王53区块五段制定向井轨迹控制研究

姜晓强

摘要：目前牛庄油田王53区块布置大量“直-增-稳-降-直”的五段制定向井。该区块五段制定向井井身质量控制难度大，斜井段超过1500米，后期尤其是降斜段井身轨迹控制难。结合现场施工情况及邻井资料，给出了各井段推荐的钻具组合，制定了全井较为全面的轨迹控制技术。现场应用表明，该施工措施大大提高了区块井的机械钻速，取得了良好的实际效果，为类似区块五段制定向井的施工提供参考和借鉴。

关键词：五段制;轨迹控制;提速增效

一、背景介绍

为了采油、布井的方便，同时为了压裂的施工安全，满足现阶段地质对钻井井身轨迹的要求^[1]，目前在胜利牛庄油田王53区块大量布置“直-增-稳-降-直”五段制定向井。该类井设计要求以0°井斜角中靶，中靶后以0°井斜角钻进，这对轨迹控制有很高的要求，不合理的施工措施会极大的制约钻井速度，大大降低钻井的经济效益。

王53区块位于济阳坳陷东营凹陷牛庄-六户洼陷带南部，地质分层为平原组、明化镇、馆陶组、东营组和沙河街组，目的层为沙三中4。

该区块井定向点相对较浅，斜井段均超过了1500米，后期施工，尤其是进入降斜段后，钻具与井壁接触面积大，导致摩阻大，扭矩大，容易出现钻具事故，发生粘附卡钻的几率也增大^[2]。

二、轨迹控制技术措施

2.1 直井段井眼轨迹控制

对于五段制定向井来说，直井段的轨迹控制依然以控制井斜角的产生，防斜打直为主。

一开井眼钻具组合为：φ311.15mmPDC钻头（五刀翼）+φ177.8mm无磁钻铤×1根+φ177.8mm钻铤×8根+φ127mm加重钻杆×15根+φ127mm钻杆。施工中主要以井眼开直为主要目标，采用低钻压、高转速施工，最大钻压控制在2t以内，一开完钻后投多点测斜。

在二开直井段选择的钻具组合为：φ215.9mmPDC钻头（四刀翼）+φ172mm單弯螺杆（1.5°，本地带212mm扶正器）+φ158.8mm无磁钻铤+φ127mm无磁承压+φ127mm加重钻杆×15根+φ127mm钻杆。钻压维持在2-4t，配合螺杆钻具保证机械钻速，随钻监测井斜和方位，做好同台井的防碰工作。

2.2 增斜段井眼轨迹控制

对于稳斜段，在钻时较慢的地层，通过调节钻井参数来达到稳定造斜率目的;在疏松的软地层，通过控制工具面精度来保证造斜率达到预计要求。

施工中首先要掌握这套钻具组合在固定钻井参数下的实际造斜率，根据实际测点之间井斜和方位变化率来计算其在该区块的实际造斜率，结合实际测斜结果，选择合适的的定向措施。为避免狗腿度有大的“凸起”现象，在连续定向增斜井段适当“穿插”复合钻进井段，来达到井眼轨迹圆滑目的，也保证了后期施工和井下安全。

2.3 稳斜段井眼轨迹控制

稳斜井段的主要作用一是为井眼提供一定的水平位移，使井眼达到预计靶点;二是增斜段和降斜段之间的过渡带。

稳斜段继续沿用开始的钻具组合。对于常规钻具钻进或直螺杆转盘钻进时，钻头轴心与钻具轴心重合，钻头的运动轨迹是只绕其自身轴线作自转运动。而单弯螺杆复合钻进时，其钻头轴心与钻具轴心不一致，钻头在绕自身轴心自传的同时，也绕钻具轴心公转。单弯螺杆复合钻进时钻头的这种既自转又公转特性，具有运动学稳定性，是稳斜段钻进时的有效工具。与直螺杆或普通钻具相比，弯螺杆加转盘钻进方式多了约束条件，限制了钻头的偏移，可以避免或减少地层或其它外力对井斜的影响，起到稳斜作用。

该区块五段制定向井的稳斜段长，均在1000米以上，有效的控制井斜和方位是稳斜段井身轨迹和机械钻速的保证。在保证机械钻速的前提下，适当的调整钻压，保证井斜、方位和位移在设计范围内。施工中每三根进行一次单点测斜，发现井斜与方位有增大或减小趋势的时候加密测斜，必要时进行定向调整，并及时计算分析钻具的稳斜效果和稳斜段，既要防止稳斜段过短，完钻水平位移不足，造成脱靶;又要避免稳斜段过长，造成后续降斜井段被动的现象。

2.4降斜段井眼轨迹控制

从钻具受力的角度来看，目前普遍认为：降斜井段会增加井眼的摩阻，引起更多的复杂情况。如图1所示，增斜井段的钻具轴向拉力的径向的分力，与重力在轴向的分力方向相反，有助于减小钻具与井壁的摩擦阻力。而降斜井段的钻具轴向分力与重力在轴向的分力方向相同，相当于额外增加了钻柱与井壁之间的正应力，从而增加了钻具与井壁的摩擦阻力。因此，在相同的狗腿度情况下，降斜井段的摩阻远高于增斜井段的摩阻，导致降斜段定向钻进时托压问题严重^[3]。

五段制井眼的降斜井段，选择适合该区块的钻具组合变得尤为重要。常用钻具组合有以下几种：

（1）φ215.9mmPDC钻头+φ158.8mm钻铤+双稳定器组合，该钻具组合不好控制井身轨迹，且机械钻速无法保证。

（2）φ215.9mmPDC钻头+φ172mm直螺杆+φ177.8mm钻铤+φ210mm扶正器+φ158.8mm无磁钻铤+φ210mm扶正器+φ127mm加重钻杆+φ127mm钻杆组合。该组合机械钻速比常规有很大的提高，但随着井斜变小，降斜效果变差，且即便有双扶的作用，后期的方位仍不好控制^[1][4]。

（3）φ215.9mmPDC钻头+φ172mm单弯螺杆（1.5°，本地带212mm扶正器）+φ213mm扶正器+φ158.8mm无磁钻铤+φ127mm加重钻杆+φ127mm钻杆组合。在一定情况下，该组合稳斜甚至降斜效果，但根据邻井使用效果来看，即便有上扶正器的存在，这套钻具组合在王53区块的降斜效果仍然一般，在实际施工中仍然以滑动钻进为主。另外，王53区块地层条件相对复杂，加之斜井段很长，存在井漏、卡钻、油气侵甚至盐水侵的风险，综合考虑，仍选择更为稳妥的无上扶正器组合，即φ215.9mm钻头+φ172mm单弯螺杆（1.5°，本地带212mm扶正器）+φ158.8mm无磁钻铤+φ127mm无磁承压+φ127mm加重钻杆×15根+φ127mm钻杆。

降斜率方面，专用软件对钻具摩阻进行分析，结果如图2所示。模拟条件：钻具组合φ215.9mm钻头+φ172mm单弯螺杆+φ165mmMWD接头+φ165mm无磁钻铤+φ127mm加重钻杆+φ127mm钻杆，泥浆密度1.30g/cm3，粘度50s，摩阻系数为0.3，井斜角从0°变为30°^[3]。可以看到，降斜井段的摩阻明显高于增斜段，且随着狗腿度的增加，这种差距越来越明显，狗腿度在1.5°/30m时，摩阻在可接受的范围。

假设一口井井斜从25°降至0°中靶，狗腿度为1.5°/30m，那么降斜段在500m左右。一个牙轮远远不能完成降斜段的施工任务，而再次起钻更换牙轮，无论从经济上还是周期上都不合算，故选择在初始降斜段采用PDC钻头先定一段，期间调整好钻井液性能，尤其是润滑性。待井斜降至15°左右，即降斜段剩余300m左右，视现场实际情况而定，这时PDC定向尤为困难，且效果一般，起钻换牙轮，完成剩余降斜段的施工。

2.5 下稳斜段井眼轨迹控制

本区块下稳斜段为直井段，主要技术要求为防斜，长度一般在200m左右。此时降斜段的牙轮钻头基本到了使用期限，起钻换PDC钻头，出于井下安全考虑，仍使用原钻具组合。此时已经很难定向，使用较小钻压，完全可以完成最后的进尺。

三、认识

随着油田的不断开发，“直-增-稳-降-直”的五段制轨迹设计施工会越来越多，合理的技术措施是施工的关键。“直-增-稳”阶段依然选择较为常规的钻具组合，降斜段选择更为稳妥的无上扶正器组合，即φ215.9mm钻头+φ172mm单弯螺杆（1.5°，本地带212mm扶正器）+φ158.8mm无磁钻铤+φ127mm无磁承压+φ127mm加重钻杆×15根+φ127mm钻杆，下直井段定向困难，控制钻压复合钻进。这套钻具组合现场应用效果明显，全井机械钻速相对临井提高70%以上。

该成果非常適合王53区块五段制定向井的施工，为施工速度和施工质量提供了很好的保证，建议推广使用。同时，也为其它类似区块五段制定向井的施工提供很好的参考和借鉴。

参考文献

[1] 程丙方.“五段制”定向井优快钻井技术[J].内江科技，2013，10：69-70.

[2] 刘会斌，冯会斌.田5-斜19五段制剖面定向井钻井技术[J].断块油气田，2003，10（6）：68-70.

[3] 于建民，彭万勇，杨红艳，等.塔河油田“S”型井眼优快钻进技术[J].新疆石油科技，2013，23（1）：5-7.

[4] 刘志刚.冀东五段制大位移井井眼轨迹控制技术应用研究[J].中国石油和化工标准与质量，2014，6：141-142.

（作者单位：胜利石油工程公司黄河钻井总公司）