三维井身轨迹精细控制成效分析

邓超，夏竹君，姚振河，曹鹏飞，李朝

中海油能源发展股份有限公司 工程技术深圳分公司（广东 深圳 518064）

0 引言

LFX-X油田位于中国南海珠江口盆地东沙隆起北部斜坡，1997年LFX-X油田正式投产，2009年因水下生产设备老化弃置。根据LFX-X油田开发方案优化研究结果，2021年决定重新部署4口开发井，全部采用水下井口生产系统。海上油气田部署井位受诸多因素制约，为了有效降低成本，并在有限的钻井设施空间内开采更多的油气资源，井身轨迹往往按高狗腿度三维反扭方位设计［1-4］。三维反扭方位井型一般要求在两柱60 m内完成反扭方位，给现场施工及防碰带来较大困难。井身轨迹LFXX-A1H井、LFX-X-A4H井（注：LFX-X-A1H井为中海油井名命名规则，其中LFX-X代表油气田标识，A代表井口区标识，1代表井序号，H代表井标识）设计为二维井，LFX-X-A2H井、LFX-X-A3H井设计为三维井（图1）。LFX-X-A2H井钻进过程中三维反扭方位井段狗腿度达7.75°/30 m，远远超过设计狗腿度3.80°/30 m［5］，造成后续钻井断钻具，延误了钻井时效。

图1 井身轨迹空间分布图

在分析LFX-X-A2H井三维反扭方位井段狗腿度超标的基础上，有针对性地制定并完善了相应的井身轨迹精细控制技术方法，在LFX-X-A3H井上实施效果良好，缩短了钻完井周期，为加快LFX-X油田的重新开发及投产提供了技术支撑。

1 三维井施工难点

1）当方位位于0°及180°附近正负10°内时，钻进过程中随钻测斜工具与地球磁力线平行或近似平行［6］，工具没有或较小切割磁力线，造成钻进时定向工具所测连续方位不准确。

2）钻具高速旋转过程中在反扭方位井段由于侧向力高于其他井段，对返出此段岩屑在井壁拍打形成堆积造成缩径情况，钻进时脱压严重，起钻困难，制约了钻井时效。

3）由于井间距较近，分离系数小，绕障过程中存在防碰风险，尤其是在老井地质资料、轨迹数据因年代久远、可信度不高的情况下，加剧了施工井防碰风险。

2 LFX-X-A2H井狗腿度超标原因及造成的后果

2.1 狗腿度超标过程

LFX-X-A2H井311.15 mm（12.25″）井段自井深835.0 m开始钻进，井段1 334.0～1 363.0 m钻进期间，造斜工具Xcel测得的动态连续方位出现在347°～358°波动跳跃的情况，由于方位已经扭至0°附近，分析连续测量方位不稳定是正常现象。划眼完后开始测斜，多次出现测斜参数超标，数据可信度差，决定继续钻进一柱后再补测轨迹数据。井段1 363.0～1 392.0 m钻进期间，造斜工具Xcel测得的动态连续方位仍然不稳定，在330°～350°波动（表1），钻至井深1 392.0 m后上提钻具补测轨迹数据，发现狗腿度最大7.75°/30 m（表2、图2）。

图2 LFX-X-A2H井近钻头PDXCEL及随钻TeleScope连斜图

表1 LFX-X-A2H井随钻连斜数据表

表2 LFX-X-A2H井定向作业指令表

2.2 高狗腿度形成原因

1）卡工具面，造斜工具Xcel钻进过程中可能出现卡工具面现象，未按目标指令工作，而是以100%力度在全力工作。

2）在0°连续方位不准确的井段扭方位，没有中途加密测斜，测斜不成功没有继续测斜，在没有掌握确切轨迹数据的情况下继续作业。

2.3 高狗腿度造成后果

发现狗腿度超标后，对井段1 340.0～1392.0 m进行划眼，试图对井眼轨迹进行修整。钻至井深1 782.97 m后，划眼提离井底至井深1 778.0 m发指令调整工具面，钻井参数异常，泵压由13.0 MPa下降至6.8 MPa，扭矩由25.8 kN·m下降至17.6 kN·m，悬重由131.6 t下降至127.9 t，定向井工具信号丢失，判断井下钻具异常。起钻检查钻具，发现203.2 mm（8"）液压震击器断裂，震击器下部及以下钻具落井，鱼头低高边处断口较为齐整（图3）。

图3 LFX-X-A2H井震击器端口断裂实物图

对井段1 340.0～1 392.0 m进行各种工况下钻具受侧向力及疲劳指数分析（图4、图5），井内钻具每10 m的侧向力小于90 t一般相对安全，对钻具基本无磨损，超过这个值就会对钻具产生磨损。图4所示高狗腿度井段1 312.9～1 370.6 m每10 m钻具的侧向力最高达到131 t，超过安全临界值，且是其上下相对低狗腿度井段钻具所受侧向力的1.5倍左右，钻具磨损严重。钻具疲劳指数小于0.5一般相对安全，不易产生疲劳，超过这个值钻具会产生疲劳。如图5所示，高狗腿度井段1 312.9～1 370.6 m钻具疲劳指数最高达到1.1，超过安全临界值，且是其上下相对低狗腿度井段钻具疲劳指数的2倍左右，钻具疲劳严重。最终钻具在侧向力及疲劳指数异常叠加的情况下，经过8.3 h划眼后再次施工仅仅37.7 h，进尺390.97 m，震击器就发生断裂，震击器断裂位置刚好在划眼修整井眼钻具组合中受力最薄弱的位置。

图4 LFX-X-A2H井钻具侧向力分析图

图5 LFX-X-A2H井钻具疲劳指数分析图

3 轨迹控制技术对策

为了有效避免后续待施工井在反扭方位井段出现局部高狗腿度的情况，通过前期施工井总结，形成了以下技术措施。

1）掌握清楚定向造斜工具Xcel的造斜率与工具力度之间的关系。充分利用在反扭方位之前岩性相似井段，通过调整不同工具力度，找出定向工具Xcel的造斜率与工具力度之间的关系。

2）活动钻具。加强井下工具状态的监测，在Stick/Slip值及震动值较高的井段，或发现旋转导向转动状态参数异常时，及时活动钻具释放有害能量，待定向工具状态值恢复正常后再继续钻进。

3）参数调整。钻进过程中如持续出现工具面转动不畅或者卡工具面现象，改变钻井参数，如降低钻压及转速，观察定向工具造斜能力，寻找最适合的钻井参数［7］。

4）老井轨迹数据复查。对不同大地坐标系统及不同测量方式获得的轨迹测斜数据认真复查，转换成同一坐标系统［8-9］。

5）加密测斜。扭方位至0°或180°附近过程中，记录连续井斜方位数据，必要时中途上提钻具加密测斜，若发现连续狗腿度偏高时，及时发指令遏制，防止产生高狗腿。

6）保持井眼清洁。钻进过程中根据振动筛返出岩屑形状及返出岩屑量，建议钻井液工程师交替泵入重浆、稀塞携带井筒岩屑；在反扭方位前增加一趟倒划眼短起下，最大限度保持井眼清洁。

7）优化井身轨迹。提前在反扭方位井段稳井斜，控制井斜不变，待反扭方位成功后再增井斜，以此来降低实际轨迹控制难度。

8）调整钻具组合。为了防止出现局部大狗腿的现象，在钻具组合中加入倒划眼扶正器。这种扶正器中部设有若干条螺旋带，在其各螺旋带上、下两端的工作面上分别设有若干个切削齿。增加了切削功能，能够在钻井作业过程中对井壁起到双向切削和修理井壁的作用，使井眼轨迹尽量达到理想状态，防止出现局部大狗腿的现象。特别是在起下钻过程中，由于井眼缩径等复杂情况导致起钻困难，该扶正器上的切削齿可以起到切削修整井壁的作用，可以解决井眼缩径等复杂情况。

9）加强沟通。保持与地质监督沟通，及时了解地层信息，掌握不同岩性与钻井参数、工具力度、狗腿度之间的关系［10］。

4 应用实例分析

LFX-X-A3H井311.15 mm（12.25″）井段BHA组合为311.15 mm（12.25″）PDC钻头+228.6 mm（9″）PDXce（l随钻导向工具）+209.55 mm（8.25″）ARC(随钻伽马、电阻率工具)+209.55 mm（8.25″）TeleScope(测斜工具)+209.55 mm（8.25″）SADN(随钻密度、中子孔隙度工具)+209.55 mm（8.25″）NMDC(无磁钻铤工具)+203.2 mm（8"）Filter Sub(滤网短节)+203.2 mm（8"）F/V(转换接头)+206.375 mm（8.125″）倒划眼扶正器+203.2 mm（8"）液压震击器。与LFX-XA2H井311.15 mm（12.25″）井段BHA组合相比增加了一根206.375 mm（8.125″）倒划眼扶正器。

LFX-X-A3H井311.15 mm（12.25″）井段自井深837.0 m开始钻进，在井深1 100.0 m前定向工具Steer手动模式下分别使用100%、70%、60%、50%工具力度钻进，分别获得6.5°/30 m(100%)、4.5°/30 m(70%）、4°/30 m(60%)、3.1°/30 m(50%)的狗腿度。综合数据后得到0.635°弯角Xcel造斜率与工具力度关系，按该井段设计狗腿度3.8°/30 m的要求（表3），后续主要使用60%和50%工具力度钻进，根据实际狗腿度交替使用以上两个工具力度，可以满足轨迹控制需要。

钻至井深1 626.69 m，为优化轨迹降低实际轨迹控制难度，三维反抠方位井段由设计的变工具面定狗腿度（工具面变化范围：45°～145°，狗腿度：3.8°/30 m）反扭（表3），优化为稳斜纯扭方位段（工具面恒定为：90°，狗腿度：3.8°/30 m）。自井深1 626.69 m开始，稳井斜51.37°左右扭方位钻进。根据前面井段钻进测斜数据，力度50%～60%钻进（表4）。

表3 LFX-X-A3H井设计井身轨迹数据

表4 LFX-X-A3H井随钻连斜数据

钻至井深1 848.0 m后，上提钻具静止测斜，测深1 828.17 m，井斜50.56°，方位349.15°，接近扭方位至0°附近，与钻井监督商量讨论后，建议短起下，为后续反扭方位提供有利条件。钻井液工程师泵入重浆6 m3，稀塞6 m3，循环清洁井眼后，倒划眼短起下至套管鞋内。

再次下钻到底钻进后，密切关注近钻头连续井斜方位变化，在稳井斜50.38°左右的情况下，方位由350°逐渐降至0°，后缓慢增加，及时上提钻具静止测斜，测深1 944.02 m，井斜54.46°，方位7.77°，证实测斜工具TeleScope测的井斜方位与近钻头定向工具Xcel基本一致后，缓慢增井斜、方位。最终顺利反扭方位，井身轨迹平滑且狗腿度未超标（图6、表5）。

图6 LFX-X-A3H井近钻头PDXCEL及随钻TeleScope连斜图

表5 LFX-X-A3H井定向作业指令表

5 结论

1）基于轨迹控制技术对策，可以有效解决钻井过程中三维反扭方位井轨迹控制技术难题。

2）LFX-X-A2H井三开钻井周期12.47 d（含通井、打捞落鱼6.01 d），进尺1 126.0 m；LFX-X-A3H井三开钻井周期4.73 d，进尺1 638.0 m。现场应用结果表明，使用精细轨迹控制技术后，LFX-X-A3H井缩短钻井周期73.93%。