渤海油田大斜度定向井鉆井提速關鍵技術研究

孫寶陽

中海油田服務股份有限公司 天津 300450

渤海油田地層具有以下特點：一是斷層、褶皺及裂縫性地層發育，并且較多處于活躍狀態，地質情況較為復雜；二是儲層以砂巖為主，砂體具有零散分布的特點，面積也都較小，儲層厚度在20～30m之間，故渤海區域油氣開采難度較大。針對上述地質情況的復雜性，渤海油田引入大斜度井鉆井技術[1]。大斜度定向井能夠鉆穿更多、更長的砂巖儲層段，提高井筒與砂體的接觸面積，擴大卸油區；同時，該技術還兼具探明深部地層地質儲量及含油氣面積的作用。隨著油田持續開采，大斜度定向井鉆井已經成為渤海油田提高采收率和高效開發的新模式[2]。

1 定向井提速技術現狀

優化鉆井設計。為提升定向井鉆井的時效，需要定向井軌跡設計人員充分認識到定向井設計工作對鉆井速度的作用，在設計之前做好臨井資料分析和目標井預計底層情況，根據鉆井設計速度要求，選用與之相適宜的軌跡造斜率，合理設計定向井中靶軌跡，并選擇合理的鉆井參數，匹配專業的定向井設計軟件，以科學嚴謹的方法提供基礎設計。

提升井壁穩定性。定向井鉆井過程若井筒的井壁缺乏穩定性，必將造成一些次生井下事故，導致整個鉆井工作系統性延遲，導致成本嚴重超支。提升井筒井壁穩定性，主要有以下兩方面工作：一是，遵循近平衡壓力鉆井要求，認真分析臨井資料，嚴格制定當前井泥漿密度窗口，防止定向井作業過程中因負壓差導致井壁失穩現象，合理控制起鉆速度避免起鉆過程出現抽吸現象，并及時灌漿確保井筒靜液柱壓力大于地層壓力；二是，通過排量和泥漿參數調整提升巖屑攜帶效果。在定向井鉆井過程中需要根據井口返出的剝蝕掉塊情況，適當添加防塌劑等添加劑，在井筒內形成穩定的泥餅，保護地層，提升井壁的穩定性[3]。

優化定向井軌跡控制技術。首先，需要做好直井段的防斜打直，一旦直井段出現偏斜現象，必將造成一些潛在風險和作業難度，需要運用防斜打直鉆具組合，對直井段進行控制，將井斜控制在一個相對比較小的允許范圍之內；其次，作業人員應及時向新技術、新裝備，實現對井身軌跡的實時控制，確保井身質量，提升鉆進效率；最后，充分考慮造斜率對造斜段長度的影響，在合理的井斜段設計扭方位，盡可能縮短斜井段長度[4]。

2 渤海大斜度定向鉆井工程難點分析

基于渤海油田地質特征及現有定向井鉆井技術手段，在渤海油田進行大斜度定向井鉆井，還存在以下問題。

2.1 淺層造斜率低

隨著渤海油田的開發，加密調整現象普遍，井眼防碰問題日漸突出，淺部地層預斜能夠合理繞障，井眼防碰問題，所以該項技術變得至關重要。但淺層地層壓實程度極低，如果排量過高將會導致井壁受沖刷嚴重，嚴重影響造斜率；如果降低排量，淺部地層產出的巖屑無法及時返排至井口，容易造成巖屑床堆積。為了滿足造斜和防碰的雙重需求，目前淺部地層鉆進通常采用封閉井口閉路循環的方式，但拆裝一次井口需要長達8h的時間，該技術嚴重影響了作業時效[5-6]。

2.2 鉆具托壓嚴重

大斜度井井斜通常超過65°，鉆井過程中，鉆具貼下井壁現象嚴重，大大增加鉆具與井筒的接觸面積。隨著井深的增加，地層互性夾層增多，鉆具滑動中托壓現象逐漸加重，表現為滑動中無進尺但鉆壓有增無減，鉆壓超過一定值后，會發生鉆具突然釋放，導致鉆具劇烈接觸井底，馬達停轉憋壓，極易造成鉆具卡死和井下動力工具損壞。一般在渤海油田現場作業中，通過優化軌跡設計，提高鉆井液潤滑性能、提升泥漿攜沙能力，提高滑動效率，但收效甚微[7]。

2.3 軌跡控制難度

渤海油田深部地層具有地層可鉆性差、地層非均質性強、地層傾角大（為20～30°）三重特點，嚴重影響機械鉆速的同時，地層自身還具備較強的造斜能力，鉆井過程中軌跡控制困難。為了防止脫靶，下部鉆具組合需要包括隨鉆測斜、測井等裝置，且需要每柱測定井斜方位，保證定向井軌跡貼合設計。

上述問題將會極大程度影響鉆井作業時效，增加成本，嚴重時甚至會發生卡鉆、脫靶等事故，降低了大斜度定向井的鉆井經濟性能[8-9]。

3 渤海大斜度定向井鉆井提速技術

3.1 淺部地層預斜技術

針對渤海油田淺部地層防碰問題突出、造斜困難、鉆井效率低等問題，本文提出了一種淺層開路預斜技術，該技術通過優化鉆具組合及鉆井參數，在保證淺層井眼造斜率的基礎上，提高了鉆井時效，實現了大斜度定向井鉆井提速。

鉆具組合優化。擴大鉆頭水眼，減少水力沖刷，PDC鉆頭水眼面積放大至2.0in2以上，牙輪鉆頭則3個水眼全部卸掉。使用大彎角馬達（1.5°），極軟地層可提高至1.75°，確保造斜率。優選扶正器尺寸，扶正器尺寸可選范圍較大，從目前作業的情況來看12-1/4”-16-3/4”扶正器均能實現造斜作業，但為了保證造斜率通常選擇12-1/4”扶正器。

鉆井參數優化。高鉆壓、高排量會形成高機械鉆速，但為了保證淺部地層造斜率，需要從造斜起始點開始，前60m控制排量，以馬達啟動排量為宜，并且連續鉆進不倒劃，以降低井壁沖刷，從而確保初始造斜率。同時，鉆進時要盡量保證鉆壓2t以上，在可控的機械鉆速范圍內，可通過調整排量控制好合適的鉆壓。從第三柱開始可將排量提高到2600～2800L/min或更高，之后按照正常滑動造斜程序作業，滑動時保證工具面穩定。

通過上述措施的應用，開路預斜的造斜率能夠滿足大部分平臺的定向井設計要求，尤其是前3柱平均造斜率能達到2（°）/30m。同時，開路預斜技術在現場應用，將會節約表層拆裝井口時間8h，大大提高了表層作業效率。

3.2 中部地層快鉆技術

針對中部地層使用馬達鉆進托壓嚴重的問題，本文提出了強化泥漿清潔和增強鉆壓傳導2種技術思路。

（1）強化泥漿清潔。導致鉆具托壓的一項重要因素就是井筒內的清潔程度，泥漿懸浮巖屑含量高、井筒內巖屑床堆積等都會造成鉆具托壓，為了防止這一現象發生，需要根據井口振動篩的返砂情況調整泥漿的攜沙能力。對于低固相聚合物泥漿，其動塑比要求控制在0.42～0.50之間，有較好的攜沙能力；在泥漿粘切方面，大斜度定向井低固相聚合物泥漿的黏度需要控制在48s以上，這更有利于提升鉆井液對巖屑的懸浮能力。

同時還需要充分利用固控設備，鉆井液中有害固相含量過高易造成泥餅虛厚，在鉆井過程中易造成粘卡。泥漿本身的攜沙的效果再好，如果地面設備利用不佳，從井筒中攜帶至井口的有害固相會循環再次返回井下，會對井筒的清潔度造成很大影響。所以利用好除泥器、除沙器、振動篩等固控設備，及時有效清除泥漿中的有害固相將極大提升井筒清潔度。

增強鉆壓傳導。鉆具托壓的主要原因是鉆具與井筒摩擦力過大，鉆壓消耗在井壁上，無法傳遞至鉆頭，鉆頭無法吃入地層順利破巖。針對上述情況，提出水力振蕩器配合馬達共同使用，提高鉆具軸向震動，將鉆具與井筒內壁的靜摩擦力轉變為動摩擦力，提高鉆壓傳遞效率。同時，加裝水力振蕩器還避免了鉆具屈曲和跳鉆現象的發生，減少鉆具的疲勞破壞，延長鉆頭使用壽命。

水力振蕩器構造分為三部分，分別為動力、脈沖和振蕩系統，所述動力短節是一個1∶2的動力泥漿螺桿，脈沖系統由定閥盤、動閥盤構成，振蕩系統由反饋活塞、花鍵心軸和碟簧等構成。當鉆井液流經1∶2的動力泥漿螺桿時，驅動螺桿轉動，螺桿傳動到下端的動閥盤運動，當動閥盤與定閥盤的中心孔不短分開重合時，導致過流面積的變化，從而產生壓力變化，產生脈沖，內部結構如圖1所示。

圖1 水力振蕩器內部結構示意圖

圖2 成像測井圖

3.3 深部地層軌跡控制技術

為實現深部地層軌跡控制，大斜度定向井鉆井通常需要隨鉆成像測井和旋轉導向配合使用，實時監測井眼軌跡并進行調整，實現深部地層軌跡精確控制。

隨鉆成像測井。精確掌握渤海深層脆制裂縫性地層的形態對于避免鉆井事故，提高油氣產量至關重要。隨鉆測井技術能夠提供完整、實時的地層物性資料，以優化鉆完井設計并評價儲層。同時，該技術使操作員能夠看到井下環境的精細特征。高清晰度的電阻率成像支持裂縫和傾角分析，用于儲層斷面的結構評估和沉積學評估，包括基于圖像的孔隙度測定和薄層分析。

旋轉導向鉆井工具。旋轉導向工具的廣泛應用，使得軌跡復雜井作業效率更高，對大斜度井、大位移井的鉆井發揮了至關重要的作用。旋轉導向工具不僅具有操控簡單、鉆井速度快、有效降低井斜復雜情況發生等優點，還節省了大量鉆機時間，旋轉導向工具是最新一代的高端鉆井工具，它優勢明顯，極大地拓展了定向鉆井的井深和位移，解決了部分高難度井的挑戰。

4 結束語

（1）渤海油田具有地質情況復雜、含油氣砂體零散分布等特點，為了探明深部地層地質情況及含油氣面積，進一步增加井筒與砂體的接觸面積，大斜度定向井鉆井技術亟需在渤海油田推廣應用。

（2）結合渤海區域地質、油藏情況，大斜度定向井鉆井過程中存在以下三點問題：淺層井眼防碰風險高、造斜率低；中部地層使用馬達滑動造斜時，鉆具托壓嚴重，發生粘卡事故概率高；深部地層傾角大、非均質性強，精確制導困難。

（3）針對大斜度定向井鉆井技術難點，通過優化鉆具組合及鉆井參數、調整泥漿性能參數、增加鉆壓傳導鉆具、軌跡實時監測調整等技術手段，實現了渤海油田大斜度定向井鉆井提速。