高，中靶難

由于穩(wěn)斜段長，穩(wěn)斜難度高，雙驅(qū)復合鉆進時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，在造斜的同時需兼顧扭方位，三維軌跡控制過程中，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)對策

為了實現(xiàn)涪陵頁巖氣田三維叢式水平井軌道控制，主要從以下3個方面開展技術(shù)攻關。

2.1 軌跡剖面優(yōu)化設計

針對軌跡剖面設計存在的問題，優(yōu)化后的剖面綜合考慮了造斜點優(yōu)選、穩(wěn)斜段及靶前位移設計和全角變化率設計。以最小摩阻扭矩為設計目標，提出以下設計思路。

2.1.1 造斜點優(yōu)選

1）造斜點需要謹慎避開具有可鉆性差、鉆具振動劇烈和工具面穩(wěn)定性差等特點的龍?zhí)?茅口組地層；同時，將目標位置選擇在穩(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)斜段長度過長等不利因素的影響，可以適當下移造斜點，在小井斜角井段扭方位，這樣就可以達到降摩減扭的目的。

2.1.2 合理設計造斜率

通過對前期大量施工數(shù)據(jù)的深入分析，結(jié)合摩阻扭矩預測軟件模擬對比，二開井段推薦合理造斜率范圍為0.12～0.14°/m，三開造斜段推薦合理造斜率為0.18～0.20°/m。

2.1.3 井眼軌道剖面設計

1）漸增式定向造斜率設計。在優(yōu)選的造斜率范圍內(nèi)，初始造斜時采用低造斜率，減小側(cè)向力，同時保證剖面有一定的調(diào)整空間。當應對現(xiàn)場復雜情況或調(diào)整靶點時，再采用較高的造斜率。

2）優(yōu)選扭方位的最佳井斜角。減小扭方位時的井斜角，可提高定向效率，因此需要慎重并仔細選擇該角度。首先，該角度需要避免30°～60°這個范圍，尤其是45°～60°，因為在該角度內(nèi)易形成巖屑床。因此，扭方位的最佳井斜角應小于30°。

以焦頁56-3HF井為例進行軌跡剖面優(yōu)化前后的對比，見表2和表3。

對比結(jié)果表明：造斜點從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 水力振蕩器配套應用

水力振蕩器一般安裝在井下動力馬達之上[8-10]，其工作原理是利用專門的節(jié)流裝置將鉆井液的壓力能量轉(zhuǎn)換為機械能，從而使鉆柱產(chǎn)生周期性的振動，帶動鉆柱軸向振動，將滑動鉆進的靜態(tài)摩擦阻力轉(zhuǎn)變?yōu)閯討B(tài)摩擦阻力，從而達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間，縮短非鉆進時間，提高鉆進效率。

為解決涪陵頁巖氣田三維水平井定向托壓問題，水力振蕩器在多口井開展了現(xiàn)場應用，并取得了良好的效果，以焦頁49-1HF井為例進行說明。

鉆進參數(shù)設置如下：復合鉆進時鉆壓10～12 t，定向鉆進時鉆壓11～13 t，鉆井泵排量為26 L/s、泵壓20～22 MPa，復合時轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速為50 r/min。另外，鉆進時所用的鉆具有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 無磁懸掛、旁通閥、Φ172 mm×1.25°單彎螺桿、Φ127 mm無磁承壓鉆桿。

最終，在采用以上鉆進參數(shù)、鉆具組合、以及密度達到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、龍馬溪組的機械鉆速與鄰井焦頁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，見表4。

2.2.2 旋轉(zhuǎn)導向鉆井工具配套應用

與傳統(tǒng)的滑動導向相比，旋轉(zhuǎn)導向鉆進時鉆柱處于選擇狀態(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]。在滑動導向鉆進困難的焦頁42-4HF 井二開扭方位井段采用了旋轉(zhuǎn)導向工具，取得了較好的應用效果，見表5。通過與鄰井使用效果對比分析可知，旋轉(zhuǎn)導向技術(shù)能有效解決定向托壓問題，并可提高機械鉆速。

表2 焦頁56-3HF井優(yōu)化前的剖面

表3 焦頁56-3HF井優(yōu)化后的剖面

表4 焦頁49-1HF井水力震蕩器應用情況

2.3 軌跡預測及著陸控制技術(shù)

2.3.1 軌跡精確預測

常用的現(xiàn)場軌跡預測方法有定曲率幾何外推法和兩測點中間插值法等，這些方法在二維軌跡預測中可滿足工程精度需求，但是在三維軌跡預測中，誤差較大。經(jīng)過對比分析，采用實時數(shù)據(jù)更新的MGM（1，N）模型[14]來同時預測井斜和方位參數(shù)，該方法可以滿足工程精度要求。該方法計算思路如圖1所示。

表5 焦頁42-4HF井水力震蕩器應用情況

圖1 三維軌跡精確預測思路

多口井現(xiàn)場應用效果表明，當儀器測量盲區(qū)在17.5 m 以上時，該方法利用測點數(shù)據(jù)預測鉆頭處井斜角的絕對誤差可保持在0.25°以內(nèi)，能夠?qū)崿F(xiàn)軌跡的高精度預測，這對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)

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

通過分析確定，在二開穩(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：假設靶體方位為0°，靶體長度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，見表6。

表6 全角變化率隨偏移距的變化

通過后續(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。通過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)導向技術(shù)[15]，細致分析隨鉆資料，明確目的層，實現(xiàn)精準中靶。

2）確保軌跡穿行位置在主力氣層最優(yōu)層位。

3）實時計算地層傾角，預測并調(diào)整軌跡形態(tài)。

4）對于目的層為上傾方向，傾角大于90°，應控制井眼軌跡在A點前20～30 m，確保垂深達到目的層頂部位置。

5）對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點前20～30 m，入靶角度達到最大井斜值減去2°～3°，進入目的層后地層下傾，達到地質(zhì)要求。

使用軌跡控制技術(shù)前后的施工情況見表7，現(xiàn)場應用結(jié)果表明：使用軌跡控制技術(shù)后，二開平均定向周期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)前后定向指標對比

3 結(jié)論

1）涪陵頁巖氣田多為長半徑三維叢式水平井。該類井型具有偏移距和靶前距大、穩(wěn)斜段和水平段長的特點，鉆井施工中存在摩阻扭矩大、地質(zhì)預測偏差大、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）基于前期實鉆數(shù)據(jù)分析和優(yōu)化設計前后分析總結(jié)，形成了三維井眼軌跡剖面優(yōu)化設計、降摩減阻技術(shù)及工具配套、軌跡預測和著陸控制技術(shù)三大軌跡控制技術(shù)，有效解決涪陵頁巖氣田三維叢式水平井軌跡控制技術(shù)難題。

3）現(xiàn)場應用效果表明，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%。