定向鉆進技術的現狀與發展

張軍

定向鉆井就是使井身沿著預先設計的井斜和方位鉆達目的層的鉆井方法。該文著重介紹了水平井鉆井中的重點技術。

定向鉆進技術的發展背景。地質勘探的一般方法：區域地質調查——物探與化探——普查勘探——布置勘探網進行詳細勘探與開發——定點取樣，提交儲量報告。勘探開發的常規方法：根據地質或設計部門的要求——設計井眼位置、深度、軌跡形式，一般是各種類型的直線井（垂直井居多）——進行鉆井技術方案設計——提出井眼彎曲等技術要求——采取防斜、保直措施保證井眼達到勘探要求。 我國70～80年代對普查井的規范：孔斜<1.5?～2.0?/100m。這也是根據當時的鉆井技術水平而制定的。其精度到底如何？能否滿足現代鉆探與鉆井的要求？70～80年代，隨著我國的改革開放政策，機械、電子、測試、材料加工等技術的發展，研究、引進和開發受控定向鉆進技術取得了巨大的進展，利用地層自然彎曲規律鉆孔和采用人工強制手段改變井眼軌跡在此基礎上迅速發展起來，鉆探與鉆井工程由過去的被動防斜轉變為主動地人為控制，實現了鉆探史上的一次飛躍。

我國定向鉆進技術的發展。我國定向鉆進始于50年代。1956年，玉門油田鉆成第一口定向井。1977～1982年，全國共完成定向井316口，平均井深2478.9m。“八五”期間，重點攻關“石油水平井鉆井成套技術研究”，到1997年鉆成長、中、短半徑三類水平井共153口，掌握了水平井井眼軌跡優化設計方法，建立了水平井下部鉆拄大撓度受力分析模型，以及水平井井眼軌跡預測模型，定向鉆進技術總體上達到了90年代國際先進水平。

關于“靶區”與“靶點”的含義。為了控制定向井軸線到達預定目標時偏離不大，在定向井設計時，對預定目標事先規定了一定的范圍，該范圍是井眼軸線到達預定目標時的允許偏差區域，稱為靶區。

靶區的形狀和大小可以是以靶點為圓心的一定半徑的圓或圓筒，也可以是以靶點為中心，離靶心一定偏線距和沿線距的距形或正方形。目的層急傾時，靶區還可給定在垂直面或目的層傾斜面上。

預定的目標為靶點，一般為靶區的中心。井孔軸線鉆到預定靶區稱為“中靶”，反之則稱之為“脫靶”。

定向鉆井在水平井實際中的應用

水平井概述及軌跡控制。水平井是最大井斜角保持在90°左右，并在目的層中維持一定長度的水平井段的特殊井。水平井鉆井技術是常規定向井鉆井技術的延伸和發展。

水平井的突出特點是井眼穿過油層的長度長，所以油井的單井產量高；水平井的應用；天然垂直裂縫；水錐和氣錐；低滲透地層；薄油層；溶解采礦；重油產層；不規則地層：油層互不關聯、位置難以確定、垂直井難以鉆到；擴大邊界控制面積；層狀油層。

水平井的軌跡控制要求高，難度大；水平井的目標是一扁平的立方體，不僅要求井眼準確進入窗口，而且要求井眼方位與靶區軸線一致，俗稱“矢量中靶”。

“兩個不確定性因素”：一是目標垂深預測有一定的誤差；二是造斜工具的造斜率的不確定性。對直井和普通定向井不會有很大的影響，但水平井可能導致脫靶。

巖屑攜帶及完井電測中的困難。容易形成“巖屑床”。特別是在井斜角為45?～60?的井段，“巖屑床”沿井壁下側下滑，形成堆積，堵塞井眼。

要求精心設計鉆井液參數和水力參數。

儀器不可能依靠自重滑到井底。鉆進中用鉆柱送入儀器。射孔測試用油管送入，完井電測是裸眼，儀器難以送入。主要特點：①簡化了井身結構，減少了套管層次，提高鉆井速度，降低鉆井成本②小井眼代替了大井眼，定向造斜和轉盤增斜機械鉆速提高③定向造斜時，排量相對較大，便于攜巖，保證了施工安全，得到大面積推廣應用。

水平控制的技術要點和動態監控：

鉆具穩平。“鉆具穩平”的含意是從鉆具組合設計和選型方面來提高和加強穩平能力。

上下調整。“上下調整”主要表現為對鉆頭鉛垂位置和井斜角（增降）的調整。在水平控制中，要求鉆具組合有一定的糾斜能力。

多開轉盤。開轉盤的導向鉆進可以：減少摩阻，易加鉆壓；破壞巖屑床，清潔井眼；提高機械鉆速；增加水平段的鉆進長度。一般，水平段開轉盤的進尺應不小于水平段總進尺的75%。但轉盤轉速應不大于60r/min為宜。

注意短起。 為保證井壁質量，減少摩阻和避免發生井下復雜情況，在水平段中每鉆進一段距離（ 如 50m左右，尤其是對定向糾斜井段），應進行一次短程起下鉆。

動態監控。對已鉆井段進行計算，并和設計軌道進行對比和偏差認定；對鉆具組合的穩平能力（導向狀態）和糾斜能力（定向狀態）進行過后分析和評價；鉆頭位置距上、下、左、右4個邊界的距離；待鉆井眼設計計算與分析調整。留有余地

水平控制的實鉆井眼軌道在豎直平面中是一條上、下起伏的波浪線，當鉆頭到達邊界較近的一點D1時，由D1至D2繼續下降，直至D2開始轉折，如果不考慮這種滯后現象，很有可能造成井段出靶。“留有余地”就是分析計算這種滯后帶來的增量，保證在轉折點也不出靶。

水平井鉆進過程中的動態監控在定向鉆井過程中最重要的就是對井底的實時監測。這就要使用較好的隨鉆測量工具。

隨鉆測量定向（MWD）是定向鉆進先進的技術手段，可以不間斷定向鉆進而測量孔底信息，并將信息傳送到地表。隨著技術的進步，現代隨鉆測量已發展為隨鉆測井（Logging While Drilling），簡稱LWD，不僅可以監控定向鉆進，還可以進行綜合測井，獲取信息的種類有：定向數據（井斜角，方位角，工具面角）；地層特性（伽馬射線，電阻率測井記錄）；鉆井參數（井底鉆壓，扭矩，每分鐘轉數）。

隨鉆測量中，傳感器是裝在作為下部鉆具組合整體的 一部分的特殊井下儀器中。

定向鉆井技術現在已經得到了廣泛的應用，并在石油行業中占據了較高的地位。它的出現解決了以往很多較復雜油藏開采困難的問題，提高了油田的開發效率，水平井的成功應用也提高了油田的采收率。依靠現有的條件，改善目前的鉆具，合理的使用地質導向技術，能大大加強定向鉆井的命中率，也為定向鉆井的進一步推廣應用打下基礎。

（作者單位：中國石油長城鉆探工程有限公司國際業務保障部蘇南項目部）