油井定向井井眼轨迹控制技术的应用.docx

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油井定向井井眼轨迹控制技术的应用

油井丛式井组轨迹控制技术探讨

谌建奇 景小英

长庆油田定向井历来是我局油井钻井的主要战场，2005年钻井总公司完成进尺239.47万米，其中油井定向井完成进尺160.1万米，占任务总量的66.7%，这一领域钻井队多、生产任务重。

能否加快油井定向井的钻井速度，对钻井总公司的整体速度和效益都有极大影响。

为了加快定向井的钻井速度，通过对近两年钻井施工资料进行综合分析对比，结合长庆油田的基本情况和钻井技术难点，优化井身剖面设计和轨迹控制工艺，同时积极加强试验和推广新工艺新技术，挖掘潜力，以形成累积效应，提高长庆油井定向井整体钻井速度。

主题词：

 技术难点 优化井身剖面设计 轨迹控制

一、定向井井眼轨迹控制主要技术问题

易漏—洛河组存在水平裂缝和垂直裂缝，裂缝发育、裂缝通道的具有多变性，地层孔隙压力低，洛河地层的承压能力低,钻进中极易发生井漏。

易塌—直罗、富县组泥岩易吸水膨胀—垮塌，从而造成井壁不稳定。

易斜—黄土层与石板层交接面、洛河组下部易斜，常采用吊打防斜，钻井速度慢。

易漂移—延长组增斜率低且方位漂移大、规律难以掌握，定向一次成功率低。

井深质量要求高—陇东区块要求直增或直增稳剖面，油层埋藏深度超过2000米，0.3毫达西庄9、庄19井区要求中靶半径小于15米，井身质量要求高。

防碰难度大—由于滚动开发方案的实施，丛式井组不能按工程设的顺序进行施工，防碰绕障难度大。

施工效率低—造斜、扭方位主要依靠个人技术，区块分散且各井差异大，造斜施工效率低。

二、提高油井机械钻速的技术思路

（一）油井井眼轨迹控制的整体思路

1、西峰、白豹、白于山区块

（1）采用PDC钻头二开钻完安定以上地层。

（2） 用复合钻井实现一趟钻完成定向造斜、增斜作业。

（3）采用双扶及三扶钻具结构，力争三趟钻完钻，其他超过1700米的井，争取四趟钻完钻。

2、安塞、盘古梁区块

（1）采用单弯螺杆二开，一次复合钻进1000米以上井段，完成定向、增斜及调整方位作业。

（2）采用双扶及三扶钻具结构，力争实现二趟钻完钻。

（二）优化井身剖面设计

各区块地质分层有较大差别，除安塞区块环河、华池、洛河缺失，西峰、白豹、虎狼峁、白于山、盘古梁主要特点表现在：

1.环河、华池地层厚度约600米，如果在二开后直接进行复合钻进，螺杆使用时间相对其它区块会大大延长，同时地层主要为砂泥岩互层，可钻性较差，复合钻进机械钻速的提高并不明显。

2.洛河地层可钻性好，在该段进行复合钻进对螺杆和钻头的使用寿命都比较有利，该地层厚度一般为300-400米左右，能够满足造斜和增斜的要求，安定组地层虽然较硬，该地层方位漂移量较小，也比较适合转盘加螺杆进行复合钻进，该地层厚度一般约为150米，用一只钻头通过复合钻进完成造斜段和增斜段的施工，这两个地层总厚度500米，是进行复合钻进的合适井段。

3.直罗和延安、延长地层可钻性较差，在这些地层进行复合钻进，由于螺杆钻进稳斜钻具难以优选，通过滑动钻进反抠调整井斜属于低效施工。

通过以上分析，对井身剖面类型进行了优化设计，各区块剖面设计类型按以下3种方案进行优选推广：

小位移（A≤200m）

压低造斜点，提高造斜率和初始井斜角，减少增斜段和稳斜段长度，延长直井段长度，提高钻井速度，在造斜段完成以后，继续采用复合钻进技术，直至完钻。

此剖面方案在西峰区块已经比较成熟，已全面推广。

中位移（400m≥A≥200m）

造斜点上移至洛河组（900～1200m），按照位移大小适当调整造斜点，在造斜段和增斜段用Φ222mm钻头复合钻进，将复合钻进井段控制在400～500m，控制最大井斜25度左右，采用多稳定器完成下部稳斜段。

大位移（A≥400m）

上提造斜点至上部环河、华池地层。

二开用Φ222mm钻头复合钻进，至造斜点按设计方位造出2-3度左右井斜，采用相对高的钻压。

这种做法的主要目的在于在上部地层延长正向位移，通过上部井段将位移缩短100m以内，然后通过二次滑动完成井斜、方位调整。

在这一过程中要充分考虑洛河地层强降方位的地层特性，一般超前角取10～20度，其实质在于：

通过二开后的小幅度调整，利用800～1300m的小斜井段增加正向位移，将位移较大的井变成位移较小的井进行施工。

降低施工难度，提高钻井速度。

这一方案稳斜段设计井斜角18～20度。

后续井段采用双稳定器或多稳定器。

在优化剖面设计的同时，我们及时分析总结已钻井的规律，及时做到设计的细化：

⑴ 各钻井队由于钻具外径和内径不尽相同，增斜率有一定的差别，设计时应考虑差异，做到设计增斜率与实际施工相符。

⑵ 根据不同区块地层统计增斜率的差别，及时调整设计增斜率，以提高剖面符合率。

⑶ 根据位移不同，在控制最大井斜角的前提下，综合考虑稳斜段长度及不同地层的影响因素，进行剖面细化设计。

⑷ 根据单弯螺杆弯曲角度的不同，调整设计造斜率，提高剖面符合率。

设计时充分考虑地层自然方位的影响因素（如直井段自然方位、位移）使造斜点选择更加合理。

（三）采用上述剖面优点：

1、有利于丛式井组上部地层防碰打快和绕障施工

对于绕障作业的井，结合造斜点的上移减少直井段，复合钻井技术实现一套钻具组合完成部分直井段、绕障作业、定向、增斜井段，减少起下钻次数，提高速度。

2、提高部分地层的机械钻速

通过减少环河、华池、直罗等不适合定向造斜钻进的井段，增加适合定向造斜钻进的洛河地层段，同时由于上提造斜点，不考虑防斜打直，可适当强化参数，从而达到大幅度提高机械钻速。

3、有利于提高剖面符合率

在满足地质设计的前提下，结合地层特点对造斜点、造斜率、最大井斜角、稳斜段长度进行优选，选择在井斜、方位易控制、滑动钻进机械钻速相对较高的井段实施定向造斜，为实现安全顺利起下钻作业、完井电测创造良好的条件。

4、有利于减少定向造斜时间

一方面由于选择上部可钻性好的地层容易定向，可以减少定向纯钻时间；另一方面由于井斜角相对较小，从而缩短了定向施工时间，同时，由于较小的井斜角相对增加了稳斜段长度，有利于发挥复合钻进的优势，从而提高速度。

5、有利于提高螺杆使用寿命

由于在适合可钻性好、适合螺杆钻进的地层采用定向造斜钻进，机械钻速较高，纯钻时间短，同时，滑动时井斜小，滑动段短，可有效延长螺杆使用寿命。

（四）优化井身剖面设计优化剖面设计实施效果

2004年与2005年全年完成井数据对比表

时间

完井口数

平均井深（m）

钻井周期（d）

建井周期（d）

机械钻速（m/h）

定向一次成功率%

西峰

2004年

243

2110.9

15.08

19.13

13.92

28

2005年

275

2051.92

11.03

14.19

16.76

43.8

对比

32

-58.98

-4.05

-4.94

+2.84

+15.8

安塞

2004年

347

1510.65

7.00

9.67

22.20

80.34

2005年

276

1509.87

6.3

8.78

25.04

84.52

对比

-71

-0.78

-0.7

-0.89

2.84

4.18

靖安

2004年

289

1642.32

8.08

11.5

21.45

79.4

2005年

329

1841.16

8.87

12.13

20.33

86.23

对比

40

198.84

0.79

0.63

-1.12

4.83

三、丛式井组综合防碰工艺技术

丛式井防碰历来定向井钻井施工中重点和难点之一，在以往的钻井过程中，碰套管的事故时有发生。

2005年我们主要强调了以下的技术措施：

（一）、优选直井段钻具结构：

三种钻具结构：

塔式钻具：

Ф222Bit+Ф178DC×3根+Ф165NDC+Ф165DC×14根

塔式钟摆钻具：

Ф222Bit+Ф178DC×2根+Ф213Stab+Ф178DC×1根+Ф165NDC+Ф165DC×14根

复合导向钻具：

Ф215.9（222）Bit+5LZ165×（1.25-1度）+431×460（定向直接头）+Ф165NDC+Ф165DC14根

Ф222Bit+Ф172直螺杆+Ф165NDC+Ф165DC14根

φ222BIT+5LZ165（直）+431×460（2°-1.5°）+φ165NDC+φ165DC+461×410

（二）、表层应用复合钻井技术

安塞区块特别是在浅表层或者在川道井施工中，由于钻具悬重轻，不能有效地施加钻压，同时由于第四系黄土层覆盖浅、水力破岩作用差；而使用复合钻具后机械钻速可达120-130米/小时，因此，复合钻进技术在浅表层或者在川道井施工中更能得到充分的发挥。

钻具类型

井数（口）

总进尺（米）

平均井深（米）

纯钻时间（小时）

机械钻速（米/小时）

最大井斜数据

常规

242　

32290.06　

142.43

741．45　

43．55　

3．4　

复合

32

4106.22

128.32

56.5

72.68

1.5°

对比

210

28183.84

14.11

684.95

-29.13

1.9　

（三）、推广应用PDC钻头直井段防斜打直及快速钻进技术：

今年在西峰油田和靖安油田的23个井队,试验了16种型号PDC钻头，其中大港86MF281在盘古梁地区使用较为成熟，胜利P5263MF、石油大学BTMF506在西峰油田使用较为成功。

PDC钻头在西峰直罗组以上地层使用

型号

纯钻

时间

累计进尺

机械

钻速

钻速与邻井牙轮

钻头对比（％）

使用

口数

钻头

只数

备注

P5263MF-222.3

1326.7　

38255.41

28.83

32.03

51　

15

安定以上

P176MF-215.9

55

1735

31.54

39.89

2

1

安定以上

P5263MF-215.9

15.12

571.24

34.21

43.09

1

1

安定以上

P6266MF-215.9

17.4

540.48

21.17

41.33

2

1

延长组使用

P5465S-222.3

81.7

2893

35.39

38.12

4　

2

安定以上

BTMF506222.3

166.84

6000

35.96

41.58

9

1

安定以上

BTM114H-222.3

140

2668

19.06

31.11

2

1

钻至延长组

BTM506-222.3

240.48

4102.05

17.06

23.04

5

1

跨年使用，钻至延长组

BTM115-222.2

84.99

2171

25.54

23.77

4

1

使用了螺杆

合计

2204.24

60054.18

27.24

30.04

80

24

PDC钻头在白豹、盘古梁直罗组以上地层使用

型号

纯钻

时间

累计进尺

机械

钻速

钻速与邻井牙轮

钻头对比（％）

使用

口数

钻头

只数

备注

86FM-222.3

91.42

3565.13

38.99

28.45

4

1

安定以上

86kx225-222.3

84

3254.00

38.74

28.31

4

1

安定以上

BTM506-222.3

229

7139.59

31.17

25.12

7

2

安定以上

BTM115-222.3

72

1882.35

26.14

19.38

2

1

延长组使用

P5263MF-222.3

86.45

3647.87

42.16

30.33

4

2

安定以上

M5565-216

111

3325

29.95

23.97

3

1

钻至延长组

M5565A-216

294

7847.14

26.69

20.1

8

3

钻至延长组

合计

967.87

30661.03

31.64

25.30

32

11

PDC钻头分层机械钻速和直井段井斜对比表

地层

PDC钻头（米/小时）

三牙轮钻头（米/小时）

对比（米/小时）

直井段井斜

PDC

牙轮

环河

30.07

22.32

+7.75

0.57

1.05

华池

30.72

25.08

+5.64

0.92

1.74

洛河

31.69

27.31

+4.38

2.51

3.45

安定

20.11

13.25

+6.86

1.04

1.68

通过使用表明,PDC钻头有如下优点:

一是机械钻速明显高于牙轮钻头，特别是环河－华池组及安定组钻速大幅度提高;是西峰油田和靖安油田直罗以上地层的首选钻头。

二是采用转盘方式，较小的钻压（60-100KN）就可以取得高于牙轮钻头大钻压（160-220KN）下的机械钻速,有利于直井段的防斜打直;

三是采用低于牙轮钻头的泵压（5-6Mpa）、转速（二档）就可以取得较高钻速，机泵设备负荷小；

（四）、完善各项技术措施，杜绝两井相碰事故

1、优化工程设计：

依据障碍井的测斜数据，预设防碰绕障井的测斜数据，利用定向井软件进行最优化设计，确定合理的造斜点，并提出一个安全区域与钻井工程设计同时提供给井队。

2、精确绘制防碰图，发现防碰图有相碰趋势时及时下螺杆调整井眼轨迹，两井距离必须大于4米，井段越长防碰图两井距离应越大，由于个人读数的误差等，不能只看防碰图距离。

应综合各种情况，坚决杜绝不及时调整井眼轨迹，等待捞取砂样发现水泥，井下有异常声音，打开老井观察井口等做法。

3、及时巡井落实井队建立防碰岗位责任制和单井施工防碰技术措施，提高全员防碰意识。

4、坚持表层测斜，确保一开钻进开眼要直，严格控制表层井斜，表层钻进要求电台汇报测斜数据并及时上井巡查，对表层不按规定测斜或固完表层补测的井队，给技术人员予以重罚。

5、加强仪器效验，角单元每使用3口井技术公司校验一次，效验合格的发放使用，不合格的及时送修，确保了仪器精度。

6、丛式井组防碰直井段最近安全距离为4米，斜井段为8米，在防碰绕障施工过程中，干部大班和技术人员坚守岗位，有专人定时捞取砂样分析，出现蹩跳等异常情况立即停钻停泵，分析原因，确认不是相碰造成蹩跳的在恢复钻井。

7、由于在旧螺杆内测斜数据误差较大，要求在绕障施工中必须使用新螺杆进行施工作业；

四、斜井段轨迹控制技术

（一）双扶三扶钻具结构在轨迹控制的应用

1、双扶三扶钻具结构在虎狼峁、白豹区块的应用。

双扶增斜钻具组合：

Φ215.9（钻头）+（0.4米-0.6米）双母接头+Φ211-213刚性扶正器+Φ165无磁（配合上下保护接头9.7—10.5米）+Φ165DC一根+Φ208-211刚性扶正器+Φ165钻铤13根+Φ127加重钻杆。

双扶稳斜钻具组合：

Φ215.9（钻头）+（0.4米-0.6米）双母接头+Φ212-213刚性扶正器+Φ167—170DC1根+Φ165短钻铤3—5米+Φ209-211刚性扶正器+Φ165无磁+Φ165钻铤13根+Φ127加重钻杆。

三稳定器钻具组合在白豹区块经过两次入井试验，在该地区的两口大位移井中进行了应用，效果明显。

钻具结构见下表

井号

井段

钻进地层

下部钻具组合

方位变化

井斜变化

白206-27

819-

1538

洛河、安定、

直罗、延安

φ216SHK447G钻头+φ211稳定器1#+φ151无磁钻铤1根+φ211稳定器2#+φ167钻铤+φ208稳定器3#+φ165钻铤5柱

0.6/100米

-0.2/100米

白205-28

993-

1516

安定、直罗、延安

φ216SHK447G钻头+φ211稳定器1#+φ167钻铤1根+φ207稳定器2#+φ160无磁钻铤+φ210稳定器3#+φ165钻铤5柱

0.57/100米

0.57/100米

2、三扶钻具结构在西峰区块的应用

⑴多稳定器钻具结构试验思路

在定向井常规钻进过程中，下部钻具组合的力学性质是影响井眼轨迹最重要的可变因素，其力学性质主要取决于下部钻具的构成形式，主要决定因素有以下四个方面：

1）稳定器安放位置和个数

2）稳定器外径或稳定器与井眼的间隙

3）钻铤尺寸（刚度）和数量

4）稳定器类型

其中稳定器安放位置和个数最为重要，它是决定下部钻具组合类型（增.稳.降斜）的基本因素，改变上述因素不仅可获得不同类型的钻具组合，还可以获得属同一类型具有不同（增.稳.降斜）能力的多种钻具组合形式。

此外，下部钻具组合稳方位的能力，随稳定器的增多而增强。

在此理论基础上，参照定向井通用下部钻具组合，逐步摸索总结出适合长庆油田的多稳定器钻具组合。

⑵ 三稳定器钻具结构现场试验

1）稳斜钻具组合的选择

依据刚性满眼理论，减缓弯曲变形，在此理论基础上，我们试验了φ216mmBit+φ213Stab+φ168mmDC（≤5m）+φ213Stab+φ168mmDC1-2根+φ210Stab+65/8〞18根+5〞HWDP*6根+5〞DP钻具结构，具体使用情况见下表：

三稳定器稳斜使用统计表：

井号

地层

使用井段

段长

稳定器外径及棱中心至钻头底的距离（m）

井斜变化区间

方位变化区间

井斜变化率

方位变化率

下

中

上

董67-65

安定

1113.11-1244.5

131

214*

0.90

214*

5.7

212*17.5

22-

15

225-

225

-5.7

0

西31-024

安定

1224.34-1297

72

213*

0.95

213*

6.62

209*26.63

21-

19

294.4-293.3

-2.77

-1.52

桐27-26

环河洛河

331-743

412

212.5*0.9

213*

5.6

209*22.3

8.6-

1.5

88.8-

98.9

-1.72

2.45

平均

-3.4

1.66

通过以上三口井的试验，均出现不同程度的降斜情况，未能达到稳斜的效果，分析原因有以下3个方面：

●董67-65、西31-024所钻安定地层存在增斜率极低方位变化小的特点，应大胆尝试安定以下地层。

●桐27-26井中稳定器外径欠合理，应小于或等于下稳定器。

●1#和3#稳定器之间距离太近,2#稳定器对1#稳定器制约过大。

通过以上试验，基本得出以下结论：

●以上三种结构用于微降斜井段较为理想，但要注意２＃稳定器外径不得大于１＃，以免降斜率过高。

●中稳定器外径不宜过大，后期考虑外径可适当减小，以弱化中稳定器，达到增稳斜的目的

●适当加长中下两稳定器之间距离，以达到增稳斜的目的

●此钻具结构可减去3＃稳定器，演变为双稳定器钻具组合，用于完钻井段，减少完钻起钻的风险。

●减去3＃稳定器，演变为双稳定器钻具组合,在方位影响较小的情况下使用，其对方位控制能力明显减弱。

适当加长中下两稳定器之间距离钻具结构的试验，以达到稳斜的目的。

具体结构为:

φ216mmBit+φ213mmStab+φ168mmDC1根（9-13米）+φ213Stab+φ168mmDC1根+φ213mmStab+φ168mm18根+φ127mmHWDP*6根+φ127mmDP

调整三稳定器结构使用统计表：

井号

使用井段

段长

稳定器外径及棱中心至钻头底的距离（m）

井斜变化区间

方位变化区间

井斜变化率

方位变化率

下

中

上

桐29-25

1119-

1653

534

212*

0.9

211*

11.8

211*

22.3

30.3-

28.9

46.8-

57.3

0.26

1.78

董68-57

1468-

1678

210

213*

0.94

212*

12.72

211*

30.6

26.6~-

27.3

74.7~-

81.6

0.33

3.29

西31-024

1573.47-

2076.1

502.63

213*

0.9

213*

11.8

211*

22.3

31.2-

33.7

289-

304.6

-2

2.98

董68-56

1480-

1591

111

213*

0.94

213*

11.82

211*

30.6

18.4~-

16

150.9-~151.6

2.16

0.63

桐29-24

1067.-

1593.76

526.74

213.5*

0.9

212.5*

11.96

212*

22.91

26.8-

22.4

350.1-

348.82

-0.8

-0.2

桐30-25

1181.25-

1760.42

579.17

213.5*

0.9

212.5*

15.26

212*

25.76

13.82-

18.82

302.81-314

0.86

1.93

庄68-23

1383-

1641

258

212.5*

0.9

212*

13.35

211*

24.3

14--15.4-14

202-

205

0.543

1.163

庄73-26

1227-

1570

343

213*

0.9

212.5*

12.91

212*

23.2

27-32

20-

25

1.458

1.458

庄68-23

1860-2016

156

213*0.9

212*

14.8

210*

25.4

17.6-21

74-

83.5

2.18

6.09

从以上数据可看出，这种类型的钻具组合稳斜稳方位效果较理想，在使用过程中发现，同一钻具组合在不同地层不同钻井参数下，出现增斜稳斜降斜，最长钻进井段达622米，方位变化率仅为1.05。

，尤其是对钻井参数比较敏感，通过调整钻井参数，可有效地对井斜方位进行微调。

见下表：

桐30-25井三稳定器试验统计表

地层

测深

井斜

方位

钻压

转速

备注

直罗

1202

15.8

303.47

230

Ⅱ

φ222mmBit+φ213Stab+φ168mmDC1根*12.66米+φ213Stab+φ168mmDC1根+φ211Stab+65/8〞15根+5〞HWDP*6根+5〞DP

1250

16.93

304.74

230

Ⅱ

1298

17.6