大庆深层水平井井眼轨迹设计及控制技术研究

张晓帆

（大庆钻探工程钻井工程技术研究院，黑龙江大庆163413）

大庆徐家围子深部地层的天然气储量十分丰富，是大庆油田勘探开发的重点，也是大庆油田进一步开发接替油气资源的主要方向。从2000年开始，大庆油田使用欠平衡技术在该区块进行了直井钻探，取得了较好的工业气开发效果。大庆徐家围子深部气藏具有埋藏深、孔隙度低、岩石可钻性差、地温梯度高等特点，只有采用水平井工艺才能更有效地开发油气资源，但由于该区块自身的地质特点，需要针对性地进行钻具组合优化和井眼轨迹控制研究。因此，本文从井眼轨道优化、井身结构优化、钻具组合及钻进参数优化设计等方面开展研究，以期形成更为配套完善的钻井工艺技术，为深部气藏的有效开发提供技术支持。

1 井眼轨道优化

井眼轨迹优化是指通过设计使井眼轨道的几何形状达到最优的设计形态，通常主要采用恒曲率设计法和变曲率设计法。

大庆油田的深层水平井具有如下特点：①直井井段较长，水平位移较大；②岩石可钻性差导致钻速较低，钻进困难；③靶点较容易产生误差。因此，针对大庆油田的深层水平井的实际特点，应结合使用恒曲率和变曲率法，采用双增剖面进行相应的井眼轨道设计。在设计方案中先设计较小的造斜率，然后随着井斜的增加再逐步增加造斜率，从而降低造斜段长度。典型的井眼轨道设计数据见表1。

表1 典型井眼轨道设计数据表

2 井身结构优化设计

井身结构优化也是深层水平井钻井设计和施工的重要环节，大庆深层水平井的井身结构设计原则是：①在满足地质勘探需求和保障钻井施工顺利的前提下，尽可能地降低钻井施工成本；②应尽可能地满足深层水平井施工的需求，提高中靶精度、固井质量和储层保护效果[1-2]。

井身结构设计的关键问题是使套管层次和下入深度满足地质需要，大庆徐家围子区块的主要勘探开发层位为营城组，营一段以火山岩为主，营四段以砾岩为主[3]。可以考虑采用三层或四层套管，三层套管结构的特点是可以缩短钻井周期降低钻井成本，但相应的井控难度较大，四层套管结构可以保障井控安全，但相应地会增加钻井成本和钻进周期。根据以往的钻井经验，需要根据具体的地质条件来确定，如使用三层套管结构，则需要适当提高钻井液设计密度来保障井壁稳定平衡地层压力，采用三层套管结构，则技术套管需要下深至登二段底部从而封固上层的不稳定地层，并在二开段即开始造斜从而降低三开施工难度。

3 钻具组合及钻进参数优化设计

3.1 钻具组合优化原则

优化钻具组合是提高深层水平井钻速和质量的关键技术。合理的钻具组合可以有效降低摩阻和扭矩，提高井筒清洁效率并降低施工成本。大庆深层水平井的钻具组合优化原则为：①要满足钻井工艺需求；②最大程度上降低摩阻和扭矩；③更多的使用旋转钻进；④在保证施工安全的前提下降低施工成本。

钻具组合优化设计主要从以下几个方面入手：①通过建立钻柱的屈曲模型研究钻柱的临界载荷从而确定钻柱发生螺旋扭曲的临界值；②通过建立钻柱摩阻/扭矩分析模型，来计算不同井下工具对摩阻和扭矩的影响，从钻具本身角度提高钻井效率，此外还可以通过提高钻井液润滑性、提高钻杆强度、使用顶驱设备以及其他有助于降低扭矩的井下动力工具。

3.2 钻进参数优化设计原则

结合大庆深层水平井的自身特点，可以通过优化钻压、钻井液排量、钻具转速等参数来进一步提高钻速降低施工成本。

钻具转速是首先应该考虑的参数，因为井下几千米长的钻具，如果钻速选择不当，井下钻具会容易产生共振，而共振对钻具有强大的疲劳破坏作用，从而导致整个钻井工程受到影响。尤其是三开水平段以旋转钻进为主，在钻井设计过程中可以使用Landmark软件和Wellplan软件进行优化设计，通常最佳转速为30~50r/min。

钻井液水力学参数优化设计是保证顺利施工的另外一个主要因素。合适的泵压和排量可以更安全高效地携带岩屑和保障井筒清洁。

4 井眼轨迹控制技术研究

4.1 井下控制工具的选型

井下控制工具主要由螺杆钻具和测量仪器组成。

其中螺杆钻具可以将钻井液动能转化为钻进的机械能从而帮助钻头在井下破岩，此外螺杆还具有一定的弯角，可以在钻进过程中起到造斜作用。螺杆钻具的选择原则主要考虑以下几点：①井眼尺寸；②造斜率；③钻井液类型；④井下使用温度；⑤钻井液排量。大庆深部地层通常需要使用具有良好抗温性、低转速高扭矩的6级螺杆钻具[4-5]。

测量仪器主要有LWD和MWD，其中LWD可以在测量定向参数的同时获取井下的地质参数，但相应的使用成本也较高。为了降低成本，在造斜段可以选用MWD，在水平段选用MWD+伽马+电阻率+孔隙度的仪器。目前斯伦贝谢公司的仪器最为先进，在抗温性、测量精度以及分辨率方面均高于其他公司，可作为井下工具的首选。

4.2 造斜能力分析和井眼轨迹预测

研究井眼轨迹控制需要对井下造斜工具的造斜能力进行分析并对井眼轨迹进行预测。

可通过对钻具组合的受力情况进行分析来预测不同螺杆的造斜能力，然后利用实钻数据计算出井下造斜率从而确定钻头实际位置，保证钻遇层位的准确性。实际使用过程中可以用相应的造斜率方程得到刚性条件下和变形条件下导向工具的通过能力，实钻选择的螺杆角度要高于设计角度的1.5倍，这样才能更好地符合钻井需求，避免频繁更换螺杆。

由于实钻过程中，钻头和随钻测量仪器之间仍然有一定的距离，预测更为真实的井眼轨迹有助于确定钻头的实际地层位置。但井眼轨迹预测相对较为复杂，需要结合钻具组合、地质特点和钻井参数等多个方面进行研究，目前多使用自然参数法作为模型进行预测然后再结合实钻轨迹对井眼轨迹进行修正。

4.3 井眼轨迹控制方案

井眼轨迹控制的难点主要有：直井段的纠斜打直；造斜段实钻轨迹的拟合控制；水平段的平稳控制。

4.3.1 直井段的纠斜打直

由于深层水平井的造斜点通常较深，为了不影响后续施工，要在直井段控制较小的井斜角和水平位移。需要选择合适的钻具组合及钻井参数，通过测单点的方式获得井下的实际井眼轨迹，并进行相应的参数修订，从而保障直井段的井眼轨迹达到要求。

4.3.2 造斜段和稳斜段的井眼轨迹控制

根据直井段的测斜结果，利用相应软件预测出井底实际的井斜和方位，计算相应的垂深、水平位移等基础数据。然后对靶点数据进行修订，尽量在稳斜段结束前达到设计要求。

在第一造斜段钻进过程中，通过井下数据计算出实钻轨迹和设计轨迹之间的偏离值，然后使用螺杆在利用预留的造斜段长度中对实钻轨迹进行修正，争取使实钻轨道更接近设计。在第一稳斜段应该以复合钻进为主，从而更好地修正井壁、破坏岩屑床，为下一步造斜钻进提供基础。

在第二造斜段，应该进一步优化钻进参数，提高钻井液携岩能力和润滑性能，减少托压和卡阻现象的发生，并降低狗腿度，为后续钻进提供保障。

4.3.3 水平段的平稳控制

为了更好的发现储层，水平段钻进过程中应该使钻具尽可能地在储层中穿行，所以需要平稳控制钻具，为寻找储层提供最佳条件。因此在中靶后，应以旋转钻进为主，并适度提高机械钻速，密切观察井下动态，如有异常应该及时处理，确保井下安全。

5 结论及建议

（1）大庆徐家围子深部气藏具有埋藏深、孔隙度低、岩石可钻性差、地温梯度高等特点。只有采用水平井工艺才能更有效地开发油气资源，需要针对性地进行钻具组合优化和井眼轨迹控制，从而进行经济高效的油气资源开发。

（2）本文结合大庆深层的地质特点，从井眼轨道优化、井身结构优化、钻具组合及钻进参数优化设计、井眼轨道控制等方面进行了分析，并给出了相应的设计和施工建议。

（3）深层水平井的经济有效开发是一个系统工程，需要各个部门的密切配合。