涪陵頁巖氣田三維水平井井眼的軌跡控制技術

胡春陽(中石化江漢石油工程有限公司鉆井二公司，湖北 武漢 430040)

0 引言

涪陵頁巖氣田地處山地丘陵地帶。為了減少井場數量，減少單井占地面積，節約和提高整體工程成本，不斷提高頁巖氣開發效率，頁巖氣開發過程中主要采用叢式水平井。為了提高開發效率，有必要將目標定位在最大主應力的垂直方向。井口和入窗點閉合方位和水平靶體方位沒在一條直線，因此在涪陵頁巖氣田中主要是利用三維水平井。對比常規的水平井，三維水平井井眼軌道設計工作非常復雜，具有較大的摩阻扭矩，井眼軌跡控制難度比較大，鉆井工作也具有較大的難度。當前我國已經發展了三維水平井配套鉆井技術，并且可以提高整體工作效率，但是在今后發展過程中，需要進一步優化設計井眼軌道，有效考控制井眼軌跡。

1 概述三維井眼定向鉆井技術的難點

1.1 原井眼軌道設計的影響

在涪陵地區頁巖氣田三維水平井軌道設計過程中，采用與二維水平井軌道設計極為相似的雙增量井軌道設計方法，對部分水平井進行了設計。具有較長的穩斜段，長度通常在1000m以上，在施工中利用旋轉導向鉆鉆井，具有較高的工作成本，例如常規定向鉆具鉆進機械，雖然整體轉速比較高，但是穩斜段比較長，不利于提高常規定向鉆具的速度。靶前位移通常在900m 以上，再加上工作人員選擇過于靠上的造斜點，這些特點都無法落實三維水平井優快定向鉆井，在長穩斜段施工過程中，很難利用單彎雙穩螺桿，工作人員需要及時調整滑動鉆，在實際工作中很難調整三維井段雙穩鉆井組合定向工具面，滑動鉆進效果因此受到影響，此外鉆具組合具有很強的剛性，利用雙驅復合鉆的過程中，在井下可能會發生蹩鉆問題。如果在過于靠上的位置選擇造斜點，定向段長因此增加，定向鉆井工作周期因此延長[1]。

1.2 三維井眼軌跡控制難度較大

涪陵頁巖氣田三維水平井側向位移比較大，通常會達到600m以上，如果提前扭方位，實際偏移距離無法滿足設計要求，入窗難度因此增加。如果產生滯后扭方位，實際偏移距可以滿足設計要求，但是靶前位移無法滿足定向工具造斜工作的要求，在增斜階段，工作人員需要同時控制方位變化，如果井斜較大，也會增加方位調整的難度。為了順利完成相關工作，在三維井眼控制工作中，工作人員可以結合偏移距離變化和靶前位移變化，控制難度比較大。

1.3 三維眼井摩阻扭矩較大

在三維水平井斜井段，需要適當的增斜和扭方位，在下鉆和滑動鉆鉆進過程中，鉆具很容易發生屈曲問題，鉆具接觸井壁之后會產生較大的摩阻扭矩，產生嚴重的托壓問題，不利于向鉆頭傳遞鉆壓，降低了鉆井速度，延長了定向鉆的周期。由于上孔的扭轉方向增加了全角度變化率和摩擦扭矩，定向工具面無法放置在正確位置，在同一位置反復升降鉆具，增加了定向鉆進的難度，延長了定向鉆進的鉆進周期[1]。

2 涪陵頁巖氣田三維水平井井眼軌跡控制技術思路

采用原有的井眼軌跡設計模式，不利于實現三維水平井優化和快速定向鉆井。其工作目標是使摩擦力矩最小。在實際工作中，有必要對原始井眼軌跡類型進行優化，改進軌跡參數，優化三維井眼軌跡設計技術，以提高定向鉆井速度。因為三維井眼軌跡控制工作具有較大的難度，為了保障鉆井的安全性，提高現場定向施工的便利性，需要利用精細控制措施，嚴格控制井段井眼軌跡，優化涪陵頁巖氣田三維水平井井眼軌跡控制技術，降低整體施工難度。面臨三維井眼摩阻扭矩較大的問題，工作人員可以利用降摩減扭工具，避免發生托壓問題，利用三維井眼降摩減阻技術，高效控制三維井眼軌跡。

要想優化三維井眼軌道，工作人員需要合理選擇三維井眼軌道，把握入窗時機，提高施工現場的操作性。利用預目標位移，盡可能調整傾斜點，縮短穩定段長度，有效縮短鉆進周期。為了降低整體工作量，要在穩斜段改變方位。結合降摩減扭的工作理念，優化軌道全角的變化率，控制穩斜段的井斜角[3]。

在實際應用中，將三維水平井軌跡分為六段。在糾偏井段的井眼內設置二維增斜段，以保證增斜效果。在穩斜邊變方位井段，施工人員需要全力扭方位，有效減少工作量。在邊增斜邊調整方位井段，應合理調整調整工具面，合理調整方位角。在著陸段利用增斜入窗，合理調整參數。

3 涪陵頁巖氣田三維水平井井眼軌跡控制關鍵技術

三維水平井偏移距比較大，同時也會增加變方位工作量，在大斜度井段調整方位難度較大，定向鉆工作周期比較長，井眼軌跡缺乏圓滑性，將會影響到后續井下作業的安全性。采用分段精細控制方法，保證節點控制效果，有效控制井眼軌跡。

(1)糾偏井段：在糾偏井段要注重減小偏移距，工作人員要結合中靶要求，同時要控制下部井段扭方位工作量，因此需要合理選擇糾偏方位。因為該井段的井眼尺寸，需要利用大尺寸、剛性強的鉆具，但是在實際鉆進階段會增大摩阻扭矩，很難掌握工作面，降低了定向效率，工作人員需要優選鉆具組合，嚴格控制鉆井的各項參數。選擇糾偏方位的過程中，需要模擬計算偏移距，同時需要考慮摩阻扭矩，保障糾偏方位的合理性。如果糾偏方位比較大，可以及時消除偏移距，同時會產生較小的摩阻和扭矩。校正目標的方位角為垂直角，可以及時消除偏移，但后續方位扭轉的工作量也會增加，扭矩也會增加。為了提高施工的便利性，需要對糾偏位置進行控制[4]。

(2)穩斜變方位井段：以井眼軌道設計方案為基礎，在三維變方位井段設置穩斜變方位井段，井段經過糾偏處理之后，控制井斜角在40°以上，有效減小偏移距。保障井眼軌跡可以進入到變方位窗口中。在該井段反復實施變方位工作，因此降低后續工作量。

在實際工作中需要確定變方位安全窗口，如果靶體方位為0°，在穩斜段的井斜角為65°，如果偏移距發生了變化，工作人員可以進行模擬計算，確定井眼軌跡后續全角變化率，明確方位實際變化情況。如果剩余偏移距占據總偏移距的50%以上，可以降低后續井眼軌跡全角的變化率，如果扭方位過早發生，將會導致方位扭過頭。當剩余偏移距為30%時，后續井眼軌跡會產生較大的全角度變化率，增加了斜井方位角變化的難度。因為工作人員需要控制剩余偏距比例在35%～45%范圍內，因此設置變方位安全窗口，這是最佳的扭方位時機。工作人員需要合理選擇鉆具和工具參數，合理簡化鉆具組合，將鉆鋌去除，倒裝加重鉆桿，減少鉆具與井壁接觸面積，這樣有利于工作人員控制定向工具面，使定向效果因此提高[5]。

(1)增斜變方位井段：通過增斜鉆進，實現扭方位效果，為著陸井段提供良好的基礎，避免了測量盲區對井眼軌跡控制工作的影響。根據定向工作面變化情況，合理估計井眼軌跡參數，準確預測盲區數據，確保施工過程中造斜率符合要求。準確預測三維井眼軌跡，合理調整滑動鉆進和復合鉆進，提高井眼軌跡平滑性，避免事故風險。

(2)著陸井段：控制著陸井段的井眼軌跡，確定矢量入靶的角度。在著陸之前，可以結合油藏建模思路，綜合鉆進和測井等資料構建隨鉆前導模型，把握目的層走向以及傾角等，并且要緊密結合現場地質人員以及地質導向人員，保障著陸的準確性[6]。

確定入靶角度的過程中，如果目的層產狀上傾，工作人員需要在靶前20m 左右控制井眼軌跡，在目的層頂部位置控制垂深，進入到目的層之后，在入靶之前需要合理調整最大井斜角，在距層頂1m 范圍內控制井眼軌跡。

目的層產狀下傾，可使靶前位移提前，并可適當減小探井頂部傾角。井眼軌跡可控制在目標點前20m 以上，入井角度應小于最大偏差角的3°。進入目標層后，井眼軌跡可在目標層前的地層上進行控制。

4 三維井眼降摩減阻技術

因為三維井眼具有變方位井段，在定向鉆進過程中，會快速增加滑動摩阻，產生托壓問題。解決了定向托壓問題以后，可提高定向施工效率。工作人員可以利用降摩減阻扶正器，利用水力振蕩器，利用周期性振蕩鉆柱，減少在滑動鉆進過程中，井壁和鉆桿之間接觸產生摩擦，改善鉆壓傳遞效果，使滑動鉆進能不斷提高。水利振蕩器可以明顯改善定向托壓問題，提高機械鉆速，提高定向施工效率[7]。

在直井段鉆進過程中，每鉆進30m 需要實施測斜工作，并且對待測鉆跡實施防碰掃描，采用隨鉆儀器進行隨鉆監測，預測有防碰風險可下入定向鉆具組合的過程中進行繞障施工，確保井間安全距離。

5 結語

本文論述了涪陵頁巖氣田三維水平井井眼軌跡控制技術，可以達到顯著的提速效果，在實際應用過程中需要不斷完善井眼軌跡控制技術，優化經驗軌跡控制規程，對現場定向鉆井提供指導作用。