高水垂比大位移鉆井關(guān)鍵技術(shù)研究分析

肖明國，孫紅波，袁魁，張軍浪，郭明

（北京大地高科地質(zhì)勘查有限公司，北京 100000）

0 引言

和常規(guī)鉆井項(xiàng)目相比，大位移鉆井能更有效地操作和控制含有面積、提高油氣資源現(xiàn)實(shí)采收效率、降低油田工程開發(fā)成本等諸多優(yōu)勢。鉆井施工技術(shù)應(yīng)用情況直接影響大位移鉆井項(xiàng)目的成敗及經(jīng)濟(jì)效益的高低[1]。

LS01-UG井一開Φ444.50 mm井眼鉆井，二開Φ311.10 mm井眼直井與造斜段和三開Φ215.90 mm井眼水平段由北京大地T200-1井隊(duì)負(fù)責(zé)施工，定向?qū)蛴杀本┐蟮馗呖频刭|(zhì)勘查有限公司負(fù)責(zé)。鉆機(jī)補(bǔ)心高2.40 m；三開煤層段起始井深為381.00 m[1]。為建設(shè)該項(xiàng)高水垂比大位移鉆井工程，在技術(shù)方面要從如下幾方面進(jìn)行攻關(guān)：一是目的煤層3#煤層埋深淺，地層承壓能力不足，大位移鉆井裸眼延展難度高；二是在彎曲及斜度較大的井段內(nèi)套管磨損嚴(yán)重；三是大尺寸井眼側(cè)鉆造斜率偏高，增加了定向性施工難度。

1 鉆井裸眼延伸極限預(yù)測與控制

假定大位移鉆井的測深、垂深以及水平位移分別是DM、DV、DH、可以利用公式（1）表示鉆井的“測垂比k”與“水垂比λ”[2]：

K、λ兩者的關(guān)系可以用公式（3）表示[2]：

參照公式（1）和（2），可以利用k(或λ)的極限值kL(或λL)去表示大位移鉆井的延伸極限，且在特定的限制條件下，客觀存在著kL(或λL)。結(jié)合測深與水平位移對應(yīng)的概念，有DM>DH，由公式（3）決定了k>λ恒成立，那么這就意味著對于同個(gè)大位移井而言，其水垂比恒小于測垂比。那么對于鉆進(jìn)到特定目標(biāo)層的某口大位移井來說，伴隨DM、DH數(shù)值的增加，但有λL恒小于kL。

站在井眼壓力平衡的視角出發(fā)，將鉆井延展至裸眼井底被壓破時(shí)的井深(或測深)設(shè)定為該鉆井裸眼延伸極限測垂比(kL)，據(jù)此可以建設(shè)出大位移鉆井地層破裂壓力梯度、鉆井液密度和鉆井環(huán)空流體壓耗當(dāng)量密度（ρdp）三者相關(guān)性的等式[3]。

本井目的煤層為山西組3號煤層，根據(jù)地質(zhì)導(dǎo)向與錄井成果顯示，三開水平段381.00～1 400.00 m，進(jìn)尺1 019.00 m，解釋煤層厚度3.50～6.00 m，煤層鉆遇率要求大于90.00%。實(shí)際施工煤層鉆遇率96.66%。對于特定的目標(biāo)層與鉆井設(shè)計(jì)方案，垂深、鉆井液密度及地層壓力均是固定值，若利用壓力過平衡鉆井及特定的鉆井環(huán)空流體壓耗控制技術(shù)，那么鉆井裸眼延伸極限將會伴隨的ρdp增加而呈現(xiàn)非線性減少趨勢。這也就意味著環(huán)空流體壓耗是控制鉆井裸眼延伸極限的一種重要可控因素，當(dāng)其他因素確定時(shí)，通過降低環(huán)空流體壓耗，方有助于拓展大位移鉆井的裸眼延伸極限與套管柱的下入深度[3]。故而，在對大位移鉆井項(xiàng)目的大斜度延伸井段進(jìn)行鉆進(jìn)施工時(shí)，相關(guān)人員可以通過輔助使用隨鉆擴(kuò)眼等綜合技術(shù)方法去減少環(huán)空流體壓耗，從而有效拓展鉆井項(xiàng)目的裸眼延伸極限允許范圍，規(guī)避被動增加鉆井套管層次，也能規(guī)避鉆遇地層階段出現(xiàn)井漏等危險(xiǎn)事故。

2 以計(jì)算機(jī)為導(dǎo)向，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)鉆進(jìn)

已知LS01-UG井的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)如下：一開Φ311.15 mm井眼鉆井，二開Φ215.90 mm井眼直井與造斜段和三開Φ215.90 mm井眼；鉆機(jī)補(bǔ)心高2.40 m；三開煤層段起始井深為381.00 m。

LS01-UG井Φ215.90 mm水平井眼的鉆進(jìn)，定向使用了1.5°單彎螺桿和EM進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)記錄。在鉆進(jìn)過程，儀器測量的原始信號、鉆井參數(shù)和三條伽瑪曲線的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)從井下傳送到地面接收器[4]。

計(jì)算機(jī)上配合工作的應(yīng)用程序?yàn)殡S鉆地質(zhì)導(dǎo)向程序，所有記錄的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)被輸入給隨鉆地質(zhì)導(dǎo)向程序，通過該程序，這些實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)被記錄并與已鉆模型進(jìn)行對比分析，不斷修正對構(gòu)造變化的認(rèn)識，并通過對構(gòu)造認(rèn)識的不斷修正，設(shè)計(jì)鉆頭將要走的軌跡路線，同時(shí)通知定向井工程師。通過反復(fù)不斷地重復(fù)該過程，保持主井眼絕大部分在3#煤層中運(yùn)行，最終實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端連通[5]。

深鉆過程中涉及到很多參數(shù)，且其類型也是極為繁雜的，故而計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)對其進(jìn)行全面規(guī)劃。其中深鉆數(shù)據(jù)庫關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，其是整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心。這里所提及的數(shù)據(jù)大體上可以被細(xì)化成兩種類型：一是深鉆應(yīng)用數(shù)據(jù)，二是深鉆管理數(shù)據(jù)。應(yīng)用數(shù)據(jù)主要由實(shí)際數(shù)據(jù)與理想數(shù)據(jù)構(gòu)成，實(shí)際數(shù)據(jù)是將現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集進(jìn)庫的相關(guān)數(shù)據(jù)，理想數(shù)據(jù)是基于理論公式測算得出的相關(guān)數(shù)據(jù)。而后面創(chuàng)設(shè)的科學(xué)深鉆工程仿真子系統(tǒng)內(nèi)采用的及獲得的數(shù)據(jù)均被安放在該處。鉆進(jìn)階段計(jì)算機(jī)能有效應(yīng)用以上數(shù)據(jù)指導(dǎo)施工過程。

3 井眼下套管減阻技術(shù)

通過研究管柱力學(xué)原理，探究大位移鉆井井眼下套管磨阻預(yù)測流程，據(jù)此能夠仿真模擬不同工況下的下套管方式，比如常規(guī)、常規(guī)掏空、全掏空及聯(lián)合使用漂浮接箍的下套管等。除了需要提供公共數(shù)據(jù)之外，還需要科學(xué)設(shè)定定套管和井眼之間的摩阻系數(shù)。若面對的是常規(guī)掏空下套管，還需要科學(xué)設(shè)定掏空具體部位（實(shí)質(zhì)上就是下套管工序結(jié)束后鉆井液液面所處位置的井深）[6]。針對不同下套管操作方式進(jìn)行模擬，能夠明確大鉤載荷與下深兩者的相關(guān)性，掌握套管柱軸向載荷順沿鉆井深度的改變規(guī)律等，并設(shè)計(jì)出漂浮下套管施工階段漂浮接箍最佳方位對應(yīng)的計(jì)算方法，開發(fā)了相配套的計(jì)算軟件，積極采用綜合手段去削弱下套管操作阻力。比如，在某油田內(nèi)，如果把φ244.5 mm套管下深增加至5 000 m之上，那么施工方可以嘗試把φ339.6 mm套管下深從最初的1 060 m增至2 300 m井深，并于該套管中配合應(yīng)用滾輪扶正器，接觸方法把套管井眼摩阻系數(shù)從裸眼的0.5降到0.1。

4 LS01-UG井的鉆進(jìn)措施方法總結(jié)

一開井段的主要任務(wù)是第四系松散層，鉆進(jìn)階段的難點(diǎn)主要有怎樣防控防塌、防漏及防斜打直，保證井壁穩(wěn)定和快速鉆進(jìn)。在鉆進(jìn)過程中嚴(yán)控鉆壓、轉(zhuǎn)速以及排量，防止井斜、井漏，保證井眼垂直、下套管順利。二開導(dǎo)眼段的主要任務(wù)是為二開造斜和水平段施工獲取地層基礎(chǔ)參數(shù)，導(dǎo)眼鉆進(jìn)施工時(shí)主要是對每單根測斜，確保造斜率達(dá)到設(shè)計(jì)要求；關(guān)注返砂情況，特殊工況下需要大排量循環(huán)，以防出現(xiàn)沖出大肚子及劃出新井眼的情況；鉆進(jìn)過程中一定要加強(qiáng)對井身質(zhì)量的監(jiān)測力度，尤其是是全角變化率的監(jiān)控；做好取芯工具及相關(guān)操作人員的準(zhǔn)備，確保取芯收獲率滿足規(guī)程的要求[7]。二開井段中要做好加強(qiáng)鉆井液和凈化設(shè)備管理工作，開鉆后鉆井液走小循環(huán)，減少鉆井液外排對環(huán)境的污染；二開首只鉆頭開始鉆進(jìn)時(shí)必須領(lǐng)好眼，輕壓慢鉆；在定向段鉆進(jìn)時(shí)要維持好泥漿性能，井斜較大時(shí)要注意巖屑的攜帶能力，防止巖屑床的形成，以減小托壓的可能性；二開直接下入MWD隨鉆測斜儀，直井段測斜間距不超過10 m，確保井身質(zhì)量達(dá)到設(shè)計(jì)要求；每次下鉆到底后，要緩慢開泵，防止井內(nèi)壓力激動，蹩漏地層。嚴(yán)禁在疏松段定點(diǎn)循環(huán)，以免沖垮井壁，造成井下復(fù)雜；每鉆進(jìn)一個(gè)單根測斜一次，保證著陸位置安全準(zhǔn)確。三開井段的鉆進(jìn)過程中使用好固控設(shè)備，保證泥漿性能滿足鉆井的要求，做好防漏工作；應(yīng)加足防塌封固劑，先期做好防漏工作；認(rèn)真做好井眼的地質(zhì)導(dǎo)向工作，防止井斜的突增突降。同時(shí)盡量合理應(yīng)用復(fù)合鉆進(jìn)的自然增斜作用，力爭將滑動鉆進(jìn)減少到最低，促進(jìn)機(jī)械鉆速提升過程。實(shí)時(shí)監(jiān)測隨鉆測井曲線與井眼軌跡，保持井眼在目的煤層中的最佳位置鉆進(jìn)，盡量避免鉆頭鉆出該范圍，保持井眼在該范圍內(nèi)的穩(wěn)定部位穿行；雪姆T200鉆機(jī)，通過頂驅(qū)額外增加150 KN的下壓力，有效增加鉆機(jī)的施工能力，為向前鉆進(jìn)提供更大的施工能力，使用加重鉆桿，通過鉆具產(chǎn)生更大懸重來增加鉆具在施工過程中可增加的鉆壓，使得井眼順利鉆進(jìn)；連通過程中，盡量在確保連通情況下兼顧導(dǎo)向并控制井眼曲率在適當(dāng)范圍內(nèi)，同時(shí)還要經(jīng)常對于軌跡進(jìn)行計(jì)算、優(yōu)化。全井共使用鉆頭8只，其中，Φ215.90 mm PDC鉆頭4只，Φ444.50 mm三牙輪鉆頭、Φ311.15 mm三牙輪鉆頭、Φ215.90 mm取芯鉆頭、Φ114.00 mm三牙輪鉆頭各1只。在施工中針對不同地層選用不同的鉆井液，第四系清水做為循環(huán)介質(zhì)，上石盒子組、下石盒子組與山西組采用聚合物鉆井液，使用HV-CMC，F(xiàn)T-342、SDL-11以及NaOH進(jìn)行鉆進(jìn)中鉆井液的維護(hù)，二開鉆井液密度1.01～1.03 g/cm3，粘度28～31 s，三開鉆井液密度1.04～1.06 g/cm3，粘度40～45 s。筆者對鉆井液施工作出如下歸納：為了滿足鉆井和井下安全的需要，鉆井液的性能保證潤滑、攜砂、井壁穩(wěn)定、提高鉆時(shí)等，在整個(gè)施工過程中保證了鉆井液保持低密度，增強(qiáng)護(hù)壁性、防滲、防漏，確保了施工的順利進(jìn)行。

5 結(jié)語

鉆井環(huán)空流體壓耗控制情況是影響大位移鉆井裸眼延伸極限測垂比高低的主要因素之一，也是規(guī)劃設(shè)計(jì)大位移鉆井項(xiàng)目施工方案與測評風(fēng)險(xiǎn)的主要因素，順沿水平最大應(yīng)力方向鉆進(jìn)存在較高風(fēng)險(xiǎn)，若施工方能配合使用循環(huán)式鉆進(jìn)、隨鉆擴(kuò)眼等綜合技術(shù)方法，能明顯提升鉆井裸眼延伸極限，進(jìn)而減少工程風(fēng)險(xiǎn)誘發(fā)因素，確保鉆進(jìn)施工活動有序、安全推進(jìn)。另外，通過適度增加套管的下深數(shù)值，則能減少后續(xù)作業(yè)的阻力，有助于鉆進(jìn)井眼時(shí)實(shí)現(xiàn)防磨減扭，降低大位移鉆井施工成本，創(chuàng)造除更大經(jīng)濟(jì)效益。