涪陵頁巖氣田三維叢式水平井軌跡控制技術

謝虹橋

1.中國石化石油工程技術研究院（北京 100101）

2.頁巖油氣富集機理與有效開發國家重點實驗室（北京 100101）

中國石化涪陵頁巖氣田是國內首個商業開發的大型頁巖氣田。2015年底，中國石化涪陵頁巖氣田一期順利建成年50×108m3產能，與此同時，涪陵二期50×108m3產能建設也已正式啟動。為滿足勘探開發的經濟效益，涪陵頁巖氣田多以“井工廠”方式鉆進[1-2]。該類井型部分井偏移距離達到600 m以上，靶前位移650～900 m，水平段長1 500～2 000 m。鉆井施工中存在摩阻扭矩大、地質預測偏差大、軌跡調整頻繁、中靶難度高和軌跡控制難度高等技術難題。針對上述難題，開展了三維井眼軌跡剖面優化設計、降摩減阻技術、軌跡預測及精準著陸技術，集成形成了涪陵頁巖氣田三維叢式水平井軌跡控制技術[3-4]。

1 技術難點分析

1.1 軌跡剖面設計與工程實際匹配度差

涪陵頁巖氣田前期施工井多采用“直井段-造斜段-穩斜段-造斜段-水平段”的五段制剖面，見表1。該類設計剖面沿用二維設計井的設計思路，存在一定的局限性：①造斜點選取不合理，造成后期軌跡摩阻扭矩大；②穩斜段長，軌跡控制難度大，機械鉆速低；③全角變化率設計高，扭方位工作量大；④靶前位移大，增大了矢量入靶的難度，著陸控制要求更高。

表1 一期工程三維水平井軌道剖面（部分）

1.2 摩阻扭矩大，機械鉆速低

在涪陵三維叢式水平井中，鉆具在井中與井壁接觸面大，從而產生較大的摩阻扭矩，發生嚴重的托壓現象，使得在下鉆和定向滑動鉆進等作業中極易發生鉆柱屈曲現象，從而導致鉆壓無法有效地傳遞至鉆頭，影響機械鉆速[5-7]。且該類井也存在造斜段和扭方位鉆進井段長的特點。以焦頁18-1HF井為例，該井由于上部軌跡扭方位段較長，摩阻高達20 t，造成工具面控制難度高，初始工具面擺放時間長，定向鉆時達40～50 min/m。

1.3 軌跡控制難度高，中靶難

由于穩斜段長，穩斜難度高，雙驅復合鉆進時常造成井下憋鉆甚至憋停頂驅。由于偏移距大，扭方位工作量大，在造斜的同時需兼顧扭方位，三維軌跡控制過程中，需綜合考慮偏移距、靶前位移、井斜角、方位角和垂深，中靶難度高。

2 軌跡控制技術對策

為了實現涪陵頁巖氣田三維叢式水平井軌道控制，主要從以下3個方面開展技術攻關。

2.1 軌跡剖面優化設計

針對軌跡剖面設計存在的問題，優化后的剖面綜合考慮了造斜點優選、穩斜段及靶前位移設計和全角變化率設計。以最小摩阻扭矩為設計目標，提出以下設計思路。

2.1.1 造斜點優選

1）造斜點需要謹慎避開具有可鉆性差、鉆具振動劇烈和工具面穩定性差等特點的龍潭-茅口組地層；同時，將目標位置選擇在穩定性、可鉆性較好的韓家店組地層中。

2）為了減少扭方位的難度，并能夠避免穩斜段長度過長等不利因素的影響，可以適當下移造斜點，在小井斜角井段扭方位，這樣就可以達到降摩減扭的目的。

2.1.2 合理設計造斜率

通過對前期大量施工數據的深入分析，結合摩阻扭矩預測軟件模擬對比，二開井段推薦合理造斜率范圍為0.12～0.14°/m，三開造斜段推薦合理造斜率為0.18～0.20°/m。

2.1.3 井眼軌道剖面設計

1）漸增式定向造斜率設計。在優選的造斜率范圍內，初始造斜時采用低造斜率，減小側向力，同時保證剖面有一定的調整空間。當應對現場復雜情況或調整靶點時，再采用較高的造斜率。

2）優選扭方位的最佳井斜角。減小扭方位時的井斜角，可提高定向效率，因此需要慎重并仔細選擇該角度。首先，該角度需要避免30°～60°這個范圍，尤其是45°～60°，因為在該角度內易形成巖屑床。因此，扭方位的最佳井斜角應小于30°。

以焦頁56-3HF井為例進行軌跡剖面優化前后的對比，見表2和表3。

對比結果表明：造斜點從1 500 m 下調至2 000 m，全角變化率大幅降低（16°/100 m 下降到11.76°/100 m），減少了扭方位工作量，并且摩阻降低明顯：上提摩阻下降57.37%，下放摩阻下降9.85%，復合鉆扭矩下降20.66%，空鉆扭矩下降27.45%，優化后的剖面降低了現場施工難度，且有利于降摩減阻。

2.2 降摩減阻工具配套

2.2.1 水力振蕩器配套應用

水力振蕩器一般安裝在井下動力馬達之上[8-10]，其工作原理是利用專門的節流裝置將鉆井液的壓力能量轉換為機械能，從而使鉆柱產生周期性的振動，帶動鉆柱軸向振動，將滑動鉆進的靜態摩擦阻力轉變為動態摩擦阻力，從而達到降低摩阻和扭矩的目的。這樣方便鉆壓的傳遞，工具面易于操控，減少擺放工具面的時間，縮短非鉆進時間，提高鉆進效率。

為解決涪陵頁巖氣田三維水平井定向托壓問題，水力振蕩器在多口井開展了現場應用，并取得了良好的效果，以焦頁49-1HF井為例進行說明。

鉆進參數設置如下：復合鉆進時鉆壓10～12 t，定向鉆進時鉆壓11～13 t，鉆井泵排量為26 L/s、泵壓20～22 MPa，復合時轉盤轉速為50 r/min。另外，鉆進時所用的鉆具有Φ215.9 mm KPM1642ART 高造斜率混裝鉆頭鉆頭、Φ127 mm 的鉆桿和加重鉆桿，以及浮閥、LWD 無磁懸掛、旁通閥、Φ172 mm×1.25°單彎螺桿、Φ127 mm無磁承壓鉆桿。

最終，在采用以上鉆進參數、鉆具組合、以及密度達到1.75 g/cm3、漏斗黏度為85 s的油基鉆井液的情況下，韓家店組、小河壩組、龍馬溪組的機械鉆速與鄰井焦頁49-2H 相比，分別提高了48.71%、10.76%和143.27%，結果顯示其具有顯著的提速效果，見表4。

2.2.2 旋轉導向鉆井工具配套應用

與傳統的滑動導向相比，旋轉導向鉆進時鉆柱處于選擇狀態，摩阻和扭矩減小了，鉆壓傳遞效率更高更穩定，從而使得軌跡調整控制更方便，所鉆的井眼軌跡光滑。由于鉆柱旋轉，巖屑攜帶效率高，井眼清潔[11-13]。在滑動導向鉆進困難的焦頁42-4HF 井二開扭方位井段采用了旋轉導向工具，取得了較好的應用效果，見表5。通過與鄰井使用效果對比分析可知，旋轉導向技術能有效解決定向托壓問題，并可提高機械鉆速。

表2 焦頁56-3HF井優化前的剖面

表3 焦頁56-3HF井優化后的剖面

表4 焦頁49-1HF井水力震蕩器應用情況

2.3 軌跡預測及著陸控制技術

2.3.1 軌跡精確預測

常用的現場軌跡預測方法有定曲率幾何外推法和兩測點中間插值法等，這些方法在二維軌跡預測中可滿足工程精度需求，但是在三維軌跡預測中，誤差較大。經過對比分析，采用實時數據更新的MGM（1，N）模型[14]來同時預測井斜和方位參數，該方法可以滿足工程精度要求。該方法計算思路如圖1所示。

表5 焦頁42-4HF井水力震蕩器應用情況

圖1 三維軌跡精確預測思路

多口井現場應用效果表明，當儀器測量盲區在17.5 m 以上時，該方法利用測點數據預測鉆頭處井斜角的絕對誤差可保持在0.25°以內，能夠實現軌跡的高精度預測，這對軌跡入靶控制具有重要意義。

2.3.2 穩斜扭方位控制技術

二開穩斜段進入三維穩斜變方位井段后，要盡量完成扭方位作業，不要在三開井段扭方位或者減少三開扭方位工作量，扭方位的同時要保證對穩斜的控制。選取最佳的扭方位位置是二開穩斜段扭方位鉆進的技術關鍵之一。

通過分析確定，在二開穩斜段的靶體偏移距余量比例35%～45%為扭方位施工的最佳施工井段。分析思路如下：假設靶體方位為0°，靶體長度1 600 m，靶前位移950 m，側向位移630 m（靶體偏移距），穩斜段井斜65°，消偏方位65°，不同偏移距條件下，全角變化率及方位變化情況，見表6。

表6 全角變化率隨偏移距的變化

通過后續全角變化率分析結果可知，余量比例在35%～45%既可兼顧全角變化率還可減少扭方位工作量，因此該井段為最佳扭方位井段。

2.3.3 著陸控制技術

三維叢式水平井的著陸控制是軌跡控制的核心目標。通過前期的著陸施工分析總結，形成了著陸控制原則。

1）借助地質導向技術[15]，細致分析隨鉆資料，明確目的層，實現精準中靶。

2）確保軌跡穿行位置在主力氣層最優層位。

3）實時計算地層傾角，預測并調整軌跡形態。

4）對于目的層為上傾方向，傾角大于90°，應控制井眼軌跡在A點前20～30 m，確保垂深達到目的層頂部位置。

5）對于目的層為下傾方向，傾角小于90°，靶前位移可提前，探頂井斜角可略小，可控制井眼軌跡在A點前20～30 m，入靶角度達到最大井斜值減去2°～3°，進入目的層后地層下傾，達到地質要求。

使用軌跡控制技術前后的施工情況見表7，現場應用結果表明：使用軌跡控制技術后，二開平均定向周期15.72 d，較前期23.59 d 縮短7.87 d，縮短鉆井周期33.36%。

表7 使用軌跡控制技術前后定向指標對比

3 結論

1）涪陵頁巖氣田多為長半徑三維叢式水平井。該類井型具有偏移距和靶前距大、穩斜段和水平段長的特點，鉆井施工中存在摩阻扭矩大、地質預測偏差大、軌跡調整頻繁、中靶難度高和軌跡控制難度高等技術難題。

2）基于前期實鉆數據分析和優化設計前后分析總結，形成了三維井眼軌跡剖面優化設計、降摩減阻技術及工具配套、軌跡預測和著陸控制技術三大軌跡控制技術，有效解決涪陵頁巖氣田三維叢式水平井軌跡控制技術難題。

3）現場應用效果表明，使用軌跡控制技術后，平均定向周期15.72 d，較前期23.59 d 縮短7.87 d，縮短鉆井周期33.36%。