大牛地氣田長水平段井眼軌跡控制方法

摘 要

摘要：準確掌握鉆具組合與地層相互作用表現出來的造斜率是控制水平井井眼軌跡的關鍵。為了實現對鄂爾多斯盆地大牛地氣田長水平段水平井井眼軌跡的高效控制，利用大牛地氣田長水
摘要：準確掌握鉆具組合與地層相互作用表現出來的造斜率是控制水平井井眼軌跡的關鍵。為了實現對鄂爾多斯盆地大牛地氣田長水平段水平井井眼軌跡的高效控制，利用大牛地氣田長水平段實鉆資料進行了統計分析，獲得了使用特定鉆具組合在復合鉆進條件下地層可鉆性級值與井眼全角變化率的對應關系。以此為基礎，結合螺桿鉆具的實際造斜能力，提出了以地層可鉆性級值作為設計依據，構建適應地層可鉆性的底部鉆具組合設計指導原則，并結合現場應用情況形成了考慮巖石性能變化的井眼軌跡控制方法。該方法提高了底部鉆具組合及鉆進參數優選的針對性和可操作性，進而可達到提高復合鉆進進尺比例和長水平段井眼軌跡控制效率的目的。還從井眼軌跡控制技術的角度出發，提出了一種用于鉆具組合及鉆進參數優選的地層分級方法，并在實際鉆井過程中得到了應用和驗證。
關鍵詞：鄂爾多斯盆地；大牛地氣田；長水平段；軌跡控制；地層分級方法；底部鉆具組合；鉆進參數
    目前國內水平井鉆井技術大多采用以“鉆頭+單彎螺桿動力鉆具”為基本底部鉆具組合的連續導向鉆井技術[1]。該技術對井眼軌跡的控制是通過復合鉆進與滑動鉆進交替進行實現的[2～3]。在實際應用中，由于很難預測復合鉆井段的導向能力，所以一般用滑動導向來頻繁調整井眼軌跡[4]。因此，如何提高復合鉆進井段的長度，盡量減少水平段滑動鉆進的工作量，從而提高水平井井眼軌跡的圓滑程度，已經成為水平井，特別是長水平段水平井井眼軌跡控制的關鍵。
    這一問題的核心集中體現在如何把握不同地層物性條件對復合鉆進的響應規律。因此，發現和認識地層對鉆井手段的響應規律，進而針對不同的地層物性條件選擇合理的鉆進方式，對于實現長水平段水平井井眼軌跡的高效控制意義重大。
1 地層可鉆性對水平井井眼軌跡控制的影響
    研究分析地層物性條件對水平井井眼軌跡的影響規律，至少需要解決2個問題：①地層物性條件的標識問題，即如何將地層的各種物性特征按照統一標準歸類、分級；②如何建立地層物性條件與井眼姿態參數(井斜角、方位角)的對應關系。其中，地層物性條件的標識問題可以從眾多的地層可鉆性分級方法中優選；而對于第二個問題則可以利用統計分析的方法建立某一區塊特定鉆具組合在復合鉆進方式下的鉆進特性與地層物性的統計關系予以解決。
1.1 巖石可鉆性分級方法及其對比
    巖石的可鉆性即巖石破碎的難易性。現有的巖石可鉆性分級方法種類繁多，較有代表性的有以下6種。
1.1.1壓入硬度法
    壓入硬度法是測定巖石某點或有限點抵抗外力入侵能力的一種方法，而巖石是由大大小小不規則的礦物顆粒組成的，礦物顆粒在空間的排列是任意的，顆粒間存在很多空洞和縫隙，巖石結構上的這種特殊性決定巖石各點的壓入硬度值有很大的差異，整塊巖石的可鉆性不應該也不可能由某個或某幾點的壓入硬度值來確定。
1.1.2點載法
   該方法不能從可鉆性上把巖石分開，因為巖石在三向應力狀態下，產生張性破壞，而各種巖石都存在許多縫隙，巖石破壞是由于在縫隙處產生應力集中。點載法的測定結果實際上是巖石裂隙發育程度的反映。
1.1.3鑿巖比功法
   鑿碎比功是針對鑿巖破碎的，它破碎巖石的方式反應了鑿巖機破碎巖石的碎巖機理，不能用于回轉鉆進的巖石分級。
1.1.4縱波速度法
   巖石本身根本不能算是一種完全彈性媒質，彈性波是在巖石礦物顆粒、膠結物、空隙以及結構界面(節理面、裂隙等)上傳播的，巖石礦物成分、顆粒大小、膠結狀況、孔隙度、松散程度等因素將會引起聲速值的差異，用縱波速度來反映巖石的可鉆性是不準確的。
1.1.5綜合法
   綜合法是把巖石的各項物理力學性質分級法看成巖石分級的單因素，對各種方法作線性回歸分析。
1.1.6微鉆法和切槽法
   采用模擬的方法能夠反映巖石破碎過程，但在磨削過程中，測量用的磨削工具的性能是變化的，即測試標準無法固定。因此，它們無法解決模擬化與標準化的矛盾[5]。
   在上述方法中，最有代表性的是壓入硬度法和微鉆法。20世紀50年代，我國地質、礦山、石油等部門廣泛使用前蘇聯學者史立涅爾提出的壓入硬度表示巖石可鉆性，并對巖石進行分類，指導實際生產。但也有不少學者認為，單純按某一項巖石機械性質去評價巖石的可鉆性是不合適的，巖石的可鉆性取決于所用的鉆井方法，因此提出測定可鉆性的正確方法應是進行鉆孔實驗。羅勞(ROLLOW A G)的微鉆法正是這種思想的產物[6]。我國石油部門從1976年開始對其進行研究，在參照其測試方法的基礎上，記錄鉆深2.4mm所耗時間，換算成以2為底的對數來表示可鉆性，稱為可鉆性級值。20世紀80年代后，我國石油行業改用微鉆法測定巖石可鉆性，并用巖石可鉆性級值作為巖石可鉆性的定量指標，將巖石按可鉆性級值劃分為10級，該方法成為我國測定巖石可鉆性的標準方法[7]。但微鉆法是否比壓入硬度法在原理、測定方法及應用效果方面更先進呢？張厚美、薛佑剛等人從破巖原理、測定方法、結果表達等3個方面對壓入硬度法和微鉆法進行了對比，但并未發現后者比前者優越[8]。
   綜上所述，國內外對地層物性分級方法眾多[9～11]，各有所長。但地層標識方法在此只是一種需要被借用的手段，而不是我們關注的核心問題。要探索地層物性對于井眼軌跡控制的影響規律只需要一個相對統一的地層物性認知方法即可。在沒有出現一種得到公認的新的地層分級方法之前，以可鉆性級值為代表的微鉆法是用來探索這一規律的必然選擇。
1.2 鉆井工程手段的標準化
    鉆井工程手段涵蓋的內容非常廣泛，但不外乎底部鉆具組合、鉆進參數、鉆井介質及其性能等幾個最主要的方面。盡管鉆進參數和鉆井介質是地層物性條件影響水平井軌跡變化規律的重要影響因素，但目前還沒有一種普遍使用的技術方法能對井底實際鉆進參數進行精確量化分析，所以對鉆進參數的相關影響筆者不作討論。而鉆井介質的性能干差萬別，即便使用了相同鉆井介質、參考指標十分接近的兩口井，其鉆進效果也可能存在較大差距，且目前沒有形成統一的鉆井介質量化分析方法，筆者對此也不作深入分析，故只對底部鉆具組合進行分析、說明。
    目前，“鉆頭+單彎螺桿動力鉆具+無磁鉆鋌……”是水平井鉆井最常用的鉆具組合[12]。在不同地區鉆水平井時，鉆具組合會有少許差別，但復合鉆進的鉆進特性大多表現為微增井斜[13～14]。因此，在許多定向井、水平井鉆井施工中，為了達到穩定井斜和減少方位漂移的目的，使用了“鉆頭+單彎螺桿動力鉆具+欠尺寸扶正器(或變徑穩定器)+無磁鉆具+……”的底部鉆具組合。可以說，該鉆具組合已經把滑動導向技術發揮到了較高的水平。如果使用該鉆具組合還無法滿足水平井井眼軌跡控制的要求，理論上就只能使用旋轉導向鉆井技術。因此，“鉆頭+單彎螺桿動力鉆具+欠尺寸扶正器(或變徑穩定器)+無磁鉆具+……’的底部鉆具組合應作為評價地層物性條件對井眼軌跡影響的標準組合。
1.3 研究方法及步驟
    研究前提條件如下：①數據源來自相同的井眼尺寸及鉆具組合；②不考慮鉆井介質和鉆進參數影響；③井筒規則；④忽略地層傾角、構造影響；⑤需要一定的數據規模。
    既然是建立復合鉆進的鉆進特性與地層物性的統計關系，那就要求有一定的數據規模作保障。在水平段，特別是水平段較長的水平井，則有可能進行長井段復合鉆進，因此在選擇數據采集井位時，水平段長度是一個需要高度重視的條件。
1.3.1確定地層可鉆性級值
    聲波時差與巖石可鉆性的內在聯系是由兩者的本質特征所決定的，反映了巖石綜合物理力學性質。因此，聲波時差與巖石可鉆性之間存在著確定的關系，只要確定這種關系，就可以利用聲波時差資料求取巖石可鉆性[15]。前人已經在這方面做了大量的工作，有眾多的資料可供借鑒，利用聲波時差資料可計算出不同區塊任意井段對應的地層可鉆性級值。
1.3.2篩選復合鉆進工程數據
    水平段鉆進時，滑動鉆進與復合鉆進是交替進行的，必須把復合鉆進的井段篩選出來，再找到與之對應的全角變化率等工程數據，才能最終建立起工程數據與相應井段地層可鉆性級值的對應關系。利用地質綜合錄井數據中的工程資料把復合鉆進井段剝離出來，與井眼軌跡實鉆資料對應，就可以得到與地層可鉆性級值等步長的工程數據鏈。
1.3.3建立對應關系圖版
    有了與井深相對應的等步長的地層可鉆性級值和工程數據，就可以利用統計分析的方法建立二者之間的關系圖版。
1.4 實例分析
    選取鄂爾多斯盆地大牛地氣田DP4、DP6兩口長水平段水平井的鉆井數據，并利用上述方法進行數據處理，可以得出DP4、DP6井地層可鉆性級值與工程數據的對應關系(圖1、2)。表1所示的為DP4井的統計數據。
 

    由圖1、2可以看出：①地層可鉆性級值與井眼全角變化率存在函數關系；②隨著地層可鉆性級值的增加，井眼全角變化率遞增。
2 基于地層可鉆性的水平段井眼軌跡控制方法
    用于水平井鉆井的井下工具的工程實現能力是有限的，或者說常用的單彎動力鉆具在滑動鉆進時的造斜率是有既定空間的。因此，如果在水平井施工前能夠了解地層對于復合鉆進的響應規律，就可以更合理地選擇鉆具組合和鉆進參數。而利用直井或定向井的測井資料可以對儲層的地層可鉆性進行評估，把該評估結果與本文第一部分提到的統計規律進行類比，即可預測出在目的層復合鉆進時可能的井眼軌跡變化情況，依此即可選擇合理的軌跡控制方法。

    基于上述認識，可進而提出以工程實現能力為依據的地層分級方法。即根據井眼尺寸和地層對于鉆井手段的響應效果進行分級。例如，在大牛地氣田，根據地層可鉆性級值，Φ215.9mm井眼可以將地層分為3級(圖3)。地層可鉆性級值(Kd)小于3的可劃分為I級，對應的復合鉆進全角變化率小于3.5°/100m，即復合鉆進60m，井斜最大增加2.1°，使用1.25°單彎動力鉆具滑動鉆進10m左右即可控制井眼軌跡。滑動鉆進與旋轉鉆進的比例接近1：6。實際施工中，當所鉆地層Kd＜3時，可以使用“鉆頭+單彎螺桿動力鉆具+無磁鉆具+……”的常用鉆具組合，通過多次劃眼、控制鉆壓等方法均可有效降低復合鉆進井段的全角變化率。根據地層可鉆性級值選擇底部鉆具組合及井眼軌跡控制的方法見表2。

3 應用情況
   在大牛地氣田DP22、DP19等水平井施工中，通過地層可鉆性分析得知地層可鉆性級值大多在4～6，實際施工中使用了欠尺寸扶正器，并將螺桿鉆具本體扶正器外徑縮小，從而進一步降低了復合鉆進時的增斜率，減少了滑動鉆進進尺。滑動鉆進進尺占水平段全部進尺的10%。此外，上述方法在蘇里格氣田的桃2-6-12H、蘇14-6-24H等水平井鉆井中也得到了應用，效果明顯。
4 結論
   1) 通過建立地層可鉆性級值與工程數據的對應關系，研究了地層條件對井眼軌跡的影響規律。這一研究方法思路可行，有助于確定具體區塊水平井施工的基本鉆具組合和相應鉆進措施。
   2) 提出了以地層可鉆性級值作為設計依據，構建適應地層可鉆性的底部鉆具組合設計指導原則，并結合現場應用形成了考慮巖石性能變化的井眼軌跡控制方法。
   3) 從鉆井工程的角度初步提出了一種新的地層分級方法，并在實際鉆井過程中得到應用和驗證，有助于拓寬巖土力學在鉆井工程方面的應用范圍。
   4) 地質構造、鉆井介質、鉆進參數等影響水平井井眼軌跡變化規律的重要因素在此并未討論，值得今后開展相關研究。
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(本文作者：牛洪波 中國石油化工集團公司勝利石油管理局鉆井工藝研究院)