渤海油田大斜度定向井鉆井提速關(guān)鍵技術(shù)研究

孫寶陽

中海油田服務(wù)股份有限公司 天津 300450

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

1 定向井提速技術(shù)現(xiàn)狀

優(yōu)化鉆井設(shè)計(jì)。為提升定向井鉆井的時(shí)效，需要定向井軌跡設(shè)計(jì)人員充分認(rèn)識(shí)到定向井設(shè)計(jì)工作對(duì)鉆井速度的作用，在設(shè)計(jì)之前做好臨井資料分析和目標(biāo)井預(yù)計(jì)底層情況，根據(jù)鉆井設(shè)計(jì)速度要求，選用與之相適宜的軌跡造斜率，合理設(shè)計(jì)定向井中靶軌跡，并選擇合理的鉆井參數(shù)，匹配專業(yè)的定向井設(shè)計(jì)軟件，以科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆椒ㄌ峁┗A(chǔ)設(shè)計(jì)。

提升井壁穩(wěn)定性。定向井鉆井過程若井筒的井壁缺乏穩(wěn)定性，必將造成一些次生井下事故，導(dǎo)致整個(gè)鉆井工作系統(tǒng)性延遲，導(dǎo)致成本嚴(yán)重超支。提升井筒井壁穩(wěn)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(rèn)真分析臨井資料，嚴(yán)格制定當(dāng)前井泥漿密度窗口，防止定向井作業(yè)過程中因負(fù)壓差導(dǎo)致井壁失穩(wěn)現(xiàn)象，合理控制起鉆速度避免起鉆過程出現(xiàn)抽吸現(xiàn)象，并及時(shí)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(shù)調(diào)整提升巖屑攜帶效果。在定向井鉆井過程中需要根據(jù)井口返出的剝蝕掉塊情況，適當(dāng)添加防塌劑等添加劑，在井筒內(nèi)形成穩(wěn)定的泥餅，保護(hù)地層，提升井壁的穩(wěn)定性[3]。

優(yōu)化定向井軌跡控制技術(shù)。首先，需要做好直井段的防斜打直，一旦直井段出現(xiàn)偏斜現(xiàn)象，必將造成一些潛在風(fēng)險(xiǎn)和作業(yè)難度，需要運(yùn)用防斜打直鉆具組合，對(duì)直井段進(jìn)行控制，將井斜控制在一個(gè)相對(duì)比較小的允許范圍之內(nèi)；其次，作業(yè)人員應(yīng)及時(shí)向新技術(shù)、新裝備，實(shí)現(xiàn)對(duì)井身軌跡的實(shí)時(shí)控制，確保井身質(zhì)量，提升鉆進(jìn)效率；最后，充分考慮造斜率對(duì)造斜段長度的影響，在合理的井斜段設(shè)計(jì)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(diǎn)分析

基于渤海油田地質(zhì)特征及現(xiàn)有定向井鉆井技術(shù)手段，在渤海油田進(jìn)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(fā)，加密調(diào)整現(xiàn)象普遍，井眼防碰問題日漸突出，淺部地層預(yù)斜能夠合理繞障，井眼防碰問題，所以該項(xiàng)技術(shù)變得至關(guān)重要。但淺層地層壓實(shí)程度極低，如果排量過高將會(huì)導(dǎo)致井壁受沖刷嚴(yán)重，嚴(yán)重影響造斜率；如果降低排量，淺部地層產(chǎn)出的巖屑無法及時(shí)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(jìn)通常采用封閉井口閉路循環(huán)的方式，但拆裝一次井口需要長達(dá)8h的時(shí)間，該技術(shù)嚴(yán)重影響了作業(yè)時(shí)效[5-6]。

2.2 鉆具托壓嚴(yán)重

大斜度井井斜通常超過65°，鉆井過程中，鉆具貼下井壁現(xiàn)象嚴(yán)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(dòng)中托壓現(xiàn)象逐漸加重，表現(xiàn)為滑動(dòng)中無進(jìn)尺但鉆壓有增無減，鉆壓超過一定值后，會(huì)發(fā)生鉆具突然釋放，導(dǎo)致鉆具劇烈接觸井底，馬達(dá)停轉(zhuǎn)憋壓，極易造成鉆具卡死和井下動(dòng)力工具損壞。一般在渤海油田現(xiàn)場作業(yè)中，通過優(yōu)化軌跡設(shè)計(jì)，提高鉆井液潤滑性能、提升泥漿攜沙能力，提高滑動(dòng)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(zhì)性強(qiáng)、地層傾角大（為20～30°）三重特點(diǎn)，嚴(yán)重影響機(jī)械鉆速的同時(shí)，地層自身還具備較強(qiáng)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(shè)計(jì)。

上述問題將會(huì)極大程度影響鉆井作業(yè)時(shí)效，增加成本，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)l(fā)生卡鉆、脫靶等事故，降低了大斜度定向井的鉆井經(jīng)濟(jì)性能[8-9]。

3 渤海大斜度定向井鉆井提速技術(shù)

3.1 淺部地層預(yù)斜技術(shù)

針對(duì)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(yù)斜技術(shù)，該技術(shù)通過優(yōu)化鉆具組合及鉆井參數(shù)，在保證淺層井眼造斜率的基礎(chǔ)上，提高了鉆井時(shí)效，實(shí)現(xiàn)了大斜度定向井鉆井提速。

鉆具組合優(yōu)化。擴(kuò)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(gè)水眼全部卸掉。使用大彎角馬達(dá)（1.5°），極軟地層可提高至1.75°，確保造斜率。優(yōu)選扶正器尺寸，扶正器尺寸可選范圍較大，從目前作業(yè)的情況來看12-1/4”-16-3/4”扶正器均能實(shí)現(xiàn)造斜作業(yè)，但為了保證造斜率通常選擇12-1/4”扶正器。

鉆井參數(shù)優(yōu)化。高鉆壓、高排量會(huì)形成高機(jī)械鉆速，但為了保證淺部地層造斜率，需要從造斜起始點(diǎn)開始，前60m控制排量，以馬達(dá)啟動(dòng)排量為宜，并且連續(xù)鉆進(jìn)不倒劃，以降低井壁沖刷，從而確保初始造斜率。同時(shí)，鉆進(jìn)時(shí)要盡量保證鉆壓2t以上，在可控的機(jī)械鉆速范圍內(nèi)，可通過調(diào)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?；瑒?dòng)造斜程序作業(yè)，滑動(dòng)時(shí)保證工具面穩(wěn)定。

通過上述措施的應(yīng)用，開路預(yù)斜的造斜率能夠滿足大部分平臺(tái)的定向井設(shè)計(jì)要求，尤其是前3柱平均造斜率能達(dá)到2（°）/30m。同時(shí)，開路預(yù)斜技術(shù)在現(xiàn)場應(yīng)用，將會(huì)節(jié)約表層拆裝井口時(shí)間8h，大大提高了表層作業(yè)效率。

3.2 中部地層快鉆技術(shù)

針對(duì)中部地層使用馬達(dá)鉆進(jìn)托壓嚴(yán)重的問題，本文提出了強(qiáng)化泥漿清潔和增強(qiáng)鉆壓傳導(dǎo)2種技術(shù)思路。

（1）強(qiáng)化泥漿清潔。導(dǎo)致鉆具托壓的一項(xiàng)重要因素就是井筒內(nèi)的清潔程度，泥漿懸浮巖屑含量高、井筒內(nèi)巖屑床堆積等都會(huì)造成鉆具托壓，為了防止這一現(xiàn)象發(fā)生，需要根據(jù)井口振動(dòng)篩的返砂情況調(diào)整泥漿的攜沙能力。對(duì)于低固相聚合物泥漿，其動(dòng)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(duì)巖屑的懸浮能力。

同時(shí)還需要充分利用固控設(shè)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(shè)備利用不佳，從井筒中攜帶至井口的有害固相會(huì)循環(huán)再次返回井下，會(huì)對(duì)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(dòng)篩等固控設(shè)備，及時(shí)有效清除泥漿中的有害固相將極大提升井筒清潔度。

增強(qiáng)鉆壓傳導(dǎo)。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(duì)上述情況，提出水力振蕩器配合馬達(dá)共同使用，提高鉆具軸向震動(dòng)，將鉆具與井筒內(nèi)壁的靜摩擦力轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)摩擦力，提高鉆壓傳遞效率。同時(shí)，加裝水力振蕩器還避免了鉆具屈曲和跳鉆現(xiàn)象的發(fā)生，減少鉆具的疲勞破壞，延長鉆頭使用壽命。

水力振蕩器構(gòu)造分為三部分，分別為動(dòng)力、脈沖和振蕩系統(tǒng)，所述動(dòng)力短節(jié)是一個(gè)1∶2的動(dòng)力泥漿螺桿，脈沖系統(tǒng)由定閥盤、動(dòng)閥盤構(gòu)成，振蕩系統(tǒng)由反饋活塞、花鍵心軸和碟簧等構(gòu)成。當(dāng)鉆井液流經(jīng)1∶2的動(dòng)力泥漿螺桿時(shí)，驅(qū)動(dòng)螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)，螺桿傳動(dòng)到下端的動(dòng)閥盤運(yùn)動(dòng)，當(dāng)動(dòng)閥盤與定閥盤的中心孔不短分開重合時(shí)，導(dǎo)致過流面積的變化，從而產(chǎn)生壓力變化，產(chǎn)生脈沖，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 水力振蕩器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 成像測井圖

3.3 深部地層軌跡控制技術(shù)

為實(shí)現(xiàn)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(zhuǎn)導(dǎo)向配合使用，實(shí)時(shí)監(jiān)測井眼軌跡并進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)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(tài)對(duì)于避免鉆井事故，提高油氣產(chǎn)量至關(guān)重要。隨鉆測井技術(shù)能夠提供完整、實(shí)時(shí)的地層物性資料，以優(yōu)化鉆完井設(shè)計(jì)并評(píng)價(jià)儲(chǔ)層。同時(shí)，該技術(shù)使操作員能夠看到井下環(huán)境的精細(xì)特征。高清晰度的電阻率成像支持裂縫和傾角分析，用于儲(chǔ)層斷面的結(jié)構(gòu)評(píng)估和沉積學(xué)評(píng)估，包括基于圖像的孔隙度測定和薄層分析。

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的廣泛應(yīng)用，使得軌跡復(fù)雜井作業(yè)效率更高，對(duì)大斜度井、大位移井的鉆井發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具不僅具有操控簡單、鉆井速度快、有效降低井斜復(fù)雜情況發(fā)生等優(yōu)點(diǎn)，還節(jié)省了大量鉆機(jī)時(shí)間，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具是最新一代的高端鉆井工具，它優(yōu)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(zhàn)。

4 結(jié)束語

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

（2）結(jié)合渤海區(qū)域地質(zhì)、油藏情況，大斜度定向井鉆井過程中存在以下三點(diǎn)問題：淺層井眼防碰風(fēng)險(xiǎn)高、造斜率低；中部地層使用馬達(dá)滑動(dòng)造斜時(shí)，鉆具托壓嚴(yán)重，發(fā)生粘卡事故概率高；深部地層傾角大、非均質(zhì)性強(qiáng)，精確制導(dǎo)困難。

（3）針對(duì)大斜度定向井鉆井技術(shù)難點(diǎn)，通過優(yōu)化鉆具組合及鉆井參數(shù)、調(diào)整泥漿性能參數(shù)、增加鉆壓傳導(dǎo)鉆具、軌跡實(shí)時(shí)監(jiān)測調(diào)整等技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)了渤海油田大斜度定向井鉆井提速。