三維井身軌跡精細控制成效分析

鄧超，夏竹君，姚振河，曹鵬飛，李朝

中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術(shù)深圳分公司（廣東 深圳 518064）

0 引言

LFX-X油田位于中國南海珠江口盆地東沙隆起北部斜坡，1997年LFX-X油田正式投產(chǎn)，2009年因水下生產(chǎn)設(shè)備老化棄置。根據(jù)LFX-X油田開發(fā)方案優(yōu)化研究結(jié)果，2021年決定重新部署4口開發(fā)井，全部采用水下井口生產(chǎn)系統(tǒng)。海上油氣田部署井位受諸多因素制約，為了有效降低成本，并在有限的鉆井設(shè)施空間內(nèi)開采更多的油氣資源，井身軌跡往往按高狗腿度三維反扭方位設(shè)計［1-4］。三維反扭方位井型一般要求在兩柱60 m內(nèi)完成反扭方位，給現(xiàn)場施工及防碰帶來較大困難。井身軌跡LFXX-A1H井、LFX-X-A4H井（注：LFX-X-A1H井為中海油井名命名規(guī)則，其中LFX-X代表油氣田標識，A代表井口區(qū)標識，1代表井序號，H代表井標識）設(shè)計為二維井，LFX-X-A2H井、LFX-X-A3H井設(shè)計為三維井（圖1）。LFX-X-A2H井鉆進過程中三維反扭方位井段狗腿度達7.75°/30 m，遠遠超過設(shè)計狗腿度3.80°/30 m［5］，造成后續(xù)鉆井斷鉆具，延誤了鉆井時效。

圖1 井身軌跡空間分布圖

在分析LFX-X-A2H井三維反扭方位井段狗腿度超標的基礎(chǔ)上，有針對性地制定并完善了相應(yīng)的井身軌跡精細控制技術(shù)方法，在LFX-X-A3H井上實施效果良好，縮短了鉆完井周期，為加快LFX-X油田的重新開發(fā)及投產(chǎn)提供了技術(shù)支撐。

1 三維井施工難點

1）當方位位于0°及180°附近正負10°內(nèi)時，鉆進過程中隨鉆測斜工具與地球磁力線平行或近似平行［6］，工具沒有或較小切割磁力線，造成鉆進時定向工具所測連續(xù)方位不準確。

2）鉆具高速旋轉(zhuǎn)過程中在反扭方位井段由于側(cè)向力高于其他井段，對返出此段巖屑在井壁拍打形成堆積造成縮徑情況，鉆進時脫壓嚴重，起鉆困難，制約了鉆井時效。

3）由于井間距較近，分離系數(shù)小，繞障過程中存在防碰風險，尤其是在老井地質(zhì)資料、軌跡數(shù)據(jù)因年代久遠、可信度不高的情況下，加劇了施工井防碰風險。

2 LFX-X-A2H井狗腿度超標原因及造成的后果

2.1 狗腿度超標過程

LFX-X-A2H井311.15 mm（12.25″）井段自井深835.0 m開始鉆進，井段1 334.0～1 363.0 m鉆進期間，造斜工具Xcel測得的動態(tài)連續(xù)方位出現(xiàn)在347°～358°波動跳躍的情況，由于方位已經(jīng)扭至0°附近，分析連續(xù)測量方位不穩(wěn)定是正常現(xiàn)象。劃眼完后開始測斜，多次出現(xiàn)測斜參數(shù)超標，數(shù)據(jù)可信度差，決定繼續(xù)鉆進一柱后再補測軌跡數(shù)據(jù)。井段1 363.0～1 392.0 m鉆進期間，造斜工具Xcel測得的動態(tài)連續(xù)方位仍然不穩(wěn)定，在330°～350°波動（表1），鉆至井深1 392.0 m后上提鉆具補測軌跡數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)狗腿度最大7.75°/30 m（表2、圖2）。

圖2 LFX-X-A2H井近鉆頭PDXCEL及隨鉆TeleScope連斜圖

表1 LFX-X-A2H井隨鉆連斜數(shù)據(jù)表

表2 LFX-X-A2H井定向作業(yè)指令表

2.2 高狗腿度形成原因

1）卡工具面，造斜工具Xcel鉆進過程中可能出現(xiàn)卡工具面現(xiàn)象，未按目標指令工作，而是以100%力度在全力工作。

2）在0°連續(xù)方位不準確的井段扭方位，沒有中途加密測斜，測斜不成功沒有繼續(xù)測斜，在沒有掌握確切軌跡數(shù)據(jù)的情況下繼續(xù)作業(yè)。

2.3 高狗腿度造成后果

發(fā)現(xiàn)狗腿度超標后，對井段1 340.0～1392.0 m進行劃眼，試圖對井眼軌跡進行修整。鉆至井深1 782.97 m后，劃眼提離井底至井深1 778.0 m發(fā)指令調(diào)整工具面，鉆井參數(shù)異常，泵壓由13.0 MPa下降至6.8 MPa，扭矩由25.8 kN·m下降至17.6 kN·m，懸重由131.6 t下降至127.9 t，定向井工具信號丟失，判斷井下鉆具異常。起鉆檢查鉆具，發(fā)現(xiàn)203.2 mm（8"）液壓震擊器斷裂，震擊器下部及以下鉆具落井，魚頭低高邊處斷口較為齊整（圖3）。

圖3 LFX-X-A2H井震擊器端口斷裂實物圖

對井段1 340.0～1 392.0 m進行各種工況下鉆具受側(cè)向力及疲勞指數(shù)分析（圖4、圖5），井內(nèi)鉆具每10 m的側(cè)向力小于90 t一般相對安全，對鉆具基本無磨損，超過這個值就會對鉆具產(chǎn)生磨損。圖4所示高狗腿度井段1 312.9～1 370.6 m每10 m鉆具的側(cè)向力最高達到131 t，超過安全臨界值，且是其上下相對低狗腿度井段鉆具所受側(cè)向力的1.5倍左右，鉆具磨損嚴重。鉆具疲勞指數(shù)小于0.5一般相對安全，不易產(chǎn)生疲勞，超過這個值鉆具會產(chǎn)生疲勞。如圖5所示，高狗腿度井段1 312.9～1 370.6 m鉆具疲勞指數(shù)最高達到1.1，超過安全臨界值，且是其上下相對低狗腿度井段鉆具疲勞指數(shù)的2倍左右，鉆具疲勞嚴重。最終鉆具在側(cè)向力及疲勞指數(shù)異常疊加的情況下，經(jīng)過8.3 h劃眼后再次施工僅僅37.7 h，進尺390.97 m，震擊器就發(fā)生斷裂，震擊器斷裂位置剛好在劃眼修整井眼鉆具組合中受力最薄弱的位置。

圖4 LFX-X-A2H井鉆具側(cè)向力分析圖

圖5 LFX-X-A2H井鉆具疲勞指數(shù)分析圖

3 軌跡控制技術(shù)對策

為了有效避免后續(xù)待施工井在反扭方位井段出現(xiàn)局部高狗腿度的情況，通過前期施工井總結(jié)，形成了以下技術(shù)措施。

1）掌握清楚定向造斜工具Xcel的造斜率與工具力度之間的關(guān)系。充分利用在反扭方位之前巖性相似井段，通過調(diào)整不同工具力度，找出定向工具Xcel的造斜率與工具力度之間的關(guān)系。

2）活動鉆具。加強井下工具狀態(tài)的監(jiān)測，在Stick/Slip值及震動值較高的井段，或發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向轉(zhuǎn)動狀態(tài)參數(shù)異常時，及時活動鉆具釋放有害能量，待定向工具狀態(tài)值恢復(fù)正常后再繼續(xù)鉆進。

3）參數(shù)調(diào)整。鉆進過程中如持續(xù)出現(xiàn)工具面轉(zhuǎn)動不暢或者卡工具面現(xiàn)象，改變鉆井參數(shù)，如降低鉆壓及轉(zhuǎn)速，觀察定向工具造斜能力，尋找最適合的鉆井參數(shù)［7］。

4）老井軌跡數(shù)據(jù)復(fù)查。對不同大地坐標系統(tǒng)及不同測量方式獲得的軌跡測斜數(shù)據(jù)認真復(fù)查，轉(zhuǎn)換成同一坐標系統(tǒng)［8-9］。

5）加密測斜。扭方位至0°或180°附近過程中，記錄連續(xù)井斜方位數(shù)據(jù)，必要時中途上提鉆具加密測斜，若發(fā)現(xiàn)連續(xù)狗腿度偏高時，及時發(fā)指令遏制，防止產(chǎn)生高狗腿。

6）保持井眼清潔。鉆進過程中根據(jù)振動篩返出巖屑形狀及返出巖屑量，建議鉆井液工程師交替泵入重漿、稀塞攜帶井筒巖屑；在反扭方位前增加一趟倒劃眼短起下，最大限度保持井眼清潔。

7）優(yōu)化井身軌跡。提前在反扭方位井段穩(wěn)井斜，控制井斜不變，待反扭方位成功后再增井斜，以此來降低實際軌跡控制難度。

8）調(diào)整鉆具組合。為了防止出現(xiàn)局部大狗腿的現(xiàn)象，在鉆具組合中加入倒劃眼扶正器。這種扶正器中部設(shè)有若干條螺旋帶，在其各螺旋帶上、下兩端的工作面上分別設(shè)有若干個切削齒。增加了切削功能，能夠在鉆井作業(yè)過程中對井壁起到雙向切削和修理井壁的作用，使井眼軌跡盡量達到理想狀態(tài)，防止出現(xiàn)局部大狗腿的現(xiàn)象。特別是在起下鉆過程中，由于井眼縮徑等復(fù)雜情況導(dǎo)致起鉆困難，該扶正器上的切削齒可以起到切削修整井壁的作用，可以解決井眼縮徑等復(fù)雜情況。

9）加強溝通。保持與地質(zhì)監(jiān)督溝通，及時了解地層信息，掌握不同巖性與鉆井參數(shù)、工具力度、狗腿度之間的關(guān)系［10］。

4 應(yīng)用實例分析

LFX-X-A3H井311.15 mm（12.25″）井段BHA組合為311.15 mm（12.25″）PDC鉆頭+228.6 mm（9″）PDXce（l隨鉆導(dǎo)向工具）+209.55 mm（8.25″）ARC(隨鉆伽馬、電阻率工具)+209.55 mm（8.25″）TeleScope(測斜工具)+209.55 mm（8.25″）SADN(隨鉆密度、中子孔隙度工具)+209.55 mm（8.25″）NMDC(無磁鉆鋌工具)+203.2 mm（8"）Filter Sub(濾網(wǎng)短節(jié))+203.2 mm（8"）F/V(轉(zhuǎn)換接頭)+206.375 mm（8.125″）倒劃眼扶正器+203.2 mm（8"）液壓震擊器。與LFX-XA2H井311.15 mm（12.25″）井段BHA組合相比增加了一根206.375 mm（8.125″）倒劃眼扶正器。

LFX-X-A3H井311.15 mm（12.25″）井段自井深837.0 m開始鉆進，在井深1 100.0 m前定向工具Steer手動模式下分別使用100%、70%、60%、50%工具力度鉆進，分別獲得6.5°/30 m(100%)、4.5°/30 m(70%）、4°/30 m(60%)、3.1°/30 m(50%)的狗腿度。綜合數(shù)據(jù)后得到0.635°彎角Xcel造斜率與工具力度關(guān)系，按該井段設(shè)計狗腿度3.8°/30 m的要求（表3），后續(xù)主要使用60%和50%工具力度鉆進，根據(jù)實際狗腿度交替使用以上兩個工具力度，可以滿足軌跡控制需要。

鉆至井深1 626.69 m，為優(yōu)化軌跡降低實際軌跡控制難度，三維反摳方位井段由設(shè)計的變工具面定狗腿度（工具面變化范圍：45°～145°，狗腿度：3.8°/30 m）反扭（表3），優(yōu)化為穩(wěn)斜純扭方位段（工具面恒定為：90°，狗腿度：3.8°/30 m）。自井深1 626.69 m開始，穩(wěn)井斜51.37°左右扭方位鉆進。根據(jù)前面井段鉆進測斜數(shù)據(jù)，力度50%～60%鉆進（表4）。

表3 LFX-X-A3H井設(shè)計井身軌跡數(shù)據(jù)

表4 LFX-X-A3H井隨鉆連斜數(shù)據(jù)

鉆至井深1 848.0 m后，上提鉆具靜止測斜，測深1 828.17 m，井斜50.56°，方位349.15°，接近扭方位至0°附近，與鉆井監(jiān)督商量討論后，建議短起下，為后續(xù)反扭方位提供有利條件。鉆井液工程師泵入重漿6 m3，稀塞6 m3，循環(huán)清潔井眼后，倒劃眼短起下至套管鞋內(nèi)。

再次下鉆到底鉆進后，密切關(guān)注近鉆頭連續(xù)井斜方位變化，在穩(wěn)井斜50.38°左右的情況下，方位由350°逐漸降至0°，后緩慢增加，及時上提鉆具靜止測斜，測深1 944.02 m，井斜54.46°，方位7.77°，證實測斜工具TeleScope測的井斜方位與近鉆頭定向工具Xcel基本一致后，緩慢增井斜、方位。最終順利反扭方位，井身軌跡平滑且狗腿度未超標（圖6、表5）。

圖6 LFX-X-A3H井近鉆頭PDXCEL及隨鉆TeleScope連斜圖

表5 LFX-X-A3H井定向作業(yè)指令表

5 結(jié)論

1）基于軌跡控制技術(shù)對策，可以有效解決鉆井過程中三維反扭方位井軌跡控制技術(shù)難題。

2）LFX-X-A2H井三開鉆井周期12.47 d（含通井、打撈落魚6.01 d），進尺1 126.0 m；LFX-X-A3H井三開鉆井周期4.73 d，進尺1 638.0 m。現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明，使用精細軌跡控制技術(shù)后，LFX-X-A3H井縮短鉆井周期73.93%。