大慶深層水平井井眼軌跡設計及控制技術研究

張曉帆

（大慶鉆探工程鉆井工程技術研究院，黑龍江大慶163413）

大慶徐家圍子深部地層的天然氣儲量十分豐富，是大慶油田勘探開發的重點，也是大慶油田進一步開發接替油氣資源的主要方向。從2000年開始，大慶油田使用欠平衡技術在該區塊進行了直井鉆探，取得了較好的工業氣開發效果。大慶徐家圍子深部氣藏具有埋藏深、孔隙度低、巖石可鉆性差、地溫梯度高等特點，只有采用水平井工藝才能更有效地開發油氣資源，但由于該區塊自身的地質特點，需要針對性地進行鉆具組合優化和井眼軌跡控制研究。因此，本文從井眼軌道優化、井身結構優化、鉆具組合及鉆進參數優化設計等方面開展研究，以期形成更為配套完善的鉆井工藝技術，為深部氣藏的有效開發提供技術支持。

1 井眼軌道優化

井眼軌跡優化是指通過設計使井眼軌道的幾何形狀達到最優的設計形態，通常主要采用恒曲率設計法和變曲率設計法。

大慶油田的深層水平井具有如下特點：①直井井段較長，水平位移較大；②巖石可鉆性差導致鉆速較低，鉆進困難；③靶點較容易產生誤差。因此，針對大慶油田的深層水平井的實際特點，應結合使用恒曲率和變曲率法，采用雙增剖面進行相應的井眼軌道設計。在設計方案中先設計較小的造斜率，然后隨著井斜的增加再逐步增加造斜率，從而降低造斜段長度。典型的井眼軌道設計數據見表1。

表1 典型井眼軌道設計數據表

2 井身結構優化設計

井身結構優化也是深層水平井鉆井設計和施工的重要環節，大慶深層水平井的井身結構設計原則是：①在滿足地質勘探需求和保障鉆井施工順利的前提下，盡可能地降低鉆井施工成本；②應盡可能地滿足深層水平井施工的需求，提高中靶精度、固井質量和儲層保護效果[1-2]。

井身結構設計的關鍵問題是使套管層次和下入深度滿足地質需要，大慶徐家圍子區塊的主要勘探開發層位為營城組，營一段以火山巖為主，營四段以礫巖為主[3]?？梢钥紤]采用三層或四層套管，三層套管結構的特點是可以縮短鉆井周期降低鉆井成本，但相應的井控難度較大，四層套管結構可以保障井控安全，但相應地會增加鉆井成本和鉆進周期。根據以往的鉆井經驗，需要根據具體的地質條件來確定，如使用三層套管結構，則需要適當提高鉆井液設計密度來保障井壁穩定平衡地層壓力，采用三層套管結構，則技術套管需要下深至登二段底部從而封固上層的不穩定地層，并在二開段即開始造斜從而降低三開施工難度。

3 鉆具組合及鉆進參數優化設計

3.1 鉆具組合優化原則

優化鉆具組合是提高深層水平井鉆速和質量的關鍵技術。合理的鉆具組合可以有效降低摩阻和扭矩，提高井筒清潔效率并降低施工成本。大慶深層水平井的鉆具組合優化原則為：①要滿足鉆井工藝需求；②最大程度上降低摩阻和扭矩；③更多的使用旋轉鉆進；④在保證施工安全的前提下降低施工成本。

鉆具組合優化設計主要從以下幾個方面入手：①通過建立鉆柱的屈曲模型研究鉆柱的臨界載荷從而確定鉆柱發生螺旋扭曲的臨界值；②通過建立鉆柱摩阻/扭矩分析模型，來計算不同井下工具對摩阻和扭矩的影響，從鉆具本身角度提高鉆井效率，此外還可以通過提高鉆井液潤滑性、提高鉆桿強度、使用頂驅設備以及其他有助于降低扭矩的井下動力工具。

3.2 鉆進參數優化設計原則

結合大慶深層水平井的自身特點，可以通過優化鉆壓、鉆井液排量、鉆具轉速等參數來進一步提高鉆速降低施工成本。

鉆具轉速是首先應該考慮的參數，因為井下幾千米長的鉆具，如果鉆速選擇不當，井下鉆具會容易產生共振，而共振對鉆具有強大的疲勞破壞作用，從而導致整個鉆井工程受到影響。尤其是三開水平段以旋轉鉆進為主，在鉆井設計過程中可以使用Landmark軟件和Wellplan軟件進行優化設計，通常最佳轉速為30~50r/min。

鉆井液水力學參數優化設計是保證順利施工的另外一個主要因素。合適的泵壓和排量可以更安全高效地攜帶巖屑和保障井筒清潔。

4 井眼軌跡控制技術研究

4.1 井下控制工具的選型

井下控制工具主要由螺桿鉆具和測量儀器組成。

其中螺桿鉆具可以將鉆井液動能轉化為鉆進的機械能從而幫助鉆頭在井下破巖，此外螺桿還具有一定的彎角，可以在鉆進過程中起到造斜作用。螺桿鉆具的選擇原則主要考慮以下幾點：①井眼尺寸；②造斜率；③鉆井液類型；④井下使用溫度；⑤鉆井液排量。大慶深部地層通常需要使用具有良好抗溫性、低轉速高扭矩的6級螺桿鉆具[4-5]。

測量儀器主要有LWD和MWD，其中LWD可以在測量定向參數的同時獲取井下的地質參數，但相應的使用成本也較高。為了降低成本，在造斜段可以選用MWD，在水平段選用MWD+伽馬+電阻率+孔隙度的儀器。目前斯倫貝謝公司的儀器最為先進，在抗溫性、測量精度以及分辨率方面均高于其他公司，可作為井下工具的首選。

4.2 造斜能力分析和井眼軌跡預測

研究井眼軌跡控制需要對井下造斜工具的造斜能力進行分析并對井眼軌跡進行預測。

可通過對鉆具組合的受力情況進行分析來預測不同螺桿的造斜能力，然后利用實鉆數據計算出井下造斜率從而確定鉆頭實際位置，保證鉆遇層位的準確性。實際使用過程中可以用相應的造斜率方程得到剛性條件下和變形條件下導向工具的通過能力，實鉆選擇的螺桿角度要高于設計角度的1.5倍，這樣才能更好地符合鉆井需求，避免頻繁更換螺桿。

由于實鉆過程中，鉆頭和隨鉆測量儀器之間仍然有一定的距離，預測更為真實的井眼軌跡有助于確定鉆頭的實際地層位置。但井眼軌跡預測相對較為復雜，需要結合鉆具組合、地質特點和鉆井參數等多個方面進行研究，目前多使用自然參數法作為模型進行預測然后再結合實鉆軌跡對井眼軌跡進行修正。

4.3 井眼軌跡控制方案

井眼軌跡控制的難點主要有：直井段的糾斜打直；造斜段實鉆軌跡的擬合控制；水平段的平穩控制。

4.3.1 直井段的糾斜打直

由于深層水平井的造斜點通常較深，為了不影響后續施工，要在直井段控制較小的井斜角和水平位移。需要選擇合適的鉆具組合及鉆井參數，通過測單點的方式獲得井下的實際井眼軌跡，并進行相應的參數修訂，從而保障直井段的井眼軌跡達到要求。

4.3.2 造斜段和穩斜段的井眼軌跡控制

根據直井段的測斜結果，利用相應軟件預測出井底實際的井斜和方位，計算相應的垂深、水平位移等基礎數據。然后對靶點數據進行修訂，盡量在穩斜段結束前達到設計要求。

在第一造斜段鉆進過程中，通過井下數據計算出實鉆軌跡和設計軌跡之間的偏離值，然后使用螺桿在利用預留的造斜段長度中對實鉆軌跡進行修正，爭取使實鉆軌道更接近設計。在第一穩斜段應該以復合鉆進為主，從而更好地修正井壁、破壞巖屑床，為下一步造斜鉆進提供基礎。

在第二造斜段，應該進一步優化鉆進參數，提高鉆井液攜巖能力和潤滑性能，減少托壓和卡阻現象的發生，并降低狗腿度，為后續鉆進提供保障。

4.3.3 水平段的平穩控制

為了更好的發現儲層，水平段鉆進過程中應該使鉆具盡可能地在儲層中穿行，所以需要平穩控制鉆具，為尋找儲層提供最佳條件。因此在中靶后，應以旋轉鉆進為主，并適度提高機械鉆速，密切觀察井下動態，如有異常應該及時處理，確保井下安全。

5 結論及建議

（1）大慶徐家圍子深部氣藏具有埋藏深、孔隙度低、巖石可鉆性差、地溫梯度高等特點。只有采用水平井工藝才能更有效地開發油氣資源，需要針對性地進行鉆具組合優化和井眼軌跡控制，從而進行經濟高效的油氣資源開發。

（2）本文結合大慶深層的地質特點，從井眼軌道優化、井身結構優化、鉆具組合及鉆進參數優化設計、井眼軌道控制等方面進行了分析，并給出了相應的設計和施工建議。

（3）深層水平井的經濟有效開發是一個系統工程，需要各個部門的密切配合。