涪陵页岩气田三维水平井井眼的轨迹控制技术

胡春阳(中石化江汉石油工程有限公司钻井二公司，湖北 武汉 430040)

0 引言

涪陵页岩气田地处山地丘陵地带。为了减少井场数量，减少单井占地面积，节约和提高整体工程成本，不断提高页岩气开发效率，页岩气开发过程中主要采用丛式水平井。为了提高开发效率，有必要将目标定位在最大主应力的垂直方向。井口和入窗点闭合方位和水平靶体方位没在一条直线，因此在涪陵页岩气田中主要是利用三维水平井。对比常规的水平井，三维水平井井眼轨道设计工作非常复杂，具有较大的摩阻扭矩，井眼轨迹控制难度比较大，钻井工作也具有较大的难度。当前我国已经发展了三维水平井配套钻井技术，并且可以提高整体工作效率，但是在今后发展过程中，需要进一步优化设计井眼轨道，有效考控制井眼轨迹。

1 概述三维井眼定向钻井技术的难点

1.1 原井眼轨道设计的影响

在涪陵地区页岩气田三维水平井轨道设计过程中，采用与二维水平井轨道设计极为相似的双增量井轨道设计方法，对部分水平井进行了设计。具有较长的稳斜段，长度通常在1000m以上，在施工中利用旋转导向钻钻井，具有较高的工作成本，例如常规定向钻具钻进机械，虽然整体转速比较高，但是稳斜段比较长，不利于提高常规定向钻具的速度。靶前位移通常在900m 以上，再加上工作人员选择过于靠上的造斜点，这些特点都无法落实三维水平井优快定向钻井，在长稳斜段施工过程中，很难利用单弯双稳螺杆，工作人员需要及时调整滑动钻，在实际工作中很难调整三维井段双稳钻井组合定向工具面，滑动钻进效果因此受到影响，此外钻具组合具有很强的刚性，利用双驱复合钻的过程中，在井下可能会发生蹩钻问题。如果在过于靠上的位置选择造斜点，定向段长因此增加，定向钻井工作周期因此延长[1]。

1.2 三维井眼轨迹控制难度较大

涪陵页岩气田三维水平井侧向位移比较大，通常会达到600m以上，如果提前扭方位，实际偏移距离无法满足设计要求，入窗难度因此增加。如果产生滞后扭方位，实际偏移距可以满足设计要求，但是靶前位移无法满足定向工具造斜工作的要求，在增斜阶段，工作人员需要同时控制方位变化，如果井斜较大，也会增加方位调整的难度。为了顺利完成相关工作，在三维井眼控制工作中，工作人员可以结合偏移距离变化和靶前位移变化，控制难度比较大。

1.3 三维眼井摩阻扭矩较大

在三维水平井斜井段，需要适当的增斜和扭方位，在下钻和滑动钻钻进过程中，钻具很容易发生屈曲问题，钻具接触井壁之后会产生较大的摩阻扭矩，产生严重的托压问题，不利于向钻头传递钻压，降低了钻井速度，延长了定向钻的周期。由于上孔的扭转方向增加了全角度变化率和摩擦扭矩，定向工具面无法放置在正确位置，在同一位置反复升降钻具，增加了定向钻进的难度，延长了定向钻进的钻进周期[1]。

2 涪陵页岩气田三维水平井井眼轨迹控制技术思路

采用原有的井眼轨迹设计模式，不利于实现三维水平井优化和快速定向钻井。其工作目标是使摩擦力矩最小。在实际工作中，有必要对原始井眼轨迹类型进行优化，改进轨迹参数，优化三维井眼轨迹设计技术，以提高定向钻井速度。因为三维井眼轨迹控制工作具有较大的难度，为了保障钻井的安全性，提高现场定向施工的便利性，需要利用精细控制措施，严格控制井段井眼轨迹，优化涪陵页岩气田三维水平井井眼轨迹控制技术，降低整体施工难度。面临三维井眼摩阻扭矩较大的问题，工作人员可以利用降摩减扭工具，避免发生托压问题，利用三维井眼降摩减阻技术，高效控制三维井眼轨迹。

要想优化三维井眼轨道，工作人员需要合理选择三维井眼轨道，把握入窗时机，提高施工现场的操作性。利用预目标位移，尽可能调整倾斜点，缩短稳定段长度，有效缩短钻进周期。为了降低整体工作量，要在稳斜段改变方位。结合降摩减扭的工作理念，优化轨道全角的变化率，控制稳斜段的井斜角[3]。

在实际应用中，将三维水平井轨迹分为六段。在纠偏井段的井眼内设置二维增斜段，以保证增斜效果。在稳斜边变方位井段，施工人员需要全力扭方位，有效减少工作量。在边增斜边调整方位井段，应合理调整调整工具面，合理调整方位角。在着陆段利用增斜入窗，合理调整参数。

3 涪陵页岩气田三维水平井井眼轨迹控制关键技术

三维水平井偏移距比较大，同时也会增加变方位工作量，在大斜度井段调整方位难度较大，定向钻工作周期比较长，井眼轨迹缺乏圆滑性，将会影响到后续井下作业的安全性。采用分段精细控制方法，保证节点控制效果，有效控制井眼轨迹。

(1)纠偏井段：在纠偏井段要注重减小偏移距，工作人员要结合中靶要求，同时要控制下部井段扭方位工作量，因此需要合理选择纠偏方位。因为该井段的井眼尺寸，需要利用大尺寸、刚性强的钻具，但是在实际钻进阶段会增大摩阻扭矩，很难掌握工作面，降低了定向效率，工作人员需要优选钻具组合，严格控制钻井的各项参数。选择纠偏方位的过程中，需要模拟计算偏移距，同时需要考虑摩阻扭矩，保障纠偏方位的合理性。如果纠偏方位比较大，可以及时消除偏移距，同时会产生较小的摩阻和扭矩。校正目标的方位角为垂直角，可以及时消除偏移，但后续方位扭转的工作量也会增加，扭矩也会增加。为了提高施工的便利性，需要对纠偏位置进行控制[4]。

(2)稳斜变方位井段：以井眼轨道设计方案为基础，在三维变方位井段设置稳斜变方位井段，井段经过纠偏处理之后，控制井斜角在40°以上，有效减小偏移距。保障井眼轨迹可以进入到变方位窗口中。在该井段反复实施变方位工作，因此降低后续工作量。

在实际工作中需要确定变方位安全窗口，如果靶体方位为0°，在稳斜段的井斜角为65°，如果偏移距发生了变化，工作人员可以进行模拟计算，确定井眼轨迹后续全角变化率，明确方位实际变化情况。如果剩余偏移距占据总偏移距的50%以上，可以降低后续井眼轨迹全角的变化率，如果扭方位过早发生，将会导致方位扭过头。当剩余偏移距为30%时，后续井眼轨迹会产生较大的全角度变化率，增加了斜井方位角变化的难度。因为工作人员需要控制剩余偏距比例在35%～45%范围内，因此设置变方位安全窗口，这是最佳的扭方位时机。工作人员需要合理选择钻具和工具参数，合理简化钻具组合，将钻铤去除，倒装加重钻杆，减少钻具与井壁接触面积，这样有利于工作人员控制定向工具面，使定向效果因此提高[5]。

(1)增斜变方位井段：通过增斜钻进，实现扭方位效果，为着陆井段提供良好的基础，避免了测量盲区对井眼轨迹控制工作的影响。根据定向工作面变化情况，合理估计井眼轨迹参数，准确预测盲区数据，确保施工过程中造斜率符合要求。准确预测三维井眼轨迹，合理调整滑动钻进和复合钻进，提高井眼轨迹平滑性，避免事故风险。

(2)着陆井段：控制着陆井段的井眼轨迹，确定矢量入靶的角度。在着陆之前，可以结合油藏建模思路，综合钻进和测井等资料构建随钻前导模型，把握目的层走向以及倾角等，并且要紧密结合现场地质人员以及地质导向人员，保障着陆的准确性[6]。

确定入靶角度的过程中，如果目的层产状上倾，工作人员需要在靶前20m 左右控制井眼轨迹，在目的层顶部位置控制垂深，进入到目的层之后，在入靶之前需要合理调整最大井斜角，在距层顶1m 范围内控制井眼轨迹。

目的层产状下倾，可使靶前位移提前，并可适当减小探井顶部倾角。井眼轨迹可控制在目标点前20m 以上，入井角度应小于最大偏差角的3°。进入目标层后，井眼轨迹可在目标层前的地层上进行控制。

4 三维井眼降摩减阻技术

因为三维井眼具有变方位井段，在定向钻进过程中，会快速增加滑动摩阻，产生托压问题。解决了定向托压问题以后，可提高定向施工效率。工作人员可以利用降摩减阻扶正器，利用水力振荡器，利用周期性振荡钻柱，减少在滑动钻进过程中，井壁和钻杆之间接触产生摩擦，改善钻压传递效果，使滑动钻进能不断提高。水利振荡器可以明显改善定向托压问题，提高机械钻速，提高定向施工效率[7]。

在直井段钻进过程中，每钻进30m 需要实施测斜工作，并且对待测钻迹实施防碰扫描，采用随钻仪器进行随钻监测，预测有防碰风险可下入定向钻具组合的过程中进行绕障施工，确保井间安全距离。

5 结语

本文论述了涪陵页岩气田三维水平井井眼轨迹控制技术，可以达到显著的提速效果，在实际应用过程中需要不断完善井眼轨迹控制技术，优化经验轨迹控制规程，对现场定向钻井提供指导作用。