川西海相難鉆破碎地層超深水平井軌道設計

杜征鴻 李林 黃貴生 胡生科

1. 中石化西南石油工程有限公司鉆井工程研究院；2. 中石化西南石油工程有限公司重慶鉆井分公司

川西海相雷口坡組碳酸鹽巖氣藏位于四川龍門山?jīng)_斷帶內，其資源量達1 764.97×108m3，是中石化勘探開發(fā)的重點領域。鉆遇地層自上而下為侏羅系蓬萊鎮(zhèn)組、遂寧組、沙溪廟組、千佛崖組、白田壩組，三疊系須家河組、小塘子組、馬鞍塘組、雷口坡組。根據(jù)中石化“十三五”規(guī)劃，該區(qū)塊計劃部署8個鉆井平臺29口大斜度定向井或水平井，建成產能30×108m3。2018年以前，該區(qū)塊還沒有定向井和水平井建井先例。前期4口直井鉆探表明，設計造斜點以深的須二段—小塘子組地層具有高研磨性，可鉆性級值大于8，機械鉆速僅1.19 m/h；雷口坡組含風化殼，地層破碎，安全鉆進風險大［1-4］。為提高高研磨性地層的定向效率和降低破碎地層的安全鉆井風險，針對川西海相面臨的鉆井工程難點，圍繞“高效、安全”開展技術攻關，提出了一種基于川西海相工程地質特征的四增剖面設計思路，對該區(qū)域超深水平井安全快速鉆井探索出一種新途徑。

1 川西海相超深水平井鉆井難點

川西海相雷口坡組碳酸鹽巖氣藏埋深5 800～6 300 m，前期直井主要采用四開井身結構［4-5］，但后期大規(guī)模開發(fā)則采用三開井身結構（圖1）。設計造斜點位于須家河組二段—小塘子組，增斜段鉆遇須二段、小塘子組、馬鞍塘組和雷口坡組等4套地層。鉆井作業(yè)主要存在以下技術難點。

設計造斜點位于須家河組二段—小塘子組，增斜段鉆遇須二段、小塘子組、馬鞍塘組和雷口坡組等4套地層。鉆井作業(yè)主要存在以下技術難點。

(1)造斜點埋深約5 000～5 500 m，增斜段鉆遇的須二段—小塘子組地層屬鐵質膠結，石英含量達72%，可鉆性級值大于8，前期直井鉆探中國內外各類型鉆頭適應性均較差，鉆頭及穩(wěn)定器磨損快［4，6］，平均機械鉆速僅1.19 m/h。

圖1 川西海相超深井井身結構Fig. 1 Casing program of ultra-deep well in the marine gas reservoirs of western Sichuan

(2)陸相須家河組—小塘子組屬于異常高壓段［7］，鉆井液密度普遍超2.0 g/cm3，PZ113井鉆井液密度最高達2.25 g/cm3，井底溫度超過140 ℃，輔助破巖工具受高密度鉆井液及井底高溫、高壓影響，應用受限、效果不佳。

(3)海相儲層雷口坡組含風化殼，溶孔、溶洞、微裂隙極其發(fā)育，膠結性差，強度低，且屬于親水性，前期鉆井作業(yè)雖采用了多種井壁穩(wěn)定技術，但仍在鉆進、通井等工況發(fā)生了6次因井壁失穩(wěn)造成的卡鉆事故，安全鉆進風險大［8］。

2 四增剖面設計思路

2.1 PZ1-1H井原軌道設計剖面分析

PZ1-1H井設計采用“直—增—穩(wěn)—增—平”的雙增剖面，造斜點位于小塘子組，井深5 500 m，造斜率20 (°)/100 m，原設計剖面分段數(shù)據(jù)見表1。

按原井眼軌道設計，以20 (°)/100 m的造斜率定向施工，將會面臨小塘子組定向效率低及雷口坡組滑動鉆進卡鉆風險大的雙重難題［9-13］。如將造斜點移至小塘子組以下避開高研磨性地層，造斜率將增至24 (°)/100 m以上，導致下部破碎地層滑動鉆進井段進一步增長，安全鉆進風險加大，同時也不利于后期完井工具下入。

表1 PZ1-1H井原設計剖面分段數(shù)據(jù)Table 1 Segmental data of original section design of Well PZ1-1H

2.2 造斜點優(yōu)選

根據(jù)川西海相超深水平井鉆井工程設計，造斜點所處層位均為難鉆地層須家河組—小塘子組。對已鉆直井造斜點附近地層的平均機械鉆速統(tǒng)計結果見表2，可以看出，在須四—小塘子組地層平均機械鉆速均低于1.74 m/h。因此，在滿足靶前位移設計的要求下，造斜點優(yōu)選原則為降低須家河組—小塘子組難鉆地層的造斜率或進尺，從而達到提高定向效率，縮短定向周期的目的［5］。

2.3 造斜率優(yōu)化

川西坳陷金馬—鴨子河構造地質情況復雜，自上而下到目的層將鉆遇15套地層，目標靶點垂深設計普遍存在較大誤差。因此，采用常規(guī)“直—增—穩(wěn)—增—平”雙增剖面進行定向施工時，存在以下問題：(1)定向初期工具面不穩(wěn)，實際造斜率低于設計要求；(2)斜井段較長，托壓現(xiàn)象嚴重，機械鉆速降低；(3)儲層標志層不明顯，加上地層傾角的影響，軌跡矢量入靶難度大?；诖耍剿髟O計出了一套在現(xiàn)有定向工藝條件下更容易實現(xiàn)的四增井眼軌道剖面，見表3。

表2 須四段—小塘子組實鉆機械鉆速統(tǒng)計 m/hTable 2 Statistics of actual ROP in the fourth member of Xujiahe Formation-Xiaotangzi Formation

表3 井眼軌道造斜率設計范圍Table 3 Design range of the deflection rate of well trajectory

四增井眼軌道剖面具有“優(yōu)、快、省、精”的特點，從造斜點到入靶可劃分為4個階段：

第1增斜段：造斜初期井斜小、地層可鉆性差，實鉆中工具面不穩(wěn)定，造斜率偏低，并且在高研磨性地層長距離滑動鉆進，機械鉆速慢。為此，將第1增斜段的造斜率由 20 (°)/100 m 降至 10～15 (°)/100 m，以提高定向效率。

第2增斜段：鉆遇地層為馬鞍塘二段。本段地層可鉆性相對較好，工具面易擺放到位，不易托壓，增斜和扭方位鉆進相對簡便、快捷，因此本井段以快速增斜、扭方位為主。

第3增斜段：鉆遇地層為馬鞍塘一段。此時，井斜已增至40°以上，易形成巖屑床，托壓現(xiàn)象越發(fā)突出，故在設計時應降低造斜率，取消穩(wěn)斜段，縮短整個造斜段長度，以提高機械鉆速和降低黏附卡鉆風險。

第4增斜段：鉆遇地層為馬鞍塘一段底部至目的層雷口坡組。該段設計造斜率應在保證矢量入靶要求下盡量低，以便快速穿越雷口坡組頂部風化殼破碎地層，降低卡鉆風險。同時提高軌跡可控空間，避免出現(xiàn)因目的層垂深不確定帶來的實鉆軌跡無法滿足地質靶點調整要求、造成填井側鉆的情況。

3 PZ1-1H井四增剖面設計

3.1 四增剖面設計應用

應用上述四增剖面設計思路，以PZ1-1H井工程設計為基礎，在不改變井口坐標和靶點數(shù)據(jù)的基礎上，設計出不同造斜點和造斜率的井眼軌道剖面。(1)造斜點垂深上調50 m，至井深5 450 m，優(yōu)化后軌道剖面見表4；(2)造斜點不變，在井深5 500 m，優(yōu)化后軌道剖面見表5；(3)造斜點垂深下調50 m，至井深5 550 m，優(yōu)化后軌道剖面見表6。

3.2 摩阻扭矩分析

假設大鉤懸重250 kN，鉆井液密度1.95 g/cm3，塑性黏度 34 mPa·s，動切力 12 Pa，鉆井液排量 33 L/s，套管內摩擦因數(shù)0.25，裸眼段摩擦因數(shù)0.30，井身結構及套管參數(shù)見圖1。

鉆具組合：?241.3 mm PDC鉆頭+ ?185 mm單彎螺桿 (1.5°)+回壓凡爾+ ?177.8 mm無磁鉆鋌×1根+ ?172 mm MWD 短接×1根+ ?127 mm 加重鉆桿×20根+ ?127 mm鉆桿×210根+變扣接頭+?139.7 mm鉆桿。

表4 PZ1-1H井剖面設計分段數(shù)據(jù)(造斜點5 450 m)Table 4 Segmental data for section design of Well PZ1-1H (kick-off point at 5 450 m)

表6 PZ1-1H井剖面設計分段數(shù)據(jù)(造斜點5 550 m)Table 6 Segmental data for section design of Well PZ1-1H (kick-off point at 5 550 m)

使用Wellplan軟件對上述4種剖面進行摩阻扭矩模擬分析，得到了不同工況下井口大鉤載荷和扭矩隨井深變化關系，如圖2和圖3所示。

圖2 不同工況下井口大鉤載荷隨井深變化關系Fig. 2 Variation of wellhead hook load with the well depth under different working conditions

由圖2、圖3可知，不同造斜點井深及造斜率對摩阻扭矩影響差異小于5%。綜合考慮復合鉆進自然增斜，不同地層的地質特征，井下安全和后期完井作業(yè)等情況，PZ1-1H井井眼軌道設計剖面推薦表4(造斜點5 450 m)，該方案具有以下優(yōu)點：(1)小塘子組地層造斜率控制在12 (°)/100 m內，可避免造斜初期造斜率無法滿足設計要求的情況，同時可增加難鉆地層復合鉆進段長，提高機械鉆速；(2)馬鞍塘組二段和一段增斜率控制在18 (°)/100 m，取消了穩(wěn)斜調整段，縮短了易形成巖屑床井段長度，更有利于井下安全；(3)馬鞍塘組一段底部及雷口坡組地層的增斜率控制在16 (°)/100 m內，有利于目的層垂深發(fā)生大幅調整后的井眼軌跡控制，并且縮短破碎地層滑動鉆進段長，可有效降低井下卡鉆風險。

圖3 扭矩隨井深變化關系(不同剖面設計方面)Fig. 3 Variation of torque with the well depth(different section designs)

4 結論與建議

(1)針對川西海相氣藏地質特征提出的四增剖面設計思路能解決定向初期實鉆造斜率低于設計造斜率難題，同時減輕斜井段托壓現(xiàn)象，提高機械鉆速，實現(xiàn)軌跡矢量入靶，更貼合現(xiàn)場定向施工特點。

(2)應用四增剖面設計思路形成的PZ1-1H井井眼軌道剖面，緊密結合了川西坳陷金馬—鴨子河構造工程地質特征，充分利用了復合鉆進自然增斜的方式來提高須家河組—小塘子組高研磨性地層的定向效率，并且以降低造斜率的方式來提高雷口坡組破碎地層鉆井的安全系數(shù)，整體上降低了川西超深水平井的軌跡控制難度。

(3)四增剖面設計思路為川西區(qū)塊超深水平井安全快速鉆井探索出一種新方法，建議在川西海相氣藏開發(fā)過程中推廣應用。