(1) 井间距小, 防碰压力大。与页岩气“井工厂”开采模式不同, JS33-19HF平台设计6口井(3口定向井和3口水平井, 设计井口间距为5 m×8.9 m), 但为开发不同河道沉积的目的层, 设计造斜点垂深范围在500~2 300 m之间, 且井组设计方位在第一象限和第四象限, 造成整个井眼轨迹空间展布复杂, 必须考虑待钻井眼与所有已钻井眼的防碰工作。

(2) 井壁失稳严重, 井身质量难以保证。中江构造处于川西坳陷东坡与川中隆起过渡地带上, 构造应力大, 微裂缝发育; 加之蓬莱镇组、遂宁组及沙溪庙组地层的砂-泥岩互层频繁, 砂岩结构疏松, 泥页岩属于硬脆性泥页岩, 使得整个区块在钻井过程中均出现了不同程度的井壁失稳^[5-7], 给钻井施工带来极大困难, 严重影响了施工进度和井身质量。

(3) 水平段轨迹控制难度大。下沙溪庙组水平井下放摩阻高达600~800 kN, 扭矩32 kN·m, 使得工具面的摆放特别困难; 同时由于储层纵横向展布不均, 大部分井在水平段钻进过程中, 需多次调整轨迹来追踪砂体, 进一步增加了轨迹控制难度。

“井工厂”平台设计步骤如下:(1)取得真正井位坐标以及修正的地质目标后, 确定槽口分配方案; (2)利用地质设计的井位与靶点坐标初步设计井眼轨道; (3)将不同深度处测量的不确定椭圆叠加到井眼轨道上, 观测是否发生井碰; (4)表层井眼钻成并测量后, 根据实际井眼轨迹, 重新设计井眼轨道并进行防碰评估。基于上述原则, 优化了平台的井口-靶点平面布局、造斜点井深及各井钻井施工顺序, 优化后6口井的井口槽口坐标及轨道空间展布情况见图 1。

图  1  6口井的井口槽口坐标及设计轨道空间展布情况

Figure 1.  Wellhead notch coordinates of 6 wells and spatial distribution of designed trajectory

中江构造蓬莱镇组—遂宁组可钻性好, 但易井斜, 结合区块已钻井资料, 将前期塔式钻具组合“Ø311.15 mmPDC+回压阀+Ø228.6 mm钻铤×3根+Ø203.2 mm钻铤×6根+Ø 177.8 mm钻铤×3根+Ø139.7 mm钻杆”优化为“Ø311.15 mmPDC+Ø244.5 mm单弯螺杆(0.75°)+回压阀+Ø203 mm无磁钻铤+MWD悬挂+ Ø309 mm螺杆尾扶+Ø203.2 mm钻铤×6根+Ø177.8 mm钻铤×3根+Ø158.8 mm钻铤×3根+Ø 139.7 mm加重钻杆×6根+Ø139.7 mm钻杆”。该钻具组合配合KS1952SGR钻头和MWD仪器可实现机械钻速高、防斜效果好、直井段最大井斜角1.7°的目的, 而且还能根据防碰需要, 进行轨迹调整^[8-9]。根据防碰扫描数据, 待钻井JS33-57HF井设计井深2 134.25 m, 与已钻邻井JS33-21井最近中心距仅0.22 m; 该井在直井段施工过程中, 运用该套钻具组合进行绕障作业, 达到了井间防碰间距大于3 m的防碰要求, 其防碰扫描投影图如图 2所示。由图 3可知, 2012-2015年Ø311.15 mm井眼(直井段)已钻井的最大井斜角在1.1~2.4°之间, 平均机械钻速约6.6 m/h, 而2016年本井组6口井的最大井斜角仅1.7°, 平均机械钻速达到了16.7 m/h, 提高了153.03 %, 可见优化后的钻具组合在保证井身质量和井间防碰的同时, 还有效提高了机械钻速。

图  2  防碰扫描投影图

Figure 2.  Anti-collision scanning projection

图  3  本井组与区块已钻井指标对比分析

Figure 3.  Index comparison between this well group and the other drilled wells in this block

3.2.1增斜段轨道优化设计  中江构造设计剖面类型普遍采用“直—增—稳—增—平”剖面, 设计造斜率20~22(°)/100 m, 稳斜调整段长10~50 m, 靶前位移300~350 m, 水平段长700~1 300 m。该剖面在施工过程中存在如下问题:定向初期工具面不稳, 造斜率无法满足设计要求; 斜井段较长(约500 m), 易形成岩屑床, 滑动钻进“托压”现象严重, 机械钻速低(约0.8 m/h); 储层上部标志层不明显, 加上地层倾角的影响, 轨迹矢量入靶难度大。为解决现行“双增稳”轨道剖面在施工过程中存在的诸多问题, 降低施工难度, 提高井眼轨迹控制精度和定向效率, 以定向井相关理论和现场施工经验为基础, 优化设计出了一套在现有装备和技术条件下更容易实现的井眼轨道剖面, 见表 1。

表 1  “多增”井眼轨道剖面设计

Table 1.  Table1 Design of "multi-increase" borehole trajectory profile

3.2.2 JS207-2HF井井身剖面优化前后对比分析  JS207-2HF井钻井设计采用“直—增—稳—增—平”井身剖面, 设计造斜点井深1 889 m, 造斜率20(°)/100 m, 靶前位移314.07 m。在不改变JS207-2HF井钻井设计中井口坐标及靶点坐标的情况下, 运用本文提出的剖面设计思路, 对井眼轨道进行了优化, 见表 2。

表 2  JS207-2HF井优化井身剖面分段数据

Table 2.  Sectional data of optimized well diagram of Well JS207-2HF

优化后的井眼轨道剖面具有以下优点:

(1) 降低井斜44°以前井段造斜率, 缓解了因工具面不稳, 造成造斜率无法达到设计要求的情况。

(2) 取消稳斜调整段和提高44~70°井段的设计造斜率, 缩短了易形成岩屑床井段长度, 从而更有利于井下安全。

(3) 降低储集层盖层井段的造斜率, 可增加复合钻进段长, 提高机械钻速。

(4) 更有利于目的层垂深调整后井眼轨迹的控制, 保障目的层垂深大幅调整后井眼轨迹的圆滑和轨迹控制精度。

(5) 优化后井眼轨道剖面更贴合现场定向施工特点, 降低了轨迹控制难度, 提高了定向效率和井眼轨迹控制精度, 达到了优、快、精的目的。虽然设计造斜率达到了25(°)/100 m, 但对摩阻、扭矩及下套管作业等影响并不大, 见表 3。

表 3  JS207-2HF井口载荷情况

Table 3.  Wellhead loading of Well JS207-2HF

水平段轨迹控制的关键思想就是要“留有余地”。实钻井眼在竖直平面中是一条上、下起伏的波浪线, 钻头位置距靶框上下边界的距离是控制的关键; 动态监控则是贯穿水平段轨迹控制最重要的技术手段, 即通过动态井斜角及时计算已钻井段, 并与设计轨道进行对比, 分析钻头在靶框中的位置, 再根据变化井斜角趋势预测待钻井段与设计线的相关位置, 以确保顺利完成水平段施工^[10-15]。

JS33-19HF井组6口井中靶率100%, 井径扩大率均小于10%, 井身质量优质。此外, 采用“井工厂”模式进行施工, 节约了搬迁时间、搬迁工序, 从而节约了搬迁成本; 已钻井施工资料还能为待钻井准确找准目的层垂深和避免井下复杂等提供技术支撑。JS33-19HF平台实际钻井周期较设计缩短102.47 d, 钻井周期缩短率达34.62 %, 井组的平均机械钻速达9.41 m/h, 平均机械钻速提高54.1 %; 本井组的实钻技术指标见表 4。

表 4  JS33-19HF井组设计与实钻技术指标对比

Table 4.  Comparison between the designed technological indexes and the practical drilling ones of Well group JS33-19HF platform

(1) 通过优化槽口-靶点平面布局、造斜点井深及各井钻井施工顺序, 切实有效地减少了井场征地面积, 降低了井间相碰可能性和综合投资成本。

(2) 优选的“PDC+单弯螺杆+无磁钻铤+MWD悬挂+稳定器”下部钻具组合, 不仅能控制井斜角满足井身质量要求和提高直井段机械钻速, 还能根据防碰需要进行绕障作业。

(3) 现场应用表明“多增”井身剖面设计方法可有效降低轨迹控制难度、提高定向效率和井眼轨迹控制精度。

(4)“井工厂”钻井模式在中江气田的成功实施, 为进一步推广和完善“井工厂”模式在致密砂岩气藏的应用积累了宝贵经验。