复杂地层井眼轨迹控制方法研究

李前锋， 潘德元

(1.中石化经纬有限公司 地质测控技术研究院， 山东 青岛 266000； 2.中国地质调查局 长沙自然资源综合调查中心， 长沙 410600)

中江回龙构造带由中江构造和回龙构造组成，呈东西向鼻状结构，为一斜坡带上，其构造分区情况如图1[1-3]所示，由于该构造地层特点，钻井工程中井眼轨迹难度大，直井段井斜和方位控制难度大，钻进效率低，斜井段着陆难度大，使得该地区水平施工和井眼轨迹控制困难[4-6]。本文对该构造带部署的水平井轨迹控制技术进行深入分析，并以江沙320HF井和江沙320-1HF井为例，结合地质环境特征，总结钻井施工及井眼轨迹控制的影响因素和规律，最终得到适合该地区的井眼轨迹控制方法。

1 地质特征及钻进控制难点

1.1 地质特征

中江回龙构造区钻遇地层有剑门关组、蓬莱组、遂宁组、沙溪庙组等，部署的水平评价井钻井目的主要是评价储层发育情况及其物性特征，并建成气流井。

江沙320HF井设计为水平井，在直导眼钻完测试后接通知完钻，根据实钻地层情况，主要岩性为各类砂泥岩互层，软硬变化频繁，蓬莱组、遂宁组和沙溪庙组之间呈整合接触，地层倾角较稳定[1]，见表1。同时该构造带位于中江斜坡带上，断裂与褶皱发育，地层侧向应力较为集中，岩石可钻性差。

岩性特征：剑门关组地层较疏松，胶结性较差，易发生垮塌及井漏；蓬莱镇组、遂宁组以泥岩为主夹少量砂岩，大段软泥岩易水化膨胀，造浆厉害，容易造成钻头泥包，硬脆性泥岩稳定性差，易垮塌。同时由于地质构造运动作用下，地层裂缝较发育，钻遇地层压力高。由于在江沙320HF井实际钻进中，在进入蓬莱组后钻井液比重逐渐上升至1.55～1.95 g/cm3。

1.2 地层造斜特点

在钻进过程中，受地层各向异性和产状特征的影响，钻头各部位受到地层的反作用力以及切削的速度是存在差异的。在井眼低边处钻头受到的地层反作用力要大于高边处的反作用力，在软硬层交界处，软地层侧的钻头切削速度要大于硬地层侧[7]。因此，易导致井斜产生的主要地质因素是钻遇地层产状的结构特征和岩性的交互变化。中江回龙构造区浅部地层岩性软硬交替变化频繁，地层倾角较大，因此在钻进过程中井斜增大趋势较明显，同时眼轴线指向较稳定，易使位移超标。

图1 川西凹陷构造分区

在江沙320HF直导眼钻进过程中，一开井段(209～2 250 m)的方位较稳定，如图2所示，受地层产状影响，在209～1 250 m井段，地层为剑门关组和蓬莱组，岩性硬度相对较低，井眼各个测点的方位由210°逐渐降低到160°，变化趋势非常稳定。在进入遂宁组和沙溪庙组后，地层硬度相对提高，导致井眼轴线指向呈现小范围波动，波动区间为150°～180°。一开完钻时井底闭合距30 m，闭合方位为185°。根据图1的构造分区可发现方位的稳定方向基本与地层倾向一致。

表1 320HF实钻地层简况

续表1

图2 江沙320HF井直导眼方位分布

1.3 地质特点及难点分析

该区块地层压力高，钻井液比重达到1.55～1.95 g/cm3，造成泵压偏高，对排量提升难度大，钻井效率较低，同时高泵压增加了井控工作的难度，也影响了井眼轨迹控制的实施。

地层倾角大，井斜和方位控制难度大，使得水平井的井眼轨迹调整难度增大，同时软硬互层的影响，在常规钻井技术时易使形成键槽。

1.4 影响井眼轨迹控制的因素分析

影响井眼轨迹控制的主要因素有地层特点、钻具组合结构、钻进参数、实钻井眼轨迹及其与设计轨迹的误差等。地层特点是客观因素，应该充分收集相关地质资料及临井施工资料，制定相应的技术措施。钻具组合结构应根据相应的井段要求，对其力学模型进行力学分析，从而掌握钻头的钻进趋势，通过调整钻具结构达到轨迹控制的目的。钻井操作参数主要包括钻压和转速，通过调整钻压和改变钻进方式控制井眼轨迹。实钻井眼轨迹通常与设计存在一定的误差，特别是在造斜点及着陆点位置，需要根据实际中存在的误差对井眼轨迹进行调整设计。

2 井眼轨迹控制方法

2.1 直井段井眼轨迹的影响

直井段实钻井眼轨迹与设计轨迹存在图3所示的几种情况：①实钻轨迹超前，引起造斜点产生正位移，缩短了靶前位移，若按原设计要求施工就容易造成脱靶，若要能顺利中靶则需比原设计小的造斜率；②实钻轨迹符合设计轨迹，为理想的位置，按原设计要求施工即可；③实钻轨迹滞后，引起造斜点产生负位移，加长了靶前位移，需要增加造斜井段的长度和更高的造斜率；④实钻轨迹较原设计位置偏左或偏右，则实际造斜点处的方位偏离了原设计方位，需要将二维的设计井调整为三维，在施工需要扭方位[5]。

图3 造斜点位置示意图

2.2 预弯曲钻具组合

预弯曲钻具组合通常是指在近钻头位置安装带有扶正器的预弯曲短节。狄勤丰等[8]通过建立预弯曲钻具组合的动力学模型进行了仿真模拟，该种组合是利用旋转钻进时钻具在井眼中的涡动，在钻头上形成规律性的侧向冲击载荷，且对井眼低边的冲击载荷最大，这种动态冲击载荷的不均衡性使钻具组合具有较好的防斜能力。同时能够释放钻压，较常规的塔式钻具、钟摆钻具等能有效钻进效率[8-13]。

在江沙320HF井使用塔式钟摆钻具+PDC钻头+螺杆钻进，采用低压吊打技术，为有效控制井斜，采用低压吊打钻进工艺，钻压控制在40～80 kN，转速为80～100 r/min，一开井段(209～2 250 m)最大井斜为1.09°，整个井段平均钻速为6.65 m/h。

在江沙320-1HF井中现场采用预弯曲钻具+随钻测量(MWD)技术：φ311.2 mm PDC×0.37 m+φ216 mm 1°螺杆×9.02 m+φ203 mm钻铤×4.50 m+φ308 mm扶正器×0.67 m+钻具止回阀×0.54 m+悬挂短节×0.87 m+φ203 mm无磁钻铤×9.28 m+φ203 mm钻铤×70.47 m+631×410×0.46 m+φ177.8 mm钻铤×82.21 m+旁通阀411×520×0.46 m+φ139.7 mm加重钻杆×73.60 m+φ139.7 mm钻杆。

在钻进参数方面，钻压较江沙320HF井在相同地层中提高了40～60 kN，一开井段(206～2 300 m)平均机械钻速达到了10.59 m/h，较江沙320HF井提高59%。测多点显示直井段在井深1 000.19 m井斜最大，为1.49°，井身质量符合设计要求。

2.3 直井段轨迹控制技术

在江沙320-1HF井在钻进过程中采用MWD随钻测量仪跟踪监测井眼质量参数，发现在200～1 200 m井段受地层倾角影响，井眼方位稳定在150°～180°，与江沙320HF井情况基本相同，且在井深1 287.95 m时井底位移达到22.05 m，闭合方位为165.46°，与设计闭合方位为68.86°相差较大，易造成造斜点较原设计轨迹位置滞后，不利于造斜钻进。因此本井根据MWD随钻测量仪跟踪监测数据，在井深1 287 m后调整钻具组合工具面，采用滑动钻进控制井斜和方位，提前拉开防碰间距并把井斜和水平位移控制在设计范围之内。

因此，为保障造斜段井眼轨迹平滑，良好地完成中靶要求，需要在直井段钻进中对井眼轨迹的优化控制。在一般钻进过程中，直井段钻进时井眼轴线的指向是不确定的，井底位移在小范围内波动，但是在一些高陡易斜区块，钻进过程中受地层造斜力的影响，井眼轴线的指向较稳定，即使井斜很小，也会引起井底位移朝着指向方位一直增大，对于丛式井的防碰控制以及后期的斜井段轨道设计造成较大影响，不利于控制全角变化率和斜井段井眼轨迹。在此提出应用预弯曲钻具防斜钻进，同时通过改变钻进方式控制井身轨迹的技术方法，减小起下钻进频次，提高钻进效率。

2.4 造斜段轨迹控制

造斜段又称为着陆段，是指从造斜点到靶点井段的控制过程，通常采用直-增-稳-增-平的五段制剖面。

在江沙320-1HF井中，造斜点位于上沙溪庙组，由于地层硬度大，可钻性较差，增斜较困难，需要采用较大角度的单弯螺杆，同时由于地层倾角影响，造斜点产生了相应的负位移，造斜时工具面需要逆时针调整一个小角度。造斜钻具组合：φ215.9 mm PDC+5LZ165×7-D 1.5°W 212+回压阀+411×4A10无磁变扣+φ165 mm无磁钻铤+4A11×410无磁变扣+MWD悬挂短节+φ127加重钻杆20柱+旁通阀+411×520+139.7 mm钻杆。

在开始造斜时采用控时钻进，根据返出新岩屑含量以及计算夹壁墙厚度，开始逐渐加压滑动增斜钻进。以滑动钻进为主，复合钻进为辅，全程采用单弯螺杆+MWD仪器监测。钻进过程中需要加强短起下钻作业，以便对井底岩屑有效清洁，确保井壁光滑。

在即将着陆时，由于储层薄且多，在实际的施工中为寻找主油气层进行了数次轨迹调整，加大了轨迹控制难度。

2.5 水平段轨迹控制

在水平段钻进时，由于钻具受重力与下井壁接触，具有较大的轴向和径向摩擦力，从而增加上下提放的载荷，易产生阻卡等井下复杂事故，因此在钻具选择上选用柔性的倒装钻具组合，有利于钻压的有效传递，并减少井下复杂情况的发生[14-16]。

由于钻具倒装后柔性增大，工具面控制十分困难，因此需要全程配合MWD无线随钻仪跟踪监测，采用控压技术进行水平段的穿越，根据油气显示不断进行轨迹的调整，如图4所示。

图4 江沙320-1HF井水平投影示意图

本井段采用的钻具组合：φ215.9 mm PDC+5LZ172×7-D 1.25°W 208+φ210尾扶+回压阀+411×4A10无磁变扣+φ127 mm无磁承压钻杆+4A11×410无磁变扣+MWD悬挂短节+φ127加重钻杆1根+φ127钻杆33柱+φ127加重钻杆59根+旁通阀+411×520+139.7 mm钻杆。

3 结论与建议

1)预弯曲钻具组合在中江回龙构造地区得到了很好的应用，该种钻具组合具有良好的防斜效果，能够适用于高陡及软硬互层等易斜地层，同时比塔式、钟摆等防斜钻具组合能够有效释放钻压，进一步提高机械钻速。采用预弯曲钻具组合+MWD随钻测量仪技术，通过调整钻具的工具面和改变钻进方式，对轨迹进行优化控制，可避免中途起下钻更换钻具组合，理论上可实现直井段一趟钻技术。

2)水平井的井眼轨迹设计应优选剖面、优化钻具结构，制定合理有效的钻井参数，应用相应的摩阻和扭矩的理论分析和评价模式，最大限度地降低摩阻及扭矩，及时预测井下复杂情况，避免卡钻、断钻具等恶性事故发生。

3)总结了在中江回龙构造区块合理的井眼轨迹控制方法。直井段采用预弯曲钻具组合+MWD随钻测量仪技术，保障井眼质量及偏移程度；造斜井段宜采用滑动钻进为主的钻井方式，根据造斜点位置合理扭转工具面，在着落进靶时应加强监测，以便根据储层情况调整轨迹；水平井段采用倒装钻具组合复合钻进为主，加强监测，微调勤调，控压钻进以便控制工具面。