大牛地氣田長水平段井眼軌跡控制方法

摘 要

摘要：準(zhǔn)確掌握鉆具組合與地層相互作用表現(xiàn)出來的造斜率是控制水平井井眼軌跡的關(guān)鍵。為了實現(xiàn)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(zhǔn)確掌握鉆具組合與地層相互作用表現(xiàn)出來的造斜率是控制水平井井眼軌跡的關(guān)鍵。為了實現(xiàn)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(tǒng)計分析，獲得了使用特定鉆具組合在復(fù)合鉆進條件下地層可鉆性級值與井眼全角變化率的對應(yīng)關(guān)系。以此為基礎(chǔ)，結(jié)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(shè)計依據(jù)，構(gòu)建適應(yīng)地層可鉆性的底部鉆具組合設(shè)計指導(dǎo)原則，并結(jié)合現(xiàn)場應(yīng)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(shù)優(yōu)選的針對性和可操作性，進而可達(dá)到提高復(fù)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(shù)的角度出發(fā)，提出了一種用于鉆具組合及鉆進參數(shù)優(yōu)選的地層分級方法，并在實際鉆井過程中得到了應(yīng)用和驗證。
關(guān)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(shù)
    目前國內(nèi)水平井鉆井技術(shù)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(xù)導(dǎo)向鉆井技術(shù)[1]。該技術(shù)對井眼軌跡的控制是通過復(fù)合鉆進與滑動鉆進交替進行實現(xiàn)的[2～3]。在實際應(yīng)用中，由于很難預(yù)測復(fù)合鉆井段的導(dǎo)向能力，所以一般用滑動導(dǎo)向來頻繁調(diào)整井眼軌跡[4]。因此，如何提高復(fù)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(jīng)成為水平井，特別是長水平段水平井井眼軌跡控制的關(guān)鍵。
    這一問題的核心集中體現(xiàn)在如何把握不同地層物性條件對復(fù)合鉆進的響應(yīng)規(guī)律。因此，發(fā)現(xiàn)和認(rèn)識地層對鉆井手段的響應(yīng)規(guī)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(xiàn)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(guī)律，至少需要解決2個問題：①地層物性條件的標(biāo)識問題，即如何將地層的各種物性特征按照統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)歸類、分級；②如何建立地層物性條件與井眼姿態(tài)參數(shù)(井斜角、方位角)的對應(yīng)關(guān)系。其中，地層物性條件的標(biāo)識問題可以從眾多的地層可鉆性分級方法中優(yōu)選；而對于第二個問題則可以利用統(tǒng)計分析的方法建立某一區(qū)塊特定鉆具組合在復(fù)合鉆進方式下的鉆進特性與地層物性的統(tǒng)計關(guān)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?，F(xiàn)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(guī)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(jié)構(gòu)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(yīng)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(yīng)力狀態(tài)下，產(chǎn)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(chǎn)生應(yīng)力集中。點載法的測定結(jié)果實際上是巖石裂隙發(fā)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(yīng)了鑿巖機破碎巖石的碎巖機理，不能用于回轉(zhuǎn)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(zhì)，彈性波是在巖石礦物顆粒、膠結(jié)物、空隙以及結(jié)構(gòu)界面(節(jié)理面、裂隙等)上傳播的，巖石礦物成分、顆粒大小、膠結(jié)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(zhǔn)確的。
1.1.5綜合法
   綜合法是把巖石的各項物理力學(xué)性質(zhì)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(biāo)準(zhǔn)無法固定。因此，它們無法解決模擬化與標(biāo)準(zhǔn)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(jì)50年代，我國地質(zhì)、礦山、石油等部門廣泛使用前蘇聯(lián)學(xué)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(dǎo)實際生產(chǎn)。但也有不少學(xué)者認(rèn)為，單純按某一項巖石機械性質(zhì)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(yīng)是進行鉆孔實驗。羅勞(ROLLOW A G)的微鉆法正是這種思想的產(chǎn)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(chǔ)上，記錄鉆深2.4mm所耗時間，換算成以2為底的對數(shù)來表示可鉆性，稱為可鉆性級值。20世紀(jì)80年代后，我國石油行業(yè)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(biāo)，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(biāo)準(zhǔn)方法[7]。但微鉆法是否比壓入硬度法在原理、測定方法及應(yīng)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(jié)果表達(dá)等3個方面對壓入硬度法和微鉆法進行了對比，但并未發(fā)現(xiàn)后者比前者優(yōu)越[8]。
   綜上所述，國內(nèi)外對地層物性分級方法眾多[9～11]，各有所長。但地層標(biāo)識方法在此只是一種需要被借用的手段，而不是我們關(guān)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(guī)律只需要一個相對統(tǒng)一的地層物性認(rèn)知方法即可。在沒有出現(xiàn)一種得到公認(rèn)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(guī)律的必然選擇。
1.2 鉆井工程手段的標(biāo)準(zhǔn)化
    鉆井工程手段涵蓋的內(nèi)容非常廣泛，但不外乎底部鉆具組合、鉆進參數(shù)、鉆井介質(zhì)及其性能等幾個最主要的方面。盡管鉆進參數(shù)和鉆井介質(zhì)是地層物性條件影響水平井軌跡變化規(guī)律的重要影響因素，但目前還沒有一種普遍使用的技術(shù)方法能對井底實際鉆進參數(shù)進行精確量化分析，所以對鉆進參數(shù)的相關(guān)影響筆者不作討論。而鉆井介質(zhì)的性能干差萬別，即便使用了相同鉆井介質(zhì)、參考指標(biāo)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(tǒng)一的鉆井介質(zhì)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(qū)鉆水平井時，鉆具組合會有少許差別，但復(fù)合鉆進的鉆進特性大多表現(xiàn)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(dá)到穩(wěn)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(wěn)定器)+無磁鉆具+……”的底部鉆具組合?？梢哉f，該鉆具組合已經(jīng)把滑動導(dǎo)向技術(shù)發(fā)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(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)。因此，“鉆頭+單彎螺桿動力鉆具+欠尺寸扶正器(或變徑穩(wěn)定器)+無磁鉆具+……’的底部鉆具組合應(yīng)作為評價地層物性條件對井眼軌跡影響的標(biāo)準(zhǔn)組合。
1.3 研究方法及步驟
    研究前提條件如下：①數(shù)據(jù)源來自相同的井眼尺寸及鉆具組合；②不考慮鉆井介質(zhì)和鉆進參數(shù)影響；③井筒規(guī)則；④忽略地層傾角、構(gòu)造影響；⑤需要一定的數(shù)據(jù)規(guī)模。
    既然是建立復(fù)合鉆進的鉆進特性與地層物性的統(tǒng)計關(guān)系，那就要求有一定的數(shù)據(jù)規(guī)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(fù)合鉆進，因此在選擇數(shù)據(jù)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(nèi)在聯(lián)系是由兩者的本質(zhì)特征所決定的，反映了巖石綜合物理力學(xué)性質(zhì)。因此，聲波時差與巖石可鉆性之間存在著確定的關(guān)系，只要確定這種關(guān)系，就可以利用聲波時差資料求取巖石可鉆性[15]。前人已經(jīng)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(qū)塊任意井段對應(yīng)的地層可鉆性級值。
1.3.2篩選復(fù)合鉆進工程數(shù)據(jù)
    水平段鉆進時，滑動鉆進與復(fù)合鉆進是交替進行的，必須把復(fù)合鉆進的井段篩選出來，再找到與之對應(yīng)的全角變化率等工程數(shù)據(jù)，才能最終建立起工程數(shù)據(jù)與相應(yīng)井段地層可鉆性級值的對應(yīng)關(guān)系。利用地質(zhì)綜合錄井?dāng)?shù)據(jù)中的工程資料把復(fù)合鉆進井段剝離出來，與井眼軌跡實鉆資料對應(yīng)，就可以得到與地層可鉆性級值等步長的工程數(shù)據(jù)鏈。
1.3.3建立對應(yīng)關(guān)系圖版
    有了與井深相對應(yīng)的等步長的地層可鉆性級值和工程數(shù)據(jù)，就可以利用統(tǒng)計分析的方法建立二者之間的關(guān)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?dāng)?shù)據(jù)，并利用上述方法進行數(shù)據(jù)處理，可以得出DP4、DP6井地層可鉆性級值與工程數(shù)據(jù)的對應(yīng)關(guān)系(圖1、2)。表1所示的為DP4井的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。
 

    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(shù)關(guān)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(xiàn)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(fù)合鉆進的響應(yīng)規(guī)律，就可以更合理地選擇鉆具組合和鉆進參數(shù)。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(jié)果與本文第一部分提到的統(tǒng)計規(guī)律進行類比，即可預(yù)測出在目的層復(fù)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(rèn)識，可進而提出以工程實現(xiàn)能力為依據(jù)的地層分級方法。即根據(jù)井眼尺寸和地層對于鉆井手段的響應(yīng)效果進行分級。例如，在大牛地氣田，根據(jù)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(yīng)的復(fù)合鉆進全角變化率小于3.5°/100m，即復(fù)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?；瑒鱼@進與旋轉(zhuǎn)鉆進的比例接近1：6。實際施工中，當(dāng)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(fù)合鉆進井段的全角變化率。根據(jù)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(yīng)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(fù)合鉆進時的增斜率，減少了滑動鉆進進尺?；瑒鱼@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(yīng)用，效果明顯。
4 結(jié)論
   1) 通過建立地層可鉆性級值與工程數(shù)據(jù)的對應(yīng)關(guān)系，研究了地層條件對井眼軌跡的影響規(guī)律。這一研究方法思路可行，有助于確定具體區(qū)塊水平井施工的基本鉆具組合和相應(yīng)鉆進措施。
   2) 提出了以地層可鉆性級值作為設(shè)計依據(jù)，構(gòu)建適應(yīng)地層可鉆性的底部鉆具組合設(shè)計指導(dǎo)原則，并結(jié)合現(xiàn)場應(yīng)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(yīng)用和驗證，有助于拓寬巖土力學(xué)在鉆井工程方面的應(yīng)用范圍。
   4) 地質(zhì)構(gòu)造、鉆井介質(zhì)、鉆進參數(shù)等影響水平井井眼軌跡變化規(guī)律的重要因素在此并未討論，值得今后開展相關(guān)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)