中江氣田致密砂巖氣藏“井工廠”鉆井井眼軌跡控制技術

黃貴生 李林 羅朝東 康力 代鋒 王翰

中石化西南石油工程有限公司鉆井工程研究院

中江氣田主力儲層沙溪廟組埋深變化大（1700～2700 m），平均孔隙度8.5 %，平均滲透率0.21 mD，屬典型的致密砂巖氣藏。截至2015年9月，中江氣田已鉆沙溪廟組水平井116口，平均完鉆井深3 335.88 m，平均鉆井周期52.29 d。在鉆探過程中受到軌跡控制困難、鉆井速度慢的制約，綜合效益極低。為此需要進一步降低鉆井綜合成本，尋求一種“工廠化”的開發模式［1-4］。2015年底，中石化西南油氣分公司在中江氣田首次開展了“井工廠”鉆井模式開發疊置河道致密砂巖氣藏的探索和試驗。

1 鉆井技術難點

Drilling technical difficulties

（1）井間距小，防碰壓力大。與頁巖氣“井工廠”開采模式不同，JS33-19HF平臺設計6口井（3口定向井和3口水平井，設計井口間距為5 m×8.9 m），但為開發不同河道沉積的目的層，設計造斜點垂深范圍在500～2 300 m之間，且井組設計方位在第一象限和第四象限，造成整個井眼軌跡空間展布復雜，必須考慮待鉆井眼與所有已鉆井眼的防碰工作。

（2）井壁失穩嚴重，井身質量難以保證。中江構造處于川西坳陷東坡與川中隆起過渡地帶上，構造應力大，微裂縫發育；加之蓬萊鎮組、遂寧組及沙溪廟組地層的砂-泥巖互層頻繁，砂巖結構疏松，泥頁巖屬于硬脆性泥頁巖，使得整個區塊在鉆井過程中均出現了不同程度的井壁失穩［5-7］，給鉆井施工帶來極大困難，嚴重影響了施工進度和井身質量。

（3）水平段軌跡控制難度大。下沙溪廟組水平井下放摩阻高達600～800 kN，扭矩32 kN·m，使得工具面的擺放特別困難；同時由于儲層縱橫向展布不均，大部分井在水平段鉆進過程中，需多次調整軌跡來追蹤砂體，進一步增加了軌跡控制難度。

2 槽口及井眼軌道優化設計

Procedure of notch and borehole trajectory optimization design

“井工廠”平臺設計步驟如下：（1）取得真正井位坐標以及修正的地質目標后，確定槽口分配方案；（2）利用地質設計的井位與靶點坐標初步設計井眼軌道；（3）將不同深度處測量的不確定橢圓疊加到井眼軌道上，觀測是否發生井碰；（4）表層井眼鉆成并測量后，根據實際井眼軌跡，重新設計井眼軌道并進行防碰評估。基于上述原則，優化了平臺的井口-靶點平面布局、造斜點井深及各井鉆井施工順序，優化后6 口井的井口槽口坐標及軌道空間展布情況見圖1。

3 井眼軌跡控制技術

Borehole trajectory control technology

3.1 直井段防斜打快及井眼防碰技術

Deviation control and fast drilling of vertical hole section and wellbore anti-collision technology

中江構造蓬萊鎮組—遂寧組可鉆性好，但易井斜，結合區塊已鉆井資料，將前期塔式鉆具組合“?311.15 mmPDC+回壓閥+?228.6 mm鉆鋌×3根+?203.2 mm鉆鋌×6根+? 177.8 mm鉆鋌×3根+?139.7 mm鉆桿”優化為“?311.15 mmPDC+?244.5 mm單彎螺桿（0.75°）+回壓閥+?203 mm無磁鉆鋌+MWD懸掛+ ?309 mm螺桿尾扶+?203.2 mm鉆鋌×6根+?177.8 mm鉆鋌×3根+?158.8 mm鉆鋌×3根+? 139.7 mm加重鉆桿×6根+?139.7 mm鉆桿”。該鉆具組合配合KS1952SGR鉆頭和MWD儀器可實現機械鉆速高、防斜效果好、直井段最大井斜角1.7°的目的，而且還能根據防碰需要，進行軌跡調整［8-9］。根據防碰掃描數據，待鉆井JS33-57HF井設計井深2 134.25 m，與已鉆鄰井JS33-21井最近中心距僅0.22 m；該井在直井段施工過程中，運用該套鉆具組合進行繞障作業，達到了井間防碰間距大于3 m的防碰要求，其防碰掃描投影圖如圖2所示。由圖3可知，2012-2015年?311.15 mm井眼（直井段）已鉆井的最大井斜角在1.1～2.4°之間，平均機械鉆速約6.6 m/h，而2016年本井組6口井的最大井斜角僅1.7°，平均機械鉆速達到了16.7 m/h，提高了153.03 %，可見優化后的鉆具組合在保證井身質量和井間防碰的同時，還有效提高了機械鉆速。

圖1 6口井的井口槽口坐標及設計軌道空間展布情況Fig. 1 Wellhead notch coordinates of 6 wells and spatial distribution of designed trajectory

圖2 防碰掃描投影圖Fig. 2 Anti-collision scanning projection

圖3 本井組與區塊已鉆井指標對比分析Fig. 3 Index comparison between this well group and the other drilled wells in this block

3.2 增斜段軌道優化技術

Trajectory optimization of buildup section

3.2.1 增斜段軌道優化設計 中江構造設計剖面類型普遍采用“直—增—穩—增—平”剖面，設計造斜率 20～22（°）/100 m，穩斜調整段長 10～50 m，靶前位移300～350 m，水平段長700～1 300 m。該剖面在施工過程中存在如下問題：定向初期工具面不穩，造斜率無法滿足設計要求；斜井段較長（約500 m），易形成巖屑床，滑動鉆進“托壓”現象嚴重，機械鉆速低（約0.8 m/h）；儲層上部標志層不明顯，加上地層傾角的影響，軌跡矢量入靶難度大。為解決現行“雙增穩”軌道剖面在施工過程中存在的諸多問題，降低施工難度，提高井眼軌跡控制精度和定向效率，以定向井相關理論和現場施工經驗為基礎，優化設計出了一套在現有裝備和技術條件下更容易實現的井眼軌道剖面，見表1。

表1 “多增”井眼軌道剖面設計Table1 Design of “multi-increase” borehole trajectory profile

3.2.2 JS207-2HF井井身剖面優化前后對比分析JS207-2HF井鉆井設計采用“直—增—穩—增—平”井身剖面，設計造斜點井深1 889 m，造斜率20（°）/100 m，靶前位移314.07 m。在不改變JS207-2HF井鉆井設計中井口坐標及靶點坐標的情況下，運用本文提出的剖面設計思路，對井眼軌道進行了優化，見表2。

表2 JS207-2HF井優化井身剖面分段數據Table 2 Sectional data of optimized well diagram of Well JS207-2HF

優化后的井眼軌道剖面具有以下優點：

（1）降低井斜44°以前井段造斜率，緩解了因工具面不穩，造成造斜率無法達到設計要求的情況。

（2）取消穩斜調整段和提高44～70°井段的設計造斜率，縮短了易形成巖屑床井段長度，從而更有利于井下安全。

（3）降低儲集層蓋層井段的造斜率，可增加復合鉆進段長，提高機械鉆速。

（4）更有利于目的層垂深調整后井眼軌跡的控制，保障目的層垂深大幅調整后井眼軌跡的圓滑和軌跡控制精度。

（5）優化后井眼軌道剖面更貼合現場定向施工特點，降低了軌跡控制難度，提高了定向效率和井眼軌跡控制精度，達到了優、快、精的目的。雖然設計造斜率達到了25（°）/100 m，但對摩阻、扭矩及下套管作業等影響并不大，見表3。

表3 JS207-2HF井口載荷情況Table 3 Wellhead loading of Well JS207-2HF

3.3 水平段井眼軌跡控制技術

Trajectory control technology for horizontal hole section

水平段軌跡控制的關鍵思想就是要“留有余地”。實鉆井眼在豎直平面中是一條上、下起伏的波浪線，鉆頭位置距靶框上下邊界的距離是控制的關鍵；動態監控則是貫穿水平段軌跡控制最重要的技術手段，即通過動態井斜角及時計算已鉆井段，并與設計軌道進行對比，分析鉆頭在靶框中的位置，再根據變化井斜角趨勢預測待鉆井段與設計線的相關位置，以確保順利完成水平段施工［10-15］。

4 現場應用效果

Field application effects

JS33-19HF 井組6口井中靶率100%，井徑擴大率均小于10%，井身質量優質。此外，采用“井工廠”模式進行施工，節約了搬遷時間、搬遷工序，從而節約了搬遷成本；已鉆井施工資料還能為待鉆井準確找準目的層垂深和避免井下復雜等提供技術支撐。JS33-19HF平臺實際鉆井周期較設計縮短102.47 d，鉆井周期縮短率達34.62 %，井組的平均機械鉆速達9.41 m/h，平均機械鉆速提高54.1 %；本井組的實鉆技術指標見表4。

表4 JS33-19HF井組設計與實鉆技術指標對比Table 4 Comparison between the designed technological indexes and the practical drilling ones of Well group JS33-19HF platform

5 結論

Conclusions

（1）通過優化槽口-靶點平面布局、造斜點井深及各井鉆井施工順序，切實有效地減少了井場征地面積，降低了井間相碰可能性和綜合投資成本。

（2）優選的“PDC+單彎螺桿+無磁鉆鋌+MWD懸掛+穩定器”下部鉆具組合，不僅能控制井斜角滿足井身質量要求和提高直井段機械鉆速，還能根據防碰需要進行繞障作業。

（3）現場應用表明“多增”井身剖面設計方法可有效降低軌跡控制難度、提高定向效率和井眼軌跡控制精度。

（4）“井工廠”鉆井模式在中江氣田的成功實施，為進一步推廣和完善“井工廠”模式在致密砂巖氣藏的應用積累了寶貴經驗。

［1］滕小蘭，王智君. 中江氣田沙溪廟組氣藏高效開發關鍵技術研究與應用［J］. 天然氣勘探與開發，2014，37（4）：54-57.

TENG Xiaolan, WANG Zhijun. Key technology to develop effectively Shaximiao formation gas and reservoir,Zhongjiang gas field ［J］. Natural Gas Exploration &Development, 2014, 37（4）: 54-57.

［2］仇恒彬，董志輝，張曉明，張玲. 長水平段水平井鉆井技術在中江氣田的應用［J］. 中國石油大學勝利學院學報，2014，28（2）：11-13，20.

CHOU Hengbing, DONG Zhihui, ZHANG Xiaoming,ZHANG Ling. Application of long horizontal-section horizontal well drilling techniques in Zhongjiang gas field［J］. Journal of Shengli College China University of Petroleum, 2014, 28（2）: 11-13, 20.

［3］楊帆，孫準，趙爽. 川西坳陷回龍地區沙溪廟組成藏條件及主控因素分析［J］. 石油實驗地質，2011，33（6）：569-573.

YANG Fan, SUN Zhun, ZHAO Shuang. Accumulation conditions and controlling factors of Shaximiao formation,Huilong area, Western Sichuan depression ［J］.Petroleum Geology & Experiment, 2011, 33（6）: 569-573.

［4］廖忠會，張杰，張智. 中江回龍鼻狀構造優快鉆井技術探討［J］. 西南石油大學學報，2007，29（增刊 1）：25-28.

LIAO Zhonghui, ZHANG Jie, ZHANG Zhi. Probe in excellent and fast drilling technology in Huilong noseshaped structure, Zhongjiang ［J］. Journal of southwest petroleum university, 2007, 29（S1）: 25-28.

［5］陳麗萍，張軍，溫銀武，羅健生，林科君. 中江地區井壁失穩機理及對策研究［J］. 天然氣工業，2005，25（12）：100-102.

CHEN Liping, ZHANG Jun, WEN Yinwu, LUO Jiansheng, LIN Kejun. Mechanism and countermeasures of borehole instability in zhongjiang area［J］. Natural Gas Industry, 2005, 25（12）: 100-102.

［6］張彥虎，汪建軍. 川西中江地區井壁失穩機理研究［J］.鉆采工藝，2001，24（1）：10-12.

ZHANG Yanhu, WANG Jianjun. Mechanism research of sidewall instability in Zhongjiang district in Sichuan ［J］.Drilling & Production Technology, 2001, 24（1）: 10-12.

［7］董志輝，徐云龍，張玲. 中江19H 井卡鉆原因分析及預防技術措施［J］. 探礦工程，2014，41（2）：37-40，44.

DONG Zhihui, XU Yunlong, ZHANG Ling. Analysis on the reasons of drill rod sticking in Well 19H of Zhongjiang District and the preventive measures ［J］. Mineral Exploration Engineering, 2014, 41（2）: 37-40, 44.

［8］王錦昌，鄧紅琳，袁立鶴，王翔. “井工廠”模式在大牛地氣田的探索與應用［J］. 石油鉆采工藝，2014，36（1）：6-10.

WANG Jinchang, DENG Honglin, YUAN Lihe, WANG Xiang. Exploration and application of “Well Plant” mode in Daniudi Gas Field ［J］. Oil Drilling & Production Technology, 2014, 36 （1）: 6-10.

［9］尹虎，李黔，宋振清，陳新蘭. 單彎螺桿控制井斜力學特性分析及應用［J］. 天然氣工業，2004，24（6）：80-82.

YIN Hu, LI Qian, SONG Zhenqing, CHEN Xinlan.Mechanical analysis and application of hole-deviation control with single bend PDM ［J］. Natural Gas Industry,2004, 24（6）: 80-82.

［10］李夢剛. 水平井井眼軌跡控制關鍵技術探討［J］. 西部探礦工程，2009 （2）：42-44.

LI Menggang. Research into Gordian techniques of horizontal well bore trajectory control ［J］. West-China Exploration Engineering, 2009 （2）: 42-44.

［11］毛建華，王清江，王治平，曾明昌. “井眼慣性”對水平井水平段軌跡控制的影響探討［J］. 鉆采工藝，2009，32（1）：14-16.

MAO Jianhua, WANG Qingjiang, WANG Zhiping,ZENG Mingchang. Study on the influence of wellbore inertia on the horizontal sectional trajectory control in horizontal well ［J］. Drilling & Production Technology,2009, 32（1）: 14-16.

［12］蔣祖軍. 叢式井優快鉆井技術在川西地區的應用［J］.天然氣工業，2003，23（增刊 1）：63-65.

JIANG Zujun. Application of cluster drilling technique with fast penetration rate in west Sichuan area ［J］.Natural Gas Industry, 2003, 23（S1）: 63-65.

［13］宋淑穎，楊清海. 發揮工程技術優勢 提高難采儲量動用程度的思考與建議［J］. 石油科技論壇，2016，35（6）：43-47.

SONG Shuying, YANG Qinghai. Opinions and suggestions on using advantageous engineering technology for higher producing degree of hard-for-development reserve［J］. Oil Forum, 2016, 35（6）: 43-47.

［14］劉其明，蔣祖軍，鐘水清，王希勇，肖富森，蘭祥華. 中江地區井壁力學穩定性研究［J］. 鉆采工藝，2006，29（5）：27-29.

LIU Qiming, JIANG Zujun, ZHONG Shuiqing, WANG Xiyong, XIAO Fushen, LAN Xianghua. Study on sidewall mechanical stability in zhongjiang area ［J］.Drilling & Production Technology, 2006, 29（5）: 27-29.

［15］李志剛，烏效鳴，郝蜀民，熊漢橋，邢振輝，付勝利. 儲層屏蔽暫堵鉆井完井液技術研究及應用［J］. 天然氣工業，2005，25（3）：74-78.

LI Zhigang, WU Xiaoming, HAO Shumin, XIONG Hanqiao, XING Zhenhui, FU Shengli. Research on reservoir shielding-temporary plugging drillingcompletion fluid technique and its application ［J］.Natural Gas Industry, 2005, 25（3）: 74-78.