楊曉峰

(中國石油集團長城鉆探工程有限公司 遼寧 盤錦 124010)

0 引 言

2021年國際油價持續(xù)低迷，鉆井總投資減少導(dǎo)致工作量萎縮，鉆機等停造成的虧損風(fēng)險加大。為全面落實集團公司加快川渝地區(qū)頁巖氣開發(fā)進度要求，加速瀘203、陽101井區(qū)深層頁巖氣勘探開發(fā)，建立第二個“萬億方儲量百億方產(chǎn)量”目標區(qū)，完成威遠204區(qū)塊目標產(chǎn)量，長城公司科技處開展了2021年局級重點科研項目“川渝深層頁巖氣水平井鉆完井技術(shù)集成與支持 ”。

該項目部分研究目標為開展對瀘州、威遠204區(qū)塊地層的認識研究，通過優(yōu)選安全、高效提速工具，實現(xiàn)提高機械鉆速，提前預(yù)防井下復(fù)雜、事故與井控風(fēng)險發(fā)生，降低井下故障率，優(yōu)化鉆頭選型,提高單只鉆頭施工進尺，減少起下鉆時間，縮短鉆井周期。本文選取了威204平臺的典型井威204H14-1井，通過研究四開215.9 mm井眼地質(zhì)、工程、儀器的施工難點，有針對性地提出了各種技術(shù)措施，實現(xiàn)了“一趟鉆”工程，達到了考核指標的要求。

1 油藏地質(zhì)特征

威204H14平臺位于四川省內(nèi)江市威遠縣嚴陵鎮(zhèn)建利村。威遠縣地勢西北高、東南低，分為低山、丘陵兩大地貌區(qū)。西北低山區(qū)山巒起伏，溝谷縱橫，一般海拔 500～900 m，相對高差 200～300 m，新場鎮(zhèn)鷂子巖海拔 901.9 m，為威遠縣最高點。東南丘陵區(qū)多方山、饅頭山和漫崗嶺脊，低山向丘陵過渡帶有單斜丘陵，間有緩坡臺地，一般海拔 300～400 m，相對高差 30～80 m，向義鎮(zhèn)雙河口海拔 277.6 m，為威遠縣最低點。

威204H14-1井位于威204H14平臺，為該平臺6口井施工的第一口上傾井。威204H14-1井整體位于北高南低的單斜構(gòu)造上。該井采用四開井身結(jié)構(gòu)，如圖1所示。其中四開井眼尺寸為215.9 mm，造斜段為3 266～3 954 m,段長688 m，水平段3 954～5 454 m,段長1 500 m，共計2 188 m，采用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具“一趟鉆”完成四開全部井段[1]。

圖1 威204H14-1井井身結(jié)構(gòu)示意圖

2 施工難點分析

2.1 地質(zhì)靶區(qū)不確定，軌跡控制精度要求高

威204H14-1井作為該平臺施工的第一口上傾井，導(dǎo)眼電測數(shù)據(jù)與威202、威204區(qū)塊有所不同。該井目的層龍馬溪組箱體位置根據(jù)威213、威214井的實鉆及壓裂成果資料確定，通過威213井、威214井儲層測井綜合評價：最優(yōu)儲層位于優(yōu)質(zhì)頁巖的下部龍一11小層。威202、威204井區(qū)已投入開發(fā)的水平井龍一11小層鉆遇率越高，產(chǎn)量也高。參考已經(jīng)施工的威204區(qū)塊井，同一平臺不同井的可鉆性和地層傾角變化不同，本井施工時可能存在鉆時慢及憋停頂驅(qū)風(fēng)險[2]。特別是實鉆軌跡進入地質(zhì)靶區(qū)A點的垂深不確定，在著陸期間，實鉆軌跡易產(chǎn)生脫靶的風(fēng)險。

2.2 水平段地層傾角多變，軌跡調(diào)整頻繁

威204H14-1井整體位于北高南低的單斜構(gòu)造上。根據(jù)地震資料及鄰井資料預(yù)測，本井水平段地層以5°左右上傾，整體比較平滑，未見斷層顯示，可能發(fā)育局部微構(gòu)造。地質(zhì)交底時，風(fēng)險提示水平段1 000 m處裂縫規(guī)模較大，500 m處小規(guī)模裂縫發(fā)育。1 500 m水平段一旦鉆遇斷層，軌跡一旦進入五峰，增加了卡鉆風(fēng)險，鉆頭穿層會加劇切削齒的磨損，導(dǎo)致鉆時變慢，增加了“一趟鉆”施工的難度[3]。

2.3 水平段后期巖屑攜帶困難，易產(chǎn)生卡鉆風(fēng)險

威204H14-1井水平段長1 500 m，且為上傾井，A點(圖2)附近可能會存在巖屑床堆積，水平段會鉆遇多個微構(gòu)造地段，該地層穩(wěn)定性差，可能形成掉塊卡鉆，同時，水平段軌跡調(diào)整頻繁增加了后期的扭矩摩阻，加大了井底風(fēng)險。

2.4 儀器高溫工作時間長，故障率高

威204H14-1井優(yōu)質(zhì)頁巖埋深在3 600～3 700 m，鄰井施工至完鉆溫度均超過135 ℃，且要滿足一趟鉆施工，單串旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具循環(huán)時間將達到300～400 h左右，受高溫、震動和長時間使用等因素影響，儀器發(fā)生故障的概率增加。

3 采取技術(shù)措施

3.1 儀器優(yōu)選

為了實現(xiàn)“一趟鉆”工程，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向儀器須具有高造斜率、高穩(wěn)定性、實時上傳地質(zhì)參數(shù)的功能。Auto Track Curve(以下簡稱ATC)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)是貝克公司專為陸地設(shè)計的高造斜率推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)，連續(xù)均衡導(dǎo)向機理是其導(dǎo)向系統(tǒng)的根本，它控制著鉆井沿預(yù)定軌跡鉆進，使得井眼光滑、彎曲度小，導(dǎo)向系統(tǒng)上均勻分布著3個推力塊，這3個推力塊不像推靠式或指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)時斷時續(xù)，他們會一直保持工作狀態(tài)，持續(xù)鉆進直達目標層。它的優(yōu)勢如下：

1)該系統(tǒng)可以提高鉆進速度，大幅縮短鉆井周期，降低鉆井成本。

2)該系統(tǒng)在導(dǎo)向過程中軌跡的改變是一個漸變的過程，因此鉆頭所受的摩擦阻力與摩擦阻力產(chǎn)生的扭矩較小，在起下鉆過程中粘鉆與卡鉆事故就會減少，完井與下套管也變得容易，固井的質(zhì)量也會得到提高。

3)該系統(tǒng)能監(jiān)測近鉆頭方位伽馬，對地層實現(xiàn)實時監(jiān)測，能探測鉆頭處地層變化，及早探測地層邊界，更早發(fā)現(xiàn)油氣藏的準確位置，最大程度地確保在目標層中穿行，提高鉆遇率。

4)該系統(tǒng)能進行近鉆頭動態(tài)井斜測量，可以在MWD測量之前預(yù)測出造斜率，精準控制水平段垂深，改善井眼質(zhì)量，減少彎曲，降低水平段摩阻扭矩，有效提高井眼延伸能力。

5)該系統(tǒng)能測量近鉆頭附近震動情況，能監(jiān)測井下震動，使工程師能夠了解井下狀況，快速識別鉆頭所處狀態(tài)，降低鉆井風(fēng)險，在保證井下安全的前提下盡可能地提高機械鉆速。

3.2 鉆具組合優(yōu)化

經(jīng)查閱鄰井資料可知，馬達對于本平臺鉆井提速效果不明顯，而且馬達壽命有限，施工后期泵壓過高導(dǎo)致排量受限，增加井下風(fēng)險，且井溫較高，綜合考慮本井施工時鉆具組合中不下入馬達。同時，考慮長水平施工攜巖問題，在鉆具組合中加入旋流清砂器，提高攜巖率，保證井眼的清潔，減少卡鉆風(fēng)險。ATC采用標準配置，包含LBLCP(脈沖)、LBMWD(MWD)、LBSU(導(dǎo)向頭)三部分，采用集成化廠房組裝測試，不需要現(xiàn)場拆卸維護，操作簡便，總長11.48 m。本井四開旋導(dǎo)鉆進鉆具組合如下：

Φ215.9 mmPDC+Φ172 mmATC儀器+Φ127 mm無磁承壓鉆桿+Φ127 mm加重鉆桿1根+Φ172 mm浮閥+Φ127 mm加重鉆桿2根+Φ165 mm史密斯隨鉆震擊器+Φ127 mm加重鉆桿6根+Φ127 mm鉆桿3柱+旋流清砂器+Φ127 mm鉆桿+411×520+Φ139.9 mm鉆桿。

3.3 鉆頭優(yōu)選

在鉆頭的選擇方面，旋導(dǎo)工具在鉆頭選取上既要保證高機械鉆速，又要保證高造斜率，還應(yīng)避免較大井下震動。通過對區(qū)塊施工井史和地質(zhì)資料開展廣泛調(diào)研，優(yōu)選適合該區(qū)塊的雙排齒短保徑PDC鉆頭。參考鄰井威204H21-4井，施工時選用史密斯SDI516鉆頭進行施工，儀器井底震動較小，造斜率較好，且機械鉆速較快。但14平臺相對于21平臺地層差異性較大，在箱體內(nèi)鉆進時元素Si含量明顯高于21平臺，導(dǎo)致目標層位鉆進時儀器震動超標，嚴重影響了儀器使用壽命。威204H21-4井第二趟更換為貝克DD505X雙排齒鉆頭，儀器震動小，機械鉆速更高，水平段平均ROP達到15 m/h。故威204H14-1井一趟鉆施工考慮下入全新的貝克DD505X鉆頭[4]。

威204H14-1井選用DD505X鉆頭，造斜段平均ROP達到8.89 m/h，相比鄰井提高6.6%。著陸時由于地層傾角急劇變陡，軌跡進入五峰組40 m，循環(huán)等元素需控時鉆進，影響了機械鉆速。水平段前500 m地層傾角變化較大，從下傾1°至上傾9°變化，鉆頭往返穿層2次，鉆頭受到了一定的磨損，水平段后期順層鉆進，水平段平均ROP為10.05 m/h。

3.4 摩阻扭矩分析技術(shù)

在鉆井參數(shù)選擇方面，威204H14-1井施工時，堅持模擬計算和實時監(jiān)控相結(jié)合。首先，通過軟件及時計算不同井段的鉆井扭矩和摩阻。造斜段：(3 266～3 954 m)，鉆壓12～14 t，頂驅(qū)轉(zhuǎn)速100～120 rpm，排量 34 L/s或35 MPa,通過計算鉆壓14 t時，地面扭矩16 kN·m，考慮地層不均質(zhì)性，將頂驅(qū)扭矩設(shè)置25 kN·m，釋放鉆井參數(shù)；水平段前1 000 m：(3 954～4 954 m)，通過軟件計算，井深4 400 m時，鉆壓14 t，地面扭矩18 kN·m；井深4 768 m時，鉆壓14 t，地面扭矩20～22 kN·m，適當(dāng)調(diào)高頂驅(qū)扭矩上限，施工中根據(jù)施工扭矩調(diào)整鉆井參數(shù)；水平段1 000～1 500 m：(4 954～5 454 m)，根據(jù)軟件計算，施工至井深5 100 m時，鉆壓12 t，地面扭矩22～25 kN·m，根據(jù)鉆井扭矩適當(dāng)調(diào)整鉆井參數(shù)。其次，嚴格監(jiān)控儀器參數(shù)，根據(jù)儀器震動大小與扭矩波動及時對鉆井參數(shù)進行調(diào)整，逐步加大鉆壓提高機械鉆速。最后，本井施工根據(jù)實時返沙與倒劃情況，依據(jù)摩阻扭矩分析計算結(jié)果，適當(dāng)延長短起井段，間歇性打入稠塞清掃井底，確保了井下工況良好，井底干凈，降低了卡鉆風(fēng)險。

3.5 精準軌跡控制著陸技術(shù)

威204H14-1井在著陸過程中鉆遇構(gòu)造變化，地層傾角突然變陡，經(jīng)過與地質(zhì)向?qū)贤皶r調(diào)整井斜避免軌跡下切，實現(xiàn)平穩(wěn)著陸。因箱體位于1小層中下部，著陸時按導(dǎo)向指令以低于設(shè)計井斜4°～5°的井斜進入1小層，并迅速下探；下探過程中，隨著各伽馬高尖依次出現(xiàn)，持續(xù)增斜，同時進一步復(fù)核地層傾角大致為上傾6°～7°左右，比設(shè)計值大1°～2°；以94.5度井斜鉆至4、5號伽馬高尖凹兜之間及目標箱體時，軌跡下切至箱體底部并迅速翻過5號伽馬高尖，伽馬降至160～170，根據(jù)元素分析軌跡進入五峰頂部，以3°/30 m曲率增斜至97.5°軌跡回切至5號尖上半坡伽馬250-260 API位置，此處機械鉆速快，儀器震動小，元素含量Si70-72、Ca3-5，此位置即為工程地質(zhì)“甜點”位置[5]。

3.6 水平段順層復(fù)合鉆技術(shù)

威204H14-1井在水平段施工過程中，在箱體內(nèi)優(yōu)選儀器震動小機械鉆速快的高硅低鈣甜點層位，尋到工程地質(zhì)“甜點”位置后，主動將旋導(dǎo)儀器肋板力調(diào)小到16%，讓軌跡沿地層變化自然增降斜，而不是去主動干預(yù)，充分釋放鉆井參數(shù)，保障高機械鉆速。同時，因?qū)游晃醋?，伽馬與元素始終保持穩(wěn)定，參見圖2，地質(zhì)導(dǎo)向依托旋導(dǎo)近鉆頭方位伽馬優(yōu)勢，共下達了6條指令，雖然地層傾角從下傾1°到上傾9°劇烈變化，但地質(zhì)上仍然保證實鉆軌跡始終在工程地質(zhì)“甜點”區(qū)域鉆進。通過該項旋導(dǎo)順層鉆進技術(shù)，避免了軌跡頻繁調(diào)整，提高了機械鉆速的同時，保證了鉆遇率，龍一1-1中下鉆遇率97.4%。

圖2 威204H14-1井實鉆軌跡跟圖

3.7 旋導(dǎo)工具一趟鉆施工保障

為了確保“一趟鉆”順利完成威204H14-1井的四開井段，針對旋導(dǎo)工具的保障采取了以下措施。首先，旋導(dǎo)工具進行了重要部件的升級保養(yǎng)，入井前做好地面測試與井口測試，規(guī)范儀器的操作。其次，本井施工過程中，嚴格執(zhí)行高溫操作程序，當(dāng)循環(huán)溫度達到120 ℃時開始使用降溫設(shè)備，超過125 ℃時啟用高溫作業(yè)程序，正常大排量循環(huán)劃眼返沙正常后，單泵40沖，轉(zhuǎn)速30 rpm，降溫時間根據(jù)井下溫度來定，一般來說，循環(huán)25 min可降溫2～3 ℃，循環(huán)30 min可降溫3～4 ℃；循環(huán)溫度125～130 ℃每柱打完降溫1次，130 ℃以上每半柱循環(huán)降溫一次。最后，鉆井過程中，根據(jù)震動的類型和等級進行優(yōu)化鉆井參數(shù)，讓儀器處于震動可控的范圍內(nèi)安全鉆進。通過以上措施，保障了旋導(dǎo)工具威204H14-1井“一趟鉆”的順利施工[6]。

威204H14-1井于2021年4月24日0∶00下入四開旋導(dǎo)工具，4月24日18∶00開始鉆進，5月9日8∶00鉆達井深5 450 m順利完鉆。其中，施工井段3 246～5 450 m，施工進尺2 204 m,平均機械鉆速9.75 m/h，“一趟鉆”完成全部造斜段和水平段施工，水平段長1 510 m，四開實際鉆井周期14.58 d，與設(shè)計周期16.91 d相比縮短了2.33 d。

4 結(jié) 論

1)“一趟鉆”工程，是鉆頭、鉆具組合、摩阻分析、旋導(dǎo)工具、軌跡控制、施工層位的系統(tǒng)工程，缺一不可，只有逐一優(yōu)化，才能提高造斜段和水平段“一趟鉆”施工成功率。

2)水平段施工采用順層復(fù)合鉆技術(shù)，結(jié)合元素、平均伽馬、方位伽馬判斷鉆頭位置，找到工程地質(zhì)“甜點”位置，可以大大提高平均機械鉆速，縮短鉆井周期。